基于分层机制的全IP车载网地址配置方案

李燕丽,王晓喃

(1.苏州大学 计算机科学与技术学院,江苏 苏州 215006;2.常熟理工学院 计算机科学与工程学院,江苏 常熟 215500)

0 概述

随着交通运输系统的快速发展和IPv6网络的不断普及与完善,车载网与IPv6网络之间实现全IP通信成为发展趋势[1]。全IP车载网能实时监控车辆,并通过事故预警、合理路线选择等手段有效降低道路交通事故数量及提高驾驶效率。为实现全IP车载网的应用,需要为车辆提供互联网服务。地址配置是互联网服务的重要组成部分,而车辆节点速度通常会影响地址配置,因此,减少地址配置延迟和地址配置代价是车辆获得高质量互联网服务的关键[2-3]。

在基于簇的地址配置方案[4]中,簇成员在簇内执行重复地址检测(Duplicate Address Detection,DAD),并同时实现不同簇的地址配置。在基于位置的地址配置方案[5]中,车辆节点通过全球定位系统获得用于构造地址的位置信息,并采用分布式DAD服务器执行DAD以确保地址的全球唯一性。但是,移动车辆节点很难为DAD服务器工作,而且为每个车辆节点配备全球定位系统成本较高。

在基于代理的地址配置方案[6]中,采用随机编码(ID)和时间戳来标识新节点。如果ID和时间戳相同的2个节点从代理节点请求地址,则代理节点无法区分这2个节点,并无法正确执行地址配置。地址配置方案通常采用邻居请求和邻居应答进行新节点和代理节点之间的通信,使用消息传递实现代理节点和网关节点之间的通信。由于代理节点必须存储这2种通信消息之间的映射,因此地址配置性能降低。在动态地址配置协议[7]中,IP地址结构由网络ID、节点ID和端口号组成。网络组织采用树结构形式,其中,中间节点有2个地址,叶节点有1个地址。新节点通过加入树结构获取IP地址,且在没有DAD情况下地址具有唯一性。基于树的动态地址自动配置协议[8]定义了3种节点:作为中继的普通节点,负责地址配置的领导节点和存储全部领导节点信息的根节点。根节点负责地址回收和网络合并,如果根节点出现故障或被移出网络,则网络无法正常工作。

在有状态分层的地址配置方案[9]中,采用分层寻址可减少地址配置期间的延迟。部分有状态地址配置算法在不需要泛洪和全局状态感知的情况下进行地址分配,使用节点分层配置地址将网络图构建为生成树。基于IPv6的车载网跨层移动性切换方案[10]提出车载网层次体系结构,该结构由路域、路段和簇3个层次组成。在该体系结构中,车辆节点选择最近的接入节点进行通信以减少通信延迟和地址配置代价。

文献[11]针对基于IPv6的城市车载网地址配置方案提出车域内和车域间地址配置算法。在车域内地址配置算法中,车辆通过最近接入节点实现与IPv6网络通信。在车域间地址配置算法中,车辆可以从接入节点接收从新旧转交地址发送的数据。在IPv6车载网中,车辆节点只有在获得唯一的IPv6地址后才能与IPv6网络节点通信,因此,IPv6地址配置成为IPv6车载网需要解决的关键问题[12]。由于车载网是一种特殊的移动自组网,因此IPv6地址配置协议[13-15]和现有的移动自组网IP地址配置方案[16-18]并不适用于IPv6车载网。此外,上述方案采用重复地址检测或者基于多跳访问的有状态分配策略来确保IPv6地址全球唯一性,因而增加了地址配置延迟。

针对上述问题,本文提出一种全IP车载网地址配置方案。采用由接入节点和车辆节点组成的全IP车载网层次体系结构以增强网络体系结构的稳定性,构建基于分层机制的IPv6地址结构,通过邻近接入节点和邻近车辆节点为车辆节点分配地址,使多个接入节点并行执行地址配置,以减少车辆节点地址配置延迟和代价。

1 IPv6车载网体系结构

1.1 IPv6车载网层次体系结构

IPv6车载网由接入节点和车辆节点组成,车辆节点通过接入节点与IPv6网络进行通信。1个车辆节点可以与多个接入节点相连。IPv6车载网层次体系结构如图1所示。

图1 IPv6车载网层次体系结构Fig.1 Hierarchical architecture of IPv6 vehicular network

1.2 IPv6地址层次结构

基于IPv6车载网层次体系结构,IPv6车载网的IPv6地址由位数为(128-i-n) bit的全局路由前缀、位数为ibit的接入节点ID和位数为nbit的车辆节点ID 3部分组成。其中,i和n由网络规模和车辆节点密度确定。接入节点的IPv6地址需预先设置,接入节点ID设置区域为[1,2i-1],车辆节点ID为0。车辆节点ID设置区域为[1,2n-1]。在IPv6地址中,1个接入节点以及从该接入节点获取的IPv6地址全局路由前缀均相同;1个接入节点ID只唯一标识1个接入节点,从该节点获取IPv6地址的接入节点ID相同;1个车辆阶段ID只唯一标识1个车辆节点。

2 IPv6地址配置

基于IPv6车载网层次体系结构和IPv6地址层次结构,本文采用分布式机制设计IPv6地址配置方案。车辆节点X在启动后,从邻近节点获取IPv6地址,无需执行重复地址检测即可实现地址全球唯一性。车辆节点IPv6地址配置包括车辆节点X从邻近接入节点AP1处获取IPv6地址、车辆节点Y从邻近车辆节点X处获取IPv6地址2种情况(i设置为16,n设置为48)。

2.1 从邻近接入节点IPv6地址的获取

车辆节点X侦听一跳范围内邻近接入节点的信标消息以获取全局路由前缀、接入节点ID和车辆节点ID,再按照以下步骤从邻近接入节点AP1处获取IPv6地址:

1)车辆节点X向邻近接入节点AP1发送Req_addr消息。

2)接入节点AP1接收到Req_addr消息后,将地址空间[L,U](L和U为正整数且L

3)车辆节点X接收到Rep_addr消息后,将地址L作为车辆节点ID,与接入节点AP1全局路由前缀、接入节点ID相结合生成唯一的IPv6地址以及可分配地址空间[L+1,U]。车辆节点X的IPv6地址配置过程如图2所示。

图2 IPv6地址配置过程示意图Fig.2 Schematic diagram of IPv6 address configuration process

2.2 从邻近车辆节点IPv6地址的获取

如果车辆节点Y邻近节点不包含接入节点,则车辆节点Y选择从具有最大链路连接时间的邻近车辆节点X处获取IPv6地址。车辆节点Y侦听一跳范围内邻近车辆节点X的信标消息以获取全局路由前缀、接入节点ID和车辆节点ID,再按照以下步骤从邻近车辆节点X处获取IPv6地址:

1)车辆节点Y向邻近车辆节点X发送Req_addr消息。

3 仿真与结果分析

在NS-3仿真平台[19]上将现有车载网分层地址配置方案(以下称为现有方案)[11]和全IP车载网地址配置方案(以下称为本文方案)进行对比,仿真参数设置如表1所示。以配置延迟和配置代价为度量指标。其中,配置延迟和配置代价分别以地址配置中需要消耗的时间和需要发送的消息总数作为评价依据。

表1 仿真参数设置Table 1 Simulation parameters setting

3.1 车辆节点速度对地址配置延迟和代价的影响

当车辆节点数量为250时,在不同车辆节点速度下现有方案和本文方案的地址配置延迟、地址配置代价分别如图3和图4所示。可见,随着车辆节点速度的增加,2种方案的地址配置延迟和代价均增加,本文方案的地址配置延迟和代价均比现有方案更低。这是因为随着车辆节点速度的增加,链路稳定性减弱,地址配置中断次数增加。在现有方案中,车辆节点通过分析车域间、车域内地址配置,并经过多跳获取IPv6地址后,需执行重复地址检测,地址配置延迟和代价较多;在本文方案中,车辆节点的地址配置通过分析邻近车辆节点,经过单跳获取IPv6地址,无需执行重复地址检测,且车辆节点从邻近接入节点和邻近车辆节点获取IPv6地址,链路稳定性较高,地址配置延迟和代价较少。

图3 不同车辆节点速度下2种方案地址配置延迟对比Fig.3 Comparison of address configuration delay between two schemes under different vehicle node speeds

图4 不同车辆节点速度下2种方案地址配置代价对比Fig.4 Comparison of address configuration cost between two schemes under different vehicle node speeds

3.2 车辆节点数量对地址配置延迟和代价的影响

当车辆节点速度为50 km/h时,在不同车辆节点数量下现有方案和本文方案的地址配置延迟、地址配置代价分别如图5和图6所示。可见,随着车辆节点数量的增加,2种方案的地址配置延迟和代价均增加,本文方案的地址配置延迟和代价均比现有方案更低。这是因为随着车辆数量的增加,网络流量增加,地址配置延迟与代价也增加。在现有方案中,车辆节点通过分析车辆间、车辆内地址配置,并经过多跳获取IPv6地址后,需要执行重复地址检测,地址配置延迟和代价较多;在本文方案中,车辆节点从邻近接入节点和邻近车辆节点获取IPv6地址,地址配置延迟和代价较少。

图5 不同车辆节点数量下2种方案地址配置延迟对比Fig.5 Comparison of address configuration delay between two schemes under different number of vehicle nodes

图6 不同车辆节点数量下2种方案地址配置代价对比Fig.6 Comparison of address configuration cost between two schemes under different number of vehicle nodes

4 结束语

本文提出一种全IP车载网地址配置方案,并建立全IP车载网层次体系结构和基于分层机制的IPv6地址结构。在此基础上,采用分布式机制IPv6地址配置方案,使车辆节点从邻近接入节点或邻近车辆节点处获取全球唯一的IPv6地址。仿真结果表明,该方案较现有车载网分层地址配置方案的地址配置延迟和代价更少。下一步将利用车辆节点自身资源进行地址配置,并在此基础上研究车载网路由通信切换,以减少地址配置延迟与代价。