Vehicular Inter-Networking via Named Data
Giulio Grassi, Davide Pesavento, Lucas Wang, Giovanni Pau, Rama Vuyyuru, Ryuji Wakikawa, Lixia Zhang
Computer Science Department – University of California, Los Angeles, CA 90095, US
Toyota ITC – USA, San Jose, California.
Universit`e Pierreet Marie Curie (UPMC) – LIP6, Sorbonne Universites – Paris, France.
e-mail:fgiovanni.paug@lip6.fr
摘要
在本文中，我们应用命名数据网络，一个新提出的网络体系结构，到行驶中的车辆网络。我们最初的设计，称为V-NDN，阐述了NDN在作为体系架构方面的潜力，允许所有计算设备之间的网络与是否他们通过有线基础设施、ad hoc、断续DTN互联无关。本文描述了V-NDN的原型实现和其初步的性能评估。
1. 引言
近些年，对于车辆网络的研究工作已经扩展成为网络研究的单独分支。今天的车辆通过蜂窝网络和路边节点连接到中央服务器。此外，车辆网络也可以利用ad hoc网络的研究成果，由于车辆通常可以无计划的互相超越，也可以利用延迟容忍网络的成果，不仅仅因为车辆经常并不互连，而且他们可以从一个位置到另一个位置物理地传输数据。
为了实现这个愿景，车辆不仅仅可以和基础设施通信，而且可以通过任何物理通信信道互相通信（包括物理地传输数据），我们采用命名数据网络（NDN）作为开始点，开发一个框架，允许车辆利用任何可用信道以一个完全无基础设施的方式通信，在他们和中心服务器之间上传和获取数据。我们也构建了一个原型实现。我们的设计和实现显示了一个概念上的证明，并证明了通过数据中心设计、利用共享的应用程序命名空间集成ad hoc、DTN、P2P功能到一个统一的网络的可行性。
2. 设计概要
A. 命名数据网络简介
在IP网络中，节点通过发送IP包到一个特定的目的地址进行通信，该IP地址通过DNS查询获取，DNS查询将应用层名字转换为IP地址。在NDN网络中，节点通过获取期望的数据进行通信。NDN使用应用程序的数据名字直接通信。由于数据名字由应用程序定义，并与连接无关，这解除了对于IP地址配置的需要（自动配置或不是自动配置都不需要），因此只要物理连接存在，数据交换就可以发生。
B. V-NDN用于移动Ad-hoc网络
到目前为止，对于NDN设计的描述主要聚焦于有线连接的环境，有线网络没有完全匹配的动态的移动ad hoc网络设置，比如车辆网络。我们开发了一个NDN用于车辆网络的实例，车辆命名数据网络（V-NDN），这将在本节中进行描述。
在我们的系统中，一个节点（汽车）装配有大量的无线接口，比如3G/LTE，WiMAX，WiFi基础设施或者Ad-hoc模式，IEEE1901（电源线通信），和802.11p（DSRC/WAVE）。我们的设计目标是允许车辆利用任意这些接口来和其他车辆和基础设施服务器通信，按应用程序所需，尽可能快和尽可能长时间的按照接口连接到其他节点。如果超过一个接口可用，我们应该能够挑选最好的接口，或者同时使用多个接口。
NDN命名将获取到的数据，通信中使用的名字与我们想要使用的接口无关，与数据可能来自于哪个节点无关。因而，V-NDN可以完全利用任何接口。图1通过不同的通信场景展示了V-NDN的弹性。第一个场景是，当汽车通过3G/LTE、WiMAX或者WiFi连接到基础设施时，它在移动过程中改变连接点。在这种情况下，汽车与NDN路由器交换NDN兴趣包和数据包，该NDN路由器存放于有线连接的基础设施。我们已经在WiFi路由器上安装了NDN协议栈，该路由器可以通过NDN直接与汽车通信；为了通过蜂窝网络通信，汽车建立了IP隧道到网络中的一个NDN路由器，并通过IP隧道发送NDN包（例如，Car-D通过蜂窝信道将兴趣包传递到NDN-B）。
在设计V-NDN时，我们假设每一个节点有准确的地理位置，所有的数据名字链接到地理位置。与固定环境相反，很难为每个数据保存FIB，因为发布者的移动。因而，地理位置用来在V-NDN中获取数据。在最初的NDN中，发布者不广告其数据名字来创建FIB。
许多车辆应用程序适合该模型，地理位置可以被用来标识数据对象。地理位置可以嵌入到名字中。例如，需要在城市区域中可以停车的地方，应用程序可以使用名字定义这样的区域，允许该区域内的任意车辆进行响应。我们注意到，尽管在数据名字中嵌入地理位置信息，它并不命名位置，而是命名数据。地理位置信息仅仅意味着请求的数据在哪里可以生成，因此可以被用作线索，将兴趣包转发到哪里。在早期工作中，我们在NDN上为交通信息传播程序扩展了一个基本的名字空间设计。而汽车制造者通常聚焦于使车身更有弹性，面对交通事故，当我们开始驾驶互连的车辆时，现在更高层的安全措施是必需的，以保证车辆不会因为数字攻击而失败。NDN通过使得每个包被数字签名，在设计中嵌入了安全。这为信息认证和信任机制提供了内置支持，文献[14]也讨论了解决方案的方向，既保护了车辆的身份，也防止太多的错误数据注入系统。许多现存的信任和安全模型可以利用NDN提供的基础设施，详细内容超出了本文范围。
3. 实现
在V-NDN体系结构中，车辆可以扮演四种角色：数据生产者、消费者、转发者（当与其他车辆有连接时）和数据骡（在与其他车辆没有连接时）。每个车辆可能是多宿主的，体系结构能够跨越不同的通信技术无缝地转发包。最后，设计需要车辆有合适的存储能力来缓存数据。我们设计和开发了一个V-NDN原型。当前的版本是在Ubuntu 12.04下的。然而，不存在内核依赖，软件可能在任何Linux版本下都能平稳运行。体系结构概要在图3中描述。
，D距离使用位置服务来计算。包被节点确认，如果它无意中听到了一辆车广播的相同的包，而不是最后的转发者广播的包。在城市场景中，一个更好的空间感知可能在十字路口引入。包可能是完全确认的，如果重传从起源于这样的十字路口的每个道路听到。这种方法允许NDN层和应用程序开发者依据应用需求应用不同的策略。
4. 实验示例
V-NDN在UCLA被作为一种概念原型实现，并使用UCLA车辆测试床在校园内测试。一些实验于2012年11月25号、11月30号、12月1号进行，第一天是晴天，后面两天是雨天。实验涉及多个车辆。特别地，2012年11月25日，我们使用6辆车。2012年11月30日，我们使用10辆车。2012年12月1日，我们使用9辆车。我们设计并实现了车辆领域的两个NDN应用程序，交通信息程序和道路拍照程序。交通信息程序仿真一定区域内交通信息的请求和最近该区域中来自一个车辆的响应。相似地，道路拍照程序仿真了一定区域内图片的请求和最近该区域的来自一个车辆的响应。该区域名字编码进包的名字，而不是十字路口和街道，例如，/traffic/westwood-at-strathmore/指的是UCLA校园中靠近Westwood-Strathmore的区域的交通信息。已经或者当前正在该位置的汽车将响应该兴趣包，报告合适的交通信息。值得注意的是，一个兴趣包可能生成多个响应，然而，在当前的实现中，我们仅仅考虑第一个响应。我们应用两种不同类型的移动模型：城市模型，汽车围绕一个大的城市区域或者某一排的停车场，一个更加现实的移动场景，我们叫做双时钟，一部分车辆顺时针围绕一个街区，另一个汽车群体以逆时针围绕一个街区，来自不同环路的车辆可以通信仅仅一半的时间。图5（a）和5（b）显示了两组车辆的路径信息。
A.区域实验
我们用这两个应用程序执行了大量的区域实验，改变移动模型和涉及到的通信类型（例如，V2V，V2I/I2V，V2V2I），每个实验都重复多次。该实验汇总如表I。
交通信息程序的响应时间累积分布函数（表I实验A1，A3），如图6(b)中所示。图表显示，在静态情形中，大约75%的交通信息兴趣包得到少于1秒的响应。在移动情形中，实验执行在停车场，比在校园的道路上的实验更差。我们相信，由于交通灯的影响，在移动流中引进了汇聚点和相对长的破坏，因此促进了连接。此外，UCLA停车场P8位于wifi访问点中间，因而有很高的噪声背景。
表II显示了对于每个移动场景，缓存的角色考虑网络中的所有节点。特别地，聊天内容在移动场景中更加重要。我们期望拓扑改变更加快速，目标是更好地理解V-NDN中网络内缓存的角色，我们从数据集生产者中排除，并分析消费者和数据骡的缓存/转发统计。结果如表III中所示；数据证实，缓存在移动期间更有好处，特别地，当移动发生在一个相对严格的区域（停车场P8）。观察到仅仅骡子节点（例如，没有兴趣包或内容来源于这些节点），网络内缓存的角色变得更加突出；在这种情况下，大约66%的流量可以在本地缓存中发现，因而兴趣包没有被转发得更远。
第二个参考应用在实验运行期间测试，消费者发送请求特定区域的图片的兴趣包，靠近该区域的车辆拍摄照片，并发送回到消费者。我们实现了应用程序实时拍摄图片。消费者发送兴趣包，名字为“/picture/westwood/Strathmo re”，意味着从照相机请求图片，该照相机装配在车辆上，靠近Westwood- Strathmore十字路口。该区域的车辆，将打开照相机，拍摄快照，并发送回去。我们的设计并不是最优化的，没有应用我们能够获取的51个相机摄影的任何优化的段和编码技术。照片的平均大小是6.3KB，平均在5个数据块中。为了考虑所有数据块接收到的照片需要到达消费者。移动场景中道路照片应用的响应时间平均81秒（图5），静态场景中28秒；中间点分别是55.6秒和1秒。我们网络的空间特性影响了道路照片应用的响应时间，遭遇的破坏比交通信息程序更多。交通信息应用的内容包含在单个的内容包中，道路拍照应用需要几个包到达消费者。我们相信应用最优化技术，比如网络编码和更复杂的文件编码，结果可以提升。
（2） 基础设施角色和V2X场景：在11月25日和11月30日的实验中，我们有一些多宿主车辆。特别地，在11月30日，两个节点是多宿主的，并装配有WiFi（V2V）和WiMax接口，在11月25日，两个节点有WiMax接口，一个节点有额外的WiFi接口，在基础设施模式，常规的V2V接口。结果主要是量化的，他们主要被用于概念的证明，而不是性能评估。
2012年11月30日，25个内容从两个宿主节点中的一个节点的WiMax接口接收到，然后交付到目的节点，那些内容由WiMax ASN网关之后的有线网络中的V-NDN节点产生。11月30号的实验，我们能够从WiMax获得388个内容，从WiFi基础设施获得34个内容。
第二个实验设计来更好地理解该现象，我们使用两个车辆以顺时针方向围绕停车场。在停车场的一个角落里，我们设置了一个访问点，并将其连接到校园设施（图7）。消费者装配有2个WiFi接口，一个工作于Ad-Hoc模式，另一个工作于基础设施模式。生产者装配有1个WiFi接口，配置为Ad Hoc模式和1个WiMax接口。在该实验中，我们考虑照片获取场景，消费者请求以常规间隔时间拍摄照片。兴趣包和数据包在传输的任何时间经过任意接口可用。照片在接收到兴趣包的时候，通过计算机配置的照相机实时拍摄，照片大小为68KB到100KB。每个照片划分成每个数据块1300字节的多个数据块。我们计算在哪个接口上数据块怎么传输，如图8中所示。
（3） 数据包从生产者发出：当内容在网络中传输时，它从创建它的生产者发出，当信息发出时，其生命线独立于生产者的生命线。实际上，信息、生产者和缓存使用的解耦允许得到内容的每个节点使用它，并将其传递到每个发送兴趣包的消费者，不论数据的最初生产者是谁。
作为概念的证明，我们运行一个实验会话，重复创建消费者请求内容的场景，在生产者离开之后：仅仅一个生产者在运行，消费者请求内容，当收到内容后，生产者断电。之后，另一个消费者发送相同的兴趣包，仅仅通过一些周围车辆的CS被满足，因为该内容不存在更多的生产者。
像我们所期望的，第二个消费者能够得到期望的内容，即使仅有的生产者已经离开。此外，由于无线通信的广播特性，可以容易地允许内容的传播，尽管生产者缺失，满足时间似乎没有负面影响。
5. V-NDN可扩展性
V-NDN的可扩展性通过模拟实验来验证，因为运行几百几千个车辆的实验是极度困难的。我们在ndnSIM上实现了V-NDN，基于NS3的命名数据网络模型。我们运行300秒的模拟实验，包括695个车辆，在洛杉矶2100米的住宅区域移动。汽车移动性使用SUMO生成，尽可能现实的，在生成移动性的过程中，对于道路的重要性和范围，交通流量一直是连续的，如图9中所示。无线传播用CORNER建模，一个城市场景下高度精确的传播模型，考虑建筑的出现和快速消隐的结果。所有的车辆装配有WiFi Ad-Hoc网络接口，但仅仅在接口的一个子集中，应用程序（消费者或者生产者）运行，其他车辆可以认为是数据骡。我们模拟了交通应用，当我们改变消费者的数量时，仍以固定数量的生产者（14%）运行。地图以428个道路段为特征，在该区域中，考虑存在三个道路段类别：（1）50 6车道路段（11.7%），速度限制为45Mph；（2）34 4车道路段（7.9%），速度限制为35Mph；（3）344 2车道路段（80.4%），速度限制为25Mph。
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