基于IPv6的网联汽车和城市智能交通系统建设途径与方法研究

温熙华+刘彦斌+刘云鹏+程元晖+朱芸+陈鹏飞

摘 要：文章研究基于IPv6网络的网联汽车和城市智能交通系统。利用IPv6下一代互联网技术的优势，结合交通控制技术以及大数据分析技术，提供了IPv6智慧交通系统的建设路径和方法，为基于车联网环境的新型城市智慧交通系统从IPv4网络过渡到IPv6网络提供了方法依据。

关键词：智慧交通；IPv6；车内网；车联网

中图分类号：F253.9 文献标识码：A

Abstract： The model researched in this paper is an ITS based on IPv6 networks. Using the IPv6， transportation control and big data technology， it provides the method for the city ITS transit from traditional networks to IPv6 networks in the future.

Key words： ITS； IPv6； network； car networking

0 引 言

随着国内交通行业的迅猛发展，伴随着智慧交通终端的数据爆发式增长，智慧交通IP化是大势所趋。以机动车为例，截至2017年3月底，全国机动车保有量首次突破3亿辆，其中汽车达2亿辆，并且以每年超过2 000万辆的速度在增长。根据对车联网的发展预计，到2020年，中国智能驾驶的市场规模将突破千亿人民币大关，智能网联汽车的未来发展态势十分明确，未来每个车载终端都会有一个独立的IP地址，加上其他智能交通相关的终端，IP在智慧交通领域的消耗速度将会相当惊人。与此同时，随着移动互联网时代的到来，运营商和厂商将为用户提供更多的智能终端，尤其是智能手机，未来智慧交通领域IP地址的需求量将是现有规模的成百上千倍。

目前使用最为广泛的网络协议IPv4有32位地址长度，理论上能提供1 600万个子网网络、40亿台主机，考虑到采用A、B、C三类编址方式后，可用的网络地址和主机地址大为减少，目前IPv4的地址资源几乎枯竭。IPv6是下一代互联网网络协议，其地址长度扩展至128位，是IPv4地址空间的1 600亿倍。IPv6技术的出现为解决上述困境提供了可能。IPv6首先解决了地址的问题，第二它解决了管理性、安全性的问题。在智慧交通建设中，避免了将来智慧交通大规模应用暴露出的安全性、管理性的问题。如果应用网络都是IPv6，每辆汽车、每一个智能交通的终端都可以分配一个网址，结合车内网汽车电子设备虚拟组网技术，可以更加方便、实时动态地看到每辆车在什么地方，路况怎样，车内各个电子设备的运行状况如何，这对智能交通的调度和民众出行将起到重要作用，其可以在合理时间内撷取、管理、处理、并整理广泛信息，帮助使用者更有效决策。其意义不仅仅在于由此可以掌握庞大的数据信息，而且能够对这些有意义的数据进行专业化处理，是对交通信息资源进行分析利用的智能化。可以说基于IPv6技术的智慧交通系统是未来智慧交通建设的必然趋势。

1 系统总体框架

由于IPv6几乎不受地址数量的限制，因此它可以唯一标识每一个移动车辆、车内的控制单元和其他通信单元。此外，它具有提升网络吞吐量、支持高速移动、高安全性和更好实现多播等特性[1]，因此IPv6技术是实现车联网和智慧交通系统的信息采集和通信的基础。针对IPv4/IPv6双栈协议共存网络环境的互联互通问题，交通运行状态监测准确性差、无法对交通信号进行主动控制、海量交通数据处理能力弱、车辆主动安全保障技术落后且不兼容IPv6、IPv6车内组网、IPv6地址规划等难题，未来的基于IPv6的城市智慧交通系统，应该充分融合包括IPv4到IPv6过渡机制关键技术、基于IPv6的海量交通综合信息大数据处理技术、交通出行监测及预测技术、降低交通延误和提升交通管理效率的公眾出行诱导技术、节能环保高效和保障安全的交通出行智能化控制技术、智慧交通应用系统和终端的IPv6兼容性开发和升级改造、交通安全监测及预测技术等七大类关键技术，并通过完善的试验系统和实验评价体系，提高交通管理和控制的效率，改善智能交通系统的服务水平，最终建立一套环境友好型智慧交通系统，系统建设的路径和框架体系见图1。

2 IPv6过渡机制相关技术

虽然CERNET2（第二代中国教育和科研计算机网）早在2004年底就已经建成为全球最大的纯IPv6网络，基于IPv6协议的下一代互联网轮廓已经逐渐清晰，但是现有的智慧交通平台、网络及其连接设备都支持IPv4，终端和平台支持IPv6情况差，国家尚无硬性规划，车载终端的IPv6技术要求的行业标准尚未出台、车载终端入网不对IPv6做强制要求。车载终端具备产业链长（涉及芯片、操作系统、终端设备制造等各个环节），种类与数量众多等特性，国内尚无典型的基于IPv6的车载终端，要想在短时间内完成从IPv4到IPv6的转换是不切实的。所以IPv6必须能够支持和处理目前智慧交通中IPv4的遗留问题，保证IPv4和IPv6具有互操作性，即实现网络从IPv4到IPv6的平滑过渡。要想加快其转化的进度，既需要进一步完善相应的核心支撑技术平台，也需要新兴应用需求的刺激和促进，所以解决过渡时期IPv6网络的平滑问题是很有必要的[2]。

本系统研究基于IETF（Internet Engineer Task Force）的协议标准，根据智慧交通应用中对网络的实时、无线、远程、多屏幕、分布式等要求，分别针对智慧交通应用中原有的应用系统需要同时兼容IPv6/IPv4两个并行工作的协议栈、智慧交通应用中原有的纯IPv4终端和纯IPv6终端之间需要互通，而原有的纯IPv4终端又不适宜升级改造以及IPv6单独子网的网络节点与过渡时期IPv6/IPv4兼容网络节点之间的负荷协议转移等难点，可采用协议栈技术、网络地址转换/协议转换技术和隧道技术，并将改造后的终端和平台应用于智慧交通专网试验。IPv6终端和系统改造技术方法见图2，其中：endprint

（1）兼容性协议改造：兼容IPv6/IPv4两个并行工作的协议栈；工作方式为：如果应用程序使用的目的地址是IPv4地址，则使用IPv4协议，如果应用程序使用的目的地址是IPv6地址，那将使用IPv6协议；如果应用程序使用域名来作为目标地址，则根据返回的DNS记录类型来选择相应的栈。

建议改造对象：基础设施智能监控平台、运载工具智能监控平台、出行信息服务系统。

（2）网络地址转换/协议转换技术改造：针对纯IPv4终端且其不适宜升级改造；它一种纯IPv4终端和纯IPv6终端之间的互通方式，即原IPv4用户终端不需要进行升级改造，所有包括地址、协议在内的转换都由网络设备（IPv6网关路由器）来完成。

建议改造对象：出租车服务管理系统、智能公交管理系统、营运车辆安全实时监控系统、长途客运联网售票系统。

（3）隧道技术改造：针对过渡时期协议负载转移改造；把能兼容的网络节点跨接在不兼容的网络上，在2个节点或2个终端设备之间用封装协议的办法来实现有效负荷协议的转移，在隧道入口完成封装，在隧道出口完成拆封，隧道技术在IPv4向IPv6网络过渡初期是连接IPv6单独子网的基本手段。

建议改造对象：物流公共信息平台、长途客运智能调度系统、枢纽综合管理与信息服务系统。

（4）智慧交通专网试验改造：基于IPv6的核心路由器，与电信、联通及移动的IPv6公网对接。

3 车内网IP化

未来的智慧交通系统还需考虑基于IPv6地址进行车内网IP化。本系统研究通过车载网关将原车CAN总线系统中的发动机电控单元、变速器控制单元、底盘控制单元、车身控制单元等节点进行虚拟化设计，使得外界可以通过IPv6地址访问原车载CAN总线系统的各节点。同时将车载通信终端、视频监控终端、影音娱乐系统等节点通过工业以太网相连，形成IPv6环境下的车内子网系统。车内网IP化示意图如图3所示。

车内网IP化的成果将为IPv6和工业以太网在车内大规模应用奠定基础，同时也是实现车联网的必要条件。

4 结束语

以IPv6为代表的下一代互联网技术的广泛应用是未来网络发展的趋势，开发基于IPv6技术的智慧交通系统是交通领域、汽车领域和互联网领域的热点。本研究系统基于IPv6技术的网络汽车和智能交通系统开发方法和實现路径做了积极的探索：（1）IPv4到IPv6的平滑过渡需要结合协议栈技术、网络地址转换/协议转换技术和隧道技术，根据不同终端和系统的特点和网络协议现状进行改造；（2）车内网IP化是基于IPv6的智能交通系统的必要条件，通过虚拟组网可以使得车内节点实现联网和数据互联互通；（3）根据当前网络技术和交通控制技术应用的趋势，创新性地提出了基于IPv6的环境友好型智慧交通系统的建设路径和框架体系。

参考文献：

[1] 中国计算机学会. 中国计算机科学技术发展报告2006[R]. 北京：清华大学出版社，2007：148-158.

[2] Li Qing， Tatuya Jinmei， Shima Keiichi. IPv6详解，第1卷，核心协议实现（英文影印版）[M]. 北京：人民邮电出版社，2009.

[3] 李颖华，侯自强. IPv6高级套接口的研究和实现[J]. 计算机工程与应用，2003（21）：19-22.

[4] 唐雄燕. 宽带无线接入技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006.

[5] Joseph Davies. 理解IPv6[M]. 北京：清华大学出版社，2004：1-110.endprint