车辆自组织网络路由协议研究

张靖文 石振刚

摘  要：车辆自组织网络（VANET）是一种特殊动态拓扑的移动自组织网络。VANET将其中的每辆汽车变成一个移动节点，车辆在其中相互交换信息，并使用这些节点创建一个移动动态网络。VANET的目的是提供无线连接并部署各种应用程序，提高安全性和交通效率。由于VANETS中的节点具有高移动性，因此将数据包路由到最终目的节点存在很多挑战。该文总结了现有的VANET路由协议，并对它们进行分类和比较，然后列出了几种经典的路由算法，并分析了它们的特性以及优缺点。最后，通过分析车载路由协议的现状，阐述了未来车载路由协议将会遇到的困难和挑战。

关键词：VANET路由协议  V2V AODV路由  DSR路由  OLSR路由

中图分类号：TN929.5                     文献标识码：A文章编号：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

在當代社会经济快速发展的背景下，传统的交通系统早已不能满足实际的交通需求。智能交通系统[1]（Intelligent Transportation System，ITS）社会关注度不断提高。网络中的智能车辆并不是相互独立的，只有通过与周围车辆的互联进而达到全网的信息共享，才能发挥各自的功能，实现协同效益。

1  VANET概述

VANET是一种特殊的网络体系结构，由车载单元和路边设施（RSU）组成，先利用无线数据传输与蜂窝网络，Wi-Fi和无线设备连接，再通过网络发送到移动数据管理中心。车辆自组织网络是移动自组织网络（MANET）[2]的特殊类别。近年来，智慧城市的提议引起了人们对VANET的更多关注。VANET提供的服务也已从传统的驾驶安全要求转变为更可靠、更全面的娱乐和生活需求。现在的VANET路由协议是移动自组织网络路由协议衍生而来。为了在最小丢包率和负载控制的情况下使路由协议达到最大吞吐率，VANET开发出各种类型的路由协议。

2  VANET路由协议的分类

车辆自组织网络路由协议分为两类，分别是（车辆到车辆）V2V和（车辆到基础设施）V2I。V2V路由协议主要有4种类型：基于拓扑的路由协议、基于位置的路由协议、基于集群的路由关联协议、区域多播路由协议[3]。相应路由的分类如图1所示。

2.1 基于拓扑的路由协议

该协议是通过网络中的现有链接转发数据，它包括主动路由、被动路由和混合路由。按需路由可以及时更新路由信息，但是使用洪泛算法来查找链接会增加路由负载以及引发相应的网络安全问题。混合路由是指同时使用两种方式，根据网络状态将节点划分为区域，区域内和区域间采用不同的路由方式，从而提高路由效率和可靠性。典型的拓扑路由包含主动优化路由（OLSR）[3]、被动路由（AODV）和混合路由ZRP。

2.2 基于位置的路由协议

在基于位置的路由协议中，可以分为无延迟容错网络路由和延迟容错网络路由。前者的目标是尽快将数据包传输到目标节点，通常在有效填充的VANET中使用。后者所处的网络环境缺乏稳定且持久的端到端路径，并且该节点将会在找到合适的转发节点之前移动数据包。

2.3 基于集群的路由关联协议

该协议一般更适用于具有集群拓扑的网络[4]。每个集群都有一个簇头，用于集群内和集群间的通信，而其他节点只能直接与同一集群的节点通信。不同的网络类型可以以不同的方式选择簇头。典型的路由CBR[5]算法在小型网络中性能良好。但在城市车载网络的某些区域，由于节点数量不足，算法的性能可能较差。

2.4 区域组播路由

该路由实际上是一种基于位置的组播路由，将消息转发到区域内所有车辆节点。关键是特定地理区域的选择或关联区（Zone of Relevance，ZOR）的定义。典型路由包括IVG、AGR路由。这种协议的一个缺点是网络划分中存在有害的邻居节点，这会阻碍消息的正确转发。广播路由是VANET中常用的一种路由方式，用于共享路况、天气和突发事件等信息。广播路由是以泛洪的形式传递消息，每个节点将接收到的消息转发给其他节点。该方法可以保证目标快速、准确地接收信息，但会造成较大的负载。

3  经典的VANET路由协议

VANET路由协议可分为基于拓扑的路由协议和基于位置的路由协议[6]。其中最常见的是动态源路由（DSR）、超移动宽带（UMB）、优化链路状态路由（OLSR）、网关路由协议（GRP）和按需被动路由（AODV）。

3.1 基于拓扑的路由协议

该协议利用链路信息在节点之间传输数据包。在这种机制下有两种方式，主动方式依赖于与表驱动方法相关的路由技术，而被动方式依赖于与按需方法相关的路由技术。（1）主动路由协议通常取决于与最短路由有关的算法，它们与连接节点相关的所有数据保存在预定义的表中，数据也与其他节点共享。当网络拓扑变化时，每个路由表均由其节点自动更新。优点：实时应用，时延相对较低，不需要有路径发现。缺点：未使用的路由占用可用带宽较多。（2）被动路由协议通常取决于与按需操作有关的算法，当两个节点想要通信时，它们启动路径发现，可以减少网络流量。优点：请求时需要进行泛洪，因此它不需要网络中的主动溢出，可控制带宽。缺点：网络泛滥导致节点通信干扰，路径搜索时延较高。

3.2 基于地理位置的路由协议

该协议依赖于与定位相关的算法，提供了用于路径選择的数据。网络中每个节点周期性的将自己地理位置信息发送给周围的节点，当需要传输数据时，路由协议根据这些信息采取一定的选择策略进行下一跳节点的选取进行数据的转发。这些协议不服务于任何与路由相关的表，以及与附近节点的加入状态相关的数据或任何信息。优点：这类路由不需要对路由表进行建立和维持，高可扩展性，高性能。缺点：对传输节点要求较高，在节点分布不均且密度低的环境下，稳定性较差。

3.3 AODV

该协议取决于与按需方法相关的机制，在VANET节点将数据包传输到另一个节点时会启动路径，并使用目标序列号，可以用于单模和多模路由。AODV中的所有反应式协议，信息只在节点之间以按需模式传输。当一个节点想要在没有预定义路由的情况下，将流量传输到主机节点时，它将创建（RREQ）路由请求消息，并以一种受限的方式泛洪到其他节点，图2描述了AODV的工作方式。

AODV的工作模式具体如下。

当节点正在寻找到节点的路径时，它会发送路由请求消息（RREQ）[7]。如果接收方是使用所需地址的节点，或者它具有到所需地址的功能路径，则路由应答消息以单一模式传输到RREQ的源功能路径（RERR）中，节点观察到路由跃点链路的状态（RREP）。为了报告技术激活，每个节点都会保留一个“前驱列表”，其中包括其邻居的IP地址，可能将其用作每个目标节点中的下一跳。

优点：AODV可用于大型VANET网络。路由冗余和过多的内存需求被最小化，距离序列号提供了到目的节点的最近路由。

缺点：由于会先发送信标，因此会占用额外的带宽，当一条路径上有许多路由回复数据包时，会产生高控制开销。当中间节点中包含旧条目时，可能会出现路由不一致。

3.4 DSR

动态源路由协议（DSR）包括路由检测和路由服务。DSR的工作原理见图3。

（1）路由请求表是有关该节点最近转发或发起的路由请求数据包的记录集合，按照路由发现的目标归属地址进行分区。

（2）在虚拟VANET网络中，每个节点都为各自保存的路由缓存表提供服务。路由缓存负责利用DSR路由协议存储新加入节点与路由有关的所有请求信息[8]。

（3）节点的重传缓冲区是该节点发送的预期发送报文的队列，来自源路径下一跳的确认到达。

（4）在缓冲区中注册后的每个数据包都应该从发送缓冲区中删除，并在发送缓冲区超时后将其删除，该时间还与将其注册到缓冲区中的时间相关联。

优点：DSR不需要主动更新，与其他方法相比，VANET在以被动方式搜索路径时会产生额外的过载且信标少。

缺点：损坏的数据无法在本地进行恢复，在高流量的VANET网络中，报头中的路径数据会产生字节开销，性能下降。

3.5 OLSR

OLSR[9]是使用主动模式的路由协议。链路状态方案被该协议以增强的方式用来循环拓扑信息。OLSR也使用这种机制，但是为了保持带宽，随着协议在无线多跳的情况下工作，OLSR也会消息溢出。作为基于表的OLSR协议，OLSR操作由服务和更新一组表中的信息组成。这些表包括基于接收到的控制流量的数据，并且控制流量是基于从这些表返回的信息产生的。

OLSR使用以下基本控制消息类型。

（1）拓扑控制消息（TC）。

（2）HELLO控制消息（HELLO）。

（3）多接口声明消息（MID）。

优点：广播模式下，减少二次发送的概率。

缺点：在OLSR中，计算最佳路径需要大量的带宽和CPU功率。GRP路由一般用于两种方法。第一种是在贪婪转发中，使用3种VANET路由机制将数据发送到目的节点的最近邻居。为了选择邻居节点而使用这些路由机制。第二种方法是周边路由，发送者节点确定接收者节点的估计位置，消息被发送到接收者节点的最近邻居。定位方案负责收集消息，例如GPS。

4  结语

该文对现有的VANET路由协议进行了总结、分类和比较，并分析其特性和优缺点。在VANET背景下的多用途及全面的现实生活场景，尽管已经进行了大量的研究，但缺乏对不同方案的深入性能评估。当前可用的少数研究不仅范围有限，而且还仅限于特定的场景。随着VANET技术的发展，如何利用先进的工具找到更有效、更安全的路由协议，未来所面临的挑战仍然艰巨。解决方案应考虑最少的跳数和最稳定的方式。路由协议是VANET最重要的部分，决定了智慧城市的发展方向，但目前仍面临安全方面的挑战，在这一领域，还有很长的路要走。也许我们可以基于先前的路由协议建立机器学习模型，为VANET建立更稳定的传输路径包及以后的路由提供基础和参考。

参考文献

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[7] Kumar A，Sinha m. Design and Analysis of an Improved AODV Protocol for Black Hole and Flooding Attack in Vehicular Ad-hoc Network （VANET）[J].Journal of Discrete Mathematical Sciences and Cryptography，2019，22（4）：453-463.

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[9] 龚凯.基于粒子群算法的车载Ad hoc网络路由协议优化[D].南京邮电大学，2018.