面向物流应用的车载网高效安全路由算法研究

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义
当今，世界经济和现代科学技术快速发展，作为我国国民经济中的重要服务行业组成之一的物流产业也在全世界范围内迅速发展，它逐步开始成为我国经济发展的基础和动脉行业。可以说，物流产业的先进程度已成为衡量综合国力和某个国家现代化进程的重要标志之一。而物流配送中的巨大信息量如何在运输过程中较为高效和安全地传输是物流应用系统优化中关键的一环。与此同时，随着用户对物流运输需求的提升，物流过程中信息传输的安全性问题也随之产生。据联邦信息部门调查统计，每年因物流过程中的信息泄露和信息丢失造成的直接经济损失就高达 10.8 亿美元以上。因此，如何设计适合于现代物流环境的高效安全路由算法是进来研究的关键问题之一。容迟/容断网络 DTN(Delay/Disruption Tolerant Network)是一种“受限网络(Challenged Network)[1]”，主要聚集在高延迟的太空通信和缺乏连续连接的异构协同工作网络环境中。DTN一般工作在极端环境，面对各种条件的挑战，如网络频繁分割、极大时延、丢包率和误码率、带宽下降且不对称[2]。因此，这样的网络通过简单的闭路环路进行控制，源节点和目的节点的路径很难得到保证。由于绝大多数节点不能够参与合作，每个网络节点必须独立操作，在这样的条件下，很难实现数据的实时传输。由于 DTN 在延时和中断环境下能够提供大量数据的有效通信，这一功能很适用于物流领域中车辆节点间的通信，因为车辆在物流过程中没有持续稳定的连接性环境，并需要在一定间隔时间后实现通信。
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1.2 国内外研究及应用现状
20 世纪 80 代初期，日本汽车行驶电子技术协会(JSK)开始对物流应用领域车辆间通信进行研究。随后，在车辆信息传输方面出现了日本合作驾驶系统(DEMO2000)应用。而后各国都开始关注车载无线通信在智能车载系统中的交通安全应用，并针对车载自组织网络开展很多研究项目，主要的研究项目见表 1.1。在 80 年代中后期，欧美各国也开始关注于车载容迟网络通信技术。表中的 CarTalk2000[5]旨在发开一种车辆驾驶运输辅助系统，该系统能够实现车辆间信息的互通，让驾驶员在物流运输过程中更加方便和安全，这个项目共实施了 3 年。与此同时，2000 年出现的 FleetNet[6]项目主要由欧洲的 6 家汽车公司和 3 所著名大学负责，他们主要致力于研究物流过程中搭建的临时车载容迟网络中车辆节点如何实现网络的自组织，车辆在交互时都遵循 IEEE802.ll 通信协议，这个项目的结束时间是 2003 年底。之后支持 VDTN 环境下车辆通信的路由协议的高效性和安全性获得了两大世界级汽车厂商 BMV 和 Volkswagen 的关注，他们加入 NOW 项目，最终研究成果上交到 C2C-CC 标准化组织。与此同时，介于工业界需要一个统一的车载网络通信标准，美国联邦通信委员会于 1999年划分出 75MHz 带宽在 5.9GHz 频段，该带宽专用于短距通信(DSRC)。为了进一步推动车载容迟网络通信的研究，美国政府也成立了马里兰州立大学的 Traffic View 和 VⅡ等项目，分别实现车辆与路边网络基础设施以及车辆与车辆之间的数据传输。随后，车载容迟网络也成为了学术界的研究热点。美国计算机协会 ACM 于 2004 年成立了 VDTN 专题会议来研究车载网的最新进展，该会议每年度举办一次，期间发表的论文涵盖了车载容迟网络各个方面的最新研究成果。
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第二章 相关背景知识介绍本章主要是介绍

2.1 物流概述
20 世纪初，出现了物流的概念，迄今为止，它的含义与提出时发生了不小的改变。物流历经了从传统意义上的配送、运输，发展到现代意义上的将信息技术融合在物流全过程中的现代物流观念。这种观念改变的主要有两方面原因：首先，越来越多的企业发现除了要有过硬质量的产品以外，高效安全的物流运输也能为企业带来巨额的利润，企业对于物流的关注也越来越大。其次，将现代信息技术融入现代物流管理过程，能够对物流信息进行更加安全高效的管理。著名企业 IBM 前任总裁路易斯·郭士纳（Louis V. Gerstner）创立了著名的“十五年周期定律”，他认为：纵观计算机的发展历程可以，大约每 15 年的时间后计算机界就会出现一次新的变革。同样的，现代信息技术飞跃式发展促使物流的信息化进程愈发加快，特别是在 1995 年，Internet 的出现不但掀起了计算机界的一场网络革命，更使得物流信息化的进程有了历史性的发展。目前，随着 Internet 和传感网发展起来的车载容迟网络已经成为推动现代物流信息化进程的又一股力量，对于车载容迟网络架构、标准和路由协议等技术的研究可以为现代物流信息化发展提供新的方向。物流一词最早起源于英国，主要是指物体在物理上分布，这是传统意义上的物流。在 1935年，美国营销协会首次对物流给出了定义：物流是指对有形和无形物品的销售经济过程中需要完成的各项生产和消费行为。五十年后，美国物流管理协会对物流（Logistics）给出更为精确的定义：物流是指为了满足用户需求，从实际生产到使用过程对原材料、半成品、商品等实物以及包含在内的信息进行高效、经济和安全的损耗流程计划。两年后，美国物流管理协会针对现代物流的特点，对现代物流概念进行了定义：现在物流是指整个物流供应链的子流程，它以满足客户需求为目的，从原产地到消费地全程对高效率、高效益从正向和反向地对商品、服务和有关信息的传输及仓储进行计划、实施、控制和改进的动态控制过程[18]。在2005 年中国电子商务部长胡安任指出，现代物流是指原材料，成品，从开始到结束的整个过程中对信息的有效流动，将信息有机地结合到运载、餐厨、卸载、处理、整合、通关、配送等过程中，形成一套完整的信息供应链，让用户享受到多功能一体化服务[18]。
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2.2 容迟网络概述
容迟/容断网络 DTN (Delay/Disruption Tolerant Network)是一种“受限网络(Challenged Network)”，主要聚集在高延迟的太空通信和缺乏连续连接的异构协同工作网络环境中。DTN一般工作在极端环境，面对各种条件的挑战，如网络频繁分割、极大时延、丢包率和误码率、带宽下降且不对称。因此，这样的网络通过简单的闭路环路进行控制，任意源节点和目的节点的路径很难得到保证。与之相反，由于绝大多数节点不能够参与合作，每个网络节点必须独立操作。在这样的条件下，就不可能实现数据的实时传输。由于 DTN 在延时和中断环境下能够提供了有效大量数据的通信，这一特点非常适用于物流领域中车辆之间的通信，因为物流车辆在没有持续稳定的连接性环境下需要在一定间隔时间后的实现通信。IETF 对 DTN 的定义是[39]：DTN 是一种可用于在稀疏连通性、间断连接性和长时间或者变换时长延时环境下提供连通性的网络，这种环境往往还有非对称的数据传输率、高延时、高出错率或者甚至不存在端到端的连接等特点。传统的因特网路由协议都是建立在可靠连接路径传输的基础上，因此它在这样的环境下是不适用的。DTN 也是一种覆盖层体系结构[40]，旨在对不同的挑战网络协议进行管理，并通过存储能力、一系列协议机制、复制并行转发、转发错误纠正以及其它机制实现网关功能，解决通信缺陷。
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第三章 基于相遇信用的配额转发路由优化算法...... 24
3.1 EBQFR 概述 ......... 24
3.2 EBQFR 的抗攻击性能 ..... 26
3.3 EBQFR 安全信用设计 ..... 27
3.4 本章小结 ........ 30
第四章 网络编码包冗余优化算法研究 ......... 31
4.1 VDTN 中网络编码冗余问题 ....... 31
4.2 编码包冗余优化算法 CRSVOA ....... 33
4.3 CRSVOA 抗攻击性方案 ........ 38
4.4 本章小结 ........ 41
第五章 仿真搭建及算法性能评估 ..... 42
5.1 算法仿真关键模块 .... 42
5.2 EBQFR 算法仿真及性能评估...... 49
5.3 CRSVOA 算法评估及综合对比 ........ 56
5.4 本章小结 ........ 61

第五章 仿真搭建及算法性能评估

为了展示实验结果，本章使用机会网络环境仿真器 ONE（Opportunistic NetworkEnvironment Simulator），它是专用于中断容忍网络环境下的仿真环境平台，同时在 ONE 中有专门的地图驱动的移动模型，它可以很真实的模拟物流过程中车辆之间消息传输需要的车载网络，这对我们的算法在物流应用方面性能评估是十分重要的。同时，opnet 或 dtnsim2 等网络仿真模拟器的核心路由功能也都被整合到 ONE 系统当中，因此选择 ONE 作为本论文的仿真器还可以提高对其它模拟器的兼容性。本章首先对基于传统 DTN 路由基础上优化得到的 EBQFR 性能进行了全面的评估。实验的主要目标是为了证明 EBQFR 在保证相当低的开销的同时可以获得较高的消息投递率和良好的延时性能。为了证明此，我们首先列出了在我们的实验中需要使用到的度量参数，接着对于移动模型进行了简单的描述。最后，我们结合其它几种传统DTN洪泛路由协议，对EBQFR进行了全面的评估。接着，以相同的评估思想，对 CRSVOA 路由算法也进行了全面的评估。CRSVOA 路由算法评估的目标是验证它不仅具有良好的消息投递率和消息传输延时性能，同时由于优化网络编码路由方式的引入，在有效吞吐量性能方面相比于 EBQFR 路由和传统的网络编码路由也有了很大的提升。

结论

在物流通信中，由于拓扑动态变化性较大，车辆间的通信往往表现出间断性并且无可靠连接，因此传统 TCP/IP 中的路由算法不再适用在物流通信过程中。本文将物流环境下的网络通信环境视为 VDTN 环境，它是 DTN 的延伸，因此传统的 DTN 路由协议具有一定的可参考性。然而在物流应用时，目前的多副本路由中副本的转发往往具有盲目性，未能获得较好的网络性能。而尽管基于网络编码的单副本路由可以提升有效吞吐量，但路由过程中生成过多的冗余编码包会进一步影响网络性能的提升。此外，物流应用中可能存在节点恶意行为或自私行为，也会影响路由的性能。本文从现代物流发展的角度谈起，探讨了物流信息系统中出现的消息路由问题。通过对实际物流环境特点的分析和建模，借助 DTN 的概念，将全文的应用场景定位于 VDTN。本文首先基于 DTN 中传统的基于洪泛的路由算法，针对多副本转发的盲目性和安全性问题提出了EBQFR 算法，并对其性能进行了全面评估。其次，针对 EBQFR 算法在有效吞吐量方面的不足，并且多播路由不适宜于稀疏车辆节点间的路由这一问题，，本文接着提出了基于单播的CRSVOA 路由算法，它是建立在 NC 算法的基础上，并对网络中的冗余编码包进行了优化，降低了对网络资源的占用。这对于物流过程中车辆间的通信是至关重要的。实验表明，CRSVOA 算法在面向物流应用的环境下，可以获得更好的综合性能，实现路由高效性和安全性的平衡。关于 EBQFR 路由算法未来主要研究方向如下。首先，未来计划利用概率分割规则来评估 EBR。更确切来说，未来想要分析在所有节点的副本数量的方差增加时，MDR，平均延时和有效吞吐量三个参数间的折中。随后，未来可能还会在理论层面和实验层面探讨除了高斯分布以外的其它分布。第二个未来研究方向是：探讨在与其它节点相遇次数方面利用二阶导数会产生的效果。目前，EBQFR 路由仅根据指数加权平均值来记录新旧数据，以此来考虑当前的与其它节点相遇概率和该概率的平均值。如果该协议可以利用二阶导数，它将可以考虑与其它节点相遇概率随时间的变化率，这种趋势可用于进行适当消息副本数量的分配。
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参考文献（略）