VANET中基于二阶段提交悬浮信息内容一致性的方法.pdf

本发明属于移动通信技术领域，针对VANET中悬浮信息一致性问题，采用基于二阶段提交的内容一致性策略，借助排序缓存栈进行信息的存储，以及采用基于偏移度的概率洪泛方式进行信息的转发，节点经历两个阶段，首先根据时间戳决定是否有提交权限，然后再决定是否进行信息的更新。本发明的优势在于在VANET中借助悬浮信息，可以在特定区域内进行信息的共享，如道路安全等，采用基于二阶段提交的内容一致性策略，很大程度上减少收敛速度和网络数据包数，同时很好地保证信息内容的一致性，最终帮助驾驶员及时了解视距外的路况，达到安全驾驶的目的。

权利要求书1.  VANET中基于二阶段提交悬浮信息内容一致性的方法，其特征在于如下步骤： (1)利用悬浮信息缓存栈进行悬浮信息的存储 节点进入锚区后，会自动分配一个和锚区内节点数目一样的大小为N缓存 栈，此栈是一个根据信息的时间戳进行排序的缓存栈，时间戳最新的排在栈顶； 通过缓存栈能够缓存不同时间戳转发的悬浮信息；如果节点离开锚区，会自动 清除缓存栈的内容； 时间戳由当前节点在需要提交更新时自动赋值，此时时间戳是精确到毫秒 的锚区内全局时间，保证时间戳的唯一性，避免信息冲突； 每一个信息包括信息内容、属性、时间戳和ACK信息；其中，信息内容是 指具体的信息内容，属性是指信息的优先级，时间戳是指全局内唯一的时间戳， ACK用来进行信息确认； (2)采用基于偏移度的概率洪泛方式，节点以偏移悬浮中心的程度作为概 率洪泛的几率； 概率洪泛是一种应用较广的改进协议，当节点首次收到信息时，依一定的 概率转发信息，概率洪泛在减少网络重播信息数目和减缓数据延迟方面都有很 好的性能； 某个节点洪泛概率为当前节点的偏移程度，洪泛概率即表示当前节点的转 发概率；它将离开锚区，降低它的转发效率，减少数据在网络中无效转发或者 不可达转发，降低网络负载，提高网络性能； 偏移度计算如下，假设锚区的中心坐标O(x0,y0)，需要计算偏移度的节点的 位置为A(x,y)，车辆移动的速度向量向量与向量的夹角为θ，则偏移 度Δ越大，节点A(x,y)更偏向于O(x0,y0)，反之，则偏离； 每次节点收到信息时，先计算自身节点偏移中心的程度Δ，然后再以这个Δ 的几率进行存储转发； (3)基于二阶段提交的一致性策略，节点通过握手和提交两阶段达到一 致性更新信息 发送节点为send节点，即需要提交的节点，接受节点为recv节点，即需要 更新的节点； A.握手阶段 当节点需要更新信息时，send节点向recv节点发送带有时间戳的访问请求， 如果send的发送的时间戳大于recv当前的时间戳，那么send获取访问权限，并 返回ACK，反之，send无法获得访问权限，并返回ACK；获取到访问权限后， 才能提交信息，即进入提交阶段；recv节点采用时间顺序原则，一旦获得更新 时间戳的访问请求，立即将旧的访问请求失效； B.提交阶段 send节点收到ACK响应后，进行信息的提交，recv节点收到提交请求后， 判断send提交携带的时间戳是否和recv的时间戳相同，如果是，就立即更新recv 的信息，否则提交失败。

说明书VANET中基于二阶段提交悬浮信息内容一致性的方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，针对VANET(Vehicular Ad-hoc Network, VANET)中悬浮信息一致性问题，提出基于二阶段提交的内容一致性策略，借助 排序缓存栈进行信息的存储，以及采用基于偏移度的概率洪泛方式进行信息的 转发，节点经历两个阶段，首先根据时间戳决定是否有提交权限，然后再决定 是否进行信息的更新。本发明的优势在于在VANET场景多车辆下，采用基于二 阶段提交的内容一致性策略，能够很大程度上减少节点的收敛速度和网络中的 数据包数，同时很好地保证信息内容的一致性。
背景技术
信息悬浮是一种依附地理位置的信息接入、转发和共享的方式。在VANET 中借助悬浮信息，可以在特定区域内进行信息的共享，如道路安全等，帮助驾 驶员及时了解视距外的路况。在悬浮区域内各个节点普遍采用洪泛方式转发悬 浮信息，但由于网络的不稳定性和节点的差异性，当某些节点需要更新当前悬 浮信息，并向悬浮区域内其他节点洪泛更新信息时，可能导致悬浮区域内某些 节点信息不一致，如何快速收敛并且保证区域内各个节点的悬浮信息的一致性 是一个具有挑战性的问题。
悬浮信息广泛存在于移动环境和无固定设施的环境下，它不依赖于信息载 体本身，只依附于固定的地理位置(Villalba A,Konstantas D.Towards hovering  information[M]//Smart Sensing and Context.Springer Berlin Heidelberg,2006: 250-254.和Di G,Serugendo M.Dependable requirements for hovering  information[C]//In Supplemental Volume-The 37th Annual IEEE/IFIP International  Conference on Dependable Systems and Networks(DSN’07.2007.)。
信息悬浮是一种新型的基于地理位置的信息共享方式。文章描述了悬浮信 息在车联网中的实际运用。假设车联网中所有车辆都装备有传感器，具有采集、 处理和转发信息的能力，它能够借助信息悬浮技术共享交通信息，从而帮助驾 驶员提前发现潜在的安全威胁，达到安全驾驶的目的(Konstantas D,Villalba A. Hovering Information:A paradigm for sharing location-bound  information[C]//European Conference on Smart Sensing and Context.2006.)。其中提 出了面向悬浮信息需要亟待解决的几个问题，主要包括1)持久性、可靠性和生 命周期，2)信息的一致性，3)安全性，4)鲁棒性和自组织性。
针对车联网中悬浮信息转发策略进行讨论，提出了概率洪泛模型，在悬浮 区外采用过渡车辆节点中继的方式，达到信息转发可达的目的(Xeros A,Lestas M, Andreou M,et al.Information Hovering in Vehicular Ad-Hoc  Networks[C]//GLOBECOM Workshops,2009IEEE.IEEE,2009:1-6.和Xeros A, Lestas M,Andreou M,et al.Adaptive probabilistic flooding for Information  Hovering in VANETs[C]//Vehicular Networking Conference(VNC),2010IEEE. IEEE,2010:239-246.)。
针对高速路口的场景，提出了基于悬浮信息的安全信息分发方法HBID，在 该方法中，车辆根据自身位置和邻居车辆速度自适应调整广播间隔。实施结果 表明，该方法减少网络负载的同时，并且保证信息在悬浮区域内的可靠性(Liu Y, Chen C,Guan X.A hovering-based warning information dissemination approach in  highway entrances[C]//Communications(ICC),2014IEEE International Conference  on.IEEE,2014:2719-2724.)。
针对悬浮信息存储的问题，采用复制缓存算法，达到在小区域内的信息悬 浮的目的(Castro A A V,Serugendo G D M,Konstantas D.Hovering  information–self-organizing information that finds its own storage[M]//Autonomic  Communication.Springer US,2009:111-145.)。
发明内容
本发明针对城市VANET环境下中悬浮信息一致性问题，提出了基于二阶段 提交内容一致性的方法，每个节点维持一个排序缓存栈进行信息的存储，采用 基于位置偏移度的概率洪泛进行信息的存储转发。而针对一致性策略，我们采 用二阶段提交的方式，节点经历两个阶段，首先根据时间戳决定是否有提交权 限，然后再决定是否进行信息的更新。我们的内容一致性策略能够很大程度上 减少收敛速度和网络数据包数，同时很好地保证信息内容的一致性。
本发明的技术方案如下三个部分：
(1)利用悬浮信息缓存栈进行悬浮信息的存储。
节点进入锚区后，会自动分配一个和锚区内节点数目一样的大小为N缓存 栈，此栈是一个根据信息的时间戳进行排序的缓存栈，时间戳最新的排在栈顶。 通过缓存栈能够缓存需要在不同时间戳转发的悬浮信息。如果节点离开锚区， 会自动清除缓存栈的内容。
时间戳可以由当前节点需要提交更新时自动赋值，此时时间戳是精确到毫 秒的锚区内全局时间，保证时间戳的唯一性，避免信息冲突。
每一个信息主要包括信息内容、属性、时间戳、ACK信息等字段，如图3 所示。其中，信息内容是指具体的信息内容，如安全信息、广告信息等，属性 是指信息的优先级，如紧急和非紧急信息，时间戳是指全局内唯一的时间戳， ACK用来进行信息确认。
(2)采用基于偏移度的概率洪泛方式，节点以偏移悬浮中心的程度作为概 率洪泛的几率。
概率洪泛是一种应用较广的改进协议。当节点首次收到信息时，依一定的 概率转发信息。概率洪泛在减少网络重播信息数目和减缓数据延迟方面都有很 好的性能。
某个节点洪泛概率为当前节点的偏移程度，洪泛概率即表示当前节点的转 发概率。它将离开锚区，可以降低它的转发效率，减少数据在网络中无效转发 或者不可达转发，降低网络负载，提高网络性能。
偏移度计算如下，假设锚区的中心坐标O(x0,y0)，而需要计算偏移度的节点 的位置为A(x,y)，车辆移动的速度向量向量与向量的夹角为θ，则偏 移度Δ越大，节点A(x,y)更偏向于O(x0,y0)，反之，则偏离，如图 4所示。
每次节点收到信息时，先计算自身节点偏移中心的程度Δ，然后再以这个Δ 的几率进行存储转发。
(3)基于二阶段提交的一致性策略，节点通过握手和提交两阶段达到一 致性更新信息
发送节点为send节点，即需要提交的节点，接受节点为recv节点，即需要 更新的节点。
A.握手阶段
为了解决互斥访问的问题，我们引入握手阶段。当节点需要更新信息时，send 节点向recv节点发送带有时间戳的访问请求，如果send的发送的时间戳大于recv 当前的时间戳，那么send获取访问权限，并返回ACK(OK，recv当前值时间 戳)，反之，send无法获得访问权限，并返回ACK(NO)。获取到访问权限后， 才能提交信息，即进入提交阶段。特别的，recv节点采用时间顺序原则，一旦 获得更新时间戳的访问请求，立即将旧的访问请求失效。
B.提交阶段
send节点收到ACK(OK，recv当前值时间戳)响应后，可以进行信息的提 交，recv节点收到提交请求后，判断send提交携带的时间戳是否和recv的时间 戳相同，如果是，就立即更新recv的信息(时间戳，信息内容)，否则提交失败。
具体流程伪代码如下：

以两个send节点和一个recv节点为具体事例，如下图5所示，其中节点1 和节点2同时向节点0提交更新，但由于节点2的时间戳优先于节点1，接着节 点2继续进行提交信息，最后节点2更新成功，节点1更新失败。对于大于2 个以上的节点提交更新的情景也是相同的策略。
本发明在VANET中借助悬浮信息，可以在特定区域内进行信息的共享，如 道路安全等，采用基于二阶段提交的内容一致性方法，很大程度上减少收敛速 度和网络数据包数，同时很好地保证信息内容的一致性，最终帮助驾驶员及时 了解视距外的路况，达到安全驾驶的目的。
附图说明
图1是信息悬浮概念图。
图2是一致性策略场景表述图。
图3是排序缓存栈结构示意图。
图4是偏移程度计算示意图。
图5是两阶段提交策略示意图。
图6是三种策略对比的网络交付率的示意图。
图7是三种策略对比的平均延迟的示意图。
图8是基于二阶段提交一致性策略平均信息数的示意图。
图9是基于二阶段提交一致性策略收敛速度的示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施；
实施例1
采用ONE仿真平台，以大连市中山区为仿真场景的拓扑图，通过 OpenStreetMap导入城市场景进行仿真实验。主要验证的指标是平均信息数、平 均收敛时间以及相对一致性。
主要的参数设置如下所示。
参数 数值 锚区大小 20000m*20000m 车辆速度 10-50km/h 通信距离 500m 传输速度 2M 节点个数 200 信息大小 100k 缓存大小 10M 时间间隔(信息改变) 30s
实施中，我们通过对比我们提出二阶段提交策略(2PC)和Epidemic(EPI)、 DirectDelivery(DD)的平均交付率和平均延迟，以验证我们算法的可靠性和稳 定性，并且评估二阶段提交策略的收敛速度和一致性。
1.交付率
图6可以看出三种策略网络交付率随时间的增长而增长，而2PC策略比 Epidemic、DirectDelivery策略拥有更大的网络交付率，在1000s之后，基本上稳 定在90％以上。主要原因是，2PC策略是根据偏移中心程度进行概率式转发的， 往往是减少网络资料的同时，提高了网络平均交付率。
2.平均延迟
图7可以看出三种策略的平均延迟随时间的增加而增加，而2PC策略比 Epidemic、DirectDelivery策略拥有更小的网络延迟。主要原因是，概率式的存储 转发方式，减少网络开销，相应的降低网络延迟的大小。
3.平均信息数
图8中可以看出洪泛策略带来的问题就是信息数过多造成的网络拥塞，而我 们的策略随着时间的推移，信息数一直稳定在110左右。归因于我们采用基于概 率的洪泛策略，越偏移悬浮中心的节点转发几率就越小，这样可以减少网络信 息数。
4.收敛速度
为了描述收敛速度，我们通过平均跳数表示收敛快慢。图9中可以看出，随 着时间的推移，我们的平均跳数稳定在4-4.5之间。归因于节点只在悬浮区域内 存储转发信息，因此可以保持相对较少的跳数，从而达到成功发送的目的。