基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)及通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別針對當(dāng)前基于TCP/IP協(xié)議分組數(shù)據(jù)通信模式的GSM_R(GSM for Railway)存在的越區(qū)切換問題。
【背景技術(shù)】
[0002]為了順應(yīng)高速鐵路的快速發(fā)展，充分應(yīng)對我國鐵路運輸對通信業(yè)務(wù)需求量大、頻率資源緊張的實際情況，我國先于歐洲發(fā)展基于GSM_R(Global System for MobileCommuni cat 1ns-Rai Iway)的GPRS業(yè)務(wù)。然而當(dāng)前基于TCP/IP協(xié)議的分組數(shù)據(jù)通信模式具有移動性差、安全性不足、網(wǎng)絡(luò)拓展性差等缺點，GSM-R系統(tǒng)會因此產(chǎn)生越區(qū)切換等問題，從而使通信服務(wù)質(zhì)量不盡如人意。
[0003]為了應(yīng)對基于TCP/IP協(xié)議的分組數(shù)據(jù)通信模式所帶來的不足。內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)作為一種面向數(shù)據(jù)內(nèi)容的新型未來互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，于2009年由施樂帕洛阿爾托研究所(PARC)的Van Jacobson提出。與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)不同的是，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)以內(nèi)容為中心，依靠命名數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸，而不再關(guān)注用戶的地址信息。在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包用獨特的名字進行標(biāo)記，改變了原有的封裝結(jié)構(gòu)和尋址方式，即報文包頭不再以IP地址作為標(biāo)識，而是以內(nèi)容名稱代替。其通信過程由數(shù)據(jù)請求者驅(qū)動，通過交換Interest包和Data包來實現(xiàn)，其中Interest包為內(nèi)容請求包，Data包為內(nèi)容數(shù)據(jù)包。內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的運行機制，使其具有平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量、移動性好等諸多優(yōu)點。
[0004]此外，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)雖是新型的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，但可以與當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的使用方式相匹配，既能夠與TCP/IP協(xié)議并行，也可以獨立運行，而且不會破壞現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)。因此，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)具有強大的兼容性，方便運用于高速鐵路通信領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明設(shè)計了一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信(GSM-R)系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)可以降低GSM-R系統(tǒng)的傳輸干擾時間以及端到端傳輸時延，優(yōu)化高速鐵路通信系統(tǒng)的通信性能。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層，所述應(yīng)用層采用基于TCP/IP協(xié)議分組數(shù)據(jù)通信模式的協(xié)議;所述網(wǎng)絡(luò)層采用以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從而形成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)自所述應(yīng)用層并經(jīng)過封裝之后進入到內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)，最終，經(jīng)過物理層轉(zhuǎn)發(fā)出去。
[0007]本發(fā)明的一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信方法，是采用上述基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)用戶發(fā)送申請某一內(nèi)容的Interest請求時，其中，所述網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸過程如下:
[0008]實現(xiàn)上述基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)的方法，當(dāng)用戶發(fā)送申請某一內(nèi)容的Interest請求時，其中，所述網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸過程如下:
[0009]步驟一、將該Interest請求的內(nèi)容名字封裝在Interest包中，并轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中；
[0010]步驟二、網(wǎng)絡(luò)中的路由器收到Interest包時，按照以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理該Interest請求；
[0011 ] 步驟三、若該Interest請求與之前其他用戶發(fā)送到該節(jié)點的Interest請求不同，則將該Interest請求對應(yīng)的Interest包通過以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)源處；
[0012]步驟四、數(shù)據(jù)源將Interest包所請求的數(shù)據(jù)內(nèi)容封裝到Data包中，并將Data包按照Interest包來時的路徑原路返回給用戶。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0014]本發(fā)明基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)是在原有的基于TCP/IP協(xié)議分組數(shù)據(jù)通信模式的GSM-R系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在其中的網(wǎng)絡(luò)層采用內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;可以優(yōu)化高速鐵路通信系統(tǒng)的通信性能，實現(xiàn)降低GSM-R系統(tǒng)的傳輸干擾時間以及端到端傳輸時延。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的GSM-R系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分層圖；
[0016]圖2為本發(fā)明基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的GSM-R系統(tǒng)通信過程。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步詳細(xì)描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)是在原有的GSM-R系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，其中，所述應(yīng)用層采用基于TCP/IP協(xié)議分組數(shù)據(jù)通信模式的協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層采用以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從而形成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層，本發(fā)明構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)層采用內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的通信模式來代替原有的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層所采用的TCP/IP協(xié)議的分組數(shù)據(jù)通信模式，即將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層原有的TCP/IP協(xié)議更換成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而使之更加適應(yīng)高速移動的通信環(huán)境。如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)架數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分層圖，其中來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)請求通過數(shù)據(jù)封裝層協(xié)議封裝起來，進一步經(jīng)過內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行數(shù)據(jù)包的處理，最后通過GPRS或以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。
[0019]利用上述基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)的通信方法，與現(xiàn)有技術(shù)中GSM-R系統(tǒng)的通訊方法相比，其中，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸是一種新型的網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸過程，因此數(shù)據(jù)在應(yīng)用層、物理層等其它層的傳輸過程與原有GSM-R系統(tǒng)的傳輸過程保持一致。當(dāng)用戶發(fā)送申請某一內(nèi)容的請求時，本發(fā)明中網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示，包括以下步驟:
[0020](I)將請求的內(nèi)容名字封裝在Interest包中，轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中。
[0021 ] (2)網(wǎng)絡(luò)中的路由器收到Interest包時，按照內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)策略以及工作流程，進一步處理該Interest請求。
[0022](3)若該Interest請求與之前其他用戶發(fā)送到該節(jié)點的Interest請求不同，則將該Interest請求對應(yīng)的Interest包通過以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)源處；
[0023](4)數(shù)據(jù)源將Interest包所請求的數(shù)據(jù)內(nèi)容封裝到Data包中，并將Data包按照Interest包來時的路徑原路返回給用戶。
[0024]實驗例:
[0025]針對本發(fā)明傳輸干擾時間和端到端傳輸時延進行實驗測試。本實驗部署在一臺高性能計算機之上，其中核心計算部件CPU采用Intel(R)Core(TM)i5-3470 CPU03.20GHz，每個CPU包括4個核。內(nèi)存采用DDR3 4GB頻率1600MHz。操作系統(tǒng)采用32位Windows 7。本實驗首先在高性能計算機上搭建基于NS-3的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的實驗仿真平臺ndnSIM 2.0，并利用ndnSIM 2.0進行實驗。實驗代碼為338行，采用C++程序語言實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的傳輸干擾時間為447ms，與GSM-R系統(tǒng)規(guī)定的QoS指標(biāo)800ms相比具有很大的優(yōu)勢；同時，對于沒有緩存在路由節(jié)點的Data包來說內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的端到端傳輸時延為小于405ms，對于緩存在路由節(jié)點的Data包來說則小于203ms，兩者情況均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)前GSM-R系統(tǒng)要求的500ms。綜上所述，基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的GSM-R系統(tǒng)的傳輸干擾時間和端到端傳輸時延遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GSM-R系統(tǒng)要求的指標(biāo)值。由此表明，本發(fā)明能夠適應(yīng)高速移動的通信環(huán)境。
[0026]盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層，其特征在于:所述應(yīng)用層采用基于TCP/IP協(xié)議分組數(shù)據(jù)通信模式的協(xié)議;所述網(wǎng)絡(luò)層采用以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從而形成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)自所述應(yīng)用層并經(jīng)過封裝之后進入到內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)，最終，經(jīng)過物理層轉(zhuǎn)發(fā)出去。2.—種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1所述基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)用戶發(fā)送申請某一內(nèi)容的Interest請求時，其中，所述網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸過程如下: 步驟一、將該Interest請求的內(nèi)容名字封裝在Interest包中，并轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中； 步驟二、網(wǎng)絡(luò)中的路由器收到Interest包時，按照以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理該Interest 請求； 步驟三、若該Interest請求與之前其他用戶發(fā)送到該節(jié)點的Interest請求不同，則將該Interest請求對應(yīng)的Interest包通過以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)源處； 步驟四、數(shù)據(jù)源將Interest包所請求的數(shù)據(jù)內(nèi)容封裝到Data包中，并將Data包按照Interest包來時的路徑原路返回給用戶。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層，所述應(yīng)用層采用基于TCP/IP協(xié)議分組數(shù)據(jù)通信模式的協(xié)議；所述網(wǎng)絡(luò)層采用以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從而形成內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)自所述應(yīng)用層并經(jīng)過封裝之后進入到內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)，最終，經(jīng)過物理層轉(zhuǎn)發(fā)出去。根據(jù)本發(fā)明，可以優(yōu)化高速鐵路通信系統(tǒng)的通信性能，實現(xiàn)降低GSM-R系統(tǒng)的傳輸干擾時間以及端到端傳輸時延。
【IPC分類】H04L29/08
【公開號】CN105657013
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】李卓, 劉開華, 陳昱彤
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2015年12月30日