盧 偉，李沁穎

（江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，江西南昌 330098）

0 引言

隨著移動車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和無線通信技術(shù)（如Bluetooth、5G、WiFi 等）的大規(guī)模應(yīng)用，越來越多的車載節(jié)點(diǎn)開始配備多個不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)同時接入，為車載應(yīng)用提供了更加高質(zhì)便捷的數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)，以滿足車載應(yīng)用娛樂通訊需求，同時也給網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)帶來了新的挑戰(zhàn)。移動車聯(lián)網(wǎng)在高速運(yùn)行的車載節(jié)點(diǎn)中，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓叨茸兓蜔o線鏈路帶寬限制，受限于傳統(tǒng)“固化”和“靜態(tài)”的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，鏈路中斷和數(shù)據(jù)包丟失時常發(fā)生，降低了車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量［1］。因此，如何有機(jī)地融合車聯(lián)網(wǎng)多種無線接入技術(shù)，合理地利用異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源，有效地提高終端數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)質(zhì)量是未來移動車聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的必然趨勢［2］。國際互聯(lián)網(wǎng)任務(wù)工程組（Internet Engineering Task Force，IETF）于2013 年發(fā)布了多路徑傳輸控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（MultiPath TCP，MPTCP）［3］，其目的是允許傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）連接使用多個路徑，實(shí)現(xiàn)最大化信道資源使用。該方案逐漸得到了蘋果、三星、華為等企業(yè)的廣泛認(rèn)可及采用，因此愈發(fā)成熟的MPTCP 憑借其傳輸優(yōu)勢成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。本文在MPTCP 的傳輸特點(diǎn)啟發(fā)下，探究了一種融合多路徑并行傳輸?shù)囊苿榆嚶?lián)網(wǎng)多路徑傳輸機(jī)制，為現(xiàn)有移動車聯(lián)網(wǎng)適應(yīng)未來傳輸服務(wù)需求的演進(jìn)提供優(yōu)化思路［4］。

1 移動車聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

為了大力發(fā)展汽車智慧產(chǎn)業(yè)，我國政府先后印發(fā)了《推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進(jìn)智能交通發(fā)展的實(shí)施方案》［5］《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃》［6］等一系列智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展規(guī)劃?？梢?，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為關(guān)聯(lián)眾多重點(diǎn)領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新、構(gòu)建新型交通運(yùn)輸體系的重要載體，而移動車聯(lián)網(wǎng)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車終端通信的紐帶，滿足了智慧出行的基本要求。但是，車載終端如何在高速行駛過程中合理有效地利用移動車聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)資源，提高移動車聯(lián)網(wǎng)在移動場景下的傳輸服務(wù)質(zhì)量，依然是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)［7-10］。

在“智慧出行”理念引導(dǎo)下，車載設(shè)備逐漸配備了多個網(wǎng)絡(luò)接口，以滿足其安全駕駛、自動輔助駕駛以及車載娛樂等多樣化的用戶需求。但是，移動車聯(lián)網(wǎng)本身是由一組移動或固定的無線節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)具有高速運(yùn)動無規(guī)律且鏈路不穩(wěn)定等特點(diǎn)，使得現(xiàn)有的車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制效率低下。并且，現(xiàn)有傳統(tǒng)通信機(jī)制缺乏對設(shè)備多網(wǎng)絡(luò)接口特性的考慮，忽略了車載節(jié)點(diǎn)可優(yōu)化傳輸服務(wù)的潛質(zhì)。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者對車聯(lián)網(wǎng)通訊進(jìn)行了廣泛討論［11-14］，劉委等［15］設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)輸信息服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化需在底層重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)平臺兼容性；龍銀江等［16］提出一種基于網(wǎng)絡(luò)切片的車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合資源分配算法，該方案針對V2I 下行鏈路不同文件傳輸?shù)牟町惢?wù)質(zhì)量需求，以優(yōu)化系統(tǒng)車輛下載文件平均時延為目標(biāo)，在一定程度上滿足了車載應(yīng)用傳輸服務(wù)差異化傳輸需求，但是該方案仍未實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸，未能充分發(fā)揮車載節(jié)點(diǎn)的傳輸特性。因此，如何通過移動車聯(lián)網(wǎng)保障車載節(jié)點(diǎn)高質(zhì)高效且穩(wěn)定地并行通信是未來車聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵問題。

2 多路徑傳輸技術(shù)

MPTCP 協(xié)議是傳輸控制協(xié)議的擴(kuò)展，其主要思想是借助多宿主終端多網(wǎng)絡(luò)接口能力，使終端設(shè)備能夠同時接入多個網(wǎng)絡(luò)并行傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多條鏈路的帶寬資源擬合，從而提高應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸速率，并且最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率。同時，MPTCP 借助標(biāo)準(zhǔn)的TCP 接口隱藏多路徑接口，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用層的向上兼容，即應(yīng)用程序不需作任何更改即可使用MPTCP 實(shí)現(xiàn)多路徑并行傳輸［17］。

MPTCP 技術(shù)旨在研究如何利用多宿終端之間多條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)并行傳輸，實(shí)現(xiàn)鏈路帶寬擬合、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡以及路徑動態(tài)切換，有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能［18-19］。因此，在并發(fā)多路徑傳輸機(jī)制支持下，MPTCP 為高速移動的車載節(jié)點(diǎn)在移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸服務(wù)中的性能改進(jìn)、帶寬聚合和容錯等應(yīng)用場景優(yōu)化提供了可能。例如，在車聯(lián)網(wǎng)傳輸調(diào)度方面，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)并行傳輸，MPTCP 允許在車聯(lián)網(wǎng)連接中同時建立多個子流連接，并通過擁塞均衡的路徑機(jī)制實(shí)現(xiàn)對子流資源的有效管理，為實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)的并行傳輸和保證各子流之間的公平性提供了潛力［4］。

3 融合多路徑傳輸技術(shù)的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸機(jī)制

引入先進(jìn)傳輸技術(shù)，提升現(xiàn)有車載設(shè)備通信性能，是移動車聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展必然趨勢。MPTCP 與現(xiàn)有移動車聯(lián)網(wǎng)融合，為車聯(lián)網(wǎng)處理大規(guī)模車載應(yīng)用數(shù)據(jù)，如流媒體、交通控制等實(shí)時性、交互性和個性化車載應(yīng)用提供可能，如圖1 所示。它可以有效發(fā)揮車載設(shè)備的多宿主特性，通過擬合車聯(lián)網(wǎng)鏈路帶寬，實(shí)現(xiàn)車載節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并行傳輸，提高移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸性能。

Fig.1 Based-MPTCP mobile Internet of vehicles system architecture圖1 融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 移動車聯(lián)網(wǎng)多路徑并行數(shù)據(jù)傳輸步驟

融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)主要通過以下步驟完成數(shù)據(jù)并行傳輸：

（1）建立車載節(jié)點(diǎn)和車聯(lián)網(wǎng)通訊連接。移動車聯(lián)網(wǎng)的MPTCP 連接與標(biāo)準(zhǔn)TCP 一致，通過3 次握手機(jī)制規(guī)則建立連接。

（2）新增車載節(jié)點(diǎn)子流連接。在步驟（1）建立的MPTCP 連接中，利用MPTCP 允許同時建立多條鏈路并行傳輸?shù)奶匦?，充分發(fā)揮車載節(jié)點(diǎn)多宿主接口優(yōu)勢。即同時建立多條和通訊網(wǎng)絡(luò)相連的傳輸子流，子流連接建立和MPTCP 連接建立過程相似，只是將MPTCP 建立連接時的選項(xiàng)變成MP_JOIN，用于標(biāo)識當(dāng)前操作是添加子流。子流建立后，當(dāng)高速運(yùn)動的車載節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)當(dāng)前鏈路通訊不佳狀況時，可以通過路徑切換機(jī)制無縫切換成其它鏈路繼續(xù)完成數(shù)據(jù)傳輸，且無需重新傳輸之前中斷鏈路傳遞的數(shù)據(jù)包。

（3）車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳遞。融合MPTCP 移動車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸依然采用標(biāo)準(zhǔn)TCP“按序提交”原則，并新增子流管理機(jī)制和擴(kuò)展TCP 的重傳機(jī)制及擁塞控制機(jī)制。

（4）關(guān)閉連接。MPTCP 將數(shù)據(jù)傳輸完成的信息通知給接收端后，每個子流通過標(biāo)準(zhǔn)TCP 協(xié)議的FIN 選項(xiàng)關(guān)閉連接。

3.2 主要優(yōu)勢

融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)具有以下優(yōu)勢：

（1）可靠的傳輸性能。由于MPTCP 實(shí)現(xiàn)了多路徑并行傳輸，可以充分利用車載設(shè)備配備的多網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，同時并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)，能夠在高速移動的車載節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路故障時，重新分配資源，快速修復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而提高車輛通信的可靠性。

（2）靈活的鏈路無縫切換。移動車聯(lián)網(wǎng)屬于高速移動的無線網(wǎng)絡(luò)，車載節(jié)點(diǎn)在行駛過程中會頻繁切換接入信號，從而導(dǎo)致連接失敗的情況時常發(fā)生。融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)具備MPTCP 的多宿主、多流特性，在接收端和發(fā)送端之間建立了多條傳輸鏈路，路徑切換機(jī)制會根據(jù)傳輸鏈路質(zhì)量實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)鏈路無縫移動切換，能有效減少路徑切換對車聯(lián)網(wǎng)傳輸通訊吞吐量的影響。

（3）兼容性和擴(kuò)展能力。融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)對外通過TCP 承接應(yīng)用層，使得該技術(shù)部署無需額外修改車載設(shè)備軟硬件程序，新接入設(shè)備只要支持傳統(tǒng)傳輸協(xié)議即可便捷接入，兼容性強(qiáng)。

4 融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景

融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)能夠支持車載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路無縫切換及數(shù)據(jù)包動態(tài)調(diào)度，有效提升現(xiàn)有移動車聯(lián)網(wǎng)的傳輸性能。MPTCP 通過每個子流同時傳輸數(shù)據(jù)，能夠聚合帶寬并提高其容量，為車載節(jié)點(diǎn)通信提供有力支撐，使得移動車聯(lián)網(wǎng)可以同時建立多條通訊鏈路，更好地促進(jìn)車載系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。同時，MPTCP 對外承接使用標(biāo)準(zhǔn)TCP 接口，隱匿了MPTCP 多子流接口，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)用層的透明性，新老車載設(shè)備無須調(diào)整即可直接將其融入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)揮多路徑并行傳輸性能優(yōu)勢。

5 結(jié)語

隨著車載設(shè)備的網(wǎng)聯(lián)化，人們對內(nèi)容豐富、實(shí)時性強(qiáng)以及安全性穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容服務(wù)（如流媒體服務(wù)、安全控制服務(wù)）需求越來越高。本文提出融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸機(jī)制，旨在為未來車聯(lián)網(wǎng)傳輸性能優(yōu)化提供有益參考。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該思想，研究組正著手搭建基于NS2［20］的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，對融合MPTCP 的移動車聯(lián)網(wǎng)傳輸性能作進(jìn)一步探究，為MPTCP 協(xié)議在移動車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際部署及應(yīng)用打好基礎(chǔ)。