车载通信系统的协议

VENET 网络
特点：
具有ad hoc的基本特点：无中心和自组织性，动态 的拓扑网络，多跳路由，无线传播，移动终端便携 ，安全性差 具有自身的特点： 1 节点高速移动，拓扑结构变化快，路径寿命短 2 节点移动具有一定的规律性 3 无线信道质量不稳定，受到多种因素的影响 4 GPS和电子地图相结合，利用路径规划功能，使 路由策略的实现变得更为简单
持联系，若在一段时间内没有收到“Hello”报文，则认 定为链路断。例如当结点X、Y之间链路产生断路使数据 无法通过此条链路传至信宿，则结点X会产生RRER报文 向信源报告此情况。RRER通过广播形式传送，维护路由 表的结点收到此报文会更新路由表（将X、Y间的路由设 成无效），并转发RRER报文 • 只有当某节点位于某活跃路径之上时，它才能发送Hello 消息帧
• ad hoc 网络的线性特性可以优化IVC系统的协议
车载网络通信系统结构示意图
车载通信系统的典型问题
1 由于组成网络中的节点具有高度的移动性 ，因此网络拓扑改变的非常快，节点之间 的连接经常断开，不存在专用的路由设备 ，如何增强路由协议的稳健性和提高车载 通信系统的的质量成为VANET的一个重要 研究
• V2V 通信使车辆能够通过多跳的方式进行自动互 联，起到车辆运行的安全和疏导交通流量的作用 。
• V2I 通过路灯、加油站等作为接入点的网关，连 接到其他固定或移动通信网络上，如根据车辆运 行情况在交叉路口调度信号灯，路边加油站及服 务区向车辆提供服务等，应用开展有赖于路边设 施，投资比较大
IVC系统的线性特性 •
车载通信系统的典型问题
• 2 信道接入问题
• 车载自组网的无线通道是多跳共享的多点 信道，信道接入技术控制节点如何接入无 线信网络互连问题 • 网络固有的大规模性，很难保证网络的连
通性，要处理网络分割问题。
• 4 Qos保证，自组网中需要传输实时性信息 ，对带宽、时延、和时延抖动都提出很高 的要求
• 中间节点
• 如果中间节点路由表中记录的到目的节点的路由有效，并且记录的目 的节点的序列号比RREQ中的目的节点序列号更新（大于或者等于） ，则该中间节点可以产生路由应答帧。如果该中间节点不产生应答帧 ，更改RREQ中的目的节点序列号至当前最大，跳数字段加1，然后 转发
• 目的节点
• 目的节点的序列号加1
的路由表
路由请求发起流程图
路由表字段
• 目的节点IP地址 • 目的节点序列号（Sequence Number） • 目的节点序列号有效标志位 • 下一跳节点IP地址 • 本节点到达目的节点的跳数 • 前驱节点列表（precursor list） • 生存时间（路由失效或删除时间） • 网络层接口 • 其他的状态和路由标志位
路由错误控制 • 路由错误帧格式：
RERR路由错误帧
• 以下情况发生时，则广播RERR路由错误帧： 1 一个节点检测到与一个邻居节点的链路断裂（即该
邻居节点不可达） 2 节点收到一个数据包，而该节点路由表中没有指向
数据包指定的目的地址的有效路由，并且该路由并 非处于修复状态 3 节点收到来自邻居节点的RERR路由错误信息帧， 该帧可能指示多个目的节点不可达
各自指向目的节点的路由信息 • 节点只对第一次收到的RREQ发送RREP应答帧，之后到
达的RREQ将被忽略
路由发现和维护
• 路由发现过程 • 广播RREQ路由请求帧 • 中间节点更新各自到源节点的路由表 • 如果收到RREQ的节点不是目的节点，并且没有到达目的
节点的更新的有效路由，则转发该RREQ • 中间节点维护指向路由发起节点（源节点）的反向路由 • 目的节点或存在到目的节点有效路由的中间节点产生
RERR 转发处理
建立受到影响的目的节点列表： 建立不可达目的节点列表，包括不可达的邻居节点 和以该节点为下一跳的目的节点（如果有的话） • 列出需要接受该RERR信息的下一跳节点列表 • 更新路由信息 • 向列表中的每个节点发送RERR路由错误信息，通 知路由上游节点
• N6和N7之间发生断路，此时，N6会广播 RRER报文，维护路由表的节点收到此报文 后会更新路由表，将N6和N7间的路由设为 无效，并转发RRER报文，图中N6将RRER 报文广播至N2，N3
• 当RREQ在网络中传播时，中间节点会更新各自到源节点 的路由，我们称此路由为反向路由
• RREQ请求帧中包含源节点以前记录的到目的节点的序列 号，但此序列号可能不是最新的（最大的）
• 中间节点如果有到目的节点的路由时，只有该节点记录的 目的节点序列号比RREQ中的目的节点序列号更新（更大 ）时，才认为这条路由是有效的
• 路由请求帧RREQ
路由响应
• 路由响应帧RREP
RREP应答帧
• 当RREQ最终到达目的节点时，目的节点通过向该反向路 由（即该RREQ传播路线）发送RREP应答帧，从而在该 条路径的各个节点建立通向目的节点的前向路由
• 只有在以下情况下节点才会产生RREP: • 该节点本身就是目的节点 • 该节点为中间节点，但是它有通向目的节点的活跃路径 • 当RREP传播到源节点时，中间节点根据该RREP更新它们
按需路由协议(AODV)
• AODV是为快速移动自组网（MANET）设计的 数据包路由协议
• 较适用于有大量节点的无线自主网络 • 按需路由协议，只有当到达某目的节点的路由不
存在时才会激活该协议发起路由请求 • 使用节点序列号机制避免环路产生 • 传输层使用的是UDP协议 • 网络各节点使用IP地址统一编址 • 每一个节点维护一个包含到达目的节点路由信息
• 当RRER传至信源后，信源得知原传输路径 由于N6和N7的链路断开，重新发送路由请 求，广播RREQ，并最终找到新的传输路径
• 路由方法AODV的优缺点 • 优点 • 1、基于传统的距离向量路由机制，简单易懂； • 2、支持中间节点应答； • 3、节点只存储有需要的路由，减少内存的需要； • 4、快速响应活跃在链路上的断链，避免了回路。 • 缺点 • 需要较长的路由建立时延； • 由于AODV协议采用超时删除路由机制，即使路
车载网络通信系统结构： 车间通信（IVC iner vehicle communication ）
车与车通信系统（V2V,vehicle-to-vehicle communication）
车与路边基础设施通信系统（V2I vehicle -toinfrastucture communication ）
• 2反应式路由协议：与先验式路由协议相反，该类协议并 不事先生成路由，而是仅在源节点需要时才这样做。因此 ，路由表信息是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构 信息的一部分。按需路由一般包括两个阶段，路由发现和 路由维护
基于拓扑的路由协议 （AODV）
Ad hoc On-Demand Distance Vector Algorithm
RREQ
RREP
RREQ
RREQ
F
目的 点
E
DES
NEXT
A
D
路由维护
• HELLO消息 • Hello消息帧其实就是TTL=1时的RREP帧。TTL（Time-
To-Live)为IP数据包字段，表示该帧的传播跳数。 • Hello消息帧用于监测活跃路径上相邻节点的链接状况。 • 例如：邻居间周期性的互相广播“Hello”报文，用来保
单播RREP至路由的 下一跳
发送RRE P路由应答帧
如果本节点尚没有 缓存该RREQ，缓存
之并转发
是否一条以上 否 路径被删除？
是
转发RERR到 前驱节点
结束
路由发现算法
• 源节点
• 应用层有数据发送请求，并且指向目的节点的路由有效，直接通过该 路由发送数据包
• 如果没有到达目的节点的有效路径，则产生RREQ广播帧，RREQ的 序列号、ID字段加1，将源节点的IP、序列号，目的节点的IP、序列 号等信息添加到该RREQ中，广播至网络
RREP路由应答帧 • RREP通过之前建立的反向节点单播至源节点 • 源节点收到RREP应答帧，至此源节点可以向目的节点发
送数据包 •
源点
DES
NEXT
A
A
F
D
A
RREQ
DES
NEXT
A
B
F
F
RREQ
反向路由 添加前向路由
G
DES
NEXT
F
B
RREP RREQ
C
B
RREQ
RREQ
D
RREP
RREQ
车载通信系统
1 Frontier topics 2 Typical problems 3 Related algorithms or protocols
车载自组网
• 出现的背景： 道路交通事故成为全球性公共安全问题，交通事故 因其极强的“杀伤力”成为世界“头号杀手”， 在 2003 年ITU-T的汽车通信标准化会议上，各 国专家正式提出车载网络VANET(vehicle ad hoc networks)车载自组网是专门为车辆间通信 而设计的自助式网络。
• 产生RREP应答帧（包括源节点的IP、目的节点的IP和更新后的序列 号），单播发送至源节点
RREQ路由请求帧
• 在两个节点之间的路由有效、通信正常的情况下，AODV 路由协议不起任何作用
• 只有当源节点S需要向目的节点D发送数据包，但又没有D 节点的路由入口时才会发起路由请求，即发送路由广播帧 RREQ
路由信息新旧判断
• AODV依赖网络中每个节点维护自身的序列号 • 源节点在广播路由请求帧RREQ之前要先更新自己的序列
号，即将序列号加1 • 目的节点在产生RREP应答帧之前也要将自身的序列号加1 • 每个节点在对各自的序列号加1的时候是将其视为无符号
数进行的 • 通过比较来自目的节点路由控制帧中的序列号SN1和本节
由未失效，在超时限后也将被删除
基于位置的路由协议
• GPSR (Greedy perimeter stateless routing)
基于位置的路由协议
• 基于拓扑的路由协议在数据传输前需要建立端到 端的路径，每个节点周期性的与邻近节点交换信 息，以维护存储的路由表。基于位置的路由协议 相反，节点采用基于位置的路由协议，只在分组 到达时，才为该分组确定下一跳节点，数据分组 经过的每一条都是相互独立的，使得此协议能够 更适应网络拓扑的动态变化
• 路由表每项只记录下一跳路由信息，而不是整条路由信息 ，简化了路由表的建立和维护
• 源节点和目的节点都维护各自的序列号 • 如何管理序列号是提高路由建立和维护的关键 • 序列号是用来标识路由信息新旧程度（freshness）的 • 源节点发起路由请求RREQ，或者目的节点返回路由应答
RREP，都要更新各自的序列号 • 其他节点（中间节点）依据序列号的大小判断路由的新旧
车载通信系统中的典型问题
5 安全问题 IVC系统容易受到犯罪者的攻击，例如攻击者可以 用错误信息“污染”大片网络，造成车辆传输错 误的警告，或把自己伪装成紧急车辆来抢占车道 ，另外车辆的位置容易受到追踪 在安全方面已经开始了一些工作，包括设计安全体 系结构和部署各种安全防御机制等。
路由协议和算法
点维护的目的节点的序列号SN2就可以确定本链路的新旧 程度，进而做相应处理。如果SN2-SN1<0（有符号数相 减），说明路由表中维护的信息已过时，应将路由信息更 新至路由控制帧中最新的路由信息
AODV路由帧格式
• AODV路由帧格式主要包括: • RREQ – 路由请求帧 • RREP – 路由应答帧 • RERR – 路由错误帧 • HELLO – 活跃路由链路监测帧
路由控制信息的控制流程图
收到路由控制信息
RREQ消息
更新到源节点的 反向路由
检查信息类型
RREP消息 更新到目的节点的
路由、目的节点 前驱列表等信息
RERR消息
将受到影响的路径 删除（置为无效）
是
本节点是目的
节点吗？
否
是否有到
否
达目的节点的
路由？
是
本节点是 发起节点（源
节点）吗？
是
否
使用新建立的路由 发送缓存的数据包
• 目前使用的路由协议大致可以分为三类，如图所示
车载自组网路由技术
based on topology
geographic
procative protocals reactive protocals
map-based
DSDV
DSR AODV
GPSR
future research
基于拓扑的路由协议
• 1：先验式路由协议原理：其原理是每个节点维护一张包 含到达节点路由信息的路由表。源节点一旦需要发送报文 ，可以立即获得到达目的节点的路由。当网络拓扑发生变 化时，更新路由表信息，并把这个更新消息传遍整个网络 。