基于IPv6的交通监控系统的研究分析

摘要:该论文研究基于IPv6网络的交通监控系统。利用IPv6提供的无限的地址空间,系统中的所有监控机都拥有自己的IP地址。通过本论文的研究分析,验证IPv6网络的优越性,为城市交通监控系统从传统网络过渡到IPv6网络提供了实验依据。

关键词:交通监控;交通流;IPv6

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)04-0953-03

Research on Traffic Monitoring System Based on IPv6 Networks

WU Yan

(School of Software Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: The model researched in this paper is a traffic monitoring system based on IPv6 networks. Using the infinite address space IPv6 offered, all monitors in this system own its IP address. By researching the system, prove the advantage of IPv6 networks, and provide the evidence for the city traffic monitoring system transit from traditional networks to IPv6 networks in the future.

Key words: traffic monitoring; traffic flow; IPv6

智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)是解决日益严重的交通运输问题的有效途径,交通监控系统是ITS的一个重要子系统。它的信息来源多,监控机分布广,所以它需要运用先进的控制技术,信息处理技术与管理技术来实现。

在原有基于IPv4网络或其他通信网络的交通监控系统上,开发基于IPv6网络的交通监控子系统,能够有效的改善在IPv4网络协议下构建的网络体系的弊端。交通监控能够通过IPv6网络实现对路口通信机等交通设备的监控,这就使得每一台路口监控机拥有自己的IP地址成为可能,能够实时、全面和准确地采集交通信息,实现城市交通的智能化。

1 IPv6介绍

1.1 IPv6标准概述

IPv6指的是网络协议版本6。目前使用最为广泛的网络协议是网络协议版本4。Ipv4有32位地址长度,理论上能编址1600万个网络、40亿台主机。但采用A、B、C三类编址方式后,可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣,以至目前的IP地址近乎枯竭。 IPv6将把地址长度扩展至128位,共计约3.4×1038个地址,是IPv4地址空间的近1600亿倍。

IPv6可提供大量的IP地址,使得与互联网相联的每台电脑均被赋予一个IP地址。

IPv6在以下方面有所改进:

1) IPv6有比IPv4更长的地址,解决了IPv6最初要解决的问题。

2) IPv6对头部进行了简化,它只包含了7个域(IPv4有13个域)。这使得路由器可以更快的进行分组,从而提高了路由器的吞吐量,并缩短了延迟。

3) IPv6更好的支持选项。因为以前那些必需的域现在变成可选的,而且,选项的表示方式也有所不同,这使得路由器可以非常简单的跳过那些与它无关的选项,加快处理速度。

4) IPv6在安全方面有所改进,认证和隐私是关键的特征,并致力于提高服务质量。

1.2 IPv6主头部

IPv6的头部如图1所示。对于IPv6,版本(Version)域总是6。在从IPv4到IPv6的迁移过程中,路由器通过检查该域来确定分组的类型。

流量类别(Traffic class)域的用途的,按照各种不同的实时递交需求将分组区分开。实际上现在只有少数路由器实现了这个域。

流标签(Flow label)是实验性的,它的目的是通过该域,源端和目的端可以建立一个具有特殊属性和需求的伪连接。

净荷长度(Payload length)指明紧跟在图1所示的40字节之后还有多少字节数。

下一个头(Next header)是IPv6的关键,它之所以能够得以简化的原因是它可以由附加的扩展头。该域指明了如果当前头之后还有扩展头的话,该扩展头是哪一种扩展头。如果它是最后一个IP头,那么Next header域指定了该分组将被传递给哪一个传输协议处理器(如TCP,UDP)。

跳数限制(Hop limit)避免分组永远在网络中。

源地址和目标地址选用16字节。为了书写16字节的地址,IETF设计了一种新的标记法。16个字节被分为8组来书写,每一组4个十六进制数字,组之间用冒号隔开,由于许多地址内部可能有很多的0,16个0构成的一个或多个组用一对冒号代替,同一个组内的前导的0可以省略。

调用:①ipv6 install ② ipconfig 两条指令,获得本机的地址如下所示:

fe80::5efe:192.168.36.76%2

2 系统总体方案设计

智能交通监控系统的总体目标是:能够处理来自交通监控机的交通信息,统计分析后传输至服务器并存入数据库,为信息查询者提供道路信息的历史查询。同时基于监控的目的,系统也提供用户可以根据需要改变已有的监控机的当前状态。

2.1 需求建模

根据系统需求,系统分为4大功能模块:

1) 实时数据采集与处理模块:包括数据预处理,数据传输暂存,实时监测的功能。

2) 信息存储与查询模块:所有的交通数据信息都存储在交通信息数据库中,用户通过填写查询条件,可以实现对各个路口的交通信息的历史查询(如平均车速,平均车流密度,总车流量)。

3) 数据传输模块:实现监控机与服务器的数据传输,同时,服务器在接受到数据后,立即将数据存入交通信息数据库。

4) 监控机控制模块:可以选择查看已有的监控机的当前存在状态(开启或关闭),当前的采集频率(高频,中频和低频),并根据用户需求改变所选的监控机的状态。

2.2 体系结构的设计

2.2.1 逻辑结构

交通监控系统的逻辑结构描述了系统功能模块的划分,功能模块的定义和彼此的联系。分为实时数据采集与处理模块,信息存储与查询模块,数据传输模块和监控机控制四大功能模块。

实时数据采集与处理模块要完成数据预处理,数据传输暂存,实时监测的功能。信息存储与处理模块完成控制响应,信息查询与信息显示的功能。数据传输模块完成控制响应,连接信息,和数据传输的功能。监控机控制模块完成控制响应,信息查询,信息显示和状态更改的功能。同时实时数据采集与处理引擎包括数据预处理,数据传输暂存,实时监测的功能。信息存储与处理引擎主要是信息查询。数据传输引擎主要是数据传输。监控机控制引擎主要是信息查询与状态更改。

2.2.2物理结构

交通监控系统采用C/S结构,它的物理结构分为以下4层,传感器层(检测点),分布式服务器层(处理单元),全局服务器层(交通信息数据库),客户端层(应用程序,用户登陆界面)。层次结构如图2所示。

1) 传感器:定时采集需要的交通流量信息,并将信息传入分布式服务器。

2) 分布式服务器:对采集到的信息按照一定的算法进行处理,得到能直观反映交通状况的有效信息,并把处理后的交通信息传输给全局服务器。

3) 实时数据库:当有多个分布式服务器同时向服务器提出传输请求时,服务器会按照预先设定的规则来依次处理这些连接传输请求。当本分布式服务器请求未得到响应,同时又不断有新的交通信息来自传感器等待处理时,我们把这些还未传输的数据暂时先放入实时数据库中,一直到服务器响应本次连接传输,从实时数据库中读取传输。

4) 全局服务器:接受来自各分布式服务器所处理好的数据,并立即存入交通信息数据库。

5) 客户端:为客户提供一个应用程序,根据用户提供的查询条件搜索数据库,将查询得到的交通历史信息以表格和曲线图的形式显示给用户,使用户可以直观的看到交通状况的变化。同时,本系统不仅能够查询显示来自监控机的信息,也能对监控机进行控制。用户可以选择改变已有的各个监控机的状态。

2.3 数据传输

本系统研究以基于IPv6网络为目标,但在具体实现时,因为不可能在IPv6网络上运行,所以我们是模拟一个IPv6的环境,使在这个环境中的任何监控机,服务器都拥有用IPv6编址的IP地址,具体编址方法在1.2中有详细介绍。使用IPv6,使我们不用再担心是否会因为监控机的增加而造成网络地址不够用的尴尬,因为它能有效地提供一个几乎无限的Internet地址的空间。对IPv6网络的使用作一下比较。比如使用IPv6网络前,因为考虑到地址问题,所以在一个路口建立一个路口检测机,根据监控机的物理构造,内部线圈等通过电流感应来测算通过的车流量,车流密度和速度这些交通信息。这样得出的交通数据必定是不准确的。并且,我们在研究某一路通情况的时候,也不仅仅满足于知道这个路口的总的交通情况,往往需要研究路口每个方向的交通流量情况,这个问题在使用IPv6网络后能得到解决。

在IPv6网络中,由于不存在地址的考虑,我们在路口的四个方向上也分别设置一个监控机。通过这些监控机可以比较准确地监测出自己路段的交通信息。在这样的网络中,路口的监控机似乎没有什么检测作用,它的作用就在于采集各个方向的流量数据,通过计算处理后即为路口的流量数据。这样的优势在于,不仅可以获取某一路口的交通数据,同时也可以具体到某一路段的交通数据,这样的数据采集比较准确,具有更高的研究分析价值。

由以上对比可以得知,建立在IPv6网络中的交通监控系统能够获得比传统网络更准确地交通数据,并且由于IPv6是对IPv4的改进,使得建立在IPv6网络上的数据传输也能比传统网络速度快,延迟时间短。

2.4 监控机控制模块

系统列出所有的监控机供用户选择进行操作,当用户选定某一监控机时,系统自动根据获得的监控机的ID号对监控机状态数据库进行查询操作,将监控机的当前状态反映给用户。用户得知监控机的状态后,可以根据实际需要对该监控机进行控制操作。

系统反映给用户的状态主要是该监控机是开启还是关闭,当前的监测频率是高还是低。由2.3节可知,系统中的既有监测路口的监控机,又有检测路段的监控机。如果按照传统的监控机设计,一个监控机控制不止一条道路的交通信息,那么对它进行操作直接影响四个路段的信息采集。而现在使用IPv6网络后,每个路段都有自己的监控机,若需要对某一监控机进行关闭操作,则不会影响其它路段的采集信息。并且,对于不同的道路信息,用户所关心的程度不同。对于比较重要的道路,采集数据的频率就要求比较高,这样能更好的了解交通信息的变化情况,而对于一些比较偏僻的道路,也许只要知道大致情况即可。要解决这个数据需求不同的问题,就可以对监控机的采集频率进行设置。设置了其中某一路段的采集频率,对其它路段没有影响,可路口监控机仍能根据自己的频率从其四个道路监控机中获得数据。唯一有改变的是作的监控机所传给数据库的数据量可能增加或者减少。

由此可以看到采用IPv6网络的另一个优势就是可以准确地对监控机进行操作控制。

3 结束语

以IPv6技术为代表的下一代互联网是网络发展趋势,开发基于IPv6网络的交通监控系统将是IPv6技术应用的一大热点。IPv6网络在本系统的优势体现在:

1) 地址空间的扩大使得每个需要监控的路段的监控机都有自己的IP地址,随着监控机的增加,获取的交通信息更加准确;

2) 因为每台监控机都有自己的地址,使得对监控机的控制只与该监控机所处的道路有关,不会影响到其他的监控机的数据采集,对监控机的控制可以根据实际研究需要更改,控制更加到位自由。

本论文基本实现了理论要求,基于IPv6网络的交通监控系统能解决传统网络中存在的问题,能更加有效的实现监控目的。

参考文献:

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注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文