在有基礎架構之車載網路中利用Chord機制改善P2P效能的研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 政治大. 學. ‧ 國. 在有基礎架構之車載網路中利用 Chord 機制改善 P2P 立效能的研究. ‧. Using Chord Structure to Improve P2P Performance over. Nat. n. al. er. io. sit. y. Infrastructure-based Vehicular network. Ch. engchi. i Un. 研究生：許孜銚指導教授：張宏慶. 中華民國一百年七月 July, 2011. v.

(2) 在有基礎架構之車載網路中利用 Chord 機制改善 P2P 效能的研究 Using Chord Structure to Improve P2P Performance over Infrastructure-based Vehicular network. 研究生：許孜銚. Student：Tzu-Yao Hsu. 指導教授：張宏慶. 學. ‧ 國. 立. Advisor：Hung-Chin Jang 政治大國立政治大學資訊科學系. ‧. 碩士論文. er. io. sit. y. Nat. A Thesis. submitted to Department of Computer Science. n. al. iv. National C hChengchi University Un. en chi. in partial fulfillmentgof the Requirements for the degree of Master In Computer Science 中華民國一百年七月 July, 2011. 2.

(3) 中文摘要在 vehicular network 中應用 Peer to peer (p2p)是目前尚在研究的一項領域。不同於一般 wired network 的環境，vehicular network 環境中變動性相當高，且車輛移動速度快，車輛間無法長時間維持連線，所以若要在 vehicular network 上分享檔案資源，會遭遇到許多問題，像是. 政治大. 如何在網路上有效率地搜尋所需要的檔案、相距甚遠的車輛如何分享. 立. 彼此的資源、在有限的頻寬中如何發揮最大的分享效益，皆是十分重. ‧ 國. 學. 要的課題。本研究提出 Urban Multi Layered Chord (UML-Chord)架構，. ‧. 在市區環境的 vehicular network 中，引入 infrastructure-based 的架構，. Nat. io. sit. y. 以解決 ad-hoc 環境中只能靠車輛機會相遇時交換訊息，僅能做範圍. al. er. 內搜尋的缺點。另外我們使用 multi-layered chord 來管理網路上分享. n. iv n C 的檔案資源，此種結構化的 h p2p 架構可以有比較好的搜尋效率。在檔 en gchi U 案傳輸上，我們加入交通號誌的狀況後，讓車輛間連線預估時間 (connection lifetime)更加精確，得以選出最適合的節點下載檔案，增加檔案的傳輸效率，提昇整體 p2p 應用的效能。.

(4) Abstract Peer-to-peer (p2p) applications on vehicular network is a significant research topic today .Vehicular network is different from traditional wired network environment in some characteristics. Topology is very dynamic and vehicles driving in high speed, the connection between vehicles can’t maintain in a long time in vehicular network. If we want to share file resources on vehicular network, there are some problems to confronted, like the efficiency of query operations, sharing files with distance. 治政大 vehicles and fully utilizing the limited bandwidth. 立 ‧ 國. 學. Our paper proposes an Urban Multi-layered Chord (UML-Chord). ‧. method in urban Vehicular network. Introducing infrastructure based. sit. y. Nat. architecture to deal with the problem that cars can exchange their files only when they meet each other in ad-hoc mode. In addition, we use. er. io. multi layered chord to manage file resources which should be shared on a. n. iv l C n Internet. This kind of structured architecture has better efficiency in h ep2p ng chi U searching files. For file transfer part, we take stop light into account. We modify connection lifetime, let it be used in choosing appropriated download peers, enhancing the efficiency of p2p application.. 4.

(5) 致謝辭研究所生涯終於到了結束的階段，雖然這些日子裡經過許許多多的波折，但所幸過程裡遇到很多人的幫助而得以完成論文，令我銘記於心永生難忘。. 首先要感謝的人，我母親大人居功厥偉，如果母親大人沒有把我生下來，這篇論文也將永遠不會來到這人世間，所以母親大人居首功並不為過。另外我的家人，爸爸辛苦的養育和弟弟的成長陪伴，也是我完成論文的最大後盾。. 治政指導教授張宏慶老師，學術專業上的教導，不斷指引我們研究方向，以及嚴大立謹的學術教誨。除此之外，張教授更是慈祥溫暖的人生導師，在我有困難和煩惱 ‧ 國. 學. 時給予適時的幫助及開導，不論與任何學生時期相比，張教授實為不可多得的好. ‧. 老師。. sit. y. Nat. io. er. 當然我也不會忘記一同奮鬥的實驗室戰友們，已離開的先賢先烈們，奶砰文捷、胖子凱凱等人歡笑時光，一同走過的足跡，都將長存於我心中。國淵學長則. al. n. iv n C 時常與我們智障鍛練，帶領我們進入人生無極樂觀的美麗境界。先走一步的世剛 hengchi U. 同學，時常相伴於球場，共同練就強健體魄，立吉無限的綽號以及那天才的創意，總是讓我腦中激盪出論文新點子，韋良的妙語如珠，我就知道他口試一定可以！因為他嘴砲！當然也不能不想到默默支持的學弟妹們，鍾毅平時的坐鎮，仿佛世剛仍與我們同在，使我的查克拉源源不絕，佩璇的天真傻勁，讓我們忘卻報告的緊張煩惱，阿彪的坦誠相見，不只喚起了我們的男兒本色，並能更清楚犯罪界線的拿捏。昀峻正常到不行的作息，提供給我們作正面教材，導盲大家不至於太偏差。最後是小孟孟，Lab 的女神是不可質疑的存在，Holy 孟孟！. 其他朋友們的陪伴也是不可獲缺，正派世元、牢裡方如、薑頭建邦、處女鍋 5.

(6) 貼、女神今壁總是與我相談人生道理，及以三個願望：吃飯、打球、睡覺一次滿足的建達，和羽球隊的大家，讓我開心渡過正常與不正常的時光，大大小小的比賽與練球等等，感傷此景將不復見。系上學弟妹熱情的招呼，總是讓我一進大仁樓就有回到家的感覺，只是有些家人我認不得，時光雖然漫長，但都很值得我珍惜。. 最後，我要感謝我的女朋友：未來女神，支持我、保護我、在還未來臨的每晚聽我呢喃至天亮，在我最孤獨無助時，為我加油打氣，我想，如果沒有妳與我在未來相見，將來我還仍困在那黑暗慘無人跡的角落，過著茹毛飲血般的出草日子，謝謝妳！9527！. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 孜銚 2011 年 8 月. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 6. i Un. v.

(7) 目錄第一章簡介.................................................................................................................. 1 1.1 背景................................................................................................................. 1 1.1.1 VANET 簡介......................................................................................... 1 1.1.2 Peer-to-Peer 簡介 .................................................................................. 4 第二章相關研究.......................................................................................................... 8 2.1 Chord structured............................................................................................... 8 2.2 Infrastructure based architecture .................................................................... 10. 政治大第三章研究方法........................................................................................................ 15 立 2.3 利用 connection lifetime 做為下載候選 peers 的決策考量 ....................... 11. ‧ 國. 學. 3.1 問題分析....................................................................................................... 15 3.1.1 Chord structure 如何架構？............................................................... 15. ‧. 3.1.2 網路中車輛位置的管理及尋找........................................................ 15. sit. y. Nat. 3.1.3 Connection Lifetime 未考慮路口交通號誌 ...................................... 15. n. al. er. io. 3.1.4 搜尋的車輛目標過多及等待回傳時間不一.................................... 16. i Un. v. 3.1.5 所選擇下載的 peer 上尚有未完成的工作 ....................................... 17. Ch. engchi. 3.2 研究方法....................................................................................................... 17 3.2.1 以 RSU 為 node 的 Infrastructure-based Multi-layered Chord 架構 17 3.2.2 車輛位置資訊管理............................................................................ 19 3.2.3 將路口等待的要素納入 Connection Lifetime 中 ............................ 19 3.2.4 搜尋車輛資訊的回傳機制................................................................ 21 3.2.5 考慮候選清單中節點目前的傳輸狀況............................................ 23 3.3 系統架構....................................................................................................... 25 第四章模擬實驗及分析............................................................................................ 29 4.1 模擬環境....................................................................................................... 29. i.

(8) 4.2 評估指標....................................................................................................... 31 4.3 實驗結果與分析........................................................................................... 32 4.3.1 檔案搜尋............................................................................................ 32 4.3.2 檔案傳輸............................................................................................ 37 第五章結論與未來研究............................................................................................ 47. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. ii. i Un. v.

(9) 圖目錄 Figure 1-1 DSRC 頻寬分佈圖[1].................................................................. 2 Figure 1-2 Inter-Vehicle Communication [2]................................................. 2 Figure 1-3 Roadside to Vehicle Communication [2] ..................................... 3 Figure 1-4 Hybrid of IVC and RVC [2] ......................................................... 3 Figure 1-5 Napster 架構圖[3]........................................................................ 5 Figure 1-6 Gnutella 架構圖[3] ...................................................................... 6 Figure 2-1 Chord overlay on VANET [6] ...................................................... 8. 政治大 Figure 2-3 Clustered organization of access points & hybrid overlay 立. Figure 2-2 Architecture of ML-Chord ........................................................... 9. ‧ 國. 學. protocol ................................................................................................ 11 Figure 2-4 兩節點間 LET 示意圖 .............................................................. 12. ‧. Figure 3-1 query 結果傳遞流程圖 .............................................................. 16. sit. y. Nat. Figure 3-2 UML-Chord 架構....................................................................... 18. n. al. er. io. Figure 3-3 車輛位置分群示意圖 ................................................................ 19. i Un. v. Figure 3-4 query 結果傳遞修改流程圖 ...................................................... 22. Ch. engchi. Figure 3-5 系統流程圖 ................................................................................ 26 Figure 3-6 Multi-layered Chord 流程圖 ...................................................... 27 Figure 3-7 Connection Lifetime 計算.......................................................... 27 Figure 3-8 傳檔階段 .................................................................................... 28 Figure 4-1 SUMO 道路環境圖 ................................................................... 30 Figure 4-2 NS-2 Nam 車流模擬圖............................................................. 31 Figure 4-3 在不同 RSUs 下的 query hop 數比較圖 .................................. 33 Figure 4-4 在不同車輛數之 query hop 數比較圖 ...................................... 34 Figure 4-5 不同車輛數下的 control message overhead 比較圖 ................ 35. iii.

(10) Figure 4-6 不同車輛數之 delay time 比較 ................................................. 36 Figure 4-7 不同車輛數的平均下載時間比較圖 ....................................... 38 Figure 4-8 N=200 時，平均的檔案下載時間比較圖................................ 39 Figure 4-9 N=500 時，平均的檔案下載時間比較圖................................ 40 Figure 4-10 N=800 時，平均的檔案下載時間比較圖.............................. 41 Figure 4-11 不同車輛數，檔案下載完成率比較圖 .................................. 43 Figure 4-12 N=200 時，檔案下載完成率比較圖...................................... 44 Figure 4-13 N=500 時，檔案下載完成率比較圖...................................... 45 Figure 4-14 N=800 時，檔案下載完成率比較圖...................................... 46. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iv. i Un. v.

(11) 表目錄 Table 1 模擬環境參數表 ............................................................................. 29 Table 2 在不同 RSUs 下的 query hop 數比較數據 (單位：個)............... 33 Table 3 在不同車輛數之 query hop 數比較數據 (單位：個) .................. 34 Table 4 不同車輛數下的 control message overhead 比較數據表 (單位：個) .............................................................................................................. 35 Table 5 不同車輛數之 delay time 比較數據表 (單位：秒) ..................... 36 Table 6 不同車輛數的平均下載時間比較表 ............................................. 38. 政治大 Table 8 N=500 時，平均的檔案下載時間比較數據表 (單位：秒) ........ 40 立 Table 7 N=200 時，平均的檔案下載時間比較數據表 (單位：秒) ........ 39. ‧ 國. 學. Table 9 N=800 時，平均的檔案下載時間比較數據表 (單位：秒) ........ 41 Table 10 不同車輛數，檔案下載完成率比較數據表 ............................... 43. ‧. Table 11 N=200 時，檔案下載完成率比較數據表 (單位：秒) .............. 44. sit. y. Nat. Table 12 N=200 時，檔案下載完成率比較數據表 (單位：秒) .............. 45. n. al. er. io. Table 13 N=200 時，檔案下載完成率比較數據表 (單位：秒) .............. 46. Ch. engchi. v. i Un. v.

(12) 第一章簡介. 1.1 背景. 1.1.1 VANET 簡介近年來，隨著資訊的快速發展，無線網路及全球定位系統的技術漸趨成熟，使得車用行動網路 vehicular network 成為一項熱門的研究領域。vehicular. 政治大. networks 是一種由車輛做為節點而組成的無線網路，藉由無線通訊與資料傳遞技. 立. 術，提高行車效率、增進用路安全與舒適性。. ‧ 國. 學. 美國聯邦通訊委員會(FCC)於 1999 年，分配 5.9GHz 的頻段給車輛間及車與. ‧. 路邊通訊使用，而 FCC 更在 2003 年制定了 DSRC (Dedicated Short Range. y. Nat. io. sit. Communications)協定的相關服務，如 Figure1-1 所示，DSRC 在 5.9GHz 頻帶間. n. al. er. 提供給公共安全及隱私相關等應用，例如智慧型傳輸系統 ITS (Intelligent. Ch. i Un. v. Transportation System)即建置於此頻段上。而屬於 ITS 的 vehicular network，則利. engchi. 用裝置於車輛上的 OBU (On-board Unit) ，使得車輛俱備無線傳輸的能力，可與路邊的 RSU (Roadside Unit)以無線網路的方式通訊。其中 RSU 扮演著 access point 或 gateway 的角色，車輛可以透過其存取網路上的資訊，依不同的方式結合 OBU 與 RSU，使得 vehicular network 產生三種無線的傳輸方式：. 1.

(13) 政治大. Figure 1-1 DSRC 頻寬分佈圖[1]. 立. ‧ 國. 學. Inter-Vehicle Communication (IVC). 資訊可透過 OBU 在車輛之間傳送，在 Figure 1-2 中的 A 區域裡，由於兩車都在. ‧. 彼此的無線傳輸範圍內，故可以直接通訊(one-hop case)。如果兩車不在彼此的無. n. al. er. io. sit. y. Nat. 線傳輸範圍內，就需由介於兩輛車間的第三者來轉傳資訊(multi-hop case)。. Ch. engchi. i Un. v. Figure 1-2 Inter-Vehicle Communication [2]. 2.

(14) Roadside to Vehicle Communication (RVC) 車輛可以透過路邊的 RSU 連結上網際網路和遠端的 server 通訊。. 圖 1-2. Inter-Vehicle Communication. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. Figure 1-3 Roadside to Vehicle Communication [2]. sit. y. Nat. io. n. al. er. Hybrid of IVC and RVC. Ch. engchi. i Un. v. Figure 1-4 Hybrid of IVC and RVC [2] 3.

(15) 最後一種是將前面的 IVC 和 RVC 結合而成的混合架構，提供車輛選擇不同傳輸資料方式的彈性，同時使得網路涵蓋的範圍更為完整，並且整合網路上車輛的資訊，能夠提供更多安全性及其它方面的應用服務。. 由於 vehicular networks 是從 MANET (Mobile Ad-Hoc Network)架構衍生而來，因此繼承了一些 MANET 網路的特性，但是仍有許多不一樣的特點，如下列：移動性：vehicular networks 車輛具有較高的速度，且行進方向是沿著道路而行，所以比隨意移動的 MANET 更有規律性。. 治政電力考量：由於 vehicular networks 裝置的電力可以透過車輛提供，所以不像大立 MANET 行動裝置必需考量電力的因素。 ‧ 國. 學. 網路拓樸：交通環境所涵蓋的範圍大，如整個都會區的道路或是高速公路，另外. ‧. 因為車輛的高速移動，是造成網路拓樸快速變化的主因；而 MANET. sit. y. Nat. 考慮的是大樓或展覽會場等較小的區域。. io. 低有可能導致網路的分段問題。. n. al. Ch. engchi. er. 網路密度變化：交通尖峰時可能會有網路擁塞的情況發生，離峰時段車輛的密度. i Un. v. 1.1.2 Peer-to-Peer 簡介 Peer-to-Peer (p2p)應用是目前相當熱門的研究領域。p2p 網路有別於傳統的 Client-Server，它不需要一個 Server 來儲存檔案並管理，所有的客戶端(client) 都必需連線到伺服端(server)來做資訊檔案的分享。在 p2p 中，每一個節點同時可以是伺服端也是客戶端，因此能讓所有節點都能提供資源。其中包括了運算能力、儲存空間及頻寬，所以當愈多的節點加入時，整個系統所能提供的容量就愈大，像是一般人所熟知的 Gnutella、BitTorrent 與 Napster 等。. 4.

(16) Figure 1-5 Napster 架構圖[3]. 治政一般的 p2p 架構大致上可分為中央集權式(centralized)與分散式大立 (distributed)。Figure 1-5 為採中央集權式管理的 Napster 架構，它是由一個 ‧ 國. 學. 伺服器來管理眾多 peers 分享的資訊。User 頇先連上伺服器，將本身所有. ‧. 的相關資料及分享的資源列表交給伺服，當 user 想要取得某些檔案時，會. sit. y. Nat. 向伺服端提出請求，伺服器會從其資料庫中找出適合的 peers，將這些 peers. io. er. 的資訊傳回給 user，之後 user 就直接與這些 peers 做溝通，就不需要再透過 server。Napster 有個顯而易見的問題，在於存在一個 server 會有其容量. al. n. iv n C 及頻寬限制，當 p2p 網路的規模過大時，會產生效能上的瓶頸。 hengchi U. 5.

(17) Figure 1-6 Gnutella 架構圖[3]. 治政分散式架構以 Gnutella 為代表，省去了管理的伺服器。每個 peer 既是大立 server 端也是 client 端，搜尋時會將詢問(query)傳給直接連線的 peers，接收 ‧ 國. 學. 到些 query 的 peers 會比對自身的資訊，並且把該 query 繼續在網路上散播。. ‧. 雖然分散式架構不需要再花費額外的訊息來維謢 overlay network，但使用. sit. y. Nat. flooding 的方式散播訊息，會造成廣播風暴，所以通常會給予其 TTL 來限制. io. er. 傳送跳躍的次數。因此分散式架構所造成的另一個缺點就是範圍搜尋，很可能會找不到所要的資訊，儘管該資訊存在我們的 p2p 網路上。. n. al. Ch. engchi. i Un. v. 從另外的角度來看，分散式架構還可分為與結構化(structured)與非結構化(unstructured)兩種。結構化的做法，通常會以某種方式，在底層的 peers 上架構出一個 overlay network，把各 peers 的相關資訊存放在上面，有利於檔案的管理，不過多了這層 overlay network 就有維護的 overhead，同時還要考慮到 delay 的問題，本論文使用的 Chord 即屬於此架構。前面提到的 Gnutella 屬於非結構化的應用，做法上並無建立 overlay network 來管理資訊，通常採用分散式的方法處理之。. 近年來，由於無線行動裝置計算能力的進步，過去只能在電腦上使用的 6.

(18) 應用軟體已漸漸搬到無線行動裝置上執行，再加上與日俱增的無線網路頻寬，使得 p2p 檔案分享應用於無線行動網路成為一項研究的議題。不過原本的 p2p 只適用於傳統的有線網路，若將其原封不動地移植到 vehicular network 上，會因為其環境的特殊性讓 p2p 應用的效能降低，這也是本研究所要改善的問題。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 7. i Un. v.

(19) 第二章相關研究. 2.1 Chord structured 以 DHT (Distributed Hash Table)為基礎的 p2p protocol 在近幾年引起了許多關注，尤其是由麻省理工學院於 2001 年所提出的 Chord 演算法[4]，適用於 p2p 環境中的分散式資源查詢。其建立 overlay network 的方式主要是把每個加入的節點，使用 m-bits 的 key space 丟入 SHA-1、MD4 或 MD5 等 hashing function，產. 政治大. 生出一個 Node ID，並把它置於 identifier circle 內，如 Figure 2-1，下方平面內代. 立. 表實際的節點，每個節點皆對應到上方的 Chord 結構，並且自身要維持其掌管的. ‧ 國. 學. key space 資訊以保持整個 Chord 的架構，以圖中的 i 點為例，i 的 successor 是大於 i 且擁有最小 key 的節點，predecessor 則是小於 i 且擁有最大 key 的節點，此. ‧. 外每個節點還必需維護一張節點的清單(finger table)，以保證每個查詢的. y. Nat. n. er. io. al. sit. operation 能在 O (log N)內完成。. Ch. engchi. i Un. v. Figure 2-1 Chord overlay on VANET [6] 8.

(20) Chord 具有 scalability 與資源搜尋的優點，但既然選用 structure 的 p2p 方式，便會有維護的 overhead。為了降低 overhead，文獻[5]提出的 ML-Chord (Multi-Layered Chord)是將 Chord 做分層管理，不再是單一 Ring 的架構。下圖 2-2 中，ML-Chord 架構下會有數個特定 domain 的 Category Layers，一般的 peers 會依本身所擁有的資源對應到不同的 Category Layer。每個 peer 有可能對應到多個 Category Layer，Bridge Peers (BP)會橫跨所有的 Category Layers，並自成一個 BP Layer，提供跨 Layers 的搜尋。在執行 query 的時候，因為有 T 個 Category Layers，其複雜度為 O( og ⁄ )，這是 ML-Chord 表現比 Chord 好最主要的地方。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. Figure 2-2 Architecture of ML-Chord. 但在無線環境中利用 Chord 去架構 p2p 網路會有兩個問題：(1) overlay 中查詢封包的傳送路徑與實際的網路不同，即 overlay 中的 neighbor 節點未必是實際網路裡的 neighbor 節點，(2) 當新的節點加入 overlay 網路後，需要一段較長的時間. 9.

(21) 才能達到網路的穩定狀態。. 在文獻[6]中，為減少維護 finger table 時所產生 ping messages 的流量，將 finger table 改成以儲存 overlap 網路 one-hop neighbors 的 knowledge table，並且以廣播的方式來更新節點資訊，以有效地降低 overhead。此外，以往 Chord 使用的 hook 節點，當同一時間有數個節點欲加入 p2p 網路時，會發生擁塞的問題。它所提出的 passive bootstrapping，常有新節點要加入時，會分別等待一個亂數產生的後退時間，廣播自己的 knowledge table 到整個網路上，就可以避免容易產生問題的 hook 節點。該方法可以維持不錯的 overlay 網路的一致性，使得 p2p 應用於. 治政 vehicular network 上的效能增加。不過該文獻所提出的適用環境為純 ad-hoc mode，大立與本研究的 infrastructure based 環境有所差異。. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. 2.2 Infrastructure based architecture. io. er. 在傳統的 vehicular network 環境裡，節點只有趁著相遇的機會下才能交換訊息，若沒有辦法增加參與 p2p 網路的 peers 數，在有限的 peers 中取得所需的檔. al. n. iv n C 案將更加困難，所以在[7]中，以hinfrastructure based e n g c h i U 的方式做為架構，讓 peers. 在搜尋時可以透過整個 vehicular network，利用 overlay network 來管理 vehicular network 的檔案資訊，不單靠節點間機會的相遇，使得檔案更容易被找到。. 作者利用傳統的 Chord 架構來建置 p2p 網路，但考量到頻繁的交通變化會對 Chord 架構造成效能上很大的影響，所以把車輛位置資訊的處理獨立出來，考量了交通流量作為節點分群的依據，靠著 k-Medoid clustering 演算法，適當地將 RSU 分群，有效減少更新車輛位置所產生的 message overhead。. Figure 2-3 中，下圖為依據上圖而建置出的 overlay network，下圖左右各為 10.

(22) 一個 chord ring，節點 c、g 分別為兩個 cluster head，負責 cluster 間檔案 query 及車輛的資訊交換。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. Figure 2-3 Clustered organization of access points & hybrid overlay protocol. 2.3 利用 connection lifetime 做為下載候選 peers 的決策考量兩個節點的連線時間，會直接影響檔案傳輸的時間，有別於一般 wired 的環 11.

(23) 境節點變化較少；在 vehicular network 上，因為節點不斷高速移動，若能準確預估節點間的連線時間，可增加檔案的傳輸效率。. 文獻[8]中提到，用 connection lifetime (或稱 Link Expiration Time, LET), 來預估 routing path 的 lifetime，在本論文之中用此來估計當前的連線直到可能斷裂的時間。 √(a2 + c 2 )r 2 − (ad − bc)2 − (ab + cd) a2 + c 2. LE = where. 政治大 c = v sin θ − v sin θ d = y − y 立. a = vi cos θi − vj cos θj b = xi − xj i. i. j. j. i. j. ‧. ‧ 國. 學. (2-1). n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. Figure 2-4 兩節點間 LET 示意圖. 這是在一般情況下所做的預估，考慮兩個 peers 的速度，離開彼此傳輸半徑的時間。但在文獻[8]中指出，在 vehicular network 環境裡，車輛會隨著道路的方向而轉彎，所以把方向的平均加速度考慮進來。ai 、aj 為車輛 i、j 的加速度，每當車輛更改速度跟方向時，其變化量都會被計算到平均加速度中， i 與 j 分別代表 i、j 達到速度上限的時間，如同公式 2-1，我們也將兩個節點的 x, y 座標距離，速度變化及加速度的差，以 a、d、c、f、b、e 表示，並將公式 2-1 修改成如下的公式 2-2：. 12.

(24) LE √[(a − b)c + (d − e)f]2 − (c 2 + f 2 )[(a − b)2 + (d − e)2 − r 2 ] − [(a − b)c + (d − e)f] = c2 + f 2 where a = xi − xj , c = (vi cos θi + ai cos θi i ) − (vj cos θj + aj cos θj j ) d = yi − yj , f = (vi sin θi − ai sin θi i ) − (vj sin θj − aj sin θj j ) 1 b = (ai cos θi 2. i. 2. − aj cos θj. j. 2. 1 ) , e = (ai sin θi 2. i. 2. − aj sin θj. j. 2. ) (2-2). 對於檔案的傳輸，如果一次只要求傳輸一個檔案區塊(block)，很容易造成頻. 政治大. 寬的浪費；若一次要求所有的 blocks，會使得 packets 過多，影響其它 peers 的傳. 立. 輸效率。因此把 peers 間的 connection lifetime 與頻寬資訊考慮進來，讓檔案的傳. ‧ 國. 學. 輸更有效率。假設有兩個 peers, S 和 i，其中 peer S 想從 peer i 取得檔案 N 代表 peer S 找到可提供檔案的 peers 集合。. ‧. Π𝑅𝐸𝑄、𝐴𝑖 分別為 peer S 請求的 set of blocks 與 peer i 可提供的 set of blocks。𝑇𝑖;𝑆 、. y. Nat. n. al. er. io. 頻寬，P 為 block size。. sit. 𝑇𝐵𝑖 則是 i 與 S 間的 connection lifetime 和上次 peer S 從 peer i 取得 packets 的傳輸. i Un. v. 𝐵𝑖 代表在 peer S、peer i 間的 connection lifetime 中，可以傳輸的 blocks 數量. Ch. e n𝑇𝑖;𝑆g c× h𝑇𝐵i 𝑖. 𝐵𝑖 = max(. 𝑃. , 1). 𝐺𝑖 為 peer S, peer i 的 connection lifetime 裡，peer S 可從 peer i 那取得的 blocks 數量的預估 𝐺𝑖 = Π𝑅𝐸𝑄 ∩ 𝐴𝑖 ∩ 𝐵𝑖 所以 peer S 會從 N 個 peers 中找出能提供最多 blocks 的 peer k，優先選擇 k 來傳輸檔案。 𝐺𝑘 ≧ 𝐺𝑖 where i ∈. 此外在[9]中有提到關於檔案切割的 block 大小對於 infrastructure AP 的 13.

(25) goodput 的影響。在 TCP 連線中，因為需要花費時間建立連線，所以傳輸的資料片段較大會比較有效率，不過當選擇的資料片段過大，在 retransmition 時會使得整體效能下降，所以在 block size 大小的 trade off 上，會選擇 128KB 做為檔案切割的 block 大小。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 14. i Un. v.

(26) 第三章研究方法. 3.1 問題分析. 3.1.1 Chord structure 如何架構？在前面提到的幾種 Chord 架構方式，分別針對不同的網路環境：純 ad-hoc 模式、wired network。該如何在 infrastructure-based 的 vehicular network 環境下，. 政治大. 找出一個合適的 overlay chord 架構？其中也包括檔案的管理儲存方式。. 學. ‧ 國. 立. 3.1.2 網路中車輛位置的管理及尋找. ‧. 一般純 ad-hoc 的 vehicular network 環境中，要查尋某特定節點相當不易，但. y. Nat. io. sit. 現今可透過 GPS 來得知節點的即時位置。但因為 GPS 只能提供自身車輛的位置，. n. al. er. 若我們要尋找某特定車輛，勢必要經由一個資料庫來管理這些回傳的 GPS 資訊，. Ch. i Un. v. 才能有效找到特定車輛，這也是現今許多車隊管理系統採行的方法。但要用在. engchi. vehicular network 的 p2p 上，會遇到更大量的節點數，這些即時的位置資訊會使得資料庫的負荷過重，而限制系統的 scalability。. 3.1.3 Connection Lifetime 未考慮路口交通號誌在先前的討論中，雖然 connection lifetime 可以當作我們用來預測節點間連結時間的參考，雖然有對行進中節點的加速度做修正，不過卻對節點停滯的情況排除在外。現實的市區道路中口紅燈非常普遍，而其等待時間短則數秒，長則一、兩分鐘，這對 vehicular network 環境下的連線時間來說並不算短，若能將此因素 15.

(27) 納入考慮，能更提昇預估的 connection lifetime 的準確度。. 3.1.4 搜尋的車輛目標過多及等待回傳時間不一當一個節點搜尋完檔案後，會得到一份有該檔案的節點清單，下一步就是去搜尋這些節點的位置及資訊，交給原始節點。過程中會遇到三個問題：(1)如 Figure 3-1，當節點送出 query 後，query 的結果會回傳至原始節點，然後才去尋找車輛的資訊，會造成時間上的浪費。(2)因為這些節點都分散在網路中的各處，原始節點某些節點資訊的回傳可能較久，若要等到取得所有清單中的資訊，也會花費. io. n. al. car listC. y. er. Nat. ready to query search file search file. ‧. Multi-Chord (overlay network). sit. Original Node. 學. ‧ 國. 治政一些時間在等待上。(3)如果清單的節點太多，一次搜尋這些節點會造成太多訊大立息在網路上流竄。. results returnn i. hengchi U. v. download search cars file information results return Figure 3-1 query 結果傳遞流程圖為了改善這些問題，我們將從減少訊息的來回傳送，車輛清單的挑選及等待機制，縮短資訊取得的時間及控制網路上的訊息量著手。. 16.

(28) 3.1.5 所選擇下載的 peer 上尚有未完成的工作當一個 peer 搜尋完檔案後，會得到一份有該檔案的 peers 候選清單，接下來就會從中挑選出欲連線的 peer。假設我們選擇其中 connection lifetime 最長的 peer 來下載，一旦該 peer 正在與其它 peer 做傳輸，結果我們必需等待對方做完工作後才能跟它連線，造成時間上面的浪費。因此我們會把節點手上正在進行的工作，整併至 connection lifetime 的計算內，讓節點在選擇下載目標時，能挑選最合適的節點。. 立. 3.2 研究方法. 政治大. ‧ 國. 學. 3.2.1 以 RSU 為 node 的 Infrastructure-based Multi-layered Chord 架構. ‧. sit. y. Nat. 當我們以純 ad-hoc 模式來做 p2p 檔案分享時，在做 file searching 的時候，. io. er. 通常會採用 flooding 的方式，但這可能會使得網路上的 messages 過多，此外搜尋的 peer 數有限，以致於比較不容易找到所要的檔案。而使用 Infrastructure-based. al. n. iv n C 架構，利用 Chord 適合檔案搜尋的優點，讓我們有更高的機會可以找到需求的檔 hengchi U. 案，同時也能保證在 O (log N) 個步驟中完成查詢的動作。基於上述理由，我們採用文獻[4]中的 Infrastructure 架構並修改。由於考量到 vehicular network 中車輛變動頻繁的特性，如採用 single ring 的 Chord 架構，會導致 finger table fault 過多，所以採用 Multi-layered Chord 方式，做法是結合數個 RSU 成為一個 cluster，建立 single ring 的 Chord，並於每個 single ring Chord 挑出一個 cluster head，在上層串連為一個 superring，做跨 cluster 間的檔案搜尋。希望減少 search 的 hops 數與維護成本，所以採用 Multi-layered Chord 的方式，該方法適用於市區的環境，因此將以 UML-Chord (Urban Multi-layered Chord)為本論文的方法名稱。. 17.

(29) Figure 3-2 為本論文提出方法的架構的示意圖。虛線下方是實際的網路情境，三角型代表 RSU，上方則是架構於實際網路上的 overlay network。這裡有四個 clusters，同一 cluster 內的 RSU 節點由藍色圓圈串連成為一個 Chord ring，每個 RSU 分別管理所屬的車輛及檔案資訊。我們將(檔案-車輛)的配對資訊，存放於各個 RSU 上，查尋時不需詢問行進中的車輛。圖中的粉紅色節點為各個 cluster 的 cluster head，由粉紅色線串連為上一層的 Chord，負責跨 cluster 之間的檔案 query，綠色的 RSU 節點則為 cp-head (car position head)，負責車輛位置資訊的管理。整個運作流程簡單說明如下，左下角的 car1 想要尋找 Rebirth.mp3 的檔案，在步驟 1 中，會先透過目前連線的 RSU，在 UML-Chord 中找尋檔案，依據. 治政 Rebirth.mp3 的 key 值，我們發現其資訊並非座落於自身的大 cluster 內，因此透過立 RSU C 跨至其它 cluster 去，最後在 RSU M 上找到 Rebirth.mp3 的資訊，有 car2、 ‧ 國. 學. car3 擁有該檔，接下來的步驟 2 則是透過 cp-head 的車輛資訊，去找到目前 car2、. ‧. car3 的所在位置，向其要求檔案。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. Figure 3-2 UML-Chord 架構 18. v.

(30) 3.2.2 車輛位置資訊管理當我們在前述的 Multi-layered Chord 中找到擁有所需檔案的車輛後，便要從該車輛取得所需檔案。為了增進搜尋車輛位置的效率，我們沿用前一小節的 Chord 分群，即每個 single ring Chord 所包含的 RSUs 為同一個 cluster，尤於考量到每個 cluster head (如 Figure 3-3 中的紅點)會有比較高的 overhead，故我們從 cluster 內的其它 RSUs 中挑出一個，作為 cp-head (如下圖中的棕色點)，即為管理車輛位置的 cluster head。每個 cp-head 都會掌握該 cluster 內的所有車輛位置，以. 治政及 connection lifetime 等相關資訊，當有其它群的查尋來拜訪時，如下圖的棕色大立箭頭，均會透過本群 cp-head 來擷取資訊。同樣的當本群要向它群查尋時，也會 ‧ 國. 學. 連至該群的 cp-head，如綠色箭頭所示。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. Figure 3-3 車輛位置分群示意圖. 3.2.3 將路口等待的要素納入 Connection Lifetime 中在節點眾多的市區環境中，汽車因交通號誌而等待的情形非常普遍，我們將 19.

(31) 前面討論的紅燈時間資訊納入 connection lifetime 的考量中。此外，在公式 2-2 中有考慮到道路速限，亦即汽車加速達到速限值時，速度就不再上升，因此我們再考慮車子在行進時，到達前方路口時是否為紅燈？此外，在我們的架構中皆為行動節點對 RSU 之間的連線，此連線計算皆為 single hop，故我們修改公式 2-2 如下：行動節點 i 的座標(xi , yi )，所屬 RSU j 的座標(xj , yj )，前方路口 k 的座標(xk , yk ) vi ：節點 i 的速度 θi ：節點 i 行進方向與 x 軸所夾的角度 i ：節點. i 達到速限的時間. VS ：該條道路的速限. 政治大. 立. 學. ‧ 國. now ：現在時刻. stop_start ：紅燈開始的時刻. ‧. stop_end ：紅燈結束的時刻. io. al. stop_start. n. vi (. −. now ). < 𝐷,. 1 (V + vi ) i + VS ( stop_start − now − i ) < 𝐷, 2 S 1 2 v + a( − now )2 < 𝐷, 𝑖𝑓 i { 2 i stop_start. Ch. engchi. er. 一開始我們先估計車輛是否會被前方的交通號誌攔下來. sit. y. Nat. D：節點 i 目前與前方路口 k 的距離. if ai = 0. iv n Uif i < i. ≥. stop_start. stop_start. −. −. now. now. (3-1) 公式 3-1 中第一個式子為車輛維持等速時，在前方號誌轉為紅燈時，判斷是否會行至路口，若 vi (. stop_start. −. now )得出的位移距離大於. D，代表預估車輛不會被. 前方號誌所攔下，小於 D 則否。同樣地，第二種情況是指，如果我們車輛正在加速，但因道路都有速限，所以在車速達到速限時，就以速限行駛，一樣去計算車輛在前方號誌轉為紅燈前，是否行過路口來判斷。最後一種情況則是車輛目前正在加速中，但到達路口時還未達速限的情況。. 20.

(32) 當我們確認完上述的情況後，下一步開始計算該車輛 i 與當前 RSU k 的 connection lifetime，如下：. connection ifetime=. {. √[(a − b)c + (d − e)f]2 − (c 2 + f 2 )[(a − b)2 + (d − e)2 − r 2 ] − [(a − b)c + (d − e)f] c2 + f 2 2 √[(a − b)c + (d − e)f] − (c 2 + f 2 )[(a − b)2 + (d − e)2 − r 2 ] − [(a − b)c + (d − e)f] ( stop_end − now ) + c2 + f 2 (3-2). where. 政治大. a = xi − xj c = (vi cos θi + ai cos θi i ). 立. 1 b = ai cos θi 2. i. 2. 1 e = ai sin θi 2. 學. ‧ 國. d = yi − yj f = (vi sin θi − ai sin θi i ) i. 2. ‧. 公式 3-2 是依據公式 3-1 的結果，來選擇我們計算 connection lifetime 的公式。第. sit. y. Nat. 一種情況，若 3-1 的預估結果車輛會通過路口，那只需計算離開當前 RSU 的時. io. er. 間。第二種情況，預估車子會被前方紅燈欄下，我們加入紅燈等待的時間，之後車輛再照行進方向離開 RSU 的範圍. n. al. Ch. engchi. i Un. v. 考量 RSUs 需要管理 Multi-layered Chord 及車輛位置資訊，所以我們把 connection lifetime 的計算交由車輛節點處理，並且註記 timestamp，存放於 RSUs 上。. 3.2.4 搜尋車輛資訊的回傳機制當節點下了一個檔案 query 到我們的 p2p 網路上，經過查尋的過程後，得到擁有該檔案的車輛清單會傳至原來的節點，之後再去尋找各車輛的位置，進而取得我們所要的資訊後，再回傳給原始的節點，如此一來一往的傳遞，會造成許多不必要的時間延遲，降低整個 p2p 系統的效能，所以這邊所採用的方式是，當我 21.

(33) 們透過 Multi-Chord 找到檔案時，把得到的候選清單，即刻送到網路上去查尋，收集他們的相關資訊後，傳送到原始節點手中，如下圖所示。. Original Node. Multi-Chord (overlay network). ready to query search file search file. car list. 政治大. donwload searched cars file information results return. 學. Figure 3-4 query 結果傳遞修改流程圖. Nat. y. ‧. ‧ 國. 立. io. sit. 針對前面 3.1.4 所提出的問題一，我們可以設定一個時間門檻(預設為 0.5 秒)，該. n. al. er. 原始節點可以不需等待收集到所有目標節點的資訊，就目前所得的節點資訊來做. Ch. i Un. v. 進一步的下載挑選動作。但如果我們的候選清單中只有一個車輛，原始節點別無. engchi. 其它的選擇，所以門檻值應該較大，改為 1 秒。另一方面，若我們得到過多的清單節點，將採擁有最高 connection lifetime 前五個節點傳送，不要一次全部性地搜尋來減少送出的查尋資訊量。以下為此部分之 pseudocode：. 22.

(34) getCarList to be download; //候選清單只有 1 個節點. if sizeof(CarList) = 1 setwait_threshold to 1 ;. storeCarList in list SendList; end if; //候選清單多，選 CLtime 最高的五個. else if sizeof(CarList) > 5 setwait_threshold to 0.5 ;. select the five highest CLtime node of CarList ;. 政治大. store in list SendList;. 立. end if;. setwait_threshold to 0.5 ;. ‧. ‧ 國. begin. //候選清單內有 0~5 個節點. 學. else if 5 >= sizeof(CarList) > 0. //設定等候門檻值，並選擇. y. sit. n. sendSendList to transferafiles; l. er. io. end if;. Nat. storeCarListin list SendList;. Ch. engchi. i Un. v. 3.2.5 考慮候選清單中節點目前的傳輸狀況在前面 3.1.所提到的問題，當 peer 將要進行上下傳工作時，把預估上下傳的時間資訊存在 RSU 上，當有其它人要選擇此節點下載時，可從 RSU 上得知其目標節點是否已經在傳輸檔案，而且還有多久結束，提供對方是否選擇該節點下載的決策資訊，讓無線電資源更有效的利用。. 23.

(35) 若某節點當下正在上下載檔案，我們會將預估所需剩餘的傳送時間，從原本的 connection lifetime 中扣除，並回報告 RSU。因此之後其它節點在挑候選節點的步驟時，便依據修正後的 connection lifetime 作來源節點的挑選工作。. 以下為此部分之 pseudocode：. RSU 端: when receiving car msg //判斷收到的 msg 種類. if msg is query search in Chord;. 立. end if;. 政治大. ‧ 國. 學. if msg is position update if self RUS is cp-head. ‧ sit. //若自身非 cp-head，轉送給 cp-head. n. a cp-head of this cluster; send this msg to end if;. er. io. else. Nat. end if;. y. updateCLtime;. iv l C n hengchi U. 24.

(36) 車輛端： when catching RSU (j)’s broadcast beacon begin calculateCLtime if this car has current download traffic //若本身已有下載任務，對 CLtime 做修正 CLtime←CLtime– remaining download time; returnCLtime to RSU( j); end if;. 立. end. ‧. ‧ 國. 學. 3.3 系統架構. 政治大. sit. y. Nat. 綜合前面的內容，我們整合出系統的流程圖，接下來對整個流程做說明。如. n. al. er. io. 圖 3-5 所示，只要車輛執行本系統後，就會不斷更新自身的訊息或上下傳檔案，. i Un. v. 等到關閉軟體或是熄火就離開系統。我們可以將整個系統分成三個部份：. Ch. engchi. Multi-layered Chord、connection lifetime 計算以及最後的傳檔階段，下面將分別針對做說明。. 25.

(37) Start. driving. turn the engine off or leave system. yes. end. no. cars send file query To Chord. search files in Chord. 立. if car wants to search file on the network. no. 政治大. 學. found. calculate connection lifetime. cars update position、file list、download status to RSUs. ‧. get the car list of file. io. n. al. Ch. pick the most fit cars to download file. n engchi U. Figure 3-5 系統流程圖. 26. car information stored on RSUs. sit. y. Nat get car information from RSUs. er. not find. ‧ 國. return not find file message. yes. request file from the cars. iv. transfer file.

(38) cars send file query To Chord. return not find file message. not find. if car wants to search file on the network. yes. search files in Chord. found get the car list of file. Figure 3-6 Multi-layered Chord 流程圖. 立. 政治大. Figure 3-6 是 Multi-layered Chord 的部份，當節點決定要尋找 vehicular. ‧ 國. 學. network 上的檔案時，便會透過其所在的 RSU，在第一層的 single ring Chord 結構裡做檔案搜尋，若搜索不到則利用從該層的 cluster head 跳到上一層的 superring. ‧. 去找尋，若還是沒找到就代表目前整個 vehicular network 上並無該檔案。當找到. y. Nat. 而這些車輛就是我們下載候選清單的成員們。. n. al. Ch. engchi. calculate connection lifetime. er. io. sit. 檔案後，我們會進一步得到儲存於該 RSU 上面的 (檔案-所有車輛) 的配對資訊，. i Un. v. cars update position、file list、download status to RSUs. car information stored on RSUs. Figure 3-7 Connection Lifetime 計算 27.

(39) Figure 3-7，車輛計算自身與 RSU 間的 connection lLifetime，我們利用車輛定期把自己更新位置上傳給 RSU 的時候，把剛才計算完畢的 connection lifetime (附加 timestamp)，還有如檔案更新的資訊，以及上下載狀態，統統整併一次送給 RSU，避免過多的傳送，降低無線電資源的使用效率。. get car information from RSUs. pick the most fit cars to download file. request file from the cars. transfer file. Figure 3-8 傳檔階段. 立. 政治大. 最後一部分如 Figure 3-8 所示，我們會從下載候選清單中車輛節點所在的. ‧ 國. 學. RSUs 中取得前部分所提的資訊，如 connection lifetime、上下載狀態等，挑出最適合的節點來下載，進入最後的檔案傳輸階段。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 28. i Un. v.

(40) 第四章模擬實驗及分析. 4.1 模擬環境本研究採用 Network Simulator 2.35 (NS-2)[10]模擬，它能模擬真實世界的網路架構環境，並使用內建的 Iango Purushothaman's IEEE802.11infrastructure mode，可讓 AP 間可透過有線網路互相溝通。另外使用 SUMO (Simulation of Urban Mobility) [11]及 MOVE (MObility model generator for vehicular networks)[12]，產. 政治大區車載網路環境。之後所產生的 Tcl 語法檔可於 NS-2 上執行。環境參數如 Table1 立生雙向共四線道所組成的棋盤式地圖，其中包含交通號誌及車流，建置我們的市. ‧ 國. 學. 所示，模擬總時間為 3600 秒，我們會依不同的車輛數(從 200 到 800)來模擬，在 p2p 檔案參數的部分，我們設定有 200 個不同的檔案，其大小分別為 5MB、10MB、. ‧. 15MB 不等，而每輛汽車於起始時依亂數給與 1~10 個檔案，並於實驗過程中，. sit er. io. a l Table 1 模擬環境參數表 i v 參數 C h Un e n g c h i 參數值. n 車輛數. y. Nat. 會請求 (query)其它自己所未擁有的檔案 1~3 次。. 200,300,400,500,600,700,800. 網路拓樸大小. 2,500m x 2,500m. 道路數量. 4 lanes. 無線電傳輸半徑長度. 250m. 每輛車行駛速度. 0~60 km/hr. (km/hr) 模擬時間. 3,600 sec. 傳輸速度檔案數. BPSK 6Mbps 200 個不同的檔案. 每輛車擁有檔案數. 1~10 不等(起始). 每輛車請求檔案次數. 1~3 次不等. 檔案大小. 5、10、15MB. 29.

(41) Figure 4-1 為 SUMO 的道路環境圖，由 5x5 個 block 所組成之市區棋盤式街道，其中每個 block 長寬各為 500 公尺，每個路口皆設置交通號誌，時間為 60~90 秒不等。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. Figure 4-1 SUMO 道路環境圖. 接下來我們依照前面的環境，加入實際車流後，將 SUMO 產生之 tcl 檔以 NS-2 執行，Figure 4-2 為 Nam 的車流模擬圖呈現結果。. 30.

(42) 立. 政治大. sit. n. al. er. io 4.2 評估指標. y. ‧. ‧ 國. 學. Nat. Figure 4-2 NS-2 Nam 車流模擬圖. Ch. engchi. i Un. v. 對於實驗的評估，採取 number of hops、message overhead、delay time、 download time、file complete ratio 做為我們的評估指標。. Number of hops：當我們在做檔案查詢時所經過的 hop 數目，此部分所經過的 hop 數在 overlay network 中與實際相同。. Message overhead：為維護 Chord overlay network、檔案查詢、車輛位置管理及檔案下載分配的 control message。 31.

(43) Query delay time：從車輛送出檔案查詢開始下載的時間，其間包括車輛資搜集。. Download time：從車輛節點送出檔案查詢到獲得該完整檔案的時間。. File completion ratio：完成檔案下載的比例。. 政治大實驗將 p2p 的運作分為兩個階段，第一是檔案搜尋階段，第二個是檔案傳立. 4.3 實驗結果與分析. ‧ 國. 學. 輸。. ‧. 4.3.1 檔案搜尋. sit. y. Nat. 我們先比較 UML-Chord 與 Chord、Overlay-based[8]在不同 RSUs 與不同車. n. al. er. io. 輛數下，query 所需的 hops 數。在以下的 Tables 中，Chord、Clustered organization. i Un. v. 與 Overlay-based 的內容分為右左兩欄，左欄為該表格所比較的數據，右欄為與. Ch. engchi. 本論文的 UML-Chord 與之比較後的改善百分比例. Figure 4-3 和 Table 2 為兩種 Chord 架構與 Overlay-based 在不同 RSUs 下的 query hop 數比較。Chord 的搜尋複雜度為 log n，故當我們增加做為 chord 節點的 RSUs 後，會造成 query hops 數的增加。由圖表結論可以看出，因為 UML-Chord 使用了 multi-layer 的 Chord，因此在平均 query hops 數上較未分層的 chord 減少了 17%。另外由於 Overlay-based 的結構無法較有效率地搜尋檔案，所以 query hops 會隨著 RSU 的增加(亦即網路規模擴大)而提高，此部分 UML-Chord 平均好上 25%。. 32.

(44) Figure 4-4 和 Table 3 為兩種 Chord 架構與 Overlay-based 在不同車輛數之 query hop 數比較。。也因為 multi-layer 的關係，UML-Chord 在平均 query hops 數上較未分層的 chord 及 Overlay-based 分別減少 15%、26%. 另外 query hop 數並未隨著車量數增加而明顯增加，是因為我們的 chord 節點採用 RSU 的關係， RSU 各自管理一個檔案 key value 的區段，所以 RSU 的數量固定，即使車輛、檔案數增加，也不會影響到 query hop 數。. 8.00. 立. 7.00. 政治大. 6.00. 0.00. Overlay-based. io. 20. y 40. 60. 80. 100. sit. 1.00. Chord. er. 2.00. UML-Chord. ‧. 3.00. ‧ 國. 4.00. 學. 5.00. Nat. Number of Hops (per query). 9.00. n. a l Number of RSUs iv n Ch i Uhop 數比較圖 eng c hquery Figure 4-3 在不同 RSUs 下的 Table 2 在不同 RSUs 下的 query hop 數比較數據 (單位：個) protocol UML-Chord. Chord. Overlay-based. Number of RSUs 20. 3.20. 3.30. 3.03%. 2.40. -33.33%. 40. 3.70. 4.50. 17.78%. 4.80. 22.92%. 60. 4.00. 4.90. 18.37%. 5.70. 29.82%. 80. 4.40. 5.40. 18.52%. 6.00. 26.67%. 100. 5.00. 6.40. 21.88%. 7.80. 35.90%. 33.

(45) Number of Hops (per qurey). 6.00. 5.00. UML-Chord. 4.00. Chord Overlay-based 3.00. 2.00 200. 300. 治政 500 600 700 800 大 Number of cars. 400. 立. ‧. ‧ 國. 學. Figure 4-4 在不同車輛數之 query hop 數比較圖. Table 3 在不同車輛數之 query hop 數比較數據 (單位：個). io. Number of cars. Chord. er. UML-Chord. sit. y. Nat. protocol. Overlay-based. 300. a l3.50 Ch 3.44. 400. 3.70. 500. 3.76. 4.23. 11.11%. 5.30. 29.06%. 600. 3.60. 4.50. 20.00%. 5.10. 29.41%. 700. 3.80. 4.46. 14.80%. 4.96. 23.39%. 800. 3.80. 4.40. 13.64%. 5.22. 27.20%. 14.63%. v ni. 4.60. 23.91%. 14.43% e n g 4.02 chi U. 5.00. 31.20%. 4.20. 11.90%. 4.80. 22.92%. n. 200. 4.10. 接下來觀察 messages overhead，這部分包含維護 Chord overlay network、檔案查詢、車輛位置管理及檔案下載分配的 control message，結果如 Figure 4-6 及 Table 4 所示。由於 UML-Chord 方法會將車量資訊的更新集中在 cp-head 上，不同於 clustered organization [8]，為達到動態調整 clustered 的組成成員，而讓每個 34.

(46) RSU 能掌握目前的車流量，使得每個 RSU 間交換的訊息數量增加，因此 UML-Chord 與之相比較，可降低網路上的 message 數量達 13%。Overlay-based 雖然 message overhead 比較少，不過其架構在檔案及車輛的管理，及 p2p 中相當看中的檔案下載時間上，皆明顯不如 UML-Chord。 35000. 25000. 20000. Overlay-based. 300. 400. 500. 600. 700. 800. y. Nat. Number of Cars. sit. 200. Clusterd organization. ‧. 10000. UML-Chord. 學. 15000. 政治大. 立. ‧ 國. Messeages Overhead. 30000. n. al. er. io. Figure 4-5 不同車輛數下的 control message overhead 比較圖. Ch. engchi. i Un. v. Table 4 不同車輛數下的 control message overhead 比較數據表 (單位：個) protocol UML-Chord. Clustered organization. Overlay-based. Number of cars 200. 18015. 21002. 14.22%. 14786. -21.84%. 300. 19033. 21551. 11.68%. 16210. -17.42%. 400. 19150. 23110. 17.14%. 17153. -11.64%. 500. 21327. 24362. 12.46%. 17786. -19.91%. 600. 23130. 26654. 13.22%. 19121. -20.97%. 700. 24880. 27779. 10.44%. 21213. -17.29%. 800. 25135. 29150. 13.77%. 22021. -14.14%. 35.

(47) 針對 3.1.4 問題改進，我們把 query 所得的資訊送給 RSUs 而不先傳回給原始請求 query 的節點。根據 Figure 4-6 與 Table 5 的結果來看，Overlay-based [9] 因為缺少一個有效的檔案及車輛資訊管理，delay time 相對較高，UML-Chord 省略了回傳及設定等待時間，而有較短的 delay time，且較 clustered organization [8] 少了 14%的 delay，較 overlay-based 少了 23%。接著可以看到當網路中的車輛增加，為蓃集數個來源的車輛資訊，也會讓 query delay time 稍微上升。 0.85. 0.75. 政治大. 0.7 0.65. 立. 0.6. 0.5 0.45. Overlay-based. ‧. 0.4. Clusterd organization. ‧ 國. 0.55. UML-Chord. 學. Query Delay Time (sec). 0.8. 200 300 400 500 600 700 800. y. sit. Nat. Number of Cars. n. al. er. io. Figure 4-6 不同車輛數之 delay time 比較. Ch. i Un. v. Table 5 不同車輛數之 delay time 比較數據表 (單位：秒) protocol. UML-Chord. engchi. Clustered organization. Overlay-based. Number of cars 200. 0.5022. 0.5825. 13.79%. 0.6003. 28.27%. 300. 0.542. 0.601. 9.82%. 0.6258. 16.01%. 400. 0.532. 0.612. 13.07%. 0.6315. 20.53%. 500. 0.5418. 0.626. 13.45%. 0.6921. 21.72%. 600. 0.5364. 0.6341. 15.41%. 0.6131. 31.42%. 700. 0.5882. 0.688. 14.51%. 0.6684. 17.42%. 800. 0.5912. 0.718. 17.66%. 0.7765. 23.86%. 36.

(48) 4.3.2 檔案傳輸第二階段為查看實際檔案的傳輸比較。Figure 4-7、4-8、4-9、4-10 及 Table 6、7、8，9 依據不同的車輛數來觀察 average download time。整體來看，當車輛數變多時，UML-Chord 與 clustered organization 會因為檔案來源數變多，有利於檔案可從多個來源同時下載。但 Overlay-based 則因同時的下載連線只有一個，在車輛變多時並無法有效利用多個來源而降低 download time。隨著時間的進行，. 治政檔案在網路中散播後將有更多節點擁有，同樣可以因增加檔案的來源數來減少大立 download time，而 Overlay-based 方法只會因此減少 query 的時間，對下載的部分 ‧ 國. 學. 並無幫助，因此在檔案傳輸上的效能 Overlay-based 的方法皆會處於明顯的劣勢，. er. io. sit. y. Nat. 所呈現出，UML-Chord 的表現好上 12%。. ‧. 所以接下來的部分我們不將 UML-Chord 與之做比較。整體的表現如 Figure 4-7. 在 Figure 4-8 中，我們看到圖的前半段，並沒有一個方法的 average download. al. n. iv n C time 明顯表現得較優異，因為整個網路會在秒後才會將車輛數增加到 200 h e n g c h1200 i U 台，車輛節點數少所以提出下載的次數也少，再加上檔案大小不同， average. download time 變異也比較大。UML-Chord 相對於 Clustered organization 的平均下載時間少了 10.8%。接下來看 Figure 4-9，由於 N = 500，車輛節點提出的下載次比前圖還要高，average download time 變異就小了一些，UML-Chord 於這裡的改善為 13.1%。最後 N = 800 的 Figure 4-10 中，改善幅度則是 15.3%。. 37.

(49) Average Download Time (sec). 70.00 60.00 50.00 40.00 UML-Chord. 30.00. Clusterd organization. 20.00 10.00 0.00 200. 800 政治大 Number of Cars 立 500. ‧. ‧ 國. 學. Figure 4-7 不同車輛數的平均下載時間比較圖. io. al. n. time(sec). UML-Chord. 200 500 800. Ch. 55.20. engchi. Clustered organization. er. protocol. sit. y. Nat. Table 6 不同車輛數的平均下載時間比較表. iv n U 61.89. 10.81%. 51.61. 59.45. 13.18%. 45.53. 53.76. 15.32%. 38.

(50) Average Download Time (sec). 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0. UML-Chord. 30.0. Clusterd organization. 20.0 10.0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600. 0.0. Time(sec). Figure 4-8 N=200 時，平均的檔案下載時間比較圖. 立. 政治大. Table 7 N=200 時，平均的檔案下載時間比較數據表 (單位：秒). y. 17.12% 22.37%. 58.5. 600. 64.7. 78.0. 900. 51.0. 65.7. 67.4. 64.2. -4.91%. n65.9 U e n58.4 gchi 67.5. 8.20%. Nat. 55.5. er. 5.13%. sit. ‧ 國. 300. Clustered organization. ‧. time(sec). UML-Chord. 學. protocol. 1800. al. n. 1500. io. 1200. Ch. 60.5. iv. 13.56%. 2100. 55.1. 61.2. 10.05%. 2400. 48.2. 60.0. 19.75%. 2700. 54.2. 59.1. 8.38%. 3000. 51.9. 51.6. -0.58%. 3300. 48.9. 55.5. 11.89%. 3600. 47.0. 55.5. 15.41%. 39.

(51) Average Download Time (sec). 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 UML-Chord. 30.0. Clusterd organization. 20.0 10.0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600. 0.0. Time(sec). 政治大. Figure 4-9 N=500 時，平均的檔案下載時間比較圖. 立. 1500. al. n. 1200. io. 900. Ch. 57.0. 63.0. 60.3. 64.7. 56.4. 72.3. 56.3. e51.9 ngchi. y. 600. Nat. 300. Clustered organization 9.52% 6.73%. er. time(sec). UML-Chord. sit. protocol. ‧. ‧ 國. 學. Table 8 N=500 時，平均的檔案下載時間比較數據表 (單位：秒). iv 60.0 n U. 21.99% 6.25%. 60.6. 14.36%. 1800. 56.7. 63.0. 10.00%. 2100. 52.4. 59.1. 11.42%. 2400. 48.6. 56.3. 13.60%. 2700. 48.9. 56.1. 12.83%. 3000. 43.2. 53.3. 18.87%. 3300. 45.6. 53.9. 15.32%. 3600. 42.2. 51.3. 17.84%. 40.

(52) 70.0 Average Download Time (sec). 60.0 50.0 40.0 30.0. UML-Chord. 20.0. Clusterd organization. 10.0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600. 0.0. Time(sec). 政治大. Figure 4-10 N=800 時，平均的檔案下載時間比較圖. 立. ‧ 國. 學. Table 9 N=800 時，平均的檔案下載時間比較數據表 (單位：秒) protocol. 1500. Ch. 57.0. y. -6.32%. 57.3. 61.5. sit. al. n. 1200. io. 900. 60.6. 6.83%. 52.2. 58.4. 48.6. e47.0 ngchi. er. 600. Nat. 300. Clustered organization. ‧. time(sec). UML-Chord. i Un. v. 10.54%. 59.4. 18.18%. 54.8. 14.25%. 1800. 45.8. 51.8. 11.59%. 2100. 42.6. 50.1. 14.97%. 2400. 39.8. 51.9. 23.41%. 2700. 38.7. 49.1. 21.10%. 3000. 39.0. 53.3. 26.76%. 3300. 37.4. 48.6. 23.15%. 3600. 37.5. 49.5. 24.24%. 41.

(53) 檔案完成比例也是衡量 p2p 的一項重要指標，節點要得到完整的檔案才能算完成 p2p 的檔案下載，所以我們同樣會依據不同的車輛數來看 file completion ratio。模擬結果如 Figure 4-11、4-12、4-13、4-14 及 Table 10、11、12、13 所呈現。我們同樣比較 MUL-Chord 與 Clustered organization 兩種方法在不同車輛數之下的 file completion ratio。從前一部分的結果可以知道，UML-Chord 的 average download time 較其它方法為低，可以用比較短的時間完成檔案下載，所以應可推論出 file completion ratio 也比較高，而結果呈現 UML-Chord 的確較優。在 Figure. 治政 4-11 摸擬車輛數從 200 提升至 800 的結果中，我們觀察到大 file completion ratio 依立次下降，這是因為隨著車輛的增加，網路上 query 的次數跟著提升，會有更多檔 ‧ 國. 學. 案在執行 p2p，導致我們的 file completion ratio 會較車輛少時為低。但不論車輛. ‧. 的多寡，在經過一段長時間的摸擬後，file completion ratio 將會趨近一個定值。. sit. y. Nat. io. er. UML-Chord 與 Clustered organization 方法的 file completion ratio 比較起來，在 N = 200 時會好上 4.3%，N = 500 時則為 4.5%、N=800 時為 4.1%。. n. al. Ch. engchi. i Un. v. 綜觀以上的模擬實驗結果，本論文所提出的 UML-Chord 在市區的道路環境中，使用 multi-layered 的架構在 number of hops 的表現優於 chord。所提出的傳檔機制和車輛位置管理上，讓 UML-Chord 在不同的車輛數目之下，於 query delay、 message overhead、average download time 和 file completion ratio 上的表現都優於另外 Clustered organization、Overlay-based。. 42.

(54) 78.00% File Completion Ratio (%). 76.00% 74.00% 72.00% 70.00% 68.00%. UML-Chord. 66.00%. Clusterd organization. 64.00% 62.00% 60.00% 58.00% 200. 500. 800. 政治大. Number of Cars. 立. Figure 4-11 不同車輛數，檔案下載完成率比較圖. ‧ 國. 學. Table 10 不同車輛數，檔案下載完成率比較數據表. n. al. Ch. sit. io. 800. 76.05%. 72.88%. 4.34%. 68.73%. 65.72%. 4.58%. 67.36%. engchi. 43. er. 200 500. Clustered organization. y. Nat. time(sec). UML-Chord. ‧. protocol. i Un. v. 64.65%. 4.18%.

(55) 85% File Completion Ratio (%). 80% 75% 70% 65% 60%. UML-Chord. 55%. Clusterd organization. 50% 45% 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600. 40%. Time(sec). 政治大. Figure 4-12 N=200 時，檔案下載完成率比較圖. 立. ‧ 國. 學. Table 11 N=200 時，檔案下載完成率比較數據表 (單位：秒). al. n. 1200. Ch. sit. io. 900. 70.00%. 68.00%. 2.94%. 72.10%. 69.20%. 4.19%. 72.20%. e73.50% ngchi. er. 300 600. Clustered organization. y. Nat. time(sec). UML-Chord. ‧. protocol. 70.30% iv n U. 2.70%. 71.20%. 3.23%. 1500. 76.20%. 72.20%. 5.54%. 1800. 77.40%. 72.10%. 7.35%. 2100. 78.00%. 73.20%. 6.56%. 2400. 78.20%. 74.60%. 4.83%. 2700. 78.60%. 75.30%. 4.38%. 3000. 78.50%. 76.40%. 2.75%. 3300. 78.30%. 75.90%. 3.16%. 3600. 79.60%. 76.20%. 4.46%. 44.

(56) 80% File Completion Ratio (%). 75% 70% 65% 60% UML-Chord. 55%. Clusterd organization. 50% 45% 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600. 40%. Time(sec). 政治大. Figure 4-13 N=500 時，檔案下載完成率比較圖. 立. ‧ 國. 學. Table 12 N=200 時，檔案下載完成率比較數據表 (單位：秒) protocol. Clustered organization 61.30%. y. 2.77%. 600. 64.10%. 62.40%. 2.72%. 65.00%. 62.00%. 1500. al. n. 1200. io. 900. Ch. 66.40%. e67.00% ngchi. er. 63.00%. Nat. 300. sit. ‧. time(sec). UML-Chord. 4.84%. 64.00%. 3.75%. 64.40%. 4.04%. i Un. v. 1800. 68.80%. 65.00%. 5.85%. 2100. 69.40%. 66.10%. 4.99%. 2400. 70.20%. 67.00%. 4.78%. 2700. 72.10%. 67.20%. 7.29%. 3000. 72.30%. 69.10%. 4.63%. 3300. 73.00%. 70.00%. 4.29%. 3600. 73.40%. 70.10%. 4.71%. 45.

(57) File Completion Ratio (%). 75% 70% 65% 60% 55%. UML-Chord. 50%. Clusterd organization. 45% 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600. 40%. Time(sec). 政治大. Figure 4-14 N=800 時，檔案下載完成率比較圖. 立 protocol. Clustered organization. 62.70%. 61.60%. y. 1.79%. 600. 64.13%. 62.04%. sit. 3.37%. 65.23%. 62.59%. 4.22%. Nat. 300. er. time(sec). UML-Chord. ‧. ‧ 國. 學. Table 13 N=200 時，檔案下載完成率比較數據表 (單位：秒). 1500. al. n. 1200. io. 900. Ch. 66.22%. e67.10% ngchi. iv 62.70% n U. 5.61%. 63.03%. 6.46%. 1800. 67.32%. 64.79%. 3.90%. 2100. 67.87%. 64.90%. 4.58%. 2400. 68.75%. 65.12%. 5.57%. 2700. 69.19%. 66.11%. 4.66%. 3000. 69.52%. 67.32%. 3.27%. 3300. 69.85%. 67.43%. 3.59%. 3600. 70.40%. 68.20%. 3.23%. 46.

(58) 第五章結論與未來研究. 本篇論文主要研究是在市區的車載網路環境中，有效率的執行 p2p 分享檔案。在分析中可以發現，如果只利用 ad-hoc 的模式來做 p2p 的檔案分享，除了會有網路上既有檔案無法被搜尋到的問題外，若要傳送檔案會給遠方的節點，勢必經過許多中繼節點的轉送，這對整個 p2p 系統的 scalabilit 造成瓶頸。因此本篇論. 政治大. 文運用 infrastructure based 的架構，解決範圍搜尋及遠方傳檔的問題。. 立. ‧ 國. 學. 另外 UML-Chord 也在車輛位置管理上，於每個 RSU 分群中，獨立出有別於 cluster head 的 cp-head，專門管理車輛位置訊息。在傳檔的部分，改良[9]所用的. ‧. connection lifetime，加入交通號誌的等待因素，所以在挑選下載節點時，依據. y. Nat. io. sit. connection lifetime 的長短來決定優先順序，並控制同時下載的連線數目及等待時. n. al. er. 間門檻，增進檔案的傳輸效能。依模擬的結果可以看出，針對不同 RSU 數目及. Ch. i Un. v. 車輛數的環境下，採用 Multi-layer 架構的 Chord 在 query hops 數上有 17%與 15%. engchi. 的改善。而在 message overhead 上，UML-Chord 比 Clustered organization 減少 14%的數量，同時 query delay time 也節省 14%的時間。在平均檔案下載時間方面，針對不同車輛數，UML-Chord 比 Clustered organization 改善約 10%~15%、比 Overlay-based 改善 24%~38%。在檔案的完成比例，同樣比較不同車輛數， UML-Chord 比 Clustered organization 高出約 4.1%~4.6%、比 Overlay-based 改善 9.7%~14.4%。. 47.

(59) 雖然市區環境可以使用 RSU 去覆蓋範圍，但萬一車輛在超出 RSU 的通訊範圍時，便無法運作 UML-Chord，如此並不能充分運用到 vehicular network 車輛間 ad-hoc 傳送的特性，如何整合 infrastructure based 及 ad-hoc mode 的 p2p chord 架構，將是未來可以進一步研究的議題. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 48. i Un. v.

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