本发明涉及信息中心车载网络领域，更具体地说，涉及一种基于分簇和相遇感知的信息中心车载网络路由方法。
背景技术
manet(mobileadhocnetwork)，即移动自组网络，它是一种没有固定控制中心，无需基础设施的无线多跳接入网络，manet能够作为一种相对独立的网络运行，网络中的节点没有固定位置，能够任意运动，通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点间的语音、数据、图形图像等信息的无线传输；manet应用领域广泛，包括军事领域，紧急和临时场合，传感器网络和物联网领域以及个人通信等，另外在汽车领域也能发挥其作用；
vanet(vehicularadhocnetwork)，即车辆自组网络，则是manet在现实道路中的应用，车载网可以使驾驶者更全面的掌握周围信息包括(停车场信息、餐厅信息、路况信息等等)，例如，一辆车想要获得周围停车场的车位情况，那么车辆可以发送请求给停车场周围的车辆，停车场周围的车辆收到信息以后将数据返回给请求车辆。除了日常城市交通场景以外，车载网还可以对突发事件在网络中进行信息传输使驾驶者获得周围的相关情况，包括发生地震火灾等紧急情况导致基站损坏无法通信等情况。vanets由一组具有通信功能和路边单元的车辆组成。配备车载单元，支持无线通信的车辆，由于现有车辆数量众多，其应用前景广阔；
众所周知，网络的重要功能是有效地共享信息，然而vanet的动态特性导致数据获取效率较低，但是ccn在网络缓存机制的数据采集方面表现更好。因此，利用ccn的优势来提高数据的获取效率，研究人员将ccn引入到vanet形成信息中心的vanet中。由于节点的高速运动导致了以信息为中心的vanet的车辆移动速度快，网络拓扑不断变化，导致节点无法长时间保持稳定的传输链路。因此如何在车载网中实现稳定高效的数据传输变成了急需解决的关键问题。
技术实现要素：
有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于分簇和相遇感知的信息中心车载网络路由方法，该算法利用车辆之间的相遇记录节点的运动轨迹，以便在网络中进行路由的时候可以更加方便的找到不断移动的目的节点，同时利用在交通网络中车辆自然分簇的特征对节点进行分簇，使路由算法更好地适用于内容中心车载网络。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于分簇和相遇感知的信息中心车载网络路由方法，包括以下步骤：
(1)对车辆进行划分区域，每个区域选出一个节点作为簇头，负责管理其他成员车辆的信息以及信息传播，设定在走到路口之前簇都不变，并且同一簇中车辆的速度都不变；
(2)对网络中的节点进行分簇，每个簇中的节点包括两类：一类是普通节点，普通节点维护一个ecra表用来录与其他节点的相遇记录，另一类是簇头，簇头是整个簇的管理者，簇头维护两个表，分别是成员表和g-ecra表，成员表的形式为(id，idi)，其中id代表网络中节点的唯一标识，idi代表这个节点缓存的数据的唯一标识，g-ecra表的形式为(id,time,l(x,y))，其中id代表相遇节点，time代表相遇时间，l(x，y)代表相遇位置；
(3)簇头通过定期广播确定簇内节点的变化情况：当节点加入簇时，节点需要向簇头发送ecra表，簇头对节点的ecra表中的信息进行处理以形成g-ecra表，簇头具有簇内所有成员的ecra表数据，并且只有簇头需要和其他簇的簇头进行通信，当不同簇头相遇时交换g-ecra表；
(4)不同簇头根据簇内路由算法进行通信，其中n代表车载网中的节点，ns表示源节点，nd表示目的节点，d代表源节点ns请求的内容，ch代表节点n所在组的簇头，过程如下：
s1：当源节点ns请求数据的时候，首先把请求内容d发送给簇头ch，簇头ch在组内查找本簇中是否有节点缓存请求内容d，如果已经缓存，那么就直接把数据交付给源节点ns；如果没有，则需要在g-ecra表中查找有关目的节点nd的相遇记录，并且使用局部洪泛法向周围其他簇头发送请求；
s2：其他收到广播请求的簇头查询本地的g-ecra表，如果查到了与目的节点nd相同的信息，就返回此条相遇记录，告知源请求节点ns本簇最后一次与目的节点nd相遇的时间与地点；
s3：当请求簇头收到应答信息后，从所有应答信息中筛选最新的相遇记录，并把这个记录的相遇地点l(x，y)作为下一跳锚，源簇头把请求信息发送到l(x，y)附近的节点n，继续重复步骤s1；
s4：当簇头没有发现有与目的节点nd相关的最后相遇路由记录，则源簇头进行范围更加广泛的局部搜索，收到信息的节点重复步骤s2、s3，直到找到目的节点nd，最终把数据发送给目的节点nd；
s5：随着节点的不断移动，当簇走到十字路口的时候，簇头需要对新加入节点或者离开节点进行管理并更新g-ecra表与成员表；
(5)对存储数据使用生存周期机制：随着节点的不断移动，ecra表中存储了越来越多的相遇记录，时间过久的数据会失去时效性，当数据的生命周期ttl过期就进行删除，节点与节点相遇时记录下相遇的时间、地点以及缓存数据id并更新ttl；如果ecra表中没有此节点的记录，表明在此之前一段事件两车没有相遇，那么就在ecra表中添加此条数据；如果ecra表中已经存在此节点的记录，表明在此之前一段时间内两车曾经相遇，那么就更新ecra表中的相遇时间、相遇地点等信息。
进一步的，簇头对组内节点加入进行管理的过程如下：其中nj代表加入节点，ch代表簇头，timegq代表相遇节点idq在g-ecra表中的相遇时间，timeq代表加入节点nj中的ecra表中有关idq的相遇时间；
s1：当簇头的g-ecra表中没有关于相遇节点idq与加入节点nj的相遇信息，加入节点nj把自己的ecra表发送给簇头ch，簇头ch更新成员表和节点idq在g-ecra表中的相遇时间timegq；
s2：当簇头的g-ecra表中有关于相遇节点idq与加入节点nj的相遇信息，且timegq≤timeq，则簇头在g-ecra表中更新最新的相遇信息，丢弃相遇节点idq在g-ecra表中的信息(idq,timeq,l(x,y)q)。
进一步的，簇头对组内节点离开进行管理的过程如下：其中nl代表想要离开簇的节点，ch：代表簇头，chn代表新的簇头；
s1：当节点nl离开的时候先判断是否为簇头ch，如果是簇头ch，则选择一个新的簇头chn接替，簇头ch把g-ecra表和成员表发送至新的簇头chn，新的簇头chn从成员表中删除节点nl的信息，同时更新g-ecra表中节点nl的信息；
s2：当节点nl是一个成员，则簇头ch从成员表中删除有关nl的信息，并把g-ecra表发送给nl，同时更新g-ecra表中nl的信息。
进一步的，包括对所述簇内路由算法的性能评估方法，过程如下：
ecra的路由代价表示为：
其中p1代表网络中的请求率，d为网络半径，
管理代价包括簇内节点的维护以及节点的加入和离开：
其中sh为hello包的大小，n为簇中节点数目，t为总时间，tv为hello包发送间隔，pj为到路口节点加入簇的概率，sj为join包的大小，pl为到路口节点离开簇的概率，sl为leave包的大小；
总代价为路由代价与网络中簇的管理代价的总和：ct＝cs+kcm，其中k为网络中簇的总数目。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的算法利用车辆之间的相遇记录节点的运动轨迹，以便在网络中进行路由的时候可以更加方便的找到不断移动的目的节点，同时利用在交通网络中车辆自然分簇的特征对节点进行分簇，使路由算法更好地适用于内容中心车载网络；
(2)本发明的应用场景是信息为中心车载网络，其结合了ccn和vanet的优点，网络中内容都缓存在节点中，一方面，由于ccn中分布式存储的特点，数据传输不需要沿着固定的链路进行，因此，攻击者不能攻击传输链路以确保数据的安全性；另一方面，可以从缓存请求数据的节点获得数据，这意味着如果请求的数据缓存在节点中，节点可以直接返回数据包，而无需进一步转发数据包，因此，将ccn与vanets相结合具有明显的优势；
(3)鉴于在以信息为中心的vanet中保证缓存数据的一致性将付出很高的代价，因此，本发明使用实时机制来解决这个问题，在此机制中，在ttl到期之前，仍然认为缓存数据存在于节点中，数据一般应在过期后删除，但有时被删除的数据仍然很受欢迎，因此，不会直接删除缓存数据，而是在过期后将其标记为无效；同时，本发明保存一个指向该副本的指针，以便可以检索复制数据，当多个节点频繁请求无效数据副本时，节点可以通过指针找到数据副本并再次缓存数据，当然，无效的数据不应该永远存储在缓存中，如果无效的数据复制在过期后不被请求，数据副本将被彻底删除。
具体实施方式
下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种基于分簇和相遇感知的信息中心车载网络路由方法，包括以下步骤：
(1)对车辆进行划分区域，每个区域选出一个节点作为簇头，负责管理其他成员车辆的信息以及信息传播，设定在走到路口之前簇都不变，并且同一簇中车辆的速度都不变；
(2)对网络中的节点进行分簇，每个簇中的节点包括两类：一类是普通节点，普通节点维护一个ecra表用来录与其他节点的相遇记录，另一类是簇头，簇头是整个簇的管理者，簇头维护两个表，分别是成员表和g-ecra表，成员表的形式为(id，idi)，其中id代表网络中节点的唯一标识，idi代表这个节点缓存的数据的唯一标识，g-ecra表的形式为(id,time,l(x,y))，其中id代表相遇节点，time代表相遇时间，l(x，y)代表相遇位置；
(3)簇头通过定期广播确定簇内节点的变化情况：当节点加入簇时，节点需要向簇头发送ecra表，簇头对节点的ecra表中的信息进行处理以形成g-ecra表，簇头具有簇内所有成员的ecra表数据，并且只有簇头需要和其他簇的簇头进行通信，当不同簇头相遇时交换g-ecra表；
(4)不同簇头根据簇内路由算法进行通信，其中n代表车载网中的节点，ns表示源节点，nd表示目的节点，d代表源节点ns请求的内容，ch代表节点n所在组的簇头，过程如下：
s1：当源节点ns请求数据的时候，首先把请求内容d发送给簇头ch，簇头ch在组内查找本簇中是否有节点缓存请求内容d，如果已经缓存，那么就直接把数据交付给源节点ns；如果没有，则需要在g-ecra表中查找有关目的节点nd的相遇记录，并且使用局部洪泛法向周围其他簇头发送请求；
s2：其他收到广播请求的簇头查询本地的g-ecra表，如果查到了与目的节点nd相同的信息，就返回此条相遇记录，告知源请求节点ns本簇最后一次与目的节点nd相遇的时间与地点；
s3：当请求簇头收到应答信息后，从所有应答信息中筛选最新的相遇记录，并把这个记录的相遇地点l(x，y)作为下一跳锚，源簇头把请求信息发送到l(x，y)附近的节点n，继续重复步骤s1；
s4：当簇头没有发现有与目的节点nd相关的最后相遇路由记录，则源簇头进行范围更加广泛的局部搜索，收到信息的节点重复步骤s2、s3，直到找到目的节点nd，最终把数据发送给目的节点nd；
s5：随着节点的不断移动，当簇走到十字路口的时候，簇头需要对新加入节点或者离开节点进行管理并更新g-ecra表与成员表；
(5)对存储数据使用生存周期机制：随着节点的不断移动，ecra表中存储了越来越多的相遇记录，时间过久的数据会失去时效性，当数据的生命周期ttl过期就进行删除，节点与节点相遇时记录下相遇的时间、地点以及缓存数据id并更新ttl；如果ecra表中没有此节点的记录，表明在此之前一段事件两车没有相遇，那么就在ecra表中添加此条数据；如果ecra表中已经存在此节点的记录，表明在此之前一段时间内两车曾经相遇，那么就更新ecra表中的相遇时间、相遇地点等信息。
进一步的，簇头对组内节点加入进行管理的过程如下：其中nj代表加入节点，ch代表簇头，timegq代表相遇节点idq在g-ecra表中的相遇时间，timeq代表加入节点nj中的ecra表中有关idq的相遇时间；
s1：当簇头的g-ecra表中没有关于相遇节点idq与加入节点nj的相遇信息，加入节点nj把自己的ecra表发送给簇头ch，簇头ch更新成员表和节点idq在g-ecra表中的相遇时间timegq；
s2：当簇头的g-ecra表中有关于相遇节点idq与加入节点nj的相遇信息，且timegq≤timeq，则簇头在g-ecra表中更新最新的相遇信息，丢弃相遇节点idq在g-ecra表中的信息(idq,timeq,l(x,y)q)。
进一步的，簇头对组内节点离开进行管理的过程如下：其中nl代表想要离开簇的节点，ch：代表簇头，chn代表新的簇头；
s1：当节点nl离开的时候先判断是否为簇头ch，如果是簇头ch，则选择一个新的簇头chn接替，簇头ch把g-ecra表和成员表发送至新的簇头chn，新的簇头chn从成员表中删除节点nl的信息，同时更新g-ecra表中节点nl的信息；
s2：当节点nl是一个成员，则簇头ch从成员表中删除有关nl的信息，并把g-ecra表发送给nl，同时更新g-ecra表中nl的信息。
进一步的，所述簇内路由算法的性能评估过程如下：
ecra的路由代价表示为：
其中p1代表网络中的请求率，d为网络半径，
管理代价包括簇内节点的维护以及节点的加入和离开：
其中sh为hello包的大小，n为簇中节点数目，t为总时间，tv为hello包发送间隔，pj为到路口节点加入簇的概率，sj为join包的大小，pl为到路口节点离开簇的概率，sl为leave包的大小；
总代价为路由代价与网络中簇的管理代价的总和：ct＝cs+kcm，其中k为网络中簇的总数目。
本发明的算法利用车辆之间的相遇记录节点的运动轨迹，以便在网络中进行路由的时候可以更加方便的找到不断移动的目的节点，同时利用在交通网络中车辆自然分簇的特征对节点进行分簇，使路由算法更好地适用于内容中心车载网络；
本发明的应用场景是信息为中心车载网络，其结合了ccn和vanet的优点，网络中内容都缓存在节点中，一方面，由于ccn中分布式存储的特点，数据传输不需要沿着固定的链路进行，因此，攻击者不能攻击传输链路以确保数据的安全性；另一方面，可以从缓存请求数据的节点获得数据，这意味着如果请求的数据缓存在节点中，节点可以直接返回数据包，而无需进一步转发数据包，因此，将ccn与vanets相结合具有明显的优势；
鉴于在以信息为中心的vanet中保证缓存数据的一致性将付出很高的代价，因此，本发明使用实时机制来解决这个问题，在此机制中，在ttl到期之前，仍然认为缓存数据存在于节点中，数据一般应在过期后删除，但有时被删除的数据仍然很受欢迎，因此，不会直接删除缓存数据，而是在过期后将其标记为无效；同时，本发明保存一个指向该副本的指针，以便可以检索复制数据，当多个节点频繁请求无效数据副本时，节点可以通过指针找到数据副本并再次缓存数据，当然，无效的数据不应该永远存储在缓存中，如果无效的数据复制在过期后不被请求，数据副本将被彻底删除。
以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。