阮文靈，曾培峰

　?。|華大學 計算機科學與技術(shù)學院，上海 201620）

       摘要：詳細介紹了無線傳感網(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)計等方面對RPL路由協(xié)議的仿真進行了分析。利用cooja模擬器對RPL路由協(xié)議進行了仿真，并針對分組遞交率和平均功耗兩個性能指標對RPL路由協(xié)議進行性能評估。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文獻標識碼：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，分析了控制路由報文發(fā)送頻率的Trickle算法［3］，其次用cooja［4］對不同場景進行了仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析了RPL路由協(xié)議的性能，接著驗證了Trickle算法，最后進行了總結(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)目標函數(shù)(Objective Function,OF)構(gòu)建以目的節(jié)點（根節(jié)點）為導(dǎo)向的有向無環(huán)圖(DestinationOriented Directed Acyclic Graph,DODAG)。每個非根節(jié)點通過目標函數(shù)計算出一個Rank值，表明自己與根節(jié)點之間的距離關(guān)系。目前常用的目標函數(shù)有OF0(Objective Function Zero)［5］、MRHOF(The Minimum Rank with Hysteresis Objective Function)［6］和ETX(Expected Transmission Count)［7］。三種控制報文用于RPL路由協(xié)議，分別是DODAG信息請求報文(DODAG Information Solicitation,DIS)、DODAG信息對象報文（DODAG Information Object,DIO）和目的廣告對象報文（Destination Advertisement Object,DAO）。DIS報文用于未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點主動尋求DIO報文，并尋求加入網(wǎng)絡(luò)；DIO報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)點能夠發(fā)現(xiàn)RPL實例并學習這些配置參數(shù)，選擇父節(jié)點，主要用于向上路由的建立；DAO報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(6LoWPAN Border Router,6LBR)開始，6LBR廣播DIO報文，它攜帶著自己節(jié)點的信息RPLInstanceID、DODAGID、Rank等，在它傳輸范圍內(nèi)的6LRA(6LoWPAN Router A)收到該DIO報文后，選擇6LBR作為父節(jié)點并加入該DODAG。6LRA具有路由功能，它會根據(jù)目標函數(shù)計算rank值并更新收到的DIO報文，并廣播出去，在它傳輸范圍內(nèi)的6LRB收到該DIO報文后，選擇6LRA作為父節(jié)點并加入該DODAG。在6LRB加入DODAG后的某一時刻，6LN(6LoWPAN NODE)主動廣播DIS報文，尋求加入某個DODAG。6LRB收到該DIS報文后，給6LN回復(fù)DIO報文，讓6LN選擇6LRB作為父節(jié)點并加入DODAG。至此整個DODAG的向上路由就建立了。向下路由通過DAO報文來構(gòu)建。6LRA在收到6LBR的DIO報文后，回復(fù)6LBR DAO報文，6LBR收到后將6LRA的前綴信息加入到路由表項中。6LRB收到6LRA的DIO報文后，回復(fù)6LRA DAO報文，6LRA處理該DAO報文后并向自己的父節(jié)點6LBR回復(fù)DAO報文，6LBR收到該DAO報文后將6LRB的前綴信息加入路由表項中。因此，DAO報文的處理工程是從子節(jié)點發(fā)送自己的父節(jié)點，父節(jié)點在處理后依次發(fā)送給自己的父節(jié)點，直到發(fā)送到根節(jié)點為止，根節(jié)點包含了所有節(jié)點的前綴信息。

　　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報文的發(fā)送頻率。Trickle算法運用了自適應(yīng)傳輸周期機制，保證網(wǎng)絡(luò)中路由信息一致時，發(fā)送較少的路由報文；而不一致時迅速發(fā)送大量的路由報文，從而快速更新路由信息，保證一致性。

　　為了實現(xiàn)上述自適應(yīng)傳輸周期的機制，Trickle算法使用了3個配置參數(shù)：最小時隙Imin表示DIO報文發(fā)送間隔的最小范圍；最大時隙Imax表示DIO報文發(fā)送間隔的最大范圍；常數(shù)k用于表征DIO報文是否發(fā)送。Trickle算法還使用了3個變量：當前時隙I，表示DIO報文當前的發(fā)送間隔；當前時隙的時間點t，表示只有到達當前時隙中的時間點t,DIO報文才有可能發(fā)送；一致性計數(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報文。

　　Trickle算法的具體執(zhí)行步驟如下：

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

　　(2)當一個時隙開始時，把一致性計數(shù)器c重置成0，并把時間點t設(shè)為當前時隙I中大于等于I/2、小于等于I的一個隨機時間點；

　　(3)當監(jiān)聽到一致性消息時，增加計數(shù)器c;

　　(4)在時間點t，當計數(shù)器c小于常數(shù)k時，發(fā)送DIO消息，否則不發(fā)送DIO消息；

　　(5)當時隙I過期后，時隙I=I×2，當I>Imax時, I置成Imax，并判斷下一時隙是否有效，若有效返回步驟(2)，否則結(jié)束；

　　(6)當監(jiān)聽到不一致性消息并且I>Imin時，重置I為Imin，當I=Imin時，什么也不做，并判斷下一時隙是否有效，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)

　　在仿真實驗中，使用的目標函數(shù)為ETX（Expected Transmission Count）。ETX指一個節(jié)點成功傳輸一個數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點需要傳輸?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1能從其他節(jié)點接收包的范圍，其中的百分比分別代表了從不同節(jié)點接收包的成功率，它隨著與節(jié)點1的距離增大而減小。外部的圓區(qū)域為受到無線干擾的范圍。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)點間的距離確定。

　　仿真時間為15 min，節(jié)點的類型為sky類型，并且只有1個根節(jié)點。在不同空間位置關(guān)系的節(jié)點圖仿真實驗中，有30個具有路由功能的節(jié)點；在動態(tài)增減節(jié)點的仿真實驗中，在第5 min時動態(tài)減少或增加10個有路由功能的節(jié)點。這些節(jié)點分布在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)果進行分析，需要使用評估RPL路由協(xié)議的性能指標［9］，使用分組遞交率和平均功耗作為評估的指標。

　　3.1不同空間位置關(guān)系的節(jié)點圖仿真

　　為了評估RPL路由協(xié)議在不同的拓撲情況下的性能，根據(jù)根節(jié)點與路由節(jié)點的關(guān)系，設(shè)計了4種不同空間位置關(guān)系的節(jié)點圖，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)點包的數(shù)量和根節(jié)點接收包的數(shù)量，圖5根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)計算出了分組遞交率。根據(jù)圖4，不同空間位置節(jié)點圖發(fā)送給根節(jié)點的包的總數(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)點之外的其他所有節(jié)點的功耗的平均值。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。樹型的平均功耗遠遠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)點的仿真

　　為了評估RPL路由協(xié)議在動態(tài)變化拓撲中的性能，設(shè)計了動態(tài)增減節(jié)點的場景。節(jié)點隨機關(guān)系的場景是最常見的場景，因此動態(tài)增減節(jié)點的仿真使用隨機關(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)點包的數(shù)量和根節(jié)點接收包的數(shù)量，圖8根據(jù)圖7的數(shù)據(jù)計算出了分組遞交率。根據(jù)圖7，在第5 min時動態(tài)加入節(jié)點的場景下，其他路由節(jié)點發(fā)送給根節(jié)點和根節(jié)點接收包的數(shù)量都比原來的要多，而動態(tài)減少節(jié)點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)點的場景，說明節(jié)點個數(shù)影響發(fā)送給根節(jié)點和根節(jié)點接收包的數(shù)量。根據(jù)圖8，在第5 min時動態(tài)加入和減少節(jié)點的場景

　　圖8分組遞交率與靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點場景相比，包遞交率相差不大，說明動態(tài)增減節(jié)點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時動態(tài)加入和減少節(jié)點的場景與靜態(tài)相同位置相同數(shù)目節(jié)點場景相比，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)點的平均功耗。

　　3.3Trickle算法的仿真

　　為了驗證Trickle算法能夠有效控制DIO報文的發(fā)送頻率，在網(wǎng)絡(luò)維持不變時增大DIO報文的發(fā)送間隔，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送變化時能夠迅速減小DIO報文發(fā)送的間隔，從而維護網(wǎng)絡(luò)。使用圖2進行了仿真，圖10顯示了仿真結(jié)果。

　　圖中橫坐標代表時間節(jié)點，縱坐標代表時隙的大小。圖中顯示了三個階段，第一階段網(wǎng)絡(luò)沒有發(fā)生變化，因此每次當前時隙I到期后，I變成了I×2（I×2<Imax），而當I等于Imax時，I到期后，I維持不變，圖中Imax為2 100 s,因此I到達2 100 s后一直維持不變。在第二階段移動節(jié)點6，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，因此Trickle算法將當前時隙I由2 100 s迅速降到最小，之后在第三階段網(wǎng)絡(luò)達到穩(wěn)定后，節(jié)點6的時隙I仍然按照原來增長。4結(jié)束語

　　本文對RPL路由協(xié)議進行了詳細的介紹，并對靜態(tài)場景及動態(tài)增減節(jié)點情況下的RPL路由協(xié)議性能進行了深入評估。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)點布局都適用；對于動態(tài)增減節(jié)點，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。

　?。?）對于不同靜態(tài)場景，樹型位置關(guān)系的平均功耗遠大于其他關(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，RPL路由協(xié)議會大大增加平均功耗。

　?。?）Trickle算法能夠有效地控制路由報文的發(fā)送。

　　參考文獻

　?。?］ GUBBI J, BUYYA R, MARUSIC S, et al. Internet of Things (IoT): a vision, architectural elements, and future directions［J］. Future Generation Computer Systems, 2013, 29(7):1645-1660.

　　［2］ WINTER T, THUBERT P, BRANDT A, et al. RPL: IPv6 routing protocol for lowpower and lossy networks［S］. Internet: RFC 6550, 2012.

　?。?］ LEVIS P, CLAUSEN T, HUI J, et al. The trickle algorithm［S］. Internet: RFC 6206, 2011.

　?。?］ OSTERLIND F, DUNKELS A, ERIKSSON J, et al. Crosslevel sensor network simulation with COOJA［C］. Proceedings of 31st IEEE Conference on Local Computer Networks, Tampa,FL: IEEE, 2006: 641-648.

　?。?］ THUBERT P. RPL objective function zero［S］. Internet: RFC 6552, 2012.

　?。?］ GNAWALI O, LEVIS P. The minimum rank with hysteresis objective function［S］. Internet: RFC 6719, 2012.

　?。?］ GNAWALI O, LEVIS P. The ETX objective function for RPL［S］. Internet: draftgnawalirolletxof00, 2010.

　?。?］ DUNKELS A, GRONVALL B, VOIGT T. Contiki a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors［C］. Proceedings of the 29th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks, 2004. IEEE, 2004:455-462.

　?。?］ TRIPATHI J, DE OLIVEIRA J, VASSEUR J P. Performance evaluation of routing protocol for low power and lossy networks［S］. Internet: RFC 6687, 2012.