基于分層機(jī)制的全I(xiàn)P車載網(wǎng)地址配置方案

李燕麗,王曉喃

(1.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006;2.常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 常熟 215500)

0 概述

隨著交通運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展和IPv6網(wǎng)絡(luò)的不斷普及與完善,車載網(wǎng)與IPv6網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P通信成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。全I(xiàn)P車載網(wǎng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛,并通過(guò)事故預(yù)警、合理路線選擇等手段有效降低道路交通事故數(shù)量及提高駕駛效率。為實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P車載網(wǎng)的應(yīng)用,需要為車輛提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。地址配置是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的重要組成部分,而車輛節(jié)點(diǎn)速度通常會(huì)影響地址配置,因此,減少地址配置延遲和地址配置代價(jià)是車輛獲得高質(zhì)量互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的關(guān)鍵[2-3]。

在基于簇的地址配置方案[4]中,簇成員在簇內(nèi)執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè)(Duplicate Address Detection,DAD),并同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同簇的地址配置。在基于位置的地址配置方案[5]中,車輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)全球定位系統(tǒng)獲得用于構(gòu)造地址的位置信息,并采用分布式DAD服務(wù)器執(zhí)行DAD以確保地址的全球唯一性。但是,移動(dòng)車輛節(jié)點(diǎn)很難為DAD服務(wù)器工作,而且為每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)配備全球定位系統(tǒng)成本較高。

在基于代理的地址配置方案[6]中,采用隨機(jī)編碼(ID)和時(shí)間戳來(lái)標(biāo)識(shí)新節(jié)點(diǎn)。如果ID和時(shí)間戳相同的2個(gè)節(jié)點(diǎn)從代理節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求地址,則代理節(jié)點(diǎn)無(wú)法區(qū)分這2個(gè)節(jié)點(diǎn),并無(wú)法正確執(zhí)行地址配置。地址配置方案通常采用鄰居請(qǐng)求和鄰居應(yīng)答進(jìn)行新節(jié)點(diǎn)和代理節(jié)點(diǎn)之間的通信,使用消息傳遞實(shí)現(xiàn)代理節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通信。由于代理節(jié)點(diǎn)必須存儲(chǔ)這2種通信消息之間的映射,因此地址配置性能降低。在動(dòng)態(tài)地址配置協(xié)議[7]中,IP地址結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)ID、節(jié)點(diǎn)ID和端口號(hào)組成。網(wǎng)絡(luò)組織采用樹(shù)結(jié)構(gòu)形式,其中,中間節(jié)點(diǎn)有2個(gè)地址,葉節(jié)點(diǎn)有1個(gè)地址。新節(jié)點(diǎn)通過(guò)加入樹(shù)結(jié)構(gòu)獲取IP地址,且在沒(méi)有DAD情況下地址具有唯一性。基于樹(shù)的動(dòng)態(tài)地址自動(dòng)配置協(xié)議[8]定義了3種節(jié)點(diǎn):作為中繼的普通節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)地址配置的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)全部領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)信息的根節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)地址回收和網(wǎng)絡(luò)合并,如果根節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或被移出網(wǎng)絡(luò),則網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常工作。

在有狀態(tài)分層的地址配置方案[9]中,采用分層尋址可減少地址配置期間的延遲。部分有狀態(tài)地址配置算法在不需要泛洪和全局狀態(tài)感知的情況下進(jìn)行地址分配,使用節(jié)點(diǎn)分層配置地址將網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建為生成樹(shù)。基于IPv6的車載網(wǎng)跨層移動(dòng)性切換方案[10]提出車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由路域、路段和簇3個(gè)層次組成。在該體系結(jié)構(gòu)中,車輛節(jié)點(diǎn)選擇最近的接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信以減少通信延遲和地址配置代價(jià)。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)基于IPv6的城市車載網(wǎng)地址配置方案提出車域內(nèi)和車域間地址配置算法。在車域內(nèi)地址配置算法中,車輛通過(guò)最近接入節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信。在車域間地址配置算法中,車輛可以從接入節(jié)點(diǎn)接收從新舊轉(zhuǎn)交地址發(fā)送的數(shù)據(jù)。在IPv6車載網(wǎng)中,車輛節(jié)點(diǎn)只有在獲得唯一的IPv6地址后才能與IPv6網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信,因此,IPv6地址配置成為IPv6車載網(wǎng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[12]。由于車載網(wǎng)是一種特殊的移動(dòng)自組網(wǎng),因此IPv6地址配置協(xié)議[13-15]和現(xiàn)有的移動(dòng)自組網(wǎng)IP地址配置方案[16-18]并不適用于IPv6車載網(wǎng)。此外,上述方案采用重復(fù)地址檢測(cè)或者基于多跳訪問(wèn)的有狀態(tài)分配策略來(lái)確保IPv6地址全球唯一性,因而增加了地址配置延遲。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種全I(xiàn)P車載網(wǎng)地址配置方案。采用由接入節(jié)點(diǎn)和車輛節(jié)點(diǎn)組成的全I(xiàn)P車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,構(gòu)建基于分層機(jī)制的IPv6地址結(jié)構(gòu),通過(guò)鄰近接入節(jié)點(diǎn)和鄰近車輛節(jié)點(diǎn)為車輛節(jié)點(diǎn)分配地址,使多個(gè)接入節(jié)點(diǎn)并行執(zhí)行地址配置,以減少車輛節(jié)點(diǎn)地址配置延遲和代價(jià)。

1 IPv6車載網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 IPv6車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu)

IPv6車載網(wǎng)由接入節(jié)點(diǎn)和車輛節(jié)點(diǎn)組成,車輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)接入節(jié)點(diǎn)與IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。1個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)接入節(jié)點(diǎn)相連。IPv6車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IPv6車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical architecture of IPv6 vehicular network

1.2 IPv6地址層次結(jié)構(gòu)

基于IPv6車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu),IPv6車載網(wǎng)的IPv6地址由位數(shù)為(128-i-n) bit的全局路由前綴、位數(shù)為ibit的接入節(jié)點(diǎn)ID和位數(shù)為nbit的車輛節(jié)點(diǎn)ID 3部分組成。其中,i和n由網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和車輛節(jié)點(diǎn)密度確定。接入節(jié)點(diǎn)的IPv6地址需預(yù)先設(shè)置,接入節(jié)點(diǎn)ID設(shè)置區(qū)域?yàn)閇1,2i-1],車輛節(jié)點(diǎn)ID為0。車輛節(jié)點(diǎn)ID設(shè)置區(qū)域?yàn)閇1,2n-1]。在IPv6地址中,1個(gè)接入節(jié)點(diǎn)以及從該接入節(jié)點(diǎn)獲取的IPv6地址全局路由前綴均相同;1個(gè)接入節(jié)點(diǎn)ID只唯一標(biāo)識(shí)1個(gè)接入節(jié)點(diǎn),從該節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址的接入節(jié)點(diǎn)ID相同;1個(gè)車輛階段ID只唯一標(biāo)識(shí)1個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)。

2 IPv6地址配置

基于IPv6車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu)和IPv6地址層次結(jié)構(gòu),本文采用分布式機(jī)制設(shè)計(jì)IPv6地址配置方案。車輛節(jié)點(diǎn)X在啟動(dòng)后,從鄰近節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址,無(wú)需執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)地址全球唯一性。車輛節(jié)點(diǎn)IPv6地址配置包括車輛節(jié)點(diǎn)X從鄰近接入節(jié)點(diǎn)AP1處獲取IPv6地址、車輛節(jié)點(diǎn)Y從鄰近車輛節(jié)點(diǎn)X處獲取IPv6地址2種情況(i設(shè)置為16,n設(shè)置為48)。

2.1 從鄰近接入節(jié)點(diǎn)IPv6地址的獲取

車輛節(jié)點(diǎn)X偵聽(tīng)一跳范圍內(nèi)鄰近接入節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)消息以獲取全局路由前綴、接入節(jié)點(diǎn)ID和車輛節(jié)點(diǎn)ID,再按照以下步驟從鄰近接入節(jié)點(diǎn)AP1處獲取IPv6地址:

1)車輛節(jié)點(diǎn)X向鄰近接入節(jié)點(diǎn)AP1發(fā)送Req_addr消息。

2)接入節(jié)點(diǎn)AP1接收到Req_addr消息后,將地址空間[L,U](L和U為正整數(shù)且L

3)車輛節(jié)點(diǎn)X接收到Rep_addr消息后,將地址L作為車輛節(jié)點(diǎn)ID,與接入節(jié)點(diǎn)AP1全局路由前綴、接入節(jié)點(diǎn)ID相結(jié)合生成唯一的IPv6地址以及可分配地址空間[L+1,U]。車輛節(jié)點(diǎn)X的IPv6地址配置過(guò)程如圖2所示。

圖2 IPv6地址配置過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of IPv6 address configuration process

2.2 從鄰近車輛節(jié)點(diǎn)IPv6地址的獲取

如果車輛節(jié)點(diǎn)Y鄰近節(jié)點(diǎn)不包含接入節(jié)點(diǎn),則車輛節(jié)點(diǎn)Y選擇從具有最大鏈路連接時(shí)間的鄰近車輛節(jié)點(diǎn)X處獲取IPv6地址。車輛節(jié)點(diǎn)Y偵聽(tīng)一跳范圍內(nèi)鄰近車輛節(jié)點(diǎn)X的信標(biāo)消息以獲取全局路由前綴、接入節(jié)點(diǎn)ID和車輛節(jié)點(diǎn)ID,再按照以下步驟從鄰近車輛節(jié)點(diǎn)X處獲取IPv6地址:

1)車輛節(jié)點(diǎn)Y向鄰近車輛節(jié)點(diǎn)X發(fā)送Req_addr消息。

3 仿真與結(jié)果分析

在NS-3仿真平臺(tái)[19]上將現(xiàn)有車載網(wǎng)分層地址配置方案(以下稱為現(xiàn)有方案)[11]和全I(xiàn)P車載網(wǎng)地址配置方案(以下稱為本文方案)進(jìn)行對(duì)比,仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。以配置延遲和配置代價(jià)為度量指標(biāo)。其中,配置延遲和配置代價(jià)分別以地址配置中需要消耗的時(shí)間和需要發(fā)送的消息總數(shù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters setting

3.1 車輛節(jié)點(diǎn)速度對(duì)地址配置延遲和代價(jià)的影響

當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量為250時(shí),在不同車輛節(jié)點(diǎn)速度下現(xiàn)有方案和本文方案的地址配置延遲、地址配置代價(jià)分別如圖3和圖4所示。可見(jiàn),隨著車輛節(jié)點(diǎn)速度的增加,2種方案的地址配置延遲和代價(jià)均增加,本文方案的地址配置延遲和代價(jià)均比現(xiàn)有方案更低。這是因?yàn)殡S著車輛節(jié)點(diǎn)速度的增加,鏈路穩(wěn)定性減弱,地址配置中斷次數(shù)增加。在現(xiàn)有方案中,車輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)分析車域間、車域內(nèi)地址配置,并經(jīng)過(guò)多跳獲取IPv6地址后,需執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè),地址配置延遲和代價(jià)較多;在本文方案中,車輛節(jié)點(diǎn)的地址配置通過(guò)分析鄰近車輛節(jié)點(diǎn),經(jīng)過(guò)單跳獲取IPv6地址,無(wú)需執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè),且車輛節(jié)點(diǎn)從鄰近接入節(jié)點(diǎn)和鄰近車輛節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址,鏈路穩(wěn)定性較高,地址配置延遲和代價(jià)較少。

圖3 不同車輛節(jié)點(diǎn)速度下2種方案地址配置延遲對(duì)比Fig.3 Comparison of address configuration delay between two schemes under different vehicle node speeds

圖4 不同車輛節(jié)點(diǎn)速度下2種方案地址配置代價(jià)對(duì)比Fig.4 Comparison of address configuration cost between two schemes under different vehicle node speeds

3.2 車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)地址配置延遲和代價(jià)的影響

當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)速度為50 km/h時(shí),在不同車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量下現(xiàn)有方案和本文方案的地址配置延遲、地址配置代價(jià)分別如圖5和圖6所示。可見(jiàn),隨著車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,2種方案的地址配置延遲和代價(jià)均增加,本文方案的地址配置延遲和代價(jià)均比現(xiàn)有方案更低。這是因?yàn)殡S著車輛數(shù)量的增加,網(wǎng)絡(luò)流量增加,地址配置延遲與代價(jià)也增加。在現(xiàn)有方案中,車輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)分析車輛間、車輛內(nèi)地址配置,并經(jīng)過(guò)多跳獲取IPv6地址后,需要執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè),地址配置延遲和代價(jià)較多;在本文方案中,車輛節(jié)點(diǎn)從鄰近接入節(jié)點(diǎn)和鄰近車輛節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址,地址配置延遲和代價(jià)較少。

圖5 不同車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量下2種方案地址配置延遲對(duì)比Fig.5 Comparison of address configuration delay between two schemes under different number of vehicle nodes

圖6 不同車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量下2種方案地址配置代價(jià)對(duì)比Fig.6 Comparison of address configuration cost between two schemes under different number of vehicle nodes

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種全I(xiàn)P車載網(wǎng)地址配置方案,并建立全I(xiàn)P車載網(wǎng)層次體系結(jié)構(gòu)和基于分層機(jī)制的IPv6地址結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,采用分布式機(jī)制IPv6地址配置方案,使車輛節(jié)點(diǎn)從鄰近接入節(jié)點(diǎn)或鄰近車輛節(jié)點(diǎn)處獲取全球唯一的IPv6地址。仿真結(jié)果表明,該方案較現(xiàn)有車載網(wǎng)分層地址配置方案的地址配置延遲和代價(jià)更少。下一步將利用車輛節(jié)點(diǎn)自身資源進(jìn)行地址配置,并在此基礎(chǔ)上研究車載網(wǎng)路由通信切換,以減少地址配置延遲與代價(jià)。