面向城市场景的车载自组织网络命名数据传输关键问题研究

The growing demand of applications brings new challenges to the data transmission of Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs) in urban scenes. It is a novel idea to leverage the advantages of Named Data Networking (NDN), such as multi-source, multi-path, in-network caching etc., to cope with the highly dynamic topology and unreliable channel of VANETs. At present, there are two major problems of applying NDN in VANETs. 1) In the discovery of named data, it is difficult to balance the efficiency of data query and network overhead. 2) In the delivery of named data, there is no approach to provide reliable and efficient transport services. To deal with the problems above, we are going to work as follows. 1) Propose a flooding suppression technology, which selects a small number of relays for interest dissemination by the topology of local network, in order to balance query coverage and network overhead. 2) Propose a novel named data forwarding strategy, which builds virtual interfaces over 802.11p protocol by the location and status information of vehicles, in order to achieve efficient transmission. 3) Propose a retransmission mechanism, which estimates the RTO of interests according to the correlation between named data transmissions, in order to provide reliable and efficient retransmission service. 4) Propose a session-based transport protocol, which regulates the interest rate at consumer side and optimize the transmission path of chunks, to improve the efficiency of large content transmission. In conclusion, we plan to make up the defects that the existing NDN work is difficult to apply in VANETs, and improve the query efficiency and delivery quality of named data with the consideration of network overhead.

日益丰富的应用需求为城市场景下车载自组织网络的数据传输带来了新的挑战。利用命名数据网络多源、多路径、网内缓存等特点来应对车载自组织网的拓扑高动态性与信道不可靠性是一条新的思路。目前，车载环境下的命名数据传输存在两大问题：1）在命名数据发现中，难以兼顾查询效率与网络开销；2）在命名数据传输中，难以提供可靠、高效的服务。针对上述问题，本项目从以下方面展开研究：1）利用网络拓扑信息设计兴趣包洪泛抑制策略，以兼顾查询覆盖面与网络开销；2）利用车辆位置与状态信息设计基于新“接口”的命名数据转发策略，以提高传输效率；3）利用传输之间的关联性设计兴趣包的重传机制，以提供高效的命名数据重传服务；4）利用数据块的关联性设计基于最优会话的传输协议，并通过兴趣包调控与路径优化以提高大内容分块传输的效率。综上，本项目希望弥补现有研究难以适应车载环境的不足，在兼顾网络开销的同时提高命名数据的查询效率与传输质量。

日益丰富的应用需求为城市场景下车载自组织网络的数据传输带来了新的挑战。利用命名数据网络多源、多路径、网内缓存等特点来应对车载自组织网的拓扑高动态性与信道不可靠性是一条新的思路。目前，车载环境下的命名数据传输存在两大问题：1）在命名数据发现中，难以兼顾查询效率与网络开销；2）在命名数据传输中，难以提供可靠的服务。针对上述问题，课题组展开3方面研究工作：1）兼顾查询覆盖面与网络开销的兴趣包洪泛抑制技术；2）位于MAC层之上的新型接口模型及命名数据转发策略；3）基于传输之间关联性的RTO算法及兴趣包重传机制。通过问题调研、理论建模、实验分析，本项目取得了以下研究成果。在命名数据的发现与获取方面，提出基于车辆行驶方向的动态方向接口模型，并据此设计出一种面向车载命名数据网络的新型传输协议COMPASS。该协议一方面利用动态方向接口为兴趣包选择合理的广播区域，在兼顾兴趣包传播范围的同时抑制了洪泛所带来的巨大网络开销；另一方面利用动态方向接口恢复了FIB与PIT中数据名称与特定网络域的映射关系，通过提出一套基于接口的转发策略提高了命名数据的传输效率。在命名数据的优化传输方面，首先提出了面向城市交通场景的数据命名方法，将命名空间划分为抽象的应用空间与现实的物理空间；然后在此基础上提出一种基于数据名称的关联度计算方法；进而利用不同传输之间的关联度提出一种新颖的兴趣包重传算法CO-RTO。该算法通过选择关联度高的样本来提高RTO计算值的准确性，从而在非面向连接的模式下提高命名数据传输的可靠性。课题组在基于ns3的软件模拟平台与基于树莓派智能小车的硬件仿真平台上进行了实验，结果表明上述研究达到了以下关键指标：1）在命名数据发现阶段，兴趣包的平均查询成功率在距离200米内已达到95%，在500米内不低于80%。2）在命名数据传输阶段，数据的平均传输成功率在200米内已达到90%，在1000米内不低于60%。综上，本项目的研究成果为在未来车联网中实现低开销、高效率、高可靠性的命名数据传输服务提供了理论基础与技术支持。