基于车联网MP2P技术的资源节点研究

郭宗麒

摘要：近年来，随着人们生活水平的提高，车辆数量急剧增加，随之而来的是各种问题，比如交通拥堵，交通事故频发，能源短缺等。同时人们对于出行质量和出行体验的要求也在日益提高。车联网是指将汽车电子技术运用于汽车中，利用移动通信技术，云计算等技术将车与车，车与人，车与路边设备之间进行信息交互和资源共享的技术，从而使现有的交通系统变得更加合理优化，更加智能舒适。在车联网中的车辆移动较快，所以网络具有高度动态的特性。而且车联网中节点之间的无线通信容易受到外界干扰。另外，传统的C/S结构中，服務器的带宽和资源都是有限的，客户端节点增多，数据传输压力就会增大。

鉴于以上的问题，该文提出将P2P技术应用于车联网。P2P又称“对等”技术，在P2P网络中的所有节点都拥有资源，节点与节点之间具有相同地位。整个网络的带宽和计算能力由每个节点共同分担。所以，理论上来说，加入网络的节点越多，网络的能力就越强。该文首先讨论了P2P网络下的资源定位算法，分析了现有的哈希表搜索算法与泛洪搜索算法的优缺点，将二者结合应用在不同层次的网络结构中，避免了单一资源定位算法对整个网络性能的影响，同时对数据包的格式进行了说明。然后该文进行了节点标识的设计，在将网络分级的基础上，分别采用不同的标识对节点和RSU进行标记。在设备之间利用其本身的属性，包括所处地区，设备在网络中所处的等级，本身的序号等因素确定RSU标号。节点的标识由两部分组成：节点所处区域路边设备的标号，和节点被分配的动态IP。动态IP的位数由实际情况下单位区域车辆的数量决定。最后在节点的动态感知方面，可以利用常用的网络感知技术，根据网络接收到的信息量来判断周围节点的情况，比如根据某段时间内网络接收到的信息数量来判断网络节点的数量。该文中采用的移动P2P架构避免了传统车联网中服务器对网络性能的限制，使一定地理范围内的车辆可以共享资源，扩大了网络容量，降低了对外界干扰的敏感度。有更好的用户体验，具有一定实用性。

关键词：车联网；P2P技术；资源定位；节点标识；通信网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0064-03

1研究背景

1.1车联网技术概述

车联网（The Internet 0f Vehicles，IOV）是智能交通的重要组成部分，它把物联网的概念应用到交通领域。具体实施方法是利用汽车上的传感装置，通过汽车导航系统、移动通信技术、信息网络平台与智能终端设备等，使车与周边环境之间实时连接起来，进行V2X通信（X可以是人、车、路、服务器等），从而对位置等信息进行智能管理、调度、监控的网络系统。

车联网从需求来看，可以将其网络结构分为三层：应用层、网络层和感知层。

应用层：提供用户操作界面，以及定义和实现服务类型，数据处理；网络层：数据远程传输，网络互连，网络管理；感知层：数据处理，数据短程传输；数据采集；

相较于普通的物联网，车联网有自己独特的特点：

车联网中车辆处在高速移动的状态下，所以车联网具有高度动态的特性。

车联网中车辆间的无线通信的载体一般是电磁波，比较容易受到外界干扰，例如车辆在道路上的高速移动、道路周边的地理环境、天气状况、周围建筑物的遮挡等都会对通信产生影响，进而降低网络的性能；

汽车中可以有稳定的供电源，所以供能不是突出问题；车辆中的控件也足够，可以在车辆中配备计算能力和存储容量都相对较高的电子终端和外部辅助设备，如GIs、GPS等；

车联网对网络的安全性、稳定性以及可靠性都有较高要求。车辆在路上行驶，如果出现网络崩溃的情况，有可能会对车辆的行驶造成混乱，甚至造成重大的事故。

1.2 P2P技术概述

P2P又称“对等”技术，是英文Peer-to-Peer的简称，P2P网络的一个重要的目标是让所有的客户端都能提供资源，包括带宽，存储空间和计算能力。因此，当有节点加人且对系统请求增多，整个系统的容量也增大。P2P网络的分布特性通过在多节点上复制数据，也增加了防故障的健壮性，并且在纯P2P网络中，节点不需要依靠一个中心索引服务器来发现数据。在后一种情况下，系统也不会出现单点崩溃。在网络中的节点地位平等，共同协作，资源分布在所有参与的节点上，同时所有节点提供带宽和计算能力。所以，当越来越多的节点加人网络时，整个网络的能力也逐渐加大，这跟C/S架构有很大的不同，传统的C/S结构中，服务器的带宽和资源都是有限的，客户端节点增多，数据传输压力就会增大。

与传统车联网中为用户提供服务采用的C/S架构相比，移动P2P架构的采用可以为用户提供更加高效、可靠的服务，也更具有创新性和实用性。因为这一架构使一定地理范围内的车辆可以进行资源共享，每一个节点都可以传输数据，从而减小了路侧单元的带宽压力。

1.3移动P2P网络目前存在的问题

MP2P网络相比于其他网络，有自己独特的特点，也面临很多问题：

1）网络具有高度动态性。

在车联网中的车辆处在快速移动状态，车联网网络拓扑变化频繁，网络路径寿命更短。所以MP2P网络是一个动态变化的网络。

2）网络环境复杂

车联网主要通过电磁波进行传输通信，车辆所处的位置、行驶速度、路边的建筑、天气状况等都会在一定程度上影响网络的性能，造成干扰。

3）节点难以标识

在MP2P网络中，节点加入或退出频繁，而且节点所处的网络范围在不断变化，导致节点身份不确定，不易寻找。在现有的IPV4协议下，IP地址有限，现有的移动设备一般采用动态IP地址，况且MP2P的网络拓扑不断变化，因此使用IP地址对节点进行标识是不可靠的。必须寻找一种新的节点标识办法。

4）资源定位问题

普通的P2P网络网络拓扑不变，节点位置固定，资源寻找较为简单。在MP2P网络中定位资源则较为困难，因为资源列表在不断动态变化。这使得MP2P的资源共享功能难以实现。

5）数据安全

由于MP2P网络所处环境复杂，信息传输使用无线网络，容易受到环境干扰和黑客攻击，信息被窃取或篡改；此外网络中的数据同步也需保证，但在移动网络环境下，节点在网络中频繁的加人或退出，使正在传输的数据容易中断，因此数据同步也很重要。

2国内外发展及研究现状

2.1 MP2P分发技术

这一技术是指根节点的数据经过中间路由器转发，最后到达目标节点的过程，这需要一定的路由算法进行辅助。源节点发出数据到目标节点接收数据，这整个过程很重要的一环就是数据分发策略，其中涉及到了很多技术，如数据存储技术，数据管理技术，这些都是可以加以改进，进而提高整体性能的关键点。在移动环境下，相邻节点处在动态变化中，所以确定合适的中间结点将数据发送到目的地就更加重要。另外，数据分发技术在整个系统中占有很大比重，好的数据分发技术可以减小对网络带宽的占用，缩短系统运行的时间，改善整个网络状况。

P2P数据分发技术具有可靠性、自适应性、容错性和可扩展性等优点。

2.2 P2P资源定位算法

1）集中目录式搜索算法

由一个中心服务器统一管理网络中每一个节点的文件目录节点向中央服务器查询资源信息，之后节点之间相互请求并传输资源。这种方法效率较高，方式简单，速度较快，但过于依赖中央服务器。

2）分布式哈希表搜索算法

在网络中的各个节点的地址和文件关键词都通过hash函数获取唯一标识符，当某节点需要资源时，用相同的算法可以计算出该资源的存放位置，这样就可以找到对应资源。分布式哈希表搜索算法与其他算法相比，扩展性较好，因而更适合比较大的P2P网络。

3）泛洪搜索算法

在网络中如果某节点需要资源，就向其周边所有邻居结点查询资源信息，如此不断扩大范围，直至满足停止条件。泛洪查找容易引发广播风暴和转发回路，但是没有中心服务器的瓶颈受限问题。

3资源管理及定位标识设计

3.1资源定位算法

当前较为普遍的车联网结构包括路边设备RSU和移动节点。在本文中，综合考虑各定位算法的优缺点，采用综合资源定位方式，即在RSU之间，采用扩展性好的分布式哈希表搜索算法；而在同一设备覆盖区域的节点之间，节点数量较少，可以有效避免广播风暴，同时兼顾灵活性和可扩展性，可采用实现起来较为简单的泛洪算法。

另外，一台设备范围内的路边设备应当负责本区域内节点的管理和信息存储工作。移动节点每进入一个路边设备的覆盖范围都要进行信息注册，包括节点的方向、速度、资源等。RSU中存储有实时更新的节点资源列表Resource List，里面包括节点标识信息及其拥有的资源信息，可以利用列表进行本区域内的资源检索和定位。

当车辆发起资源请求时，发送下载数据请求包，其包含的关键词段表如下：

下载数据请求

RSU将利用此请求，在RSU或节点之间进行资源定位，若找到目标资源，则将其传送给请求节点。

3.2节点标识的设计

现有IPV4地址已经不能满足对庞大数量的节点进行标识的需要，而且节点始终在快速移动中，地理位置不固定，所以节点的标识应该是动态的。且为了统一标准，便于管理，标识应该与节点的当前位置相匹配，即标识应该体现地理信息。

在本设计中，标识系统由路边设备和移动节点组成。并采用分级网络结构。

网络的第一级由路边设备RSU组成，根据覆盖范围的不同可以将RSU再进行等级划分，以便于区别。在设备之间利用其本身的属性，包括所处地区A_i，设备在网络中所处的等级D_i，本身的序号N_i等因素确定RSU标号。

RSU标号结构

网络的第二级是路边设备与节点，节点与节点之间组成的网络。进人设备覆盖区域的节点将被分配动态标识identifica-tion。该动态标识只在本RSU覆盖区域内有效，区域内的节点可以利用标识进行自由通信。

节点的标识由两部分组成：节点所处区域路边设备的标号，和节点被分配的动态IP。动态IP的位数由实际情况下单位区域车辆的数量决定。

RSU利用地址解析功能将节点的标识进行分解，其中节点动态IP可用作在同一设备覆盖区域内通信。而借助前半部分的RSU信息，则可以确定节点目前所处的地区，以及隶属于哪一台路边设备范围。当节点需要跨区域通信时，先向RSU发送请求，并提交自己的標识以及所需的资源，RSU将首先在自己的资源列表中检索，若找到相应资源就传送给请求节点。若列表中没有则利用定位算法进行RSU之间的资源定位，直至找到请求的资源。

3.3节点的动态感知

在MP2P网络中，节点加入或退出频繁，而且节点所处的网络范围在不断变化，导致节点身份不确定。同一区域中节点的数量和当前状态不容易确定。可以采用网络感知的手段，周围节点的情况根据网络某一时间传递的信息量来确定，比如根据接收的信息数量加以计算机算法来判断网络节点的数量。

4结束语

随着智能设备的广泛普及，利用网络解决问题的方式深入人心，互联网无时无刻不改变着人们的生活、学习、工作方式。能够随时随地访问互联网成为大众的普遍迫切需求。除了传统的联网方式，人们更多的将目光转向了车联网这一前景广阔互联方式。

论文首先介绍目前P2P技术在车联网中的应用，以及当前存在的问题，然后介绍了国内外在资源定位算法和节点标识上的研究现状。不同于传统网络的单层次结构，本文提出基于P2P的分层车联网设计方案，通过增加路边设施和远端服务中心设计多层次网络；然后利用改进的P2P技术，使得网络中车辆方便发现和共享资源。最大程度利用现有无线连接为车辆提供智能化服务

近年来车载单元急剧增加，但是要将MP2P真正部署在车联网中进行实际的应用还需要一个长期的过程，还有许多障碍需要克服，中间还有许多的细节有待完善。

总之，该文对MP2P网络的设计提出了一些设想，未来可以作为实施建设的参考，本文还有很多不足的地方，还可以对具体的部署进行丰富和完善，从而为车联网的应用提供广阔的平台。