基于IPv6的網聯汽車和城市智能交通系統建設途徑與方法研究

溫熙華+劉彥斌+劉云鵬+程元暉+朱蕓+陳鵬飛

摘 要：文章研究基于IPv6網絡的網聯汽車和城市智能交通系統。利用IPv6下一代互聯網技術的優勢，結合交通控制技術以及大數據分析技術，提供了IPv6智慧交通系統的建設路徑和方法，為基于車聯網環境的新型城市智慧交通系統從IPv4網絡過渡到IPv6網絡提供了方法依據。

關鍵詞：智慧交通；IPv6；車內網；車聯網

中圖分類號：F253.9 文獻標識碼：A

Abstract： The model researched in this paper is an ITS based on IPv6 networks. Using the IPv6， transportation control and big data technology， it provides the method for the city ITS transit from traditional networks to IPv6 networks in the future.

Key words： ITS； IPv6； network； car networking

0 引 言

隨著國內交通行業的迅猛發展，伴隨著智慧交通終端的數據爆發式增長，智慧交通IP化是大勢所趨。以機動車為例，截至2017年3月底，全國機動車保有量首次突破3億輛，其中汽車達2億輛，并且以每年超過2 000萬輛的速度在增長。根據對車聯網的發展預計，到2020年，中國智能駕駛的市場規模將突破千億人民幣大關，智能網聯汽車的未來發展態勢十分明確，未來每個車載終端都會有一個獨立的IP地址，加上其他智能交通相關的終端，IP在智慧交通領域的消耗速度將會相當驚人。與此同時，隨著移動互聯網時代的到來，運營商和廠商將為用戶提供更多的智能終端，尤其是智能手機，未來智慧交通領域IP地址的需求量將是現有規模的成百上千倍。

目前使用最為廣泛的網絡協議IPv4有32位地址長度，理論上能提供1 600萬個子網網絡、40億臺主機，考慮到采用A、B、C三類編址方式后，可用的網絡地址和主機地址大為減少，目前IPv4的地址資源幾乎枯竭。IPv6是下一代互聯網網絡協議，其地址長度擴展至128位，是IPv4地址空間的1 600億倍。IPv6技術的出現為解決上述困境提供了可能。IPv6首先解決了地址的問題，第二它解決了管理性、安全性的問題。在智慧交通建設中，避免了將來智慧交通大規模應用暴露出的安全性、管理性的問題。如果應用網絡都是IPv6，每輛汽車、每一個智能交通的終端都可以分配一個網址，結合車內網汽車電子設備虛擬組網技術，可以更加方便、實時動態地看到每輛車在什么地方，路況怎樣，車內各個電子設備的運行狀況如何，這對智能交通的調度和民眾出行將起到重要作用，其可以在合理時間內擷取、管理、處理、并整理廣泛信息，幫助使用者更有效決策。其意義不僅僅在于由此可以掌握龐大的數據信息，而且能夠對這些有意義的數據進行專業化處理，是對交通信息資源進行分析利用的智能化。可以說基于IPv6技術的智慧交通系統是未來智慧交通建設的必然趨勢。

1 系統總體框架

由于IPv6幾乎不受地址數量的限制，因此它可以唯一標識每一個移動車輛、車內的控制單元和其他通信單元。此外，它具有提升網絡吞吐量、支持高速移動、高安全性和更好實現多播等特性[1]，因此IPv6技術是實現車聯網和智慧交通系統的信息采集和通信的基礎。針對IPv4/IPv6雙棧協議共存網絡環境的互聯互通問題，交通運行狀態監測準確性差、無法對交通信號進行主動控制、海量交通數據處理能力弱、車輛主動安全保障技術落后且不兼容IPv6、IPv6車內組網、IPv6地址規劃等難題，未來的基于IPv6的城市智慧交通系統，應該充分融合包括IPv4到IPv6過渡機制關鍵技術、基于IPv6的海量交通綜合信息大數據處理技術、交通出行監測及預測技術、降低交通延誤和提升交通管理效率的公眾出行誘導技術、節能環保高效和保障安全的交通出行智能化控制技術、智慧交通應用系統和終端的IPv6兼容性開發和升級改造、交通安全監測及預測技術等七大類關鍵技術，并通過完善的試驗系統和實驗評價體系，提高交通管理和控制的效率，改善智能交通系統的服務水平，最終建立一套環境友好型智慧交通系統，系統建設的路徑和框架體系見圖1。

2 IPv6過渡機制相關技術

雖然CERNET2（第二代中國教育和科研計算機網）早在2004年底就已經建成為全球最大的純IPv6網絡，基于IPv6協議的下一代互聯網輪廓已經逐漸清晰，但是現有的智慧交通平臺、網絡及其連接設備都支持IPv4，終端和平臺支持IPv6情況差，國家尚無硬性規劃，車載終端的IPv6技術要求的行業標準尚未出臺、車載終端入網不對IPv6做強制要求。車載終端具備產業鏈長（涉及芯片、操作系統、終端設備制造等各個環節），種類與數量眾多等特性，國內尚無典型的基于IPv6的車載終端，要想在短時間內完成從IPv4到IPv6的轉換是不切實的。所以IPv6必須能夠支持和處理目前智慧交通中IPv4的遺留問題，保證IPv4和IPv6具有互操作性，即實現網絡從IPv4到IPv6的平滑過渡。要想加快其轉化的進度，既需要進一步完善相應的核心支撐技術平臺，也需要新興應用需求的刺激和促進，所以解決過渡時期IPv6網絡的平滑問題是很有必要的[2]。

本系統研究基于IETF（Internet Engineer Task Force）的協議標準，根據智慧交通應用中對網絡的實時、無線、遠程、多屏幕、分布式等要求，分別針對智慧交通應用中原有的應用系統需要同時兼容IPv6/IPv4兩個并行工作的協議棧、智慧交通應用中原有的純IPv4終端和純IPv6終端之間需要互通，而原有的純IPv4終端又不適宜升級改造以及IPv6單獨子網的網絡節點與過渡時期IPv6/IPv4兼容網絡節點之間的負荷協議轉移等難點，可采用協議棧技術、網絡地址轉換/協議轉換技術和隧道技術，并將改造后的終端和平臺應用于智慧交通專網試驗。IPv6終端和系統改造技術方法見圖2，其中：endprint

（1）兼容性協議改造：兼容IPv6/IPv4兩個并行工作的協議棧；工作方式為：如果應用程序使用的目的地址是IPv4地址，則使用IPv4協議，如果應用程序使用的目的地址是IPv6地址，那將使用IPv6協議；如果應用程序使用域名來作為目標地址，則根據返回的DNS記錄類型來選擇相應的棧。

建議改造對象：基礎設施智能監控平臺、運載工具智能監控平臺、出行信息服務系統。

（2）網絡地址轉換/協議轉換技術改造：針對純IPv4終端且其不適宜升級改造；它一種純IPv4終端和純IPv6終端之間的互通方式，即原IPv4用戶終端不需要進行升級改造，所有包括地址、協議在內的轉換都由網絡設備（IPv6網關路由器）來完成。

建議改造對象：出租車服務管理系統、智能公交管理系統、營運車輛安全實時監控系統、長途客運聯網售票系統。

（3）隧道技術改造：針對過渡時期協議負載轉移改造；把能兼容的網絡節點跨接在不兼容的網絡上，在2個節點或2個終端設備之間用封裝協議的辦法來實現有效負荷協議的轉移，在隧道入口完成封裝，在隧道出口完成拆封，隧道技術在IPv4向IPv6網絡過渡初期是連接IPv6單獨子網的基本手段。

建議改造對象：物流公共信息平臺、長途客運智能調度系統、樞紐綜合管理與信息服務系統。

（4）智慧交通專網試驗改造：基于IPv6的核心路由器，與電信、聯通及移動的IPv6公網對接。

3 車內網IP化

未來的智慧交通系統還需考慮基于IPv6地址進行車內網IP化。本系統研究通過車載網關將原車CAN總線系統中的發動機電控單元、變速器控制單元、底盤控制單元、車身控制單元等節點進行虛擬化設計，使得外界可以通過IPv6地址訪問原車載CAN總線系統的各節點。同時將車載通信終端、視頻監控終端、影音娛樂系統等節點通過工業以太網相連，形成IPv6環境下的車內子網系統。車內網IP化示意圖如圖3所示。

車內網IP化的成果將為IPv6和工業以太網在車內大規模應用奠定基礎，同時也是實現車聯網的必要條件。

4 結束語

以IPv6為代表的下一代互聯網技術的廣泛應用是未來網絡發展的趨勢，開發基于IPv6技術的智慧交通系統是交通領域、汽車領域和互聯網領域的熱點。本研究系統基于IPv6技術的網絡汽車和智能交通系統開發方法和實現路徑做了積極的探索：（1）IPv4到IPv6的平滑過渡需要結合協議棧技術、網絡地址轉換/協議轉換技術和隧道技術，根據不同終端和系統的特點和網絡協議現狀進行改造；（2）車內網IP化是基于IPv6的智能交通系統的必要條件，通過虛擬組網可以使得車內節點實現聯網和數據互聯互通；（3）根據當前網絡技術和交通控制技術應用的趨勢，創新性地提出了基于IPv6的環境友好型智慧交通系統的建設路徑和框架體系。

參考文獻：

[1] 中國計算機學會. 中國計算機科學技術發展報告2006[R]. 北京：清華大學出版社，2007：148-158.

[2] Li Qing， Tatuya Jinmei， Shima Keiichi. IPv6詳解，第1卷，核心協議實現（英文影印版）[M]. 北京：人民郵電出版社，2009.

[3] 李穎華，侯自強. IPv6高級套接口的研究和實現[J]. 計算機工程與應用，2003（21）：19-22.

[4] 唐雄燕. 寬帶無線接入技術及應用[M]. 北京：電子工業出版社，2006.

[5] Joseph Davies. 理解IPv6[M]. 北京：清華大學出版社，2004：1-110.endprint