融合多路徑傳輸技術的移動車聯網傳輸機制研究

盧 偉，李沁穎

（江西科技學院信息工程學院，江西南昌 330098）

0 引言

隨著移動車聯網技術的快速發展和無線通信技術（如Bluetooth、5G、WiFi 等）的大規模應用，越來越多的車載節點開始配備多個不同標準的網絡接口，實現多網絡同時接入，為車載應用提供了更加高質便捷的數據傳輸體驗，以滿足車載應用娛樂通訊需求，同時也給網絡傳輸服務帶來了新的挑戰。移動車聯網在高速運行的車載節點中，由于網絡拓撲高度變化和無線鏈路帶寬限制，受限于傳統“固化”和“靜態”的數據傳輸機制，鏈路中斷和數據包丟失時常發生，降低了車聯網網絡通信質量［1］。因此，如何有機地融合車聯網多種無線接入技術，合理地利用異構無線網絡資源，有效地提高終端數據的傳輸服務質量是未來移動車聯網優化的必然趨勢［2］。國際互聯網任務工程組（Internet Engineering Task Force，IETF）于2013 年發布了多路徑傳輸控制協議標準（MultiPath TCP，MPTCP）［3］，其目的是允許傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）連接使用多個路徑，實現最大化信道資源使用。該方案逐漸得到了蘋果、三星、華為等企業的廣泛認可及采用，因此愈發成熟的MPTCP 憑借其傳輸優勢成為當下研究熱點。本文在MPTCP 的傳輸特點啟發下，探究了一種融合多路徑并行傳輸的移動車聯網多路徑傳輸機制，為現有移動車聯網適應未來傳輸服務需求的演進提供優化思路［4］。

1 移動車聯網現狀

為了大力發展汽車智慧產業，我國政府先后印發了《推進“互聯網+”便捷交通促進智能交通發展的實施方案》［5］《車聯網（智能網聯汽車）產業發展行動計劃》［6］等一系列智能網聯汽車發展規劃。可見，智能網聯汽車成為關聯眾多重點領域協同創新、構建新型交通運輸體系的重要載體，而移動車聯網是智能網聯汽車終端通信的紐帶，滿足了智慧出行的基本要求。但是，車載終端如何在高速行駛過程中合理有效地利用移動車聯網無線網絡資源，提高移動車聯網在移動場景下的傳輸服務質量，依然是當前國內外學術界研究的重點［7-10］。

在“智慧出行”理念引導下，車載設備逐漸配備了多個網絡接口，以滿足其安全駕駛、自動輔助駕駛以及車載娛樂等多樣化的用戶需求。但是，移動車聯網本身是由一組移動或固定的無線節點組成，節點具有高速運動無規律且鏈路不穩定等特點，使得現有的車載系統數據傳輸機制效率低下。并且，現有傳統通信機制缺乏對設備多網絡接口特性的考慮，忽略了車載節點可優化傳輸服務的潛質。針對上述問題，國內外學者對車聯網通訊進行了廣泛討論［11-14］，劉委等［15］設計一套基于物聯網的運輸信息服務系統，該系統架構優化需在底層重構以實現平臺兼容性；龍銀江等［16］提出一種基于網絡切片的車聯網聯合資源分配算法，該方案針對V2I 下行鏈路不同文件傳輸的差異化服務質量需求，以優化系統車輛下載文件平均時延為目標，在一定程度上滿足了車載應用傳輸服務差異化傳輸需求，但是該方案仍未實現并行數據傳輸，未能充分發揮車載節點的傳輸特性。因此，如何通過移動車聯網保障車載節點高質高效且穩定地并行通信是未來車聯網中的關鍵問題。

2 多路徑傳輸技術

MPTCP 協議是傳輸控制協議的擴展，其主要思想是借助多宿主終端多網絡接口能力，使終端設備能夠同時接入多個網絡并行傳輸數據，實現多條鏈路的帶寬資源擬合，從而提高應用數據傳輸速率，并且最大化網絡資源利用率。同時，MPTCP 借助標準的TCP 接口隱藏多路徑接口，實現對應用層的向上兼容，即應用程序不需作任何更改即可使用MPTCP 實現多路徑并行傳輸［17］。

MPTCP 技術旨在研究如何利用多宿終端之間多條鏈路進行數據并行傳輸，實現鏈路帶寬擬合、網絡負載均衡以及路徑動態切換，有效提升網絡傳輸性能［18-19］。因此，在并發多路徑傳輸機制支持下，MPTCP 為高速移動的車載節點在移動車聯網傳輸服務中的性能改進、帶寬聚合和容錯等應用場景優化提供了可能。例如，在車聯網傳輸調度方面，為了實現應用數據并行傳輸，MPTCP 允許在車聯網連接中同時建立多個子流連接，并通過擁塞均衡的路徑機制實現對子流資源的有效管理，為實現車聯網應用數據的并行傳輸和保證各子流之間的公平性提供了潛力［4］。

3 融合多路徑傳輸技術的移動車聯網傳輸機制

引入先進傳輸技術，提升現有車載設備通信性能，是移動車聯網未來發展必然趨勢。MPTCP 與現有移動車聯網融合，為車聯網處理大規模車載應用數據，如流媒體、交通控制等實時性、交互性和個性化車載應用提供可能，如圖1 所示。它可以有效發揮車載設備的多宿主特性，通過擬合車聯網鏈路帶寬，實現車載節點數據并行傳輸，提高移動車聯網傳輸性能。

Fig.1 Based-MPTCP mobile Internet of vehicles system architecture圖1 融合MPTCP 的移動車聯網系統架構

3.1 移動車聯網多路徑并行數據傳輸步驟

融合MPTCP 的移動車聯網主要通過以下步驟完成數據并行傳輸：

（1）建立車載節點和車聯網通訊連接。移動車聯網的MPTCP 連接與標準TCP 一致，通過3 次握手機制規則建立連接。

（2）新增車載節點子流連接。在步驟（1）建立的MPTCP 連接中，利用MPTCP 允許同時建立多條鏈路并行傳輸的特性，充分發揮車載節點多宿主接口優勢。即同時建立多條和通訊網絡相連的傳輸子流，子流連接建立和MPTCP 連接建立過程相似，只是將MPTCP 建立連接時的選項變成MP_JOIN，用于標識當前操作是添加子流。子流建立后，當高速運動的車載節點出現當前鏈路通訊不佳狀況時，可以通過路徑切換機制無縫切換成其它鏈路繼續完成數據傳輸，且無需重新傳輸之前中斷鏈路傳遞的數據包。

（3）車聯網數據包傳遞。融合MPTCP 移動車聯網數據包傳輸依然采用標準TCP“按序提交”原則，并新增子流管理機制和擴展TCP 的重傳機制及擁塞控制機制。

（4）關閉連接。MPTCP 將數據傳輸完成的信息通知給接收端后，每個子流通過標準TCP 協議的FIN 選項關閉連接。

3.2 主要優勢

融合MPTCP 的移動車聯網具有以下優勢：

（1）可靠的傳輸性能。由于MPTCP 實現了多路徑并行傳輸，可以充分利用車載設備配備的多網絡傳輸接口，同時并發傳輸數據，能夠在高速移動的車載節點發送鏈路故障時，重新分配資源，快速修復數據傳輸，進而提高車輛通信的可靠性。

（2）靈活的鏈路無縫切換。移動車聯網屬于高速移動的無線網絡，車載節點在行駛過程中會頻繁切換接入信號，從而導致連接失敗的情況時常發生。融合MPTCP 的移動車聯網具備MPTCP 的多宿主、多流特性，在接收端和發送端之間建立了多條傳輸鏈路，路徑切換機制會根據傳輸鏈路質量實現車聯網鏈路無縫移動切換，能有效減少路徑切換對車聯網傳輸通訊吞吐量的影響。

（3）兼容性和擴展能力。融合MPTCP 的移動車聯網對外通過TCP 承接應用層，使得該技術部署無需額外修改車載設備軟硬件程序，新接入設備只要支持傳統傳輸協議即可便捷接入，兼容性強。

4 融合MPTCP 的移動車聯網應用前景

融合MPTCP 的移動車聯網能夠支持車載系統實現傳輸鏈路無縫切換及數據包動態調度，有效提升現有移動車聯網的傳輸性能。MPTCP 通過每個子流同時傳輸數據，能夠聚合帶寬并提高其容量，為車載節點通信提供有力支撐，使得移動車聯網可以同時建立多條通訊鏈路，更好地促進車載系統穩定、高效運行。同時，MPTCP 對外承接使用標準TCP 接口，隱匿了MPTCP 多子流接口，實現了對應用層的透明性，新老車載設備無須調整即可直接將其融入車聯網系統，發揮多路徑并行傳輸性能優勢。

5 結語

隨著車載設備的網聯化，人們對內容豐富、實時性強以及安全性穩定的車聯網內容服務（如流媒體服務、安全控制服務）需求越來越高。本文提出融合MPTCP 的移動車聯網傳輸機制，旨在為未來車聯網傳輸性能優化提供有益參考。為了進一步驗證該思想，研究組正著手搭建基于NS2［20］的網絡仿真平臺，對融合MPTCP 的移動車聯網傳輸性能作進一步探究，為MPTCP 協議在移動車聯網的實際部署及應用打好基礎。