阮文靈，曾培峰

　?。|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)介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的RPL(IPv6 Routing Protocol for LowPower and Lossy Networks)路由協(xié)議，從仿真環(huán)境,、參數(shù)設(shè)定,、仿真場景設(shè)計(jì)等方面對RPL路由協(xié)議的仿真進(jìn)行了分析。利用cooja模擬器對RPL路由協(xié)議進(jìn)行了仿真,，并針對分組遞交率和平均功耗兩個性能指標(biāo)對RPL路由協(xié)議進(jìn)行性能評估,。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場景,，并能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化,；在功耗方面不適用于樹型空間位置的場景，并且對于動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)會大大增加平均功耗,。

　　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：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2017.03.019

　　引用格式：阮文靈，曾培峰.無線傳感網(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。作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,，無線傳感網(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 Lowpower Networks, ROLL)來解決這一問題,，提出一種新的路由協(xié)議RPL,，即IPv6 Routing Protocol for LowPower 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］對不同場景進(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)向的有向無環(huán)圖(DestinationOriented Directed Acyclic Graph,DODAG),。每個非根節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出一個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信息請求報(bào)文(DODAG Information Solicitation,DIS),、DODAG信息對象報(bào)文（DODAG Information Object,DIO）和目的廣告對象報(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)建過程

　　整個DODAG的構(gòu)建可以分為兩個部分，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)建過程從根節(jié)點(diǎn)(6LoWPAN Border Router,6LBR)開始,，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)主動廣播DIS報(bào)文,，尋求加入某個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DODAG的向上路由就建立了。向下路由通過DAO報(bào)文來構(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)議中一個重要的組成部分,，它用來控制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：

　?。?）Trickle算法開始執(zhí)行時(shí)，首先把當(dāng)前時(shí)隙I隨機(jī)置成［Imin, Imax］中的一個時(shí)隙,，并且開始第一個時(shí)隙,；

　　(2)當(dāng)一個時(shí)隙開始時(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的一個隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)；

　　(3)當(dāng)監(jiān)聽到一致性消息時(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指一個節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)拇螖?shù)。無線介質(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個具有路由功能的節(jié)點(diǎn),；在動態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的仿真實(shí)驗(yàn)中，在第5 min時(shí)動態(tài)減少或增加10個有路由功能的節(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

　　為了對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，需要使用評估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)議對于樹型位置關(guān)系表現(xiàn)得并不是很好,，而其他三種場景下有較好的表現(xiàn),。

　　3.2動態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的仿真

　　為了評估RPL路由協(xié)議在動態(tài)變化拓?fù)渲械男阅埽O(shè)計(jì)了動態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的場景,。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)關(guān)系的場景是最常見的場景,，因此動態(tài)增減節(jié)點(diǎn)的仿真使用隨機(jī)關(guān)系場景。

　　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)動態(tài)加入節(jié)點(diǎn)的場景下,，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)量都比原來的要多,，而動態(tài)減少節(jié)點(diǎn)的情況下都比原來的要少；但都少于一開始靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)的場景,，說明節(jié)點(diǎn)個數(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)動態(tài)加入和減少節(jié)點(diǎn)的場景

　　圖8分組遞交率與靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)場景相比,，包遞交率相差不大,，說明動態(tài)增減節(jié)點(diǎn)對包遞交率影響很小，RPL路由協(xié)議能夠很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化,。

　　圖9顯示了15 min內(nèi)不同場景的平均功耗,。根據(jù)圖9，在第5 min時(shí)動態(tài)加入和減少節(jié)點(diǎn)的場景與靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)場景相比,，平均功耗都大大增加,，說明了在功耗方面，RPL路由協(xié)議對于動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)會大大增加節(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,。圖中顯示了三個階段,，第一階段網(wǎng)絡(luò)沒有發(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仍然按照原來增長,。4結(jié)束語

　　本文對RPL路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,，并對靜態(tài)場景及動態(tài)增減節(jié)點(diǎn)情況下的RPL路由協(xié)議性能進(jìn)行了深入評估。從仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：

　?。?）對于不同靜態(tài)場景,，分組遞交率都在95%以上，并且相差不大,，RPL路由協(xié)議對各種節(jié)點(diǎn)布局都適用,；對于動態(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)的動態(tài)變化,。

　　（2）對于不同靜態(tài)場景,，樹型位置關(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)議對于樹型位置關(guān)系并不特別合適；對于動態(tài)增減節(jié)點(diǎn),，RPL路由協(xié)議會大大增加平均功耗,。

　　（3）Trickle算法能夠有效地控制路由報(bào)文的發(fā)送,。

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