熊立勝， 何施茗， 羅元盛

(1.湖南省交通運輸廳科技信息中心， 湖南 長沙 410022; 2.長沙理工大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

0 引言

高速公路機電系統(tǒng)主要分為收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)3個部分，其中通信系統(tǒng)是收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸承載平臺，是高速業(yè)務(wù)正常運行基礎(chǔ)。湖南高速公路通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃分為3級模式[1]，2個網(wǎng)絡(luò)，即湖南省通信中心(設(shè)在長沙市的湖南省高速公路管理局)，各條路的通信管理處(設(shè)在各地市)，各路段通信站(設(shè)在收費站服務(wù)區(qū))。由省中心到各分中心為干線網(wǎng)，各分中心到各收費站為接入網(wǎng)。湖南省高速公路通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 湖南省通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

根據(jù)湖南省交通廳《基于混合網(wǎng)絡(luò)的高速公路數(shù)據(jù)實時傳輸保障平臺及分布式存儲協(xié)同機制關(guān)鍵技術(shù)研究》項目調(diào)研報告，雖然湖南省高速公路通信光纖專網(wǎng)早已建成，且隨著新高速公路的竣工還在不斷延伸，但存在以下問題： ① 高速公路光纖專網(wǎng)鏈路質(zhì)量不均衡。每條高速的建設(shè)年代不一樣，光纖專網(wǎng)也因鋪設(shè)年代不同而存在不同程度的老化與損壞。例如: 永州管理處大部分高速公路是去年或前年通車，高速公路光纖專網(wǎng)通信質(zhì)量很好；而老高速公路，如長沙至益陽至常德、京珠高速湘潭以南等，這些建成已有10a以上的高速光纖網(wǎng)，經(jīng)常發(fā)生中斷。 ② 長沙是湖南省高速公路光纖專網(wǎng)的邏輯中心節(jié)點，是各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲中心、指揮中心。長沙周邊的高速公路光纖專網(wǎng)普遍因使用年限久經(jīng)常發(fā)生中斷，由于目前干線傳輸系統(tǒng)還不是網(wǎng)狀組網(wǎng)，新的高速專網(wǎng)必須通過這些老的高速專網(wǎng)才能與省中心連通，從而導(dǎo)致新的高速專網(wǎng)也無法連接到省中心。③ 高速公路光纖專網(wǎng)的規(guī)模和覆蓋范圍與電信等專業(yè)公司相差無幾，但在設(shè)備和維護等方面投入遠(yuǎn)小于專業(yè)公司。光纖經(jīng)過多次熔接，信號衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抖動、數(shù)據(jù)傳輸延遲長、丟包等極端狀況。雖然專網(wǎng)沒斷，但是間歇性出現(xiàn)上述現(xiàn)象。因此，單純依賴光纖專網(wǎng)來保障實時性、穩(wěn)定性、可靠性要求高的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。

為解決傳輸可靠性問題，本文面向高速公路通信系統(tǒng)特點，設(shè)計基于簇的傳輸機制。高速公路通信系統(tǒng)依附高速公路修建，本身具有地理位置物理特性，地理位置上已經(jīng)形成簇?；诖氐膫鬏敊C制，可以提供雙層的可靠性傳輸保障，提高可靠性。設(shè)計簇頭選擇標(biāo)準(zhǔn)和算法，基于此進(jìn)行分簇，并設(shè)計基于簇的數(shù)據(jù)傳輸機制的協(xié)議，形成分層的通信方式。實驗表明，基于簇的傳輸機制比直接傳輸具有更少的傳輸延時和傳輸完成時間。

1 相關(guān)工作

國內(nèi)針對高速公路數(shù)據(jù)通信方面的研究成果主要有：長安大學(xué)楊曉東及其團隊成員李楠提出的區(qū)域高速公路網(wǎng)通信系統(tǒng)規(guī)劃研究與應(yīng)用[2]，以提高通信系統(tǒng)資源利用率和指導(dǎo)通信系統(tǒng)建設(shè)為目標(biāo)，提出了通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；復(fù)旦大學(xué)戴偉輝及其團隊成員谷雨為上海高速公路平臺提出了一套以IEEE 802.3ae萬兆以太網(wǎng)技術(shù)為核心的高速公路通信網(wǎng)解決方案[3]，該方案采用新技術(shù)，成功解決了上海高速公路網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的通信需求；龔樹超[4]提出了構(gòu)建高速公路網(wǎng)無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，并且對比了專用無線寬帶網(wǎng)絡(luò)與租用無線寬帶網(wǎng)絡(luò)這兩種模式的優(yōu)缺點。李新法等[5]提出了對現(xiàn)有高速公路通信系統(tǒng)MSTP傳輸網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行全I(xiàn)P通信網(wǎng)的設(shè)計方案。孫蕓麗[6]從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性、可擴展性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性等方面出發(fā)比較了SDH網(wǎng)絡(luò)和智能ASON網(wǎng)絡(luò)，分析并探討如何合理、科學(xué)地構(gòu)建省域高速公路骨干通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。王露[7]、王輝[8]利用PTN技術(shù)，為高速公路通信網(wǎng)組建多種結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)傳送平臺，向集中的業(yè)務(wù)節(jié)點與開放型、分布式、一體化接入網(wǎng)相結(jié)合的方向發(fā)展，使通信網(wǎng)絡(luò)從綜合成本、效益與效率、網(wǎng)絡(luò)可拓展性等諸多層面適應(yīng)新時期的發(fā)展趨勢，全面提高通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)能力。結(jié)合湖北黃黃高速公路萬兆環(huán)網(wǎng)建設(shè)實例[9]，通過改造高速公路通信系統(tǒng)來提高傳輸可靠性。總體而言，國內(nèi)對高速公路數(shù)據(jù)通信方面的研究主要集中在通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計和改造方面，有關(guān)數(shù)據(jù)可靠傳輸方面的研究成果還比較少。而在計算機網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，其研究成果比較豐富[9-13]，但是大部分成果沒有結(jié)合高速公路應(yīng)用背景，其實際工程應(yīng)用效果還有待檢驗。

2 簇頭選擇指標(biāo)設(shè)計

簇頭選擇指標(biāo)從節(jié)點間選出能力最佳的節(jié)點設(shè)置為簇頭[14-16]。分布式自適應(yīng)簇頭的選取結(jié)合最大節(jié)點ID算法和延時權(quán)重算法。延時權(quán)重WD由節(jié)點與省中心、節(jié)點與鄰居節(jié)點的延時共同決定，計算如下：

WD=W*Delayc+(1-W)*D，W∈[0，1)

(1)

其中，Delayc為節(jié)點與省中心連接的延時。每次節(jié)點與省中心通信過程中，都會記錄一個新的延時Delayc。為了計算的精確性，也可以利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析;D為節(jié)點與鄰居節(jié)點的平均延時。

假設(shè)某個節(jié)點有n個有效鄰居節(jié)點，那么平均延時為：

(2)

當(dāng)出現(xiàn)兩個節(jié)點WD相等時，選擇節(jié)點ID較大的節(jié)點作為簇頭節(jié)點。

3 基于簇的傳輸機制設(shè)計

3.1 消息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了完成分布式分簇和基于簇的傳輸，需要進(jìn)行消息傳遞和存儲相應(yīng)的數(shù)據(jù)。每個節(jié)點都存儲以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：省中心連通狀態(tài)表、簇頭選擇指標(biāo)、簇頭和簇成員表，省中心存儲簇信息表。

省中心連通狀態(tài)表用于記錄節(jié)點到省中心的連通情況，尤其是與省中心的延時用于計算簇頭選擇指標(biāo)。包括省中心節(jié)點id，網(wǎng)絡(luò)類型，IP地址，延時Delayc，連通率PDR，歷史延時Delay_old。

簇頭選擇指標(biāo)是根據(jù)式(1)中計算的本節(jié)點的指標(biāo)值，是一個雙精度的浮點數(shù)。

簇頭是記錄節(jié)點所處的簇的簇頭節(jié)點id，如果節(jié)點還未加入簇，該值為空。

簇成員表用于記錄所處簇包含的節(jié)點id。

簇信息表由省中心存儲，用于記錄所有簇的簇頭和簇成員節(jié)點信息，簇信息表的每一項包含簇頭id，簇成員節(jié)點id list。

協(xié)議消息包括簇加入消息(hello-join)、簇頭存在消息(hello-CH)、簇成員存在消息(hello-CM)、簇競選消息(hello-cont)、簇成員匯報消息。消息格式如表1。

表1 分簇主要消息格式格式序號消息格式1消息類型hello-join,發(fā)送節(jié)點id,目的節(jié)點id,消息編號2消息類型hello-CH,發(fā)送節(jié)點id,目的節(jié)點id,消息編號,簇成員節(jié)點id list3消息類型hello-CM,發(fā)送節(jié)點id,目的節(jié)點id,簇頭節(jié)點id,消息編號4消息類型hello-cont,發(fā)送節(jié)點id,目的節(jié)點id,消息編號,簇頭選擇指標(biāo)值5消息類型簇成員匯報,發(fā)送節(jié)點id,目的節(jié)點id,消息編號,簇頭,簇成員節(jié)點id list

3.2 分簇協(xié)議

節(jié)點在分簇過程中存在3種狀態(tài)：未確定狀態(tài)(UN)、簇頭狀態(tài)(CH)和簇成員狀態(tài)(CM)。節(jié)點之間通過消息傳遞，改變自身狀態(tài)，計算簇頭選擇指標(biāo)來完成分簇。節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖2。

節(jié)點x初始處于UN狀態(tài)，發(fā)送hello-join請求加入簇，等待t1時間。如果收到來自簇頭的hello-CH就加入該簇，對應(yīng)箭頭(1)；否則，發(fā)送hello-cont進(jìn)入競爭選擇新簇頭的階段。

hello-cont中包含本節(jié)點的簇頭選擇指標(biāo)值，鄰居節(jié)點也都發(fā)送hello-cont，等待t2時間。指標(biāo)最小的節(jié)點xi當(dāng)選簇頭，xi發(fā)送hello-CH，對應(yīng)箭頭(2)；別的收到hello-CH的節(jié)點成為該簇成員，對應(yīng)箭頭(1)。

圖2 節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

簇頭將簇成員信息匯報給省中心。執(zhí)行流程如下所示。

3.2.1算法1：節(jié)點x處于UN狀態(tài)

① 給有效鄰居發(fā)送hello-join請求加入簇，等待t1時間；如果收到來自簇頭j的hello-CH消息，就加入該簇，對應(yīng)箭頭(1)，發(fā)送hello-CM給簇頭j，節(jié)點x的狀態(tài)改為CM；否則給有效鄰居發(fā)送hello-cont，等待t2時間；進(jìn)入競爭選擇新簇頭的階段：收到有效鄰居節(jié)點發(fā)送的hello-cont；將自身的簇頭選擇指標(biāo)與收到的有效鄰居節(jié)點比較，指標(biāo)值是否最??；是則節(jié)點x當(dāng)選簇頭，對應(yīng)箭頭(2)，節(jié)點x的狀態(tài)改為CH，簇成員表是之前收到了hello-cont的有效鄰居節(jié)點，節(jié)點x向簇成員表中的節(jié)點發(fā)送hello-CH；如果收到來自節(jié)點j的hello-CH；節(jié)點x成為節(jié)點j的簇成員，回復(fù)hello-CM，簇頭設(shè)定為節(jié)點j，對應(yīng)箭頭(1)，節(jié)點x的狀態(tài)改為CM。② 如果收到來自節(jié)點i的hello-cont消息，回復(fù)hello-cont消息，等待t2時間；進(jìn)入競爭選擇新簇頭的階段。

3.2.2算法2：節(jié)點x處于CH狀態(tài)

① 定時t1給簇成員節(jié)點發(fā)送hello-CH消息；超過時間未收到成員節(jié)點的hello-CM消息，刪除該成員節(jié)點；匯報簇成員節(jié)點信息給省中心。② 如果收到來自節(jié)點i的hello-join消息，回復(fù)hello-CH消息；如果收到節(jié)點i的hello-CM，簇成員表新增節(jié)點i。③ 如果收到來自簇頭節(jié)點j的hello-CH消息，等待t4時間；簇合并：如果還可以接收hello-CH就重新成簇；簇頭節(jié)點交換兩者的指標(biāo)值，是否指標(biāo)值較??；是則節(jié)點x保留為簇頭，節(jié)點x的簇成員表新增節(jié)點j的簇成員；節(jié)點x向簇成員表中節(jié)點發(fā)送hello-CH；利用簇成員匯報消息，匯報簇成員節(jié)點信息給省中心；否則節(jié)點x變成簇成員，對應(yīng)箭頭(6)，節(jié)點x的狀態(tài)改為CM，節(jié)點x的簇頭設(shè)為節(jié)點j。

3.2.3算法3：節(jié)點x處于CM狀態(tài)

① 如果收到來自簇頭節(jié)點j的hello-CH消息，回復(fù)hello-CM消息。② 如果超過時間t3未收到簇頭節(jié)點j的hello-CH消息，刪除簇頭信息，對應(yīng)箭頭(4)，節(jié)點x的狀態(tài)改為UN，簇分離。 ③如果收到來自節(jié)點i的hello-cont消息，回復(fù)hello-cont消息，等待t2時間；進(jìn)入競爭選擇新簇頭的階段。

在協(xié)議過程中，在節(jié)點狀態(tài)改變時需要對簇頭和簇成員表進(jìn)行重置。節(jié)點x改為UN狀態(tài)，簇頭和簇成員表清空；節(jié)點x改為CH狀態(tài)，簇頭設(shè)為節(jié)點x；節(jié)點x改為CM狀態(tài)，簇成員表清空。

省中心根據(jù)簇頭發(fā)送的簇成員匯報消息，構(gòu)建和更新簇成員表。

3.3 簇維護協(xié)議

通過消息傳遞和節(jié)點狀態(tài)改變，來實現(xiàn)簇分裂和合并。

簇維護過程中，簇頭i以周期t1發(fā)送hello-CH來維護簇。

簇分離過程中，1個CM狀態(tài)的節(jié)點在t3時間內(nèi)沒有收到任何hello-CH；進(jìn)入競爭簇頭階段，計算指標(biāo)，發(fā)送hello-cont。等待t2時間，最小指標(biāo)的CM節(jié)點成為簇頭發(fā)送hello-CH，對應(yīng)箭頭(3)。一個CM或CH狀態(tài)節(jié)點在t3時間沒有收到任何hello-CH或hello-CM消息，就可以認(rèn)為沒有任何鄰居存在，退回到UN狀態(tài)，對應(yīng)箭頭(4)、(5)。

簇合并過程中，1個CH狀態(tài)的節(jié)點收到別的節(jié)點發(fā)出的hello-CH，等待t4時間，如果還可以接收hello-CH就重新成簇，簇頭節(jié)點交換兩者的指標(biāo)值，指標(biāo)值較小的保留為簇頭，較大的變成簇成員，對應(yīng)箭頭(6)。

3.4 基于簇的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

分布式分簇后，利用簇頭進(jìn)行中繼數(shù)據(jù)傳輸和確認(rèn)機制，且保證每個節(jié)點至少收到1份來自省中心的數(shù)據(jù)拷貝[17]。協(xié)議消息包括數(shù)據(jù)包和3類確認(rèn)消息(ACK1，ACK2，ACK3)。3類確認(rèn)消息用于簇頭和省中心、簇頭和簇成員之間的確認(rèn)，數(shù)據(jù)的格式如表2。

表2 數(shù)據(jù)包與確認(rèn)消息數(shù)據(jù)格式格式序號數(shù)據(jù)格式1源節(jié)點id,目的節(jié)點id,目的節(jié)點id List,數(shù)據(jù)包編號,網(wǎng)絡(luò)類型,數(shù)據(jù)內(nèi)容2確認(rèn)消息類型ACK,源節(jié)點id,目的節(jié)點id,確認(rèn)數(shù)據(jù)包編號3確認(rèn)消息類型ACK2,源節(jié)點id,目的節(jié)點id,確認(rèn)數(shù)據(jù)包編號4確認(rèn)消息類型ACK3,源節(jié)點id,目的節(jié)點id,確認(rèn)數(shù)據(jù)包編號,未正確收到簇成員節(jié)點id list

對于省中心發(fā)出的數(shù)據(jù)，目的節(jié)點id設(shè)為簇頭id，目的節(jié)點id list設(shè)為簇成員節(jié)點的id list。簇頭在收到數(shù)據(jù)包后，按目的節(jié)點id list再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將目的節(jié)點id list的節(jié)點作為目的節(jié)點繼續(xù)發(fā)送。

3.4.1算法4：省中心數(shù)據(jù)傳輸流程

① 省中心需要發(fā)送信息。對簇信息表中的所有簇構(gòu)建數(shù)據(jù)包，其中目的節(jié)點id設(shè)為簇頭id，目的節(jié)點id list設(shè)為簇成員節(jié)點的id list；發(fā)送數(shù)據(jù)包；等待時間t5。②如果收到來自簇頭j的ACK3消息，如果存在未正確接收的節(jié)點，重傳整個傳輸單元。

3.4.2算法5：簇頭數(shù)據(jù)傳輸流程

① 如果收到來自省中心的數(shù)據(jù)包，回復(fù)ACK1；對于目的節(jié)點id list中的所有節(jié)點i，構(gòu)建數(shù)據(jù)包，其中目的節(jié)點id設(shè)為節(jié)點i，目的節(jié)點id list設(shè)為空；發(fā)送數(shù)據(jù)包；等待時間t5。② 如果收到來自簇成員節(jié)點i的ACK1消息，節(jié)點i正確收到。③t5定時器觸發(fā)，根據(jù)未收到數(shù)據(jù)包的簇成員節(jié)點構(gòu)造ACK3。

3.4.3算法6：簇成員傳輸流程

① 如果收到來自簇頭的數(shù)據(jù)包，回復(fù)ACK2。

為保證每個節(jié)點至少收到一份來自省中心的數(shù)據(jù)拷貝，考慮采用3次確認(rèn)機制(見圖3)。

圖3 基于簇頭轉(zhuǎn)發(fā)確認(rèn)機制圖

Step1： 省中心發(fā)送數(shù)據(jù)包給簇頭節(jié)點，對應(yīng)箭頭(1)；如果簇頭正確收到，簇頭節(jié)點對省中心進(jìn)行第一次回復(fù)確認(rèn)ACK1，對應(yīng)箭頭(2)。

Step2 ：簇頭將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給所有簇成員節(jié)點，對應(yīng)箭頭(3)；如果簇成員節(jié)點正確收到，簇成員節(jié)點對簇頭進(jìn)行第二次回復(fù)確認(rèn)ACK2，對應(yīng)箭頭(4)。

Step3： 簇頭等待t5時間后，根據(jù)ACK2統(tǒng)計正確收到的簇成員節(jié)點，將未正確收數(shù)據(jù)的簇成員節(jié)點id發(fā)送給省中心，進(jìn)行第三次回復(fù)確認(rèn)ACK3，對應(yīng)箭頭(5)。

設(shè)定傳輸單元為1個路徑文件或1個視頻文件。當(dāng)省中心確定某一個節(jié)點未正確收到傳輸單元中的某一個數(shù)據(jù)包時，省中心通過別的路徑重傳整個傳輸單元。

4 性能分析

仿真實驗在NS2中進(jìn)行，n0為省中心，30個收費節(jié)點分別為n1到n30。節(jié)點之間通過vpn和光纖互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，鏈路的參數(shù)如表3所示。省中心向所有節(jié)點發(fā)送相同數(shù)目的數(shù)據(jù)包，采用TCP的FTP類型應(yīng)用，數(shù)據(jù)包大小為1000 byte。一個路徑信息大約為500 k字節(jié)，那么一個路徑信息需要發(fā)送500個數(shù)據(jù)包。

采用2種傳輸方式，直接傳輸和分簇傳輸方式。直接傳輸采用vpn鏈路，傳輸采用的路徑結(jié)果如圖5所示。分簇傳輸利用光纖，路徑結(jié)果如圖6所示，其中設(shè)定分為3個簇，每個簇大小為10個節(jié)點，簇頭節(jié)點為簇中編號最小的節(jié)點。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表3 鏈路參數(shù)類型帶寬/Mbps延時/ms丟包率/%vpn 10205光纖100 81

每個流的路徑信息發(fā)送量從1、2 增加到20。由于存在30個并發(fā)流，那么省中心就需要發(fā)送30，60到600個路徑信息。圖7和圖8是不同發(fā)送量下，2種傳輸方式的數(shù)據(jù)包延時和路徑信息平均完成時間比較。由于有TCP的發(fā)送窗口限制，在并發(fā)流數(shù)目確定的情況下，延時和路徑信息平均完成時間變化不大。

節(jié)點數(shù)目從10，20增加到50，每個流發(fā)送5個路徑信息。分簇情況下，每個簇大小為10個節(jié)點，那么簇的數(shù)目將從1，2增加到5。圖9和圖10是不同節(jié)點數(shù)目下，2種傳輸方式的數(shù)據(jù)包延時和路徑信息平均完成時間比較。

圖5 直接傳輸路徑

圖6 分簇傳輸路徑

圖7 延時受發(fā)送量影響

圖8 路徑信息平均完成時間受發(fā)送量影響

圖9 延時受節(jié)點數(shù)目影響

圖10 路徑信息平均完成時間受節(jié)點數(shù)目影響

5 結(jié)語

為解決高速公路通信系統(tǒng)可靠性傳輸問題，面向高速公路通信系統(tǒng)特點，設(shè)計基于簇的傳輸機制，設(shè)計簇頭選擇標(biāo)準(zhǔn)和算法，基于此進(jìn)行分簇，并設(shè)計基于簇的數(shù)據(jù)傳輸機制的協(xié)議，形成分層的通信方式。實驗表明，基于簇的傳輸機制比直接傳輸具有更低的傳輸延時和傳輸完成時間。