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基于IPv6的车载信息系统若干问题研究

曲良东  
【摘要】: 计算机网络技术的飞速发展和车载技术的不断进步,两者间的融合使车载信息系统成为未来智能交通系统(ITS)的重要支撑。而为解决日益突出的IP地址匮乏危机,IPv6成为解决该问题的首要选择,IPv6与车载信息系统的结合为未来的智能交通系统提供了一种有效的解决方案。本文在分析现有的技术基础上,根据应用环境的不同,设计并实现了两种不同结构的车载信息系统模型,并针对先行的网络结构中IPv6孤岛穿越IPv4网络访问纯IPv6主机的情况,设计了两种不同实现方式的隧道模型,最后根据车载信息系统的应用中异构无线网络连接的需要,采用了隧道VPN的形式来实现垂直切换功能,并在数据传输的安全方面进行了加强。 本文的主要创新研究成果有: (1)提出并实现了一种集成式的车载信息系统,在车载信息系统的承载硬件上集成了基于ARM920T的移动计算平台,其组成为S3C2410ACPU、64MB的SDRAM内存和16MB的FLASH静态存储器,外围接口包括了CAN/LIN车身控制网络、CDMA无线网络模块、USB无线网卡接口以及GPS定位系统等。软件上采用ARM-Linux作为系统软件平台,并通过后台应用程序整合车载的CAN/LIN网络数据和GPS系统数据,再通过CDMA无线广域网将这些数据传输到处于IPv6网络中的远程主机。针对不同业务的收发队列,采用基于轮询的时间概率权重方法进行队列访问调度,加强了系统在数据处理上的性能。 (2)提出并实现了基于虚拟网络设备的模块化车载信息系统模型。该模型的核心部件为车载网关,车载网关有效地利用Linux系统的网络设备加载特点,对与之互联的各种不同的电子设备和异构网络节点通信数据进行重新封装,从逻辑上讲,在其各自的驱动程序之上创建了一个虚拟网络接口层,为不同的应用程序搭建了一个统一的接口平台。 以CAN虚拟网络设备为例进行了性能分析,系统模型采用M/M/1排队模型,并根据CAN虚拟网络设备的使用情况设置相关系统成员参数。最后通过实验测试验证了系统的性能。 通过对GPS设备、CAN集成节点和无线网卡等典型设备的虚拟化实现,可以使应用程序的设计、开发与维护更为简单,可以为将来的车载应用提供更广泛的开发环境。同时,虚拟网络设备接口层处于系统的驱动层,从系统的角度看与普通的网络设备无异,可以同时支持IPv4和IPv6双协议栈和完整的路由体系,这样在Linux系统中,大多数的基于Internet网络的安全策略等都可以得到有效的支持,为今后的功能扩展提供了更为广泛的应用前景。 (3)根据两种不同的车载信息系统模型,提出并实现了两种不同类型的IPv6隧道连接封装方式。在集成式的车载信息系统中实现的是基于CIPE的IPv6全隧道模型,该隧道模型以CIPE为基本模块,通过修改相应的封装函数使其支持IPv6协议,将隧道入口和车载信息系统整合于一体,在隧道配置完成之后即可实现IPv6数据报文穿越IPv4网络的功能,并且在数据通信全程使用内核态的IP数据报文加密,为该隧道传输提供了有效的安全防护措施。 虚拟网络隧道模型(VNTM)主要应用在模块化车载信息系统中的车载网关中,因为该车载网关相当于一台移动路由器,虚拟网络隧道为车载信息系统的IPv6应用平台提供了一个穿越IPv4网络访问外部IPv6网络的隧道,其实现通过使用Linux系统中特有的packet_type类型注册自定义协议的方式进行IP报文的捕获和分析,然后再使用IPv6-in-IPv4的形式进行报文的封装,从而实现穿越功能,此外还通过预留的USB接口提供安全访问控制。该隧道对于连接车载网关的其他网络设备来说是透明的,并不需要这些设备再进行隧道的配置,仅需要配置能够与车载网关通信即可。 (4)在集成式车载信息系统中,提出了一种基于隧道VPN的异构无线网络切换系统模型,实现了车载信息系统中各种异构网络之间的融合,从而形成完整的系统。在切换判决时,考虑无约束最优化问题中的一维搜索策略,提出一种使用黄金分割法搜索AP覆盖区间内的最佳切换阀值的策略。整个切换系统使用基于ARM920T的硬件平台和ARM-Linux的软件平台组成车载信息系统作为基本运行平台,再通过虚拟网络设备接口进行IP层的地址绑定和端口映射,从而实现了CDMA和WLAN的切换支持系统,并通过虚拟网络设备接口实现了隧道VPN。在通讯过程中通过异构无线网络的自动切换使得车载信息系统可以获得更好的网络利用效率,获得更多的网络资源服务。


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