阮文靈，曾培峰
（東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）
摘要：詳細(xì)介紹了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的RPL(IPv6 Routing Protocol for LowPower and Lossy Networks)路由協(xié)議，從仿真環(huán)境、參數(shù)設(shè)定、仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)等方面對(duì)RPL路由協(xié)議的仿真進(jìn)行了分析。利用cooja模擬器對(duì)RPL路由協(xié)議進(jìn)行了仿真，并針對(duì)分組遞交率和平均功耗兩個(gè)性能指標(biāo)對(duì)RPL路由協(xié)議進(jìn)行性能評(píng)估。仿真結(jié)果表明，RPL路由協(xié)議在分組遞交率方面適用于各個(gè)場(chǎng)景，并能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化；在功耗方面不適用于樹(shù)型空間位置的場(chǎng)景，并且對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)會(huì)大大增加平均功耗。
關(guān)鍵詞：RPL路由協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)仿真；cooja模擬器；分組遞交率；平均功耗
中圖分類號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2017.03.019
引用格式：阮文靈，曾培峰.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中RPL路由協(xié)議研究及性能分析［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（3）：63-66.
0引言
隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)［1］已經(jīng)成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的發(fā)展趨勢(shì)。作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由于受到處理能力、內(nèi)存容量、電量等限制，其路由協(xié)議設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)。互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force, IETF）建立低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由工作組(Routing over Lossy and Lowpower Networks, ROLL)來(lái)解決這一問(wèn)題，提出一種新的路由協(xié)議RPL，即IPv6 Routing Protocol for LowPower and Lossy Networks［2］。
本文首先介紹了RPL路由協(xié)議的原理，分析了控制路由報(bào)文發(fā)送頻率的Trickle算法［3］，其次用cooja［4］對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行了仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析了RPL路由協(xié)議的性能，接著驗(yàn)證了Trickle算法，最后進(jìn)行了總結(jié)。
1RPL路由協(xié)議原理
RPL路由協(xié)議是一種距離矢量路由協(xié)議，它根據(jù)目標(biāo)函數(shù)(Objective Function,OF)構(gòu)建以目的節(jié)點(diǎn)（根節(jié)點(diǎn)）為導(dǎo)向的有向無(wú)環(huán)圖(DestinationOriented Directed Acyclic Graph,DODAG)。每個(gè)非根節(jié)點(diǎn)通過(guò)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出一個(gè)Rank值，表明自己與根節(jié)點(diǎn)之間的距離關(guān)系。目前常用的目標(biāo)函數(shù)有OF0(Objective Function Zero)［5］、MRHOF(The Minimum Rank with Hysteresis Objective Function)［6］和ETX(Expected Transmission Count)［7］。三種控制報(bào)文用于RPL路由協(xié)議，分別是DODAG信息請(qǐng)求報(bào)文(DODAG Information Solicitation,DIS)、DODAG信息對(duì)象報(bào)文（DODAG Information Object,DIO）和目的廣告對(duì)象報(bào)文（Destination Advertisement Object,DAO）。DIS報(bào)文用于未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)尋求DIO報(bào)文，并尋求加入網(wǎng)絡(luò)；DIO報(bào)文攜帶了一些配置參數(shù)，如RPLInstanceID、DODAGID、Rank等，讓未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)RPL實(shí)例并學(xué)習(xí)這些配置參數(shù)，選擇父節(jié)點(diǎn)，主要用于向上路由的建立；DAO報(bào)文攜帶一些路由前綴信息，主要用于向下路由的建立。
1.1DODAG構(gòu)建過(guò)程
整個(gè)DODAG的構(gòu)建可以分為兩個(gè)部分，第一部分是向上路由的構(gòu)建，第二部分是向下路由的構(gòu)建。
如圖1所示，向上路由的構(gòu)建過(guò)程從根節(jié)點(diǎn)(6LoWPAN Border Router,6LBR)開(kāi)始，6LBR廣播DIO報(bào)文，它攜帶著自己節(jié)點(diǎn)的信息RPLInstanceID、DODAGID、Rank等，在它傳輸范圍內(nèi)的6LRA(6LoWPAN Router A)收到該DIO報(bào)文后，選擇6LBR作為父節(jié)點(diǎn)并加入該DODAG。6LRA具有路由功能，它會(huì)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算rank值并更新收到的DIO報(bào)文，并廣播出去，在它傳輸范圍內(nèi)的6LRB收到該DIO報(bào)文后，選擇6LRA作為父節(jié)點(diǎn)并加入該DODAG。在6LRB加入DODAG后的某一時(shí)刻，6LN(6LoWPAN NODE)主動(dòng)廣播DIS報(bào)文，尋求加入某個(gè)DODAG。6LRB收到該DIS報(bào)文后，給6LN回復(fù)DIO報(bào)文，讓6LN選擇6LRB作為父節(jié)點(diǎn)并加入DODAG。至此整個(gè)DODAG的向上路由就建立了。向下路由通過(guò)DAO報(bào)文來(lái)構(gòu)建。6LRA在收到6LBR的DIO報(bào)文后，回復(fù)6LBR DAO報(bào)文，6LBR收到后將6LRA的前綴信息加入到路由表項(xiàng)中。6LRB收到6LRA的DIO報(bào)文后，回復(fù)6LRA DAO報(bào)文，6LRA處理該DAO報(bào)文后并向自己的父節(jié)點(diǎn)6LBR回復(fù)DAO報(bào)文，6LBR收到該DAO報(bào)文后將6LRB的前綴信息加入路由表項(xiàng)中。因此，DAO報(bào)文的處理工程是從子節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)在處理后依次發(fā)送給自己的父節(jié)點(diǎn)，直到發(fā)送到根節(jié)點(diǎn)為止，根節(jié)點(diǎn)包含了所有節(jié)點(diǎn)的前綴信息。
1.2Trickle算法
Trickle算法是RPL路由協(xié)議中一個(gè)重要的組成部分，它用來(lái)控制DIO報(bào)文的發(fā)送頻率。Trickle算法運(yùn)用了自適應(yīng)傳輸周期機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)中路由信息一致時(shí)，發(fā)送較少的路由報(bào)文；而不一致時(shí)迅速發(fā)送大量的路由報(bào)文，從而快速更新路由信息，保證一致性。
為了實(shí)現(xiàn)上述自適應(yīng)傳輸周期的機(jī)制，Trickle算法使用了3個(gè)配置參數(shù)：最小時(shí)隙Imin表示DIO報(bào)文發(fā)送間隔的最小范圍；最大時(shí)隙Imax表示DIO報(bào)文發(fā)送間隔的最大范圍；常數(shù)k用于表征DIO報(bào)文是否發(fā)送。Trickle算法還使用了3個(gè)變量：當(dāng)前時(shí)隙I，表示DIO報(bào)文當(dāng)前的發(fā)送間隔；當(dāng)前時(shí)隙的時(shí)間點(diǎn)t，表示只有到達(dá)當(dāng)前時(shí)隙中的時(shí)間點(diǎn)t,DIO報(bào)文才有可能發(fā)送；一致性計(jì)數(shù)器c，用于與常數(shù)k比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否發(fā)送DIO報(bào)文。
Trickle算法的具體執(zhí)行步驟如下：
（1）Trickle算法開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先把當(dāng)前時(shí)隙I隨機(jī)置成［Imin, Imax］中的一個(gè)時(shí)隙，并且開(kāi)始第一個(gè)時(shí)隙；
(2)當(dāng)一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)，把一致性計(jì)數(shù)器c重置成0，并把時(shí)間點(diǎn)t設(shè)為當(dāng)前時(shí)隙I中大于等于I/2、小于等于I的一個(gè)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)；
(3)當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到一致性消息時(shí)，增加計(jì)數(shù)器c;
(4)在時(shí)間點(diǎn)t，當(dāng)計(jì)數(shù)器c小于常數(shù)k時(shí)，發(fā)送DIO消息，否則不發(fā)送DIO消息；
(5)當(dāng)時(shí)隙I過(guò)期后，時(shí)隙I=I×2，當(dāng)I>Imax時(shí), I置成Imax，并判斷下一時(shí)隙是否有效，若有效返回步驟(2)，否則結(jié)束；
(6)當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到不一致性消息并且I>Imin時(shí)，重置I為Imin，當(dāng)I=Imin時(shí)，什么也不做，并判斷下一時(shí)隙是否有效，若有效返回步驟(2)，否則結(jié)束。
2仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)置
2.1仿真環(huán)境
使用cooja對(duì)RPL路由協(xié)議進(jìn)行仿真，cooja是基于Contiki操作系統(tǒng)［8］的模擬器。
2.2仿真參數(shù)
在仿真實(shí)驗(yàn)中，使用的目標(biāo)函數(shù)為ETX（Expected Transmission Count）。ETX指一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)拇螖?shù)。無(wú)線介質(zhì)類型是UDMG類型，如圖2所示，內(nèi)部的圓區(qū)域代表了節(jié)點(diǎn)1能從其他節(jié)點(diǎn)接收包的范圍，其中的百分比分別代表了從不同節(jié)點(diǎn)接收包的成功率，它隨著與節(jié)點(diǎn)1的距離增大而減小。外部的圓區(qū)域?yàn)槭艿綗o(wú)線干擾的范圍。設(shè)置接收包的范圍為50 m，受到干擾的范圍是100 m，發(fā)送包的成功率為100%，接收包的成功率根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離確定。
仿真時(shí)間為15 min，節(jié)點(diǎn)的類型為sky類型，并且只有1個(gè)根節(jié)點(diǎn)。在不同空間位置關(guān)系的節(jié)點(diǎn)圖仿真實(shí)驗(yàn)中，有30個(gè)具有路由功能的節(jié)點(diǎn)；在動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的仿真實(shí)驗(yàn)中，在第5 min時(shí)動(dòng)態(tài)減少或增加10個(gè)有路由功能的節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)分布在200 m×200 m的正方形區(qū)域內(nèi)。
3仿真分析
為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，需要使用評(píng)估RPL路由協(xié)議的性能指標(biāo)［9］，使用分組遞交率和平均功耗作為評(píng)估的指標(biāo)。
3.1不同空間位置關(guān)系的節(jié)點(diǎn)圖仿真
為了評(píng)估RPL路由協(xié)議在不同的拓?fù)淝闆r下的性能，根據(jù)根節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了4種不同空間位置關(guān)系的節(jié)點(diǎn)圖，如圖3所示。
圖4顯示了15 min內(nèi)不同場(chǎng)景下發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)包的數(shù)量和根節(jié)點(diǎn)接收包的數(shù)量，圖5根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)計(jì)算出了分組遞交率。根據(jù)圖4，不同空間位置節(jié)點(diǎn)圖發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)的包的總數(shù)基本相同，為420左右。根據(jù)圖5，格子型的分組遞交率最高，為98.81%，而樹(shù)型的分組遞交率最低，為95.44%，但是相差都不是特別大，并且包的遞交率都達(dá)到了95%以上。根據(jù)上述結(jié)果，在分組遞交率方面RPL路由協(xié)議在靜態(tài)的不同場(chǎng)景下都有較好的表現(xiàn)。
圖6顯示了15 min內(nèi)除根節(jié)點(diǎn)之外的其他所有節(jié)點(diǎn)的功耗的平均值。根據(jù)圖6，樹(shù)型的平均功耗最大，為3.14 mW，格子型的平均功耗最小，為1.79 mW。樹(shù)型的平均功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三種情況下的平均功耗。根據(jù)上述結(jié)果，在平均功耗方面PRL路由協(xié)議對(duì)于樹(shù)型位置關(guān)系表現(xiàn)得并不是很好，而其他三種場(chǎng)景下有較好的表現(xiàn)。
3.2動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的仿真
為了評(píng)估RPL路由協(xié)議在動(dòng)態(tài)變化拓?fù)渲械男阅埽O(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)關(guān)系的場(chǎng)景是最常見(jiàn)的場(chǎng)景，因此動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的仿真使用隨機(jī)關(guān)系場(chǎng)景。
圖7顯示了15 min內(nèi)不同條件下發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)包的數(shù)量和根節(jié)點(diǎn)接收包的數(shù)量，圖8根據(jù)圖7的數(shù)據(jù)計(jì)算出了分組遞交率。根據(jù)圖7，在第5 min時(shí)動(dòng)態(tài)加入節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景下，其他路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)接收包的數(shù)量都比原來(lái)的要多，而動(dòng)態(tài)減少節(jié)點(diǎn)的情況下都比原來(lái)的要少；但都少于一開(kāi)始靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)影響發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)接收包的數(shù)量。根據(jù)圖8，在第5 min時(shí)動(dòng)態(tài)加入和減少節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景
圖8分組遞交率與靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景相比，包遞交率相差不大，說(shuō)明動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)對(duì)包遞交率影響很小，RPL路由協(xié)議能夠很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化。
圖9顯示了15 min內(nèi)不同場(chǎng)景的平均功耗。根據(jù)圖9，在第5 min時(shí)動(dòng)態(tài)加入和減少節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景與靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景相比，平均功耗都大大增加，說(shuō)明了在功耗方面，RPL路由協(xié)議對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)會(huì)大大增加節(jié)點(diǎn)的平均功耗。
3.3Trickle算法的仿真
為了驗(yàn)證Trickle算法能夠有效控制DIO報(bào)文的發(fā)送頻率，在網(wǎng)絡(luò)維持不變時(shí)增大DIO報(bào)文的發(fā)送間隔，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送變化時(shí)能夠迅速減小DIO報(bào)文發(fā)送的間隔，從而維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。使用圖2進(jìn)行了仿真，圖10顯示了仿真結(jié)果。
圖中橫坐標(biāo)代表時(shí)間節(jié)點(diǎn)，縱坐標(biāo)代表時(shí)隙的大小。圖中顯示了三個(gè)階段，第一階段網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有發(fā)生變化，因此每次當(dāng)前時(shí)隙I到期后，I變成了I×2（I×2<Imax），而當(dāng)I等于Imax時(shí)，I到期后，I維持不變，圖中Imax為2 100 s,因此I到達(dá)2 100 s后一直維持不變。在第二階段移動(dòng)節(jié)點(diǎn)6，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，因此Trickle算法將當(dāng)前時(shí)隙I由2 100 s迅速降到最小，之后在第三階段網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定后，節(jié)點(diǎn)6的時(shí)隙I仍然按照原來(lái)增長(zhǎng)。4結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)RPL路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)靜態(tài)場(chǎng)景及動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)情況下的RPL路由協(xié)議性能進(jìn)行了深入評(píng)估。從仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：
（1）對(duì)于不同靜態(tài)場(chǎng)景，分組遞交率都在95%以上，并且相差不大，RPL路由協(xié)議對(duì)各種節(jié)點(diǎn)布局都適用；對(duì)于動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)，分組遞交率與靜態(tài)相比相差不大，RPL路由協(xié)議能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化。
（2）對(duì)于不同靜態(tài)場(chǎng)景，樹(shù)型位置關(guān)系的平均功耗遠(yuǎn)大于其他關(guān)系的平均功耗，RPL路由協(xié)議對(duì)于樹(shù)型位置關(guān)系并不特別合適；對(duì)于動(dòng)態(tài)增減節(jié)點(diǎn)，RPL路由協(xié)議會(huì)大大增加平均功耗。
（3）Trickle算法能夠有效地控制路由報(bào)文的發(fā)送。
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