论文研究-基于SDN的车联网网关研究与设计 .pdf

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基于SDN的车联网网关研究与设计,刘浩,高德云,随着车辆网络规模扩大,互联网流量的快速增长,各种新型服务不断出现,使得网络运营成本增加,网络优化难度较大等许多问题的出现
山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn SDN控制器:软件定乂车载自组网系统的逻辑控制中心,用于控制整个系统的网络行 动 SDN无线节点:数据转发平面的设备组件,受到SDN控制器的控制。主要是有车辆组 65成,车辆从SDN控制器那里接受控制信息,然后采取相关行动 SDN RSU:数据转发平面的固定设备组件,也受SN控制器的控制,具有SDN特性 的RSU,部岧情况与普通的RSU一样,铺设在道路两旁。 自组织网络的一个显著特点是,节点可作为主机(发送接收流量)或者路由器(代表 其他节点的转发流量)。因此一个SDN节点可以是SDN数据转发平面一个转发单元,也可 70以是一个数据终点。 每个SDN节点(包括 SDN RSU)都有一个本地的SDN模块,如图3所示,该SDN 模块应当包含沇表等,类似于交换机路由器中的转发表或路由衣,能够对接收的数据进行 流表匹配,然后执行操作,转发或者丢弃。通过任何一个无线节点的流量(例如车辆用户应 用产生的流量)在发送之前会通过自己的SDN模块,让SDN控制器下发流表,通过与流表 75匹配来确定用户的流量是否拥有进入网络的权利等。 控制通道数据通道 1本地管理 1(女全通道) SDN模块 应用 图3SDN节点内部结构 Fig. 3 Internal structure of SDN node 每一个节点中的SDN模块,起到数据交换或者路山转发的作用,在软件定义车载自组 80网中相当于一个网关。在 SDN RSU上,接受到来自车辆发送过来的数据,像车辆发送过来 的接入互联网的请求或者是共享车辆的相关信息等,就需要这个SDN模块进行数据处理, 回应车辆请求信息或者是向上层传递车辆的相关信息。因此,SDN节点如车辆或者RSU中 的SDN模块显得尤为重要,本改计婁改计的基于SDN的关,就是部署于车辆或者RSU 中作为SDN模块或者是作为SDN模块的一部分。 对于车域网(VAN),也称为车载局域网,目前汽车上普遍采用的车载网终的有:局部 互联协议LIN、控制区域网CAN等。CAN总线拓扑结构与星型拓扑结构相结合构成了汽车 内部网络,汽车上的各个控制单元选用的是星型拓扑结构,然后通过总线拓扑结构与CAN 总线连接通信,比如安全气囊控制单元、发动机控制单元以及GPS等模块之类都连接到CAN 总线网终上:IIN是一种低成本的串行通讯网络,用于实现汽车中的分布式电子系统控制, 90其目的是为现有汽车网络(如CAN总线)提供辅助功能。目前车载网络架构如图4所示。 山国武技论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 车载应用 处理器(CPU等) 以太网网卡 IN总线收发器 CAN总线控制器 网绉 LIN总线 AN总线收发器 CAN总线 图4车载内部网络结构 Fig. 4 Nctwork structurc of VAN 为了使SDN能够完全融合与车联网,对于车域网,引入SDN形成 Software- Defined VAN 95(软件定义车域网),如图5所示。 车载应用 LN总线 以太网网卡 网终 网终 CAN总线 网终 处理器(CPU等) N模块 其他车载 刈终 图5软件定义车域网通信结构 Fig 5 Communication structurc of Softwarc-Dcfincd VAN 2SDN网关设计方案 基于 openflow的SDN对于数据包的处理流程如图6,从刚络传输过来的数据包,进 入SDN网络架构,具体是进入到 openflow交换札,首先,交换札可以先对这个数据包用 802. Id STP协议进行处理,STP( panning-tree protocol)协议,是一个二层的链路管理协议 亡能提供链路冗余同时防止网络产生环路,这取决于 openflow父换机是否加载了SIP协议, 也取决于 openflow交换机是否开启了此功能;此外也可以直接跳过该协议的处理过程,进 105行包头域解析。在进行包头域解析时,从接收到的数据包里提取相关信息,与流表的每个流 表项进行匹配。一旦匹配成功了,就会执行匹配的流表项的动作,然后更新对应的计数器; 4 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 如果和所有的流表项都匹配失败,那么就会把数据包通过安全通道送给控制器,交由控制器 处理,或者是对于一些特殊数据包, openflow父换机则可以丢弃掉。从SDN对数据包的处 理过程来看,SDN并不改变数据包的结构和特性,只是在处理方面和TCPP协议处理有所 l10不同,因此,SDN的研宄,不改变也不影响现有的传统 TCP/IP网络的数据包结构,所以, SDN与传统 TCP/IP网终架构并不冲突,甚至还能很好的兼容。 匹配 来自网络 可选择 802.1d STPF 包头域 流表1成功执行 的数据包 解析 匹配 进行处理 行动 失败 通过安全失败 匹配 流表N 成功 通道送入 控制器 匹配 图6SDN中数据的匹配过程 Fig 6 Matching process of data in SDN 115 对于现有传统的TCPP网络,当网卡接收到·个数据包后,就会把它送入到内核的网 络协议栈,通过TCPP协议栈处理,经过用户接口,传送到应用层,给用户使用或操作 图7为SDN和TCPP对于数据处理的流程对比 物理端口 物理网卡 控制器 SDN网络 数据分析 SDN端口 下发 flow-mod TCPIP 内核网络协议栈 包头域解析 流表匹配 用户接口 执行动作 应用层 图7SDN与TCPP数据处理方式对比 120 Fig 7 Comparison of data processing methods between SDN and TCP/IP 根据SDN思想和传统网关架构,木文提出一个基」SDN的网关结构,如图8所示,结 合SDN思想和传统嵌入式网关,使网关在此前的能够正常通信的基础上,具备SDN的多种 优点,满足车联网的技术需求。 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 通信适配模块(面向上层网络) 交换/路由模 控制管理模 块(流表) 块 底层协议适配与转换 有线接口 扩展接口 终端接口 图8基于SDN的网关架构 Fig 8 Gateway architecture based on SdN 此网关结构分为若十个模块,从卜往上分别是:终端接口模块、有线接口模块、扩展接 ∏模块、底层协议适配与转换模块、交换/路由模块、控制管理模块以及通信适配模块。对 于在车辆上的网关,各种传感器组成的传感网络收集各种信息,通过接口传送进入网关设备, 130对这些数据进行协议封装或者统一适配,然后交给交换/路由模块单元,对其进行流表匹配, 匹配后传递到上层通信适配模块,然后进入车联网甚至接入互联网进行通信,或者转发给其 他车辆或RSU等;反之,从车联网(或互联网)传递过来的数据信息,从遥信模块接收下 来,绎过交换/路由模块的流表匹配,匹配到相关流表项后执行相关动作,由此,上层网终 旳控制平面可以与控制箮理模块连接通信,巸置或修改交换/路由模块,以此来改动流表等 135以改变该网关设备的转发策略和工作方式,实现能够对设备的实时监测和在线配貿,此外, 此网关还可以在上层控制下与其他的同层网关协同工作 终端接口模块:指的是面向接入网关的各种物理接口,对亍车辆内的车载网关来说,其 面向的是传感网络,对于RSU的接入网关来说,其面向的是不同的网络间转换通信。接∏ 既可以是无线的射频组件,也可以是有线的介质插口 140 有线接口模块:常用的有线接口模块有串口、USB接口、以太网口等,主要是桥接终 端接口和网关设备核心组件,通过相关的驱动程序就可以连接终端和设备 扩展接口模块:扩展接口模块是因为一个嵌入式网关不可能加载兼顾所有的协议,需要 通过护展接口模块加载网关设备上没有的其他协议组件,比如扩展蓝牙、红外、GPS甚至 是WIFI等的协议组仵 145 底层协议适配与转换模块:主婁是对接收的数据信息进行协议转换以及统一适配,将数 据进行直接或冋接的封装,以便和交换/路由模块能进行交互,通过交换/路由模块转发或者 接入网络,这是传统网关的核心部分。对于引入SDN思想的底层协议适配与转换模块,其 主要目的则多了统管理数据,方便交换/路由模块进行流衣匹配 交换/路由模块:为实现不同网络间通信中最主要的数据处理单元,对于传统网关,该 150模块处理数据的核心规则是路由表等,而在本文中,其变成了流表,从车联网(或者是互联 网)与底层传送过来的数据均需要进行流表匹配,然后根据匹配的流表项的相关动作进行数 据操作; 控制管理模块:其主要负责对网关设备的逻辑或物理上的控制管理,可以通过该模块建 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 立与上层控制平面的安全通道,对交换路由模块进行控制或配置,主要是对其流表进行改动, 155增加、修改、删除流表项等,此外,还有对网关设备的物理上的控制管理,比如关闭、重启 网关设备等的基本操作; 通信适配模块:包含各种常用的互联网接入或中继的技术,负责网关设备的互联网接入。 3结论 本文在发展火热的车联网环境下,提出了一些对车联网网关特性的改进。车辆网络规模 l60不断扩大,车联网面临诸多困难,车联网的通信流量快速增长,各种新型服务不断出现,对 车联网的网关带来很大挑战。在近几年,新兴的网络SDN的提出,颠覆了传统网络的架构, 在传统网络掀起了一股热潮。本文在车联网上引进SDN的思想,对车联网的网关进行改进, 提出了一种基于SDN的车联网网关的设计方案,该方案能够使车联网网关仅具备比较简兰 的数据转发功能,能快速的处理匹配数据包,适应流量日益增长的需求,有效降低设备负载 165等,而且基于SDN的车联网网关受上层控制器的控制管理,能够对整体车联网统一管理, 分配网络资源。 参考文献|( References 」仁开明,李纪舟,刘玲艳,宋文颖.车联网通信技术发展现状及趋势研究山通信技术2015(5 [2] Ian Ku, You Lu, Mario Gcrla. Towards softwarc-dcfincd VANET: Architccturc and scrviccs[A]. 2014 13th 170 Annual Mediterranean Ad Hoc Networking Workshop (Med-Hoc-Net)[C], June 2-4, 2014, Piran Slovenia. 2014 103-110 [3]赵星.汽车电子中CAN总线应用[J.南京工业职业技术学院学报,206年,第6卷,第2期:1-3页 [4] Open Flow White Paper-Specication-Version 1.0.0 [5 Kan Zheng, Lu Hou, Hanlin Meng, et al. Soft-defined heterogeneous vehicular network: architecture and 175 challenges[J]. IEEE Network, 2016, 30(4), 72-80 7

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