高效软件定义车载网络关键技术研究

摘要

车载网是智能交通系统的重要组成部分。依靠车与车、车与路、车与人的通信，车载网可以优化出行路线，提高出行效率，减少尾气排放，提高交通安全。但是传统车载自组织网络采用分布式体系结构，车载路由器根据局部的网络拓扑信息选择最优路由路径。这种分布式的局部最优路由选择机制，会造成最短路径上的报文发送数量远超过其他路径上的报文发送量，进而导致链路拥塞情况的出现。为了解决分布式路由机制所存在的报文流分布不均衡问题，Ian等人首次提出了软件定义车载网的概念。软件定义车载网是把软件定义网络技术应用到车载网络中，通过将车载网中网络设备的数据转发平面与控制平面相分离，并且将控制逻辑集中到一个集中控制器上的方式，提供全局网络拓扑视图和集中的路由控制，优化路由性能，提高网络资源利用率。
　　目前，软件定义车载网的研究尚处于起步阶段，还有很多亟待解决的关键技术问题。如单控制器结构的性能瓶颈和单点失效问题；OpenFlow通信协议在车载网络环境中通信代价高的问题；多副本路由协议未能充分利用全局视图优势的问题；车载网络中无线链路不稳定造成的链路中断问题。本文对以上关键技术问题做了深入研究，设计了一个层次式的多控制器结构和一个基于地理方向的通信协议GeoFlow，并提出了一个协作式多副本路由协议Spray-and-Prey以及两个基于移动通信中继的链路中断修复机制。本文的主要贡献和创新点包括以下四个方面:
　　第一，本文针对单控制器结构存在的单点失效和可扩展性问题，提出了一个基于层次式多控制器的软件定义车载网络体系结构。该结构将网络划分为若干子网，并在每个子网中部署本地控制器来提高控制器系统对车载交换机请求的处理速度。本文还设计了控制器的切换机制和管理机制，分别用来以减少车载交换机在本地控制器之间切换的时间和在满足网络性能需求的前提下最大化地降低网络能耗开销。
　　第二，本文针对OpenFlow通信协议在软件定义车载网络中存在的通信代价高的问题，提出了基于地理位置方向的通信协议GeoFlow。GeoFlow通信协议以报文发送的方向作为报文匹配和分类的标准，延长了流表项的有效时间，降低了车载交换机向控制器请求报文转发规则的频率，从而减少了报文转发的通信开销。同时，GeoFlow协议还支持在车载交换机之间传递路由信息，减少控制器对报文的处理，降低报文发送延迟。
　　第三，本文针对现有车载网络中多副本路由无法充分利用软件定义车载网集中式控制优势的问题，提出了协作式多副本路由协议Spray-and-Prey。该协议利用集中式控制器的全局网络视图，从全局视角评估中继节点的报文转发效用，选取全局最优中继节点。同时设计了协作式副本选择机制，来及时删除发送延迟期望高的副本、优化副本质量。还设计了副本清除机制，在同一个报文的第一个副本到达目标节点后，快速清除该报文在网络中的其他副本以减少网络存储和带宽的开销。
　　第四，本文针对软件定义车载网中无线通信链路容易中断的问题，提出了基于移动通信中继的链路中断修复机制。本文设计了基于多无人机中继链的控制链路中断修复机制，通过控制无人机的移动最大化控制器和车载交换机的链路容量。本文还设计了基于多无人机中继网的数据链路中断修复机制，通过部署和控制无人机的移动，增加最少的无人机来维持软件定义车载网的全连通。

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