溫熙華+劉彥斌+劉云鵬+程元暉+朱蕓+陳鵬飛

摘 要：文章研究基于IPv6網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)聯(lián)汽車和城市智能交通系統(tǒng)。利用IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合交通控制技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提供了IPv6智慧交通系統(tǒng)的建設(shè)路徑和方法，為基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的新型城市智慧交通系統(tǒng)從IPv4網(wǎng)絡(luò)過渡到IPv6網(wǎng)絡(luò)提供了方法依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智慧交通；IPv6；車內(nèi)網(wǎng)；車聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：F253.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

隨著國(guó)內(nèi)交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，伴隨著智慧交通終端的數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，智慧交通IP化是大勢(shì)所趨。以機(jī)動(dòng)車為例，截至2017年3月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量首次突破3億輛，其中汽車達(dá)2億輛，并且以每年超過2 000萬輛的速度在增長(zhǎng)。根據(jù)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展預(yù)計(jì)，到2020年，中國(guó)智能駕駛的市場(chǎng)規(guī)模將突破千億人民幣大關(guān)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的未來發(fā)展態(tài)勢(shì)十分明確，未來每個(gè)車載終端都會(huì)有一個(gè)獨(dú)立的IP地址，加上其他智能交通相關(guān)的終端，IP在智慧交通領(lǐng)域的消耗速度將會(huì)相當(dāng)驚人。與此同時(shí)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，運(yùn)營(yíng)商和廠商將為用戶提供更多的智能終端，尤其是智能手機(jī)，未來智慧交通領(lǐng)域IP地址的需求量將是現(xiàn)有規(guī)模的成百上千倍。

目前使用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv4有32位地址長(zhǎng)度，理論上能提供1 600萬個(gè)子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、40億臺(tái)主機(jī)，考慮到采用A、B、C三類編址方式后，可用的網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址大為減少，目前IPv4的地址資源幾乎枯竭。IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其地址長(zhǎng)度擴(kuò)展至128位，是IPv4地址空間的1 600億倍。IPv6技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述困境提供了可能。IPv6首先解決了地址的問題，第二它解決了管理性、安全性的問題。在智慧交通建設(shè)中，避免了將來智慧交通大規(guī)模應(yīng)用暴露出的安全性、管理性的問題。如果應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)都是IPv6，每輛汽車、每一個(gè)智能交通的終端都可以分配一個(gè)網(wǎng)址，結(jié)合車內(nèi)網(wǎng)汽車電子設(shè)備虛擬組網(wǎng)技術(shù)，可以更加方便、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地看到每輛車在什么地方，路況怎樣，車內(nèi)各個(gè)電子設(shè)備的運(yùn)行狀況如何，這對(duì)智能交通的調(diào)度和民眾出行將起到重要作用，其可以在合理時(shí)間內(nèi)擷取、管理、處理、并整理廣泛信息，幫助使用者更有效決策。其意義不僅僅在于由此可以掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而且能夠?qū)@些有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理，是對(duì)交通信息資源進(jìn)行分析利用的智能化?？梢哉f基于IPv6技術(shù)的智慧交通系統(tǒng)是未來智慧交通建設(shè)的必然趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體框架

由于IPv6幾乎不受地址數(shù)量的限制，因此它可以唯一標(biāo)識(shí)每一個(gè)移動(dòng)車輛、車內(nèi)的控制單元和其他通信單元。此外，它具有提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量、支持高速移動(dòng)、高安全性和更好實(shí)現(xiàn)多播等特性[1]，因此IPv6技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)和智慧交通系統(tǒng)的信息采集和通信的基礎(chǔ)。針對(duì)IPv4/IPv6雙棧協(xié)議共存網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的互聯(lián)互通問題，交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性差、無法對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)控制、海量交通數(shù)據(jù)處理能力弱、車輛主動(dòng)安全保障技術(shù)落后且不兼容IPv6、IPv6車內(nèi)組網(wǎng)、IPv6地址規(guī)劃等難題，未來的基于IPv6的城市智慧交通系統(tǒng)，應(yīng)該充分融合包括IPv4到IPv6過渡機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)、基于IPv6的海量交通綜合信息大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、交通出行監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)、降低交通延誤和提升交通管理效率的公眾出行誘導(dǎo)技術(shù)、節(jié)能環(huán)保高效和保障安全的交通出行智能化控制技術(shù)、智慧交通應(yīng)用系統(tǒng)和終端的IPv6兼容性開發(fā)和升級(jí)改造、交通安全監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)等七大類關(guān)鍵技術(shù)，并通過完善的試驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，提高交通管理和控制的效率，改善智能交通系統(tǒng)的服務(wù)水平，最終建立一套環(huán)境友好型智慧交通系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)的路徑和框架體系見圖1。

2 IPv6過渡機(jī)制相關(guān)技術(shù)

雖然CERNET2（第二代中國(guó)教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)）早在2004年底就已經(jīng)建成為全球最大的純IPv6網(wǎng)絡(luò)，基于IPv6協(xié)議的下一代互聯(lián)網(wǎng)輪廓已經(jīng)逐漸清晰，但是現(xiàn)有的智慧交通平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)及其連接設(shè)備都支持IPv4，終端和平臺(tái)支持IPv6情況差，國(guó)家尚無硬性規(guī)劃，車載終端的IPv6技術(shù)要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)、車載終端入網(wǎng)不對(duì)IPv6做強(qiáng)制要求。車載終端具備產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)（涉及芯片、操作系統(tǒng)、終端設(shè)備制造等各個(gè)環(huán)節(jié)），種類與數(shù)量眾多等特性，國(guó)內(nèi)尚無典型的基于IPv6的車載終端，要想在短時(shí)間內(nèi)完成從IPv4到IPv6的轉(zhuǎn)換是不切實(shí)的。所以IPv6必須能夠支持和處理目前智慧交通中IPv4的遺留問題，保證IPv4和IPv6具有互操作性，即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從IPv4到IPv6的平滑過渡。要想加快其轉(zhuǎn)化的進(jìn)度，既需要進(jìn)一步完善相應(yīng)的核心支撐技術(shù)平臺(tái)，也需要新興應(yīng)用需求的刺激和促進(jìn)，所以解決過渡時(shí)期IPv6網(wǎng)絡(luò)的平滑問題是很有必要的[2]。

本系統(tǒng)研究基于IETF（Internet Engineer Task Force）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)智慧交通應(yīng)用中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)、無線、遠(yuǎn)程、多屏幕、分布式等要求，分別針對(duì)智慧交通應(yīng)用中原有的應(yīng)用系統(tǒng)需要同時(shí)兼容IPv6/IPv4兩個(gè)并行工作的協(xié)議棧、智慧交通應(yīng)用中原有的純IPv4終端和純IPv6終端之間需要互通，而原有的純IPv4終端又不適宜升級(jí)改造以及IPv6單獨(dú)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與過渡時(shí)期IPv6/IPv4兼容網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)荷協(xié)議轉(zhuǎn)移等難點(diǎn)，可采用協(xié)議棧技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換/協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和隧道技術(shù)，并將改造后的終端和平臺(tái)應(yīng)用于智慧交通專網(wǎng)試驗(yàn)。IPv6終端和系統(tǒng)改造技術(shù)方法見圖2，其中：endprint

（1）兼容性協(xié)議改造：兼容IPv6/IPv4兩個(gè)并行工作的協(xié)議棧；工作方式為：如果應(yīng)用程序使用的目的地址是IPv4地址，則使用IPv4協(xié)議，如果應(yīng)用程序使用的目的地址是IPv6地址，那將使用IPv6協(xié)議；如果應(yīng)用程序使用域名來作為目標(biāo)地址，則根據(jù)返回的DNS記錄類型來選擇相應(yīng)的棧。

建議改造對(duì)象：基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)控平臺(tái)、運(yùn)載工具智能監(jiān)控平臺(tái)、出行信息服務(wù)系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換/協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)改造：針對(duì)純IPv4終端且其不適宜升級(jí)改造；它一種純IPv4終端和純IPv6終端之間的互通方式，即原IPv4用戶終端不需要進(jìn)行升級(jí)改造，所有包括地址、協(xié)議在內(nèi)的轉(zhuǎn)換都由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（IPv6網(wǎng)關(guān)路由器）來完成。

建議改造對(duì)象：出租車服務(wù)管理系統(tǒng)、智能公交管理系統(tǒng)、營(yíng)運(yùn)車輛安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、長(zhǎng)途客運(yùn)聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)。

（3）隧道技術(shù)改造：針對(duì)過渡時(shí)期協(xié)議負(fù)載轉(zhuǎn)移改造；把能兼容的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)跨接在不兼容的網(wǎng)絡(luò)上，在2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)終端設(shè)備之間用封裝協(xié)議的辦法來實(shí)現(xiàn)有效負(fù)荷協(xié)議的轉(zhuǎn)移，在隧道入口完成封裝，在隧道出口完成拆封，隧道技術(shù)在IPv4向IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡初期是連接IPv6單獨(dú)子網(wǎng)的基本手段。

建議改造對(duì)象：物流公共信息平臺(tái)、長(zhǎng)途客運(yùn)智能調(diào)度系統(tǒng)、樞紐綜合管理與信息服務(wù)系統(tǒng)。

（4）智慧交通專網(wǎng)試驗(yàn)改造：基于IPv6的核心路由器，與電信、聯(lián)通及移動(dòng)的IPv6公網(wǎng)對(duì)接。

3 車內(nèi)網(wǎng)IP化

未來的智慧交通系統(tǒng)還需考慮基于IPv6地址進(jìn)行車內(nèi)網(wǎng)IP化。本系統(tǒng)研究通過車載網(wǎng)關(guān)將原車CAN總線系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元、變速器控制單元、底盤控制單元、車身控制單元等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行虛擬化設(shè)計(jì)，使得外界可以通過IPv6地址訪問原車載CAN總線系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)。同時(shí)將車載通信終端、視頻監(jiān)控終端、影音娛樂系統(tǒng)等節(jié)點(diǎn)通過工業(yè)以太網(wǎng)相連，形成IPv6環(huán)境下的車內(nèi)子網(wǎng)系統(tǒng)。車內(nèi)網(wǎng)IP化示意圖如圖3所示。

車內(nèi)網(wǎng)IP化的成果將為IPv6和工業(yè)以太網(wǎng)在車內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的必要條件。

4 結(jié)束語

以IPv6為代表的下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，開發(fā)基于IPv6技術(shù)的智慧交通系統(tǒng)是交通領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本研究系統(tǒng)基于IPv6技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)汽車和智能交通系統(tǒng)開發(fā)方法和實(shí)現(xiàn)路徑做了積極的探索：（1）IPv4到IPv6的平滑過渡需要結(jié)合協(xié)議棧技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換/協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和隧道技術(shù)，根據(jù)不同終端和系統(tǒng)的特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議現(xiàn)狀進(jìn)行改造；（2）車內(nèi)網(wǎng)IP化是基于IPv6的智能交通系統(tǒng)的必要條件，通過虛擬組網(wǎng)可以使得車內(nèi)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通；（3）根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和交通控制技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)，創(chuàng)新性地提出了基于IPv6的環(huán)境友好型智慧交通系統(tǒng)的建設(shè)路徑和框架體系。

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