張靖文 石振剛

摘? 要：車輛自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）是一種特殊動(dòng)態(tài)拓?fù)涞囊苿?dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。VANET將其中的每輛汽車變成一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，車輛在其中相互交換信息，并使用這些節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。VANET的目的是提供無線連接并部署各種應(yīng)用程序，提高安全性和交通效率。由于VANETS中的節(jié)點(diǎn)具有高移動(dòng)性，因此將數(shù)據(jù)包路由到最終目的節(jié)點(diǎn)存在很多挑戰(zhàn)。該文總結(jié)了現(xiàn)有的VANET路由協(xié)議，并對它們進(jìn)行分類和比較，然后列出了幾種經(jīng)典的路由算法，并分析了它們的特性以及優(yōu)缺點(diǎn)。最后，通過分析車載路由協(xié)議的現(xiàn)狀，闡述了未來車載路由協(xié)議將會(huì)遇到的困難和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：VANET路由協(xié)議? V2V AODV路由? DSR路由? OLSR路由

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（a）-0006-04

Abstract： Vehicular ad hoc network （VANET） is a kind of mobile self-organizing network with special dynamic topology. VANET turns each of these cars into a mobile node， where the vehicles exchange information with each other， and uses these nodes to create a mobile dynamic network. The purpose of VANET is to provide wireless connectivity and deploy a variety of applications that improve security and traffic efficiency. Due to the high mobility of the nodes in VANETS， there are many challenges in routing packets to the final destination node. This paper summarizes the existing VANET routing protocols， classifies and compares them， and then lists several classical routing algorithms， and analyzes their characteristics， advantages and disadvantages. Finally， by analyzing the status quo of vehicle-mounted routing protocols， the difficulties and challenges that vehicle-mounted routing protocols will encounter in the future are expounded.

Key Words： VANET routing protocol; V2V; AODV routing; DSR routing; OLSR routing

在當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)早已不能滿足實(shí)際的交通需求。智能交通系統(tǒng)[1]（Intelligent Transportation System，ITS）社會(huì)關(guān)注度不斷提高。網(wǎng)絡(luò)中的智能車輛并不是相互獨(dú)立的，只有通過與周圍車輛的互聯(lián)進(jìn)而達(dá)到全網(wǎng)的信息共享，才能發(fā)揮各自的功能，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效益。

1? VANET概述

VANET是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由車載單元和路邊設(shè)施（RSU）組成，先利用無線數(shù)據(jù)傳輸與蜂窩網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi和無線設(shè)備連接，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到移動(dòng)數(shù)據(jù)管理中心。車輛自組織網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）[2]的特殊類別。近年來，智慧城市的提議引起了人們對VANET的更多關(guān)注。VANET提供的服務(wù)也已從傳統(tǒng)的駕駛安全要求轉(zhuǎn)變?yōu)楦煽?、更全面的娛樂和生活需求。現(xiàn)在的VANET路由協(xié)議是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議衍生而來。為了在最小丟包率和負(fù)載控制的情況下使路由協(xié)議達(dá)到最大吞吐率，VANET開發(fā)出各種類型的路由協(xié)議。

2? VANET路由協(xié)議的分類

車輛自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為兩類，分別是（車輛到車輛）V2V和（車輛到基礎(chǔ)設(shè)施）V2I。V2V路由協(xié)議主要有4種類型：基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議、基于位置的路由協(xié)議、基于集群的路由關(guān)聯(lián)協(xié)議、區(qū)域多播路由協(xié)議[3]。相應(yīng)路由的分類如圖1所示。

2.1 基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議

該協(xié)議是通過網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)有鏈接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，它包括主動(dòng)路由、被動(dòng)路由和混合路由。按需路由可以及時(shí)更新路由信息，但是使用洪泛算法來查找鏈接會(huì)增加路由負(fù)載以及引發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題?；旌下酚墒侵竿瑫r(shí)使用兩種方式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)將節(jié)點(diǎn)劃分為區(qū)域，區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間采用不同的路由方式，從而提高路由效率和可靠性。典型的拓?fù)渎酚砂鲃?dòng)優(yōu)化路由（OLSR）[3]、被動(dòng)路由（AODV）和混合路由ZRP。

2.2 基于位置的路由協(xié)議

在基于位置的路由協(xié)議中，可以分為無延遲容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)路由和延遲容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)路由。前者的目標(biāo)是盡快將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)，通常在有效填充的VANET中使用。后者所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境缺乏穩(wěn)定且持久的端到端路徑，并且該節(jié)點(diǎn)將會(huì)在找到合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之前移動(dòng)數(shù)據(jù)包。

2.3 基于集群的路由關(guān)聯(lián)協(xié)議

該協(xié)議一般更適用于具有集群拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)[4]。每個(gè)集群都有一個(gè)簇頭，用于集群內(nèi)和集群間的通信，而其他節(jié)點(diǎn)只能直接與同一集群的節(jié)點(diǎn)通信。不同的網(wǎng)絡(luò)類型可以以不同的方式選擇簇頭。典型的路由CBR[5]算法在小型網(wǎng)絡(luò)中性能良好。但在城市車載網(wǎng)絡(luò)的某些區(qū)域，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量不足，算法的性能可能較差。

2.4 區(qū)域組播路由

該路由實(shí)際上是一種基于位置的組播路由，將消息轉(zhuǎn)發(fā)到區(qū)域內(nèi)所有車輛節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵是特定地理區(qū)域的選擇或關(guān)聯(lián)區(qū)（Zone of Relevance，ZOR）的定義。典型路由包括IVG、AGR路由。這種協(xié)議的一個(gè)缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)劃分中存在有害的鄰居節(jié)點(diǎn)，這會(huì)阻礙消息的正確轉(zhuǎn)發(fā)。廣播路由是VANET中常用的一種路由方式，用于共享路況、天氣和突發(fā)事件等信息。廣播路由是以泛洪的形式傳遞消息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將接收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)。該方法可以保證目標(biāo)快速、準(zhǔn)確地接收信息，但會(huì)造成較大的負(fù)載。

3? 經(jīng)典的VANET路由協(xié)議

VANET路由協(xié)議可分為基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議和基于位置的路由協(xié)議[6]。其中最常見的是動(dòng)態(tài)源路由（DSR）、超移動(dòng)寬帶（UMB）、優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由（OLSR）、網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議（GRP）和按需被動(dòng)路由（AODV）。

3.1 基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議

該協(xié)議利用鏈路信息在節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)包。在這種機(jī)制下有兩種方式，主動(dòng)方式依賴于與表驅(qū)動(dòng)方法相關(guān)的路由技術(shù)，而被動(dòng)方式依賴于與按需方法相關(guān)的路由技術(shù)。（1）主動(dòng)路由協(xié)議通常取決于與最短路由有關(guān)的算法，它們與連接節(jié)點(diǎn)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)保存在預(yù)定義的表中，數(shù)據(jù)也與其他節(jié)點(diǎn)共享。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)，每個(gè)路由表均由其節(jié)點(diǎn)自動(dòng)更新。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)應(yīng)用，時(shí)延相對較低，不需要有路徑發(fā)現(xiàn)。缺點(diǎn)：未使用的路由占用可用帶寬較多。（2）被動(dòng)路由協(xié)議通常取決于與按需操作有關(guān)的算法，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)想要通信時(shí)，它們啟動(dòng)路徑發(fā)現(xiàn)，可以減少網(wǎng)絡(luò)流量。優(yōu)點(diǎn)：請求時(shí)需要進(jìn)行泛洪，因此它不需要網(wǎng)絡(luò)中的主動(dòng)溢出，可控制帶寬。缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)泛濫導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)通信干擾，路徑搜索時(shí)延較高。

3.2 基于地理位置的路由協(xié)議

該協(xié)議依賴于與定位相關(guān)的算法，提供了用于路徑選擇的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的將自己地理位置信息發(fā)送給周圍的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，路由協(xié)議根據(jù)這些信息采取一定的選擇策略進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選取進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。這些協(xié)議不服務(wù)于任何與路由相關(guān)的表，以及與附近節(jié)點(diǎn)的加入狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)或任何信息。優(yōu)點(diǎn)：這類路由不需要對路由表進(jìn)行建立和維持，高可擴(kuò)展性，高性能。缺點(diǎn)：對傳輸節(jié)點(diǎn)要求較高，在節(jié)點(diǎn)分布不均且密度低的環(huán)境下，穩(wěn)定性較差。

3.3 AODV

該協(xié)議取決于與按需方法相關(guān)的機(jī)制，在VANET節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)啟動(dòng)路徑，并使用目標(biāo)序列號(hào)，可以用于單模和多模路由。AODV中的所有反應(yīng)式協(xié)議，信息只在節(jié)點(diǎn)之間以按需模式傳輸。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要在沒有預(yù)定義路由的情況下，將流量傳輸?shù)街鳈C(jī)節(jié)點(diǎn)時(shí)，它將創(chuàng)建（RREQ）路由請求消息，并以一種受限的方式泛洪到其他節(jié)點(diǎn)，圖2描述了AODV的工作方式。

AODV的工作模式具體如下。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)正在尋找到節(jié)點(diǎn)的路徑時(shí)，它會(huì)發(fā)送路由請求消息（RREQ）[7]。如果接收方是使用所需地址的節(jié)點(diǎn)，或者它具有到所需地址的功能路徑，則路由應(yīng)答消息以單一模式傳輸?shù)絉REQ的源功能路徑（RERR）中，節(jié)點(diǎn)觀察到路由躍點(diǎn)鏈路的狀態(tài)（RREP）。為了報(bào)告技術(shù)激活，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)保留一個(gè)“前驅(qū)列表”，其中包括其鄰居的IP地址，可能將其用作每個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中的下一跳。

優(yōu)點(diǎn)：AODV可用于大型VANET網(wǎng)絡(luò)。路由冗余和過多的內(nèi)存需求被最小化，距離序列號(hào)提供了到目的節(jié)點(diǎn)的最近路由。

缺點(diǎn)：由于會(huì)先發(fā)送信標(biāo)，因此會(huì)占用額外的帶寬，當(dāng)一條路徑上有許多路由回復(fù)數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高控制開銷。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)中包含舊條目時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)路由不一致。

3.4 DSR

動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（DSR）包括路由檢測和路由服務(wù)。DSR的工作原理見圖3。

（1）路由請求表是有關(guān)該節(jié)點(diǎn)最近轉(zhuǎn)發(fā)或發(fā)起的路由請求數(shù)據(jù)包的記錄集合，按照路由發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)歸屬地址進(jìn)行分區(qū)。

（2）在虛擬VANET網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都為各自保存的路由緩存表提供服務(wù)。路由緩存負(fù)責(zé)利用DSR路由協(xié)議存儲(chǔ)新加入節(jié)點(diǎn)與路由有關(guān)的所有請求信息[8]。

（3）節(jié)點(diǎn)的重傳緩沖區(qū)是該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的預(yù)期發(fā)送報(bào)文的隊(duì)列，來自源路徑下一跳的確認(rèn)到達(dá)。

（4）在緩沖區(qū)中注冊后的每個(gè)數(shù)據(jù)包都應(yīng)該從發(fā)送緩沖區(qū)中刪除，并在發(fā)送緩沖區(qū)超時(shí)后將其刪除，該時(shí)間還與將其注冊到緩沖區(qū)中的時(shí)間相關(guān)聯(lián)。

優(yōu)點(diǎn)：DSR不需要主動(dòng)更新，與其他方法相比，VANET在以被動(dòng)方式搜索路徑時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的過載且信標(biāo)少。

缺點(diǎn)：損壞的數(shù)據(jù)無法在本地進(jìn)行恢復(fù)，在高流量的VANET網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)頭中的路徑數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生字節(jié)開銷，性能下降。

3.5 OLSR

OLSR[9]是使用主動(dòng)模式的路由協(xié)議。鏈路狀態(tài)方案被該協(xié)議以增強(qiáng)的方式用來循環(huán)拓?fù)湫畔?。OLSR也使用這種機(jī)制，但是為了保持帶寬，隨著協(xié)議在無線多跳的情況下工作，OLSR也會(huì)消息溢出。作為基于表的OLSR協(xié)議，OLSR操作由服務(wù)和更新一組表中的信息組成。這些表包括基于接收到的控制流量的數(shù)據(jù)，并且控制流量是基于從這些表返回的信息產(chǎn)生的。

OLSR使用以下基本控制消息類型。

（1）拓?fù)淇刂葡ⅲ═C）。

（2）HELLO控制消息（HELLO）。

（3）多接口聲明消息（MID）。

優(yōu)點(diǎn)：廣播模式下，減少二次發(fā)送的概率。

缺點(diǎn)：在OLSR中，計(jì)算最佳路徑需要大量的帶寬和CPU功率。GRP路由一般用于兩種方法。第一種是在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)中，使用3種VANET路由機(jī)制將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)的最近鄰居。為了選擇鄰居節(jié)點(diǎn)而使用這些路由機(jī)制。第二種方法是周邊路由，發(fā)送者節(jié)點(diǎn)確定接收者節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，消息被發(fā)送到接收者節(jié)點(diǎn)的最近鄰居。定位方案負(fù)責(zé)收集消息，例如GPS。

4? 結(jié)語

該文對現(xiàn)有的VANET路由協(xié)議進(jìn)行了總結(jié)、分類和比較，并分析其特性和優(yōu)缺點(diǎn)。在VANET背景下的多用途及全面的現(xiàn)實(shí)生活場景，盡管已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但缺乏對不同方案的深入性能評估。當(dāng)前可用的少數(shù)研究不僅范圍有限，而且還僅限于特定的場景。隨著VANET技術(shù)的發(fā)展，如何利用先進(jìn)的工具找到更有效、更安全的路由協(xié)議，未來所面臨的挑戰(zhàn)仍然艱巨。解決方案應(yīng)考慮最少的跳數(shù)和最穩(wěn)定的方式。路由協(xié)議是VANET最重要的部分，決定了智慧城市的發(fā)展方向，但目前仍面臨安全方面的挑戰(zhàn)，在這一領(lǐng)域，還有很長的路要走。也許我們可以基于先前的路由協(xié)議建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，為VANET建立更穩(wěn)定的傳輸路徑包及以后的路由提供基礎(chǔ)和參考。

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