车辆环境中异构社交网络的框架设计与实现

陈立军，张 屹，陈孝如，杨 微

(广州软件学院 软件工程系，广东 广州 510990)

0 引 言

近年来，人们观察到，物联网等已有的网络架构中正在出现社交特征，从而形成了物联网社交网络[1-2]，移动设备中的社交特征也被应用于车辆社交网络(VNS)[3]的定义中。

在虚拟车辆网络中，车辆之间通过共享共同感兴趣的信息进行社交，如交通信息、天气状况、道路状况、收费站、空车位和媒体共享等。由于车辆自组织网络的机会主义性质，VSN也由于断开和非常快的网络动态而存在局限性。车辆之间的社会关系可以形成车辆社区，并基于物理约束(即传输范围内节点的可用性)实时建立连接。

机会性网络中的连通性漏洞是通过存储-携带-转发机制来解决的，当且仅当转发节点可用时，节点就会转发消息，然而，这种方法仅在容忍延迟的应用程序中有用，在这种应用程序中，延迟不是问题，而且可以在较长的延迟后接收消息。对于更快的实时应用程序，在接收信息时应该有有限的延迟，应该考虑其他解决方案。VSN不能保证车辆之间始终可用的连接，因此可能需要通过其他可用的连接来重定向消息。与VSN不同的是，在线社交网络(OSN)可以在没有严重延迟的情况下保持连接，这要归功于客户机-服务器(CS)网络架构所保证的始终可用的服务。

该文提出的异构网络框架中的连接管理技术(connection management techniques in heterogeneous Network frameworks，CMTHNF)，遵循异构无线社交网络，即由VSN和OSN组成，可以同时存在，在出现连接漏洞和流量过载的情况下，将消息从一个网络重定向到另一个网络。这两种网络具有不同的特点，例如不同的网络架构、性能和安全问题，P2P架构是典型的容许延迟VSN，而OSN采用CS架构，可以利用VSN和OSN的异构特性构建一个重叠平台，在断开连接和服务中断的情况下提供切换解决方案，其中VSN与OSN之间的切换发生在连接漏洞的情况下，反之亦然，流量过载影响服务器的可用性。

CMTHNF框架允许不同的通信模式，如：VSN内部和VSN之间的通信，以及OSN扩展到VSN。在CMTHNF框架中，基本上可以区分出三种类型的节点：(1)纯VSN节点通过IEEE 802.11p点对点(P2P)模式与其他VSN节点通信；(2)纯OSN节点通过OSN服务器通信，通过任何无线接入网络，如LTE，通过CS模式；(3)通过上述两种通信技术进行通信的OSN-VSN节点，采用P2P和CS模式。在VSN内部通信和VSN之间通信时，数据通过P2P方式在VSN节点之间传播，通过CS方式在OSN链路上传播，分别桥接两个隔离的VSN。最后，对于OSN-VSN节点，它们可以根据连接可用性的状态在两种通信模式(P2P和CS模式)中进行选择。具体来说，如果P2P连接不可用，将使用CS模式，否则，将使用P2P来减少CS模式的延迟。

该文旨在研究如何在CMTHNF框架的支持下管理动态车辆社交网络中的连通性问题，使用从VSN到OSN的切换(即连接切换)，反之亦然，已经证明可以维持业务并提高网络性能。然而，已有研究发现，扩展的切换不仅不能提高性能，而且会达到一个上限，不必要的切换会造成延迟和资源浪费。利用CMTHNF网络架构可以取得的良好结果，重点讨论切换优化问题，以便在达到最大性能的同时最小化连接切换的数量。

1 相关工作

近年来，社交网络吸引了许多研究者的兴趣，因为社交方面在不同的背景下出现了大量渗透，从知名的OSN[4]到基于众包的移动网络，其中包括移动社交网络(MSNs)，如VSN，直到社会物联网(social internet of things，SIoT)[5-6]。值得注意的是，社交特征会出现在不同的网络场景中，并且可以作为一种提高系统性能的好处加以利用。

从电信的角度看，“社会节点”在通信网络中具有独特的特征和主导作用，据观察，集线器节点[7]，即以社会指标(如中间性和中心性)表示的具有高度社会性的节点，可能会影响和增强无线通信。具有延迟容忍网络DTN(delay tolerant networks)特性的微球网络(MSN)受到了特别的关注。由于无线网络中无线节点的动态特性，检测社交节点和研究减少连接漏洞的方法非常重要。在文献[8]中，Gramaglia等人强调了考虑上下文信息、用户行为和可用资源对提高单分散微球数据质量和效率的重要性。在文献[1]中，Akabane等人采用了车载社会网络分析(SNA)的概念来改善网络性能，通过对SNA的依赖，作者得出了以协作方式进行备选路线规划的方法。在文献[9]中，Ning等人指出人为因素在微球环境中起着基础性作用，为了提高系统的性能，应该明确集成人为因素，他们讨论了OSN和VSN之间的主要区别，但仍然保持两个网络的分离。

请注意，尽管在以前的研究中考虑并整合了人类和社会因素的巨大潜力，但据笔者所知，文献中还没有关于开发源自OSN和VSN两者结合的文献。SOLVER框架除外[9]，它利用OSN和VSN的优势来提高异构社交网络中的通信性能，但是，在实施该框架时，多种共存技术可能会带来挑战，从网络的角度来看，垂直切换和数据传播是异构网络中最受关注的两个挑战[10]，当连接链路从一种无线接入技术切换到另一种无线接入技术时，就会发生垂直切换，然后在不同的接入网络上进行通信，已经为具有不同目标的车载网络设计了几种垂直切换，例如优化接入网络之间的切换次数[11]或增强连接性[12]。

最后，关于数据传播，这成为一个大问题，因为城市中的车载网络规模可能很大，而网络内的网络密度可能会有很大差异[13]。Benslimane等人[14-15]提出了一种将3G集成到车辆网络中的架构，并提出了一种集群建立算法。该算法根据不同的相关指标动态地对车辆进行集群，然后选择网关来提供对两个接入网络的访问，同时减少瓶颈和流量拥塞；文献[14-15]中介绍了另一项关于车辆聚类的工作，目的是同时提高通信质量和优化蜂窝网络的使用。 该文通过提出的CMTHNF连接切换算法，考虑了垂直切换和数据传播问题。

2 CMTHNF连接开关

CMTHNF网络架构如图1所示，其中不同的VSN社区“即时”形成用于车辆之间的消息交换，而OSN社区始终在用户之间可用，每个VSN网络社区都可以建模为网络图Gv=(Vv,Ev) ，其中Vv是基数为N的车辆集合，即Vv=[v1,v2,…,vN]。该文假设VSN中的每个节点都有关于它的邻居的消息，这些消息在给定的时间间隔内不断更新，该假设适用于基于移动边缘计算的网络架构，其中节点具有计算和更新其本地图的计算能力，该信息在车辆之间交换，以便每个节点可以计算连接图。类似地，假设OSN社区被建模为网络图Go=(Vo,Eo)，其中Vo是基数M的节点集，即Vo=[n1,n2,…,nM]。

图1 CMTHNF的网络架构

请注意，根据CMTHNF框架，OSN社区的节点也可以属于不同的VSN社区，如图1所示，具体来说，在OSN节点中，区分那些也属于VSN社区的节点，例如展示OSN连接以及VSN的节点分别在物理上位于VSN社区1中；VSN社区的第i个节点也可以具有OSN连接性，即节点之间形成社交联系，反之亦然，OSN社区中的每个节点也可以具有VSN连通性，即它是VSN社区中的车辆。该文定义了OSN-VSN映射，当一个节点表现出VSN和OSN连通性时，只要有必要，就能够在两个异构网络之间进行切换，另一方面，仅显示VSN(OSN)连接的节点只能在其VSN(OSN)社区内进行通信。

总而言之，基于CMTHNF架构中的每个节点都可以在VSN和OSN社区内显示多个网络连接接口，可以描述为以下类型的节点：

(1)纯VSN节点：通过IEEE 802.11p等P2P通信方式与邻居进行通信；

(2)纯OSN节点：根据LTE等任意无线接入网络，与同属OSN社区的其他节点进行通信，通过OSN虚拟服务器进行CS通信;

(3)混合OSN-VSN节点：可以采用上述两种通信技术进行通信，可以采用P2P方式，也可以采用CS方式。

根据上述考虑，在这样一个异构网络场景中，可以将第i个节点的连通性指数ci定义为VSN和OSN中计算的节点度的平均值，如：

(1)

其中，oi为第i个节点的OSN连通性指数，当第i个节点是纯VSN节点时，则为0，表示该节点只拥有VSN连通性链路；同理，δi为第i个节点的VSN连通性指数，当第i个节点为纯OSN节点时，则为0，即该节点仅拥有OSN连通性链路。当然，由于VSN和OSN的性质不同，其中第一个网络假设的连接是根据节点的机会主义行为动态建立的，而后者假设OSN社区中所有节点之间总是可用的连接服务，由于节点在VSN中的行为，第i个节点的连接指数变化非常快，例如，由于节点的移动模式和社会行为，第i个节点可以显示一个可变的δiVSN连接指数，因此等式(1)中的表达式是可变的，每ΔT[s]时间间隔需要更新，节点连接性链路的更新主要是由变量δi引起的，而节点OSN连接性指数i的变化非常缓慢，可以假设随时间变化为常数，即：

(2)

第i个节点的连通指数ci反映了该节点的受欢迎程度，即连通指数高的节点预计在VSN中有很多邻居，与其他节点相比，对OSN网络的连接更稳定，然后期望一个连接指数最高的节点被选为簇首(CH)，这是通过广播的一个信号，在比其他节点等待时间更短的情况下，提名自己为簇首(CH)，指定CH的重要性是由于需要根据CMTHNF通信模式将消息转发到相邻节点，即进入同一个VSN社区或OSN网络节点之间。

为了不断更新网络图Gv的状态，所有车辆定期交换信息，每个固定时间(ΔT≈30 s)更新节点连通性。算法1给出了CMTHNF连接切换方法的伪代码，在VSN社区中，如图1所示，源车辆vTx的目的是向车辆vj即p(vTx,vj)发送数据包，如果节点vj与vTx处于连通性链路中，则报文以V2V方式传输，否则，如果无法与vj建立连接，则vTx将报文发送给VSN团体的CH节点，CH节点携带要发送给vj的报文p(vTx,vj)。如果存在连接链路(CH,vj)，则CH将报文发送到vj；否则，如果(CH,υj)∉Vυ，且节点vj也是OSN社区成员，即vj∈Vo，则CH节点将报文发送给OSN服务器，然后将报文从VSN切换到OSN团体。最后，如果节点υj∉Vo，将不可能发送，最终将被丢弃。

算法1：CMTHNF连接开关。

初始化：Gv=(Vv,Ev) //以Vv和Ev作为节点和边的集合的车辆网络图Gv

Go=(Vo,Eo)) //OSN图分别以Vo和Eo作为节点和边的集合

vTx∈Vv//将数据包p(vTx,vj)传输到vj

procedure VSNconnectivity(vTx,vj)

while (vTx,vj)∈Evdo //节点vTx和vj处于连接链路中

vTxtransmits tovj

if (vTx,vj)∉Evthen

vTxtransmitsp(vTx,vj) to CH

procedure VSNconnectivity(CH,vj)

while (CH,vj)∈Evdo

CH transmits tovj

ifvj∈Vothen

CH transmitsp(vTx,vj) to OSN server

else Dropp(vTx,vj)

end if

end while

end procedure

end if

end while

end procedure

(3)

Prout|VSN=Prmess<χ

(4)

等式(4)取决于所采用的特定概率消息转发方法，即Prmess，另一方面，在OSN的情况下，中断概率表示为虚拟服务器所经历的流量负载λ高于给定阈值Λ的概率，即：

Prout|VSN=Pr[λ-Λ]

(5)

3 性能评估

在本节中，给出CMTHN连接切换技术的性能评估结果，旨在减少NH的切换数量，同时保证QoS和中断需求。实验是在NS3环境(网络仿真软件)下进行，在三种不同的通信模式下获得了仿真结果，这三种模式分别是：(1)用传输数据包的最小延迟；(2)数据包发送率PDR；(3)成功发送数据包的比率。具体来说，假设在VSN社区中，由于VSN的DTN特性，消息在P2P模式下通过端到端连接进行传输；而在OSN社区，由于其集中的网络架构，消息传统上采用CS模式传输，因此，在VSN和OSN网络之间执行切换时，采用了混合通信模式。

设n1为VSN社区的节点数，n2为OSN社区的节点数，该文将n3(n3

表1 模拟中使用的主要参数

假设每100毫秒周期性地交换100字节的消息，其中包含每辆车的基本信息，如节点ID、速度、位置等，节点根据1秒内从邻居接收到的消息的数量定义其VSN连接的瞬时吞吐量，更详细地说，当从邻居发送的100字节消息在1秒内达到10个时，每个连接的最大吞吐量达到大约8 Mbps。

利用图1中的框架描述，该文考虑了两种不同的场景，这取决于无线节点的性质，即：

(1)场景1：根据节点条件(n1=0,n2=0,n3>0)，所有节点都能进行OSN与VSN的连接切换；

(2)场景2：OSN社区中存在节点，OSN-VSN连接交换中存在节点，即(n1=0，[n2,n3]>0)。

注意，对于第一个场景，只有混合OSN-VSN节点，因此在需求最高的情况下将激活连接交换，每个节点都能切换到合适的通信方式(即从VSN切换到OSN，CS和P2P，反之亦然)。此外，由于OSN社区的集中化特点，第一种场景中可能会出现服务器中断，但不会频繁发生，影响不明显。转发到OSN服务器的流量取决于VSN的通信质量，因此，只有当VSN社区的连接中断时，所有流量才会被转发到OSN上，服务器可能会宕机。为此，该文考虑了只有OSN和OSN-VSN混合节点的第二种模拟场景，即OSN模式下的节点数量超过VSN模式下的节点数量，在这种情况下，OSN服务器的中断是值得关注的。

第一种场景仅由能够切换连接的OSN-VSN混合节点组成，OSN和VSN通信网络的选择分别取决于服务OSN和VSN网络连接的可用性和质量，由于所有节点都可以发起和执行切换，因此可以在任意节点触发OSN和VSN之间的切换，因此，可以比较三种工作模式的网络性能，即P2P、CS和 CMTHNF模式。

图2描述了场景1中只有混合OSN-VSN节点时的结果。在图2(a)中，评估了在网络场景中发送数据包的最小传输延迟，并比较了CMTHNF方法在P2P和CS模式下的性能。通过观察，与P2P和CS模式相比，CMTHNF在最小延迟方面有改进，当节点数小于20时，P2P和CMTHNF模式由于采用了直接通信的方式，相对于OSN模式，延迟较低。但是，当节点数增加时，P2P模式的时延在CS和CMTHNF模式下显著增加，而在其他两种模式下，时延的增加是逐渐的。这可以解释为，随着P2P方式通信的节点数量的增加，CH节点的排队时延变长，介质访问时延也变长；CS模式下，即使所有节点都通过OSN服务器连接，30个节点产生的流量负载仍然是服务器可以承受的，即没有超过服务器的阈值Λ，稍后将在场景2中考虑服务器宕机的情况。

(a)模拟场景中只有混合OSN-VSN节点时的最小传输时延

在图2(b)中观察到CMTHNF表现出良好的PDR趋势，接近CS模式的最高趋势。在集中式网络体系结构中采用CS模式，可以最大限度地实现PDR，CMTHNF略有下降，趋势与CS曲线一致，达到90%以上，说明CMTHNF支持VSN内部通信，增强了车辆网络的连通性，另一方面，由于在VSN社区中缺乏始终可用的连接，在n3=30时，P2P模式的PDR急剧下降到20%。综上所述，在只有混合OSN-VSN节点的场景1中，CMTHNF演示了PDR与P2P模式相比的增强，其最小延迟仍然低于CS模式，这满足了CMTHNF的原始思想的目的，即利用OSN的连接性和VSN的快速传输。

在场景2中，所有节点都可以以OSN方式通信，没有VSN节点可用，n1=0，其中该文假设网络中仅分布纯OSN节点(n2≥0)和固定数量的OSN-VSN混合节点(n3=30)，由于所有节点都处于OSN连接状态，使用OSN通信的需求较高，预计可能会发生OSN服务器宕机。此外，每个OSN节点上产生的报文流和OSN节点的个数也会影响到OSN服务器上的流量，每个节点产生的报文流越密集，OSN节点数量越多，服务器的负载越重。

在图3中，只比较了CMTHNF和CS模式，因为在这个场景中，由于缺少VSN节点，所以没有P2P通信模式，考虑每个OSN节点产生的不同包流，即[0.1,1]流/秒，每流10个包，间隔10 ms。请注意，在CS模式下增加数据包流量会影响服务器，从而导致服务器中断(如图3中标记为CS中断)，然后与没有中断的情况相比，性能会变得更差。

在图3(a)中可以观察到，当网络中的OSN节点数小于20时，CMTHNF表现出比CS模式更低的值，当OSN节点数增加时，即对于n3>20，OSN服务器变得过载并且CMTHNF曲线遵循CS趋势(即没有观察到改进)并且传输延迟随着OSN节点数量的增加而增加。由此可见，OSN服务器的容量对CMTHNF性能有一定的影响，当传入流的数量足够大时，这会导致OSN服务器过载。在图3(b)中可以观察到PDR的显着下降，当CS和CMTHNF模式的服务器中断，OSN节点的数量达到10个时，PDR快速下降并随着纯OSN节点数量的增加而减少约18%，相比之下，在没有服务器中断的情况下，CS和CMTHNF的PDR都保持较高。

(a)最小传输延迟

4 结束语

给出了一种异构社会网络框架CMTHNF的性能评估，该框架能够互连OSN和VSN社区进行数据交换，当性能下降，如QoS等级降低，超过中断概率时，VSN和OSN之间会发生连接切换，反之亦然。最后提出了一种减少连接开关数量的优化方法，在OSN和VSN社区组成的异构场景中对CMTHNF框架进行了评估，结果表明，该算法在传输时延最小、PDR最小、OSN服务器宕机等方面优于传统的CS模式和P2P模式。