一种基于LISP的软件定义车联网高效移动性管理方法

本发明涉及车联网技术，具体涉及一种基于lisp的软件定义车联网高效移动性管理方法。

背景技术：

1、车联网(vehicular ad-hoc network，vanet)是指车辆与车辆之间，车辆与基础设施之间相互通信组成的网络。由于车辆的高机动性，车辆与基站之间的频繁切换会影响车辆通信的稳定性，导致数据包的大量丢失、网络系统开销过大在过去的十年，物联网(internet of things,iot)引起了学术界和工业界的极大关注，而vanet作为物联网的关键分支已成为智能交通系统不可或缺的组成部分。当今vanet面临的一个关键挑战是如何在频繁移动和切换的场景下提供更低丢包率和延迟的高质量网络服务。以前的工作主要集中在移动管理上选择固定点或动态选择不同的转发点。然而这些解决方案中的大多数会导致三角形路由问题或产生大量信令开销，忽略了动态路由和信令开销的平衡。

2、在传统的移动性管理方法往往采用静态路由算法和传统的链路层协议，无法适应车联网络高速移动的需求，导致网络延迟高，同时缺乏对车联网络的管理，车辆之间的通信质量难以保证，导致通信中断和数据丢失。因此快速移动、拓扑结构变化和网络拥塞和干扰是高效的车联网移动性管理方案需要解决的问题。为了解决这些问题，车联网移动性管理系统需要具备高效的路由算法、无缝的切换方案、案以及拥塞控制和网络行为管理等技术。

3、与此同时，互联网在基础架构方面暴露出越来越多的问题，bgp路由表的增长问题更是被提入ietf工作日程。根据互联网结构委员会iab(internet architecture board)的报告，主要是以下几个因素导致了bgp路由表的迅速增长：多宿、流量工程和非聚合地址的使用。上述问题的根本原因在于ip地址的语义过载，即ip地址中包含着分别用于传输层和路由系统的身份标识和位置标识。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于lisp的软件定义车联网高效移动性管理方法，能够解决现有技术方案存在的三角路由、频繁配置ip地址和可扩展性差等问题，高效实现车辆与通信节点之间的不间断切换和稳定通信。

2、技术方案：本发明的一种基于lisp的软件定义车联网高效移动性管理方法，包括以下步骤：

3、步骤(1)、对sdn控制器和交换机进行初始化；

4、步骤(2)、根据车辆移动跨域的情况分为同一个sdn域内的基站间切换和处于两个不同sdn域的基站间切换，即域内切换和域间切换；

5、情况1、在同一个sdn控制域下，当前基站的通信覆盖范围与下一个基站的通信覆盖范围有重叠区域时，产生主动域内切换，具体方法为：

6、当车辆v远离前一个基站p-bs时，主动选择即将连接的新基站n-bs，sdn控制器对前一个基站p-bs和该车辆v进行解绑，并将基前一个站p-bs的缓存数据传输到新基站n-bs；接着由新基站n-bs绑定车辆v，绑定成功后，新基站n-bs将缓存数据返回给车辆v，完成主动域内切换过程；

7、情况2、在同一个sdn控制域下，当前基站的通信覆盖范围与下一个基站的通信覆盖范围没有重叠区域时，产生被动域内切换；具体方法为：

8、当车辆v驶入新基站n-bs所覆盖的区域时，新基站n-bs向sdn控制器发送相应报文；由sdn控制器更新车辆v与新基站n-bs的绑定信息；

9、情况3、在不同的sdn控制域下，当前基站的通信覆盖范围与下一个基站的通信覆盖范围有重叠区域时，产生主动域间切换；具体方法为：

10、当车辆v离开前一个基站p-bs时，基站p-bs根据车辆v主动发送的身份信息和跨域新基站n-bs标识符发送至其所在sdn域的sdn控制器，然后建立跨域数据传输隧道以及发送主动切换请求，跨域新基站n-bs所在sdn域的控制器进行车辆绑定和更新维护，车辆v在跨域新基站n-bs上注册绑定并接收缓存的数据，完成主动域间切换过程；

11、情况4、在不同的sdn控制域下，当前基站的通信覆盖范围与下一个基站的通信覆盖范围没有重叠区域时，产生被动域间切换，具体方法为：

12、车辆v离开前一个基站p-bs进入新基站n-bs区域后，主动向新基站n-bs发送对应报文，申请绑定注册；新基站n-bs向自己所在sdn域的控制器申请切换更新；新基站n-bs所在sdn域的控制器查找前一个基站p-bs所在sdn域的控制器，二者之前进行信息交接传输，完成被动域间切换过程；

13、步骤(3)、将网络划分为多个sdn域，并在域间建立多路径路由。

14、进一步地，所述步骤(1)sdn控制器和交换机初始化完成后，在每个sdn域中，单个控制器管理多个openflow交换机，在无线网络中，车辆通过单跳无线通信连接到支持openflow的基站；当即将进行切换的基站属于同一个sdn域，那么就会发生域内切换，反之，则产生域间切换。

15、进一步地，所述步骤(2)中情形1主动域内切换的具体过程为：

16、步骤1)、当车辆v远离前一个基站p-bs时，信号逐渐减弱，当信号强度小于阈值时，在无线链路上产生一个链路层l2触发器，然后车辆v主动选择即将连接的新基站n-bs，并向前一个基站p-bs发送l2报告，l2报告包括车辆v的唯一标识符v_id和新基站n-bs的标识符r_id；

17、步骤2)、基站p-bs接收到l2报告后，向所在sdn域的控制器发送取消代理绑定更新(dereg proxy binding update，dpbu)消息车辆标识符v_id和新基站n-bs的标识r_id，解除车辆捆绑，此时通信节点cn的数据存储在前一个基站p-bs中以降低丢包率，直到最终数据移交成功；

18、步骤3)、基站p-bs所在sdn域的控制器收到p-bs的解除绑定请求后，根据标识符v_id识别车辆v，然后替换车辆v绑定目录中基站的id，从而更新车辆v与新基站n-bs之间的绑定目录；

19、步骤4)、完成基站与车辆之间的绑定更新后，所在的sdn域控制器发送flowmod消息建立从边界网关到新基站n-bs的路由，并在两个基站之间建立隧道进行数据传输，使p-bs缓存的数据通过隧道传输到新基站n-bs；

20、步骤5)、当车辆v连接到新基站n-bs时，向新基站n-bs发送rs(routersolicitation)消息以请求绑定相关信息；新基站n-bs收到请求后，绑定车辆信息并返回ra(router advertisement)消息；绑定成功后，新基站n-bs将前一个基站p-bs发送的缓存数据返回给车辆v；

21、步骤6)、消息传输完毕后，完成主动域内切换过程。

22、进一步地，对车辆进行被动域内切换的具体过程如下：

23、步骤1)、当车辆v驶入新基站n-bs所覆盖的区域时，向新基站n-bs发送rs信息(包括v_id和rloc等)；

24、步骤2)、新基站n-bs接收到车辆v的rs报文后，向自己所在sdn域的sdn控制器发送带有rs报文和基站信息的pbu(proxy binding update)报文；

25、步骤3)、sdn控制器接收到消息后，根据新基站n-bs发送的v_id检索车辆相关信息，然后用新基站n-bs的标识符r_id替换原来与车辆v绑定的前一个基站p-bs的标识符，至此，车辆v与新基站n-bs的绑定信息更新完毕，sdn控制器将向新基站n-bs发送代理绑定确认(proxy binding acknowledgement,pba)消息作为回复；

26、步骤4)、车辆v与新基站n-bs绑定信息更新后，sdn控制器发送flowmod消息，建立从边界网关到新基站n-bs的路由路径，前一个基站p-bs通过隧道将数据转发到新基站n-bs,节点cn将数据转发到前一个基站p-bs或新基站n-bs，确保不丢失数据包；

27、步骤5)、然后，在接收到sdn控制器的响应后，新基站n-bs向车辆v响应ra消息，完成被动域内切换。

28、进一步地，对车辆进行主动域间切换的具体过程如下：

29、步骤1)、当车辆v离开前一个基站p-bs时，它产生l2触发器并向前一个基站p-bs发送l2报告，将相关数据信息(包括v_id和跨域的新基站标识符nb_id)打包并传递给前一个基站p-bs,前一个基站p-bs随后将该信息和dpbu发送给p-controller；控制器p-controller是指将断开的基站p-bs所在sdn域的控制器；

30、步骤2)、控制器p-controller接收到该信息后，根据标识符nb_id找到新基站n-bs所在的sdn域，并在两个基站p-bs和n-bs之间建立隧道进行数据传输；

31、步骤3)、此时，新基站n-bs所在的sdn域的控制器n-controller已经被获取，控制器p-controller向控制器n-controller发送切换请求hreq，其中包含相关数据信息(如v_id、r_id等)；

32、步骤4)、控制器n-controller收到hreq消息后，将车辆v的信息添加到车辆管理表中进行绑定和更新维护，然后将车辆信息中的rloc更新到n-sdn域，并向控制器p-controller发送确认消息hack；

33、步骤5)、车辆信息已经在控制器n-controller中绑定，由于lisp架构的特点，车辆的ip地址被划分为eid和rloc，控制器n-controller需要请求云数据库更新sdn_id和eid的映射表，这样即使sdn域切换，车辆位置也可以在sdn平台的控制下获取定位；

34、步骤6)、映射更新后，控制器n-controller发送flowmod信息，建立从边界网关到新基站n-bs的路由；接下来的步骤与主动域内切换相同，通过隧道将数据传输到新基站n-bs，车辆v在新基站n-bs上注册绑定并接收缓存的数据，车辆v与新基站n-bs成功连接后，可以继续与cn通信；

35、步骤7)、消息传输完毕后，完成主动域间切换过程。

36、进一步地，对车辆进行被动域间切换的具体过程为：

37、步骤1)、车辆v离开前一个基站p-bs进入新基站n-bs区域后，产生l2连接，车辆v向新基站n-bs发送包含v_id和rloc的rs报文，申请绑定注册；

38、步骤2)、新基站n-bs接收rs中包含绑定信息，将车辆信息以及id地址等将打包成pbu发送给控制器n-controller，向n-controller申请切换更新；控制器n-controller是指新基站n-bs所在域的sdn控制器；

39、步骤3)、控制器n-controller收到来自新基站n-bs的信息后，首先在系统中查找该信息中的v_id，此时控制器n-controller中没有车辆标识符v_id信息，因此控制器n-controller可知道车辆v是跨域切换的，并根据车辆ip地址中的rloc得到前一个基站p-bs所在sdn域的id，然后控制器n-controller将hreq信息发送给控制器p-controller，hreq包含相关数据信息(如v_id、r_id等)；

40、步骤4)、控制器p-controller接收到hreq信息后，根据v_id检索到车辆的绑定信息，并打包成hack信息返回给控制器n-controller进行确认，控制器p-controller在完成信息交接后删除车辆v的数据信息；

41、步骤5)、当控制器n-controller接收到hack信息后，在车辆管理表中输入车辆信息，进行车辆信息绑定，然后将车辆ip地址中的rloc更新为控制器n-controller所在的sdn域，并且向云数据库申请更新映射表，映射更新后，后续步骤与主动域间切换相同；

42、步骤6)、消息传输完毕后，完成被动域间切换过程。

43、进一步地，所述步骤(3)在sdn域间建立多路径路由的具体过程如下：

44、步骤(3-1)、确定网络拓扑，包括各个sdn域的边界交换机和控制器位置，为每个域分配唯一的标识符，例如sdn控制器的ip地址或控制器名称；

45、步骤(3-2)、在每个sdn域内部署sdn控制器，确保它们与网络中的交换机和路由器连接，控制器使用openflow等协议与网络设备进行通信；

46、步骤(3-3)、在每个sdn控制器中定义多路径路由策略，包括路由选择的规则和权重；其中将每个sdn域中的转发交换机视为一个网络节点si，n个转发交换机构成一个网络拓扑，计算路径带宽b(p)、路径时延d(p)和路径丢包率l(p)；

47、步骤(3-4)、结合路径带宽b(p)、路径时延d(p)和路径丢包率l(p)计算出路径p的权值q(p)；

48、步骤(3-5)、设置一个多路径路由算法；假设在初始状态下，网络拓扑图中所有节点之间不产生路径，多路径路由算法选择节点si作为起始节点，从si的相邻节点开始依次遍历网络拓扑图，直到节点si与所有节点之间产生路径；如果存在尚未用作起始节点的节点，则选择该节点作为起始点，并重复该过程，直到当前节点没有下一跳；

49、步骤(3-6)、算法计算出多路径表后，根据公式计算权重，并根据权重值设置优先级；当跨域选择路径时，如果该路径中有子链路被占用，则该路径将自动移动到下一个优先路径，依此类推。

50、进一步地，上述步骤(3-3)中b(p)，d(p)，l(p)以及q(p)计算公式为；

51、

52、

53、

54、

55、其中，b(p)min、d(p)min和l(p)min分别是链路允许的最小带宽、时延和丢包率。b(p)max、d(p)max和l(p)max分别是链路允许的最大带宽、时延和丢包率；α、β、γ为三个qos参数的权重因子，三者的取值范围为[0,1]，α+β+γ＝1。

56、有益效果：本发明利用lisp协议的特性来减少传统移动性管理中由于ip地址配置而产生的开销，引入基于sdn的多路径路由算法，建立多个sdn域，并配置域间路由，从而减少网络拥塞。此外，本发明通过实现sdn域控制器与云数据库之间的信息同步，实现了车辆的实时定位。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

57、(1)本发明使用数据平面与控制平面相解耦的sdn网络，对网络资源及路由策略的管理更加灵活，符合车辆高速移动的网络环境。并设计路由优化算法计算出最佳路由，利用最佳路由对车辆发送/接受的数据进行转发，提升网络利用率，防止网络拥塞。

58、(2)本发明设计一个新颖的移动管理方案，实现车辆在域间/域内两种情况下无缝切换基站。用位置/身份分离协议(lisp)协议取代传统的ipv6协议，通过分离ip地址的定位标示和身份标示来提高路由延展性和移动性，在不更改身份ip地址的情况下结合sdn网络实现实时定位车辆，减少切换开销。

59、(3)本发明提出一个详细的分析模型来评估方案的性能，例如切换延迟、信令开销、分组传递成本等。此外，本发明还通过大量仿真对性能进行了评估，结果表明本发明不仅大大改善了切换性能，而且提高了数据通信效率。