CN110650455B - 一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,包括:采用软件定义无线网络架构中控制器的全局管控功能对无线接入点及移动车辆终端进行位置感知,找到合适的切换接入点;利用车辆终端的多个网络接口,在移动切换过程中交替负责数据发送及背景扫描的任务,实现车辆间信息交互的不间断。本发明的软件定义车联网架构将传统设备的数据平面与控制平面分离开来,直接通过编程动态地控制车联网行为,抽象化底层的基础设施,提供开放的接口给上层应用,实现统一的管理与升级,满足不同车辆用户的性能需求;背景扫描与多个网络接***替执行任务,大大减少切换时延,有效解决车辆移动性快,接入点切换频繁的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线网络移动管理与服务质量领域,应用于车联网。
背景技术
在众多的无线网络接入技术中,车联网(Internet of Vehicles,IOV)是智慧交通***的发展方向,车联网本身具有拓扑变化频繁、移动速度快的特点,希望随时随地都能提供足够的资源供其接入,获得较高质量的服务,因此各电信运营商、服务提供商选择大规模部署无线接入点(Access Point,AP)以覆盖更大面积的区域。无线接入点的密集部署不可避免的会出现相互干扰,难于统一管理等情况,当前的车联网架构通常采用瘦AP加无线控制器(Access Controller,AC)的集中式组网模式,其中瘦AP仅提供设备接入功能,AC对AP进行管理控制,但网络中各设备多是使用特定厂商的产品,对后续功能的开发升级非常不利,有些甚至需要手动逐一修改配置,也存在通信上的兼容性问题。由于车辆终端大范围的移动,而AP的覆盖范围有限,并且AP不能自主的为车辆终端进行切换,需要全权交由AC负责,一旦车辆终端数量过大,AC便会出现性能瓶颈,也会增加切换时延,灵活性较差。
面对大量的车辆终端、AP以及层出不穷的网络应用及服务,软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)作为一种有效的解决方案被提了出来。该架构的特色在于将网络设备中的数据转发平面与控制平面分离,利用中央的控制器监管底层的基础设施,与AC不同的是,该控制器可以通过软件编程向下为转发设备提供路径决策,向上为高层应用提供调用接口,使得网络整体在升级、功能的增加删除、流量的细粒度控制等方面有了明显的改善。目前SDN已经被应用于多种不同类型的无线网络,而在车联网方面主要的研究点有网络的负载均衡、路由协议以及与其它网络结合的相关课题,AP的切换方面的研究较少。
现有的车辆智能终端较以往而言,具备更大的容量、更高的运行速率、更优的硬件配置,目的就是带给用户更快速的服务体验和更好的服务质量。传统的车辆终端使用单一的网络接口连接AP,在遇到服务质量变差或离开当前AP的覆盖区域时,不可避免需要进行AP的切换。根据无线接入协议,必须先与之前的AP断连,再扫描可用的其他AP,最后尝试进行连接,整个过程下来断开已有的数据传输时间较长。而利用背景扫描技术和智能终端的多个网络接口,以及SDN的流表控制功能,不仅可以实现不同AP之间的平滑切换,还能提高智能终端的传输速率,降低智能终端的丢包率,保障车辆信息交互的不间断。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,解决了车联网中车辆用户在不同接入点移动时平滑切换的问题。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,包括:采用软件定义无线网络架构中控制器的全局管控功能对无线接入点及移动车辆终端进行位置感知,找到合适的切换接入点;利用车辆终端的多个网络接口,在移动切换过程中交替负责数据发送及背景扫描的任务,实现车辆间信息交互的不间断。
优选的,所述方法具体包括:
S100,车辆终端发送探测请求帧给周围的无线接入点AP,并接收周围AP发送的信标帧及周围AP返回的探测响应帧以进行AP信息的获取,将所述AP信息存储到自身的AP列表AL当中;所述AP信息包括SSID、IP地址、MAC地址和链路信息;所述链路信息包括信噪比、信道号和信号强度;
S200,无线接入点AP获取车辆终端的位置信息,连同自身的位置信息一起上报给控制器SC,并创建终端及AP信息表;所述信息表中包括终端与AP的位置信息;
S300,车辆终端从列表AL当中选取信号强度及信噪比最大的第一AP,使用第一网络接口向第一AP发送连接请求,响应成功后,进行正常通信;
S400,车辆终端开始移动,当信道质量下降到给定阈值Q1,启动切换进程;所述信道质量由信号强度和信噪比获取;
S500,SC更新车辆终端的位置信息,当车辆终端与第一AP之间的距离达到了设定的阈值DTH之后,计算车辆终端到其他AP之间的距离并排序,选择距离最短的第二AP,通知第二AP向车辆终端回复探测响应帧,修改对应的流表信息,将由第一AP发送的数据重定向到第二AP;
S600,车辆终端利用第二网络接口与第二AP正常通信,当第二网络接口与第一网络接口的连接信道质量之差达到阈值QTH时,将所述第一网络接口转换为背景扫描接口;
S700,重复以上步骤,完成多个无线接入点AP的切换过程。
优选的,所述切换过程包括:针对车联网中不同无线接入点间的切换问题,通过使用软件定义的方式对网络功能及行为进行编程控制完成。
优选的,所述背景扫描包括:车辆终端进入到某个AP的覆盖范围时,与其建立连接并正常通信;当链路质量无法满足要求或开始移动远离与之建立连接的AP时,寻找新的AP进行重连接;当与之建立连接的AP断开连接时,与新的AP正常通信。
优选的,所述方法还包括:
在车辆终端与建立连接的AP进入稳定通信且停留的时间段内,进行预扫描,提前掌握周围的其他AP信息。
优选的,基于软件定义网络的车联网架构包括应用层、控制层、基础设施层和车辆终端;所述控制层与所述应用层及基础设施层分别相连接;所述基础设施层与所述控制层和车辆终端层分别相连接。
优选的,所述应用层通过调用控制层的北向接口,利用转发设备和控制器的相关功能执行部署切换。
优选的,所述控制层包括控制器SC,用于管理底层设备,负责获取全局的各种有用数据,并据此做出对应的决策。
优选的,所述基础设施层包括支持OpenFlow协议的无线接入点AP和交换机SW;其中,无线接入点AP用于监测车辆终端的移动和接入请求,上报车辆终端和自身的有效信息给SC,接收SC下达的流表指令并执行相应的动作;SW作为不同AP间传输数据的通道,连接AP与SC并转发网络数据以及与SC交互。
优选的,所述车辆终端为具备多个网络接口的移动设备,所述多个网络接口表示多个网卡,或者表示车辆终端具备多个无线模块,开启之后可以连接多个不同的无线接入点AP。
采用上述方案后,本发明的有益效果是:
第一,在传统车联网中引入了软件定义网络新型架构,利用该架构的数控分离、全局管控及开放接口等优势,对车辆设备进行位置感知,并对其网络转发行为进行调控,解决了传统架构设备不兼容,功能不够灵活等缺陷;第二,通过车辆终端的多个网络接口,实现信道扫描和数据转发的同时进行,减少了寻找切换AP的时间,从而降低切换时延,保证了车辆用户的服务需求。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明一实施例中基于软件定义的车联网架构图;
图2是本发明一实施例中车辆终端在两AP之间移动切换的示意图;
图3是本发明一实施例中网络测试拓扑图;
图4是本发明一实施例中基于传统802.11协议的切换时延结果;
图5是本发明一实施例中基于802.11r协议的切换时延结果;
图6是本发明一实施例中基于背景扫描及多网络接口的切换时延结果;
图7是本发明一实施例中基于位置感知及背景扫描的软件定义车联网接入点切换方法的切换时延结果。
具体实施方式
以下将结合本发明附图,对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其核心在于利用SDN控制器的全局管控功能对AP及移动车辆终端进行位置感知,快速地找到合适的切换接入点,并利用车辆终端的多个网络接口特点,在切换过程中交替负责数据发送及背景扫描的任务,实现车辆信息交互的不间断。
所述切换方法,是针对车联网中不同无线接入点间的切换问题,通过使用软件定义的方式对其上的网络功能及行为进行编程控制完成。
参见图1所示,所述软件定义的车联网架构,由应用层、控制层、基础设施层及车辆终端构成。
所述应用层,通过调用控制层的北向接口,利用转发设备和控制器的相关功能执行部署切换方法。
所述控制层,核心为控制器(SDN Controller,SC),管理底层设备,负责获取全局的各种有用数据,并据此做出对应的决策。
所述基础设施层,包括OF-AP、OF-SW,分别表示支持OpenFlow协议的无线接入点和交换机(方便起见,下文均简称为AP与SW),AP负责监测车辆终端的移动和接入请求,上报车辆终端和自身的有效信息给SC,接收SC下达的流表指令并执行相应的动作;SW作为不同AP间传输数据的通道,连接AP与SC并转发网络数据以及与SC交互。
所述车辆终端主要为具备多个网络接口的移动车辆设备,此处的多个网络接口可以表示多个网卡,也可以表示终端具备多个无线模块,开启之后可以连接多个不同的AP。
本发明将传统的切换过程进行了扩展,利用背景扫描技术及车辆终端的多个网络接口,交替完成信道的扫描和数据转发的任务,实现车辆运行业务的不间断。
所述背景扫描技术,包括车辆终端进入到某个AP的覆盖范围;与其建立连接并正常通信;链路质量无法满足要求或开始移动远离原AP;寻找合适的新AP进行重连接;与原AP断开连接,与新AP正常通信。考虑到车辆终端与源AP进行稳定通信后并不一定会立刻移动,可能停留一段时间,则在这段时间内,可以先进行预扫描,提前掌握周围的其他AP信息。
参见图2所示,假设该车辆终端的网络有两个接口(wlan0和wlan1),一开始wlan0处于活动状态,wlan1处于关闭状态。圆形区域表示不同AP的覆盖范围,矩形区域表示车辆终端移动过程中与AP的信道质量变化。由于实际情况中AP在部署完成后基本保持位置固定,依据信号的强弱与覆盖距离的平方成反比的原理,借助SDN控制器对车辆终端及AP的位置信息收集,指导车辆终端快速找到合适的AP进行切换,该过程于车辆终端而言是透明的。
在车辆终端移动的过程中,可以通过计算其与目前连接AP的距离来判断移动的位置,通常情况下距离越远,信号强度越弱,若超过规定的阈值范围,则可开启闲置的接口。由于车辆终端在第一次扫描AP尝试连接时,就已经获取到了周围其他AP的情况,因此AP可以通过与SC交互并选择合适的切换AP通知给车辆终端,使其能够利用备用接口进行连接请求,连接成功后SC下发修改后的流表项通过重定向到该AP的方式进行数据的不中断通信,等到车辆终端完全离开原AP,则触发其维持的车辆终端连接表进行表项的添加、删除工作。
参见图2所示,一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,包括:
步骤1,车辆终端进行主动扫描即发送探测请求帧给周围的AP,而根据AP的设定,会以固定时隙的间隔不断向空中发送信标帧,因此车辆终端可以通过信标帧以及AP返回的探测响应帧进行AP信息的获取,并将其存储到自身的AP列表AL当中;
步骤2,AP通过对车辆终端的监测,获取其位置信息,连同自身的位置信息一起上报给SC,并创建终端及AP信息表(终端及AP信息表由AP创建),为了减小表项的开销,这里只记录二者的位置信息,方便之后计算相互之间的距离,由于AP的位置不变,因此只需对车辆终端的位置进行动态更新;
步骤3,初始时由于车辆终端收集的信息有限,先从列表AL当中选取信道质量Rssi及Snr两个参数最大的AP(这里以AP1为例),使用wlan0向其发送连接请求,响应成功后,进行正常通信。若车辆终端一段时间未移动,则开启wlan1以背景扫描的方式进行预扫描,如果发现了列表中没有的AP,将其添加进列表当AL中,考虑到扫描时间较长,并且车辆终端处于静态,只进行一次预扫描;
步骤4,当前信道质量变差或车辆终端开始移动,wlan1再次扫描AL表中已有AP的信道,更新AL表,在P1时刻信道质量下降到给定阈值Q1,启动切换进程;
步骤5,移动过程中,SC不断更新车辆终端的位置信息,当车辆终端与AP1之间的距离达到了设定的阈值DTH之后,计算车辆终端到其他AP之间的距离并排序,选择距离最短的AP(这里以AP2为例)通知其向车辆终端回复探测响应帧,并与车辆终端建立连接。通过修改对应的流表信息,将由AP1发送的数据重定向到AP2;
步骤6,在P3时刻,车辆终端利用wlan1与AP2正常通信,信道质量逐渐增强,等到P4时刻接口wlan1与wlan0的连接质量之差达到既定阈值QTH时,wlan0已不再适合承担数据收发任务,因此将其转换为后续进行背景扫描的接口。
步骤7,到达P5时刻,车辆终端完全离开AP1,导致wlan0与其断连,此后便重复以上过程,两个网络接口在需要进行AP切换时,分别执行背景扫描与数据收发的任务,使得整个过程中不会出现丢包或通信中断的情况。
由上述流程操作可知,P1、P3、P4时刻分别代表AP切换启动时机、成功接入新AP以及网络接口任务转换时机,也意味着在这些时间点上达到了对应的限定阈值条件。此过程中涉及到诸多参数,下面进行详细说明。
终端维护的AP列表AL由式(1)标识,其中SSID、MAC地址、IP地址、Rssi及Ch等参数可以从AP发送的信标帧或探测响应帧获得。
AL={APi|(ID,SSID,IP,MAC,Snr,Rssi,Ch),i=1,2,...,n} (1)
由于Snr与实际的链路环境关系紧密,因此本发明的计算公式,如式(2)所示。P(t)为t时刻的发射功率,d(t)为t时刻接收方和发送方两者间的距离,α为路径传播损耗因子,η为噪声水平,G(t)为t时刻的信道平均增益。
本发明中提到的信道质量主要以Rssi和Snr两个参数衡量,如式(3)所示,考虑到后者比前者更能反映信道的良好程度并且重要程度相当,这里取α=0.4及β=0.6。
Q=α*Rssi+β*Snr (3)
设终端在与AP1建立连接后处于稳定状态时计算得到的值为Qstable,该值可以看作是连接成功后到切换启动前的这段时间信道质量的平均值,AP覆盖半径为R,步骤(4)、(5)、(6)中的Q1、DTH及QTH由(4)、(5)式表示,其中A、B及C为权重系数,A、B取值为[0,1],C取值为[0,0.5],均可以根据用户需求以及实际链路情况进行修改。
Q1=Qstable*A,DTH=R*B (4)
QTH=Q4(wlan1)-Q4(wlan0)=Q4(wlan1)*C (5)
进一步的,本实施例中,在图1所示的网络架构下,利用Mininet-WiFi网络工具创建了图3所示的实验平台,利用Oracle VirtualBox5.1.18加载仿真平台的镜像,搭载Ubuntu 16.04.3操作***。从GitHub上下载Mininet-WiFi及Ryu控制器的固件完成测试环境的建立,内置Open vSwitch2.5.2,可以创建虚拟的OpenFlow交换机。
在进行测试实验时,本发明利用***中的ping指令以评估拓扑结构中设备之间是否能够互相连通。ping指令主要依据各设备相互发送ICMP报文后是否能接收到响应报文来进行判断。对于设备利用各种协议产生的数据报文则使用wireshark抓包工具进行提取解析。
参见图3所示,一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法(与图2方法一致,本实验平台包括了3个AP),包括:
步骤S100,车辆终端发送探测请求帧给周围的AP,根据AP发送的信标帧及返回的探测响应帧进行AP信息的获取,主要包括SSID、IP地址、MAC地址、链路信息(信噪比、信道号、信号强度),并将其存储到自身的AP列表AL当中;
步骤S200,AP获取车辆终端的位置信息,连同自身的位置信息一起上报给SC,并创建终端及AP信息表;
步骤S300,车辆终端从列表AL当中选取信号强度及信噪比最大的AP1,使用wlan0向其发送连接请求,响应成功后,进行正常通信;
步骤S400,车辆终端开始移动,信道质量下降到给定阈值,启动切换进程。
步骤S500,SC更新车辆终端的位置信息,当车辆终端与AP1之间的距离达到了设定的阈值之后,计算车辆终端到其他AP之间的距离并排序,选择距离最短的AP,通知其向车辆终端回复探测响应帧,修改对应的流表信息,将由AP1发送的数据重定向到AP2;
步骤S600,车辆终端利用wlan1与AP2正常通信,wlan1与wlan0的连接质量之差达到阈值,转换为背景扫描接口;
步骤S700,重复以上步骤,完成AP2到AP3的切换过程。
图4、5、6、7为最后的切换时延结果图,对比传统802.11协议、802.11r协议、基于背景扫描及多网络接口以及基于位置感知及背景扫描的软件定义车联网接入点切换方法这四种切换方法。较低的切换时延及平滑的曲线表示本方法能够实现车辆用户的服务不间断及良好的服务体验。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是,本发明并不限于上述实施方案,凡按本发明所做的任何均等变化和修饰,所产生的功能作用未超出本方案的范围时,均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,包括:采用软件定义无线网络架构中控制器的全局管控功能对无线接入点及移动车辆终端进行位置感知,找到合适的切换接入点;利用车辆终端的多个网络接口,在移动切换过程中交替负责数据发送及背景扫描的任务,实现车辆间信息交互的不间断;
所述方法具体包括:
S100,车辆终端发送探测请求帧给周围的无线接入点AP,并接收周围AP发送的信标帧及周围AP返回的探测响应帧以进行AP信息的获取,将所述AP信息存储到自身的AP列表AL当中;所述AP信息包括SSID、IP地址、MAC地址和链路信息;所述链路信息包括信噪比、信道号和信号强度;
S200,无线接入点AP获取车辆终端的位置信息,连同自身的位置信息一起上报给控制器SC,并创建终端及AP信息表;所述信息表中包括终端与AP的位置信息;
S300,车辆终端从列表AL当中选取信号强度及信噪比最大的第一AP,使用第一网络接口向第一AP发送连接请求,响应成功后,进行正常通信;
S400,车辆终端开始移动,当信道质量下降到给定阈值Q1,启动切换进程;所述信道质量由信号强度和信噪比获取;
S500,SC更新车辆终端的位置信息,当车辆终端与第一AP之间的距离达到了设定的阈值DTH之后,计算车辆终端到其他AP之间的距离并排序,选择距离最短的第二AP,通知第二AP向车辆终端回复探测响应帧,修改对应的流表信息,将由第一AP发送的数据重定向到第二AP;
S600,车辆终端利用第二网络接口与第二AP正常通信,当第二网络接口与第一网络接口的连接信道质量之差达到阈值QTH时,将所述第一网络接口转换为背景扫描接口;
S700,重复以上步骤,完成多个无线接入点AP的切换过程。
2.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述切换过程包括:针对车联网中不同无线接入点间的切换问题,通过使用软件定义的方式对网络功能及行为进行编程控制完成。
3.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述背景扫描包括:车辆终端进入到某个AP的覆盖范围时,与其建立连接并正常通信;当链路质量无法满足要求或开始移动远离与之建立连接的AP时,寻找新的AP进行重连接;当与之建立连接的AP断开连接时,与新的AP正常通信。
4.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述方法还包括:
在车辆终端与建立连接的AP进入稳定通信且停留的时间段内,进行预扫描,提前掌握周围的其他AP信息。
5.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,基于软件定义网络的车联网架构包括应用层、控制层、基础设施层和车辆终端;所述控制层与所述应用层及基础设施层分别相连接;所述基础设施层与所述控制层和车辆终端层分别相连接。
6.根据权利要求5所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述应用层通过调用控制层的北向接口,利用转发设备和控制器的相关功能执行部署切换。
7.根据权利要求5所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述控制层包括控制器SC,用于管理底层设备,负责获取全局的各种有用数据,并据此做出对应的决策。
8.根据权利要求5所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述基础设施层包括支持OpenFlow协议的无线接入点AP和交换机SW;其中,无线接入点AP用于监测车辆终端的移动和接入请求,上报车辆终端和自身的有效信息给SC,接收SC下达的流表指令并执行相应的动作;SW作为不同AP间传输数据的通道,连接AP与SC并转发网络数据以及与SC交互。
9.根据权利要求5所述的基于软件定义网络的车联网接入点切换方法,其特征在于,所述车辆终端为具备多个网络接口的移动设备,所述多个网络接口表示多个网卡,或者表示车辆终端具备多个无线模块,开启之后可以连接多个不同的无线接入点AP。
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