面向工業(yè)需求的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究.pdf

1、針對低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的特殊路由需求及四個(gè)主要方向的應(yīng)用場景，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組下的ROLL組擬定了RPL路由協(xié)議，RPL協(xié)議適用于其中的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場景。目前WSN適用于工業(yè)自動(dòng)化方向，市場占有率最高的為ISA100.11a，其采用6LoWPAN連通網(wǎng)絡(luò)，6LoWPAN采用RPL作為路由協(xié)議。RPL協(xié)議是基于IPV6架構(gòu)，通過構(gòu)建DODAG形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌珼ODAG的構(gòu)建依賴目標(biāo)函數(shù)OF所采用的路由度量和路由約束。OF0和MRHOF是RPL

2、中兩類主要的目標(biāo)函數(shù)，其中OF0采用距離根節(jié)點(diǎn)相對位置最近的點(diǎn)作為選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，路由度量單一，這加劇了各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載及能耗不均衡，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)丟包或能量提前耗盡。在LLN環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)不均勻的能耗將會(huì)顯著減少網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和壽命。路由回路也是RPL協(xié)議亟待解決的問題。路由回路會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)收斂，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包投遞率下降，并大量占用鏈路帶寬。RPL協(xié)議中，當(dāng)鏈路質(zhì)量等級LQL發(fā)生變化或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，極易發(fā)生路由回路。RPL中典型的回路有DO

3、DAG回路和DAO回路。RPL采用的回路避免規(guī)則為:max_depth規(guī)則和拒絕貪婪規(guī)則，但仍無法避免路由回路的產(chǎn)生。
　　本文從RPL的工業(yè)應(yīng)用場景需求出發(fā)，以能耗和可靠性為研究重點(diǎn)，相應(yīng)的針對RPL協(xié)議的目標(biāo)函數(shù)OF0和回路避免兩方面進(jìn)行優(yōu)化，主要做了以下工作:
　　(1)為解決目標(biāo)函數(shù)OF0路由度量單一導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)負(fù)載及能耗不均衡的問題，本文提出采用綜合的路由度量Metric(R，E)，即從MC度量容器內(nèi)選取能量度量，通

4、過設(shè)置節(jié)點(diǎn)能量格式與計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗引入能量，研究將能量度量和OF0原本的路由度量相融合。使OF0中的節(jié)點(diǎn)在選取父節(jié)點(diǎn)時(shí)，不再是單一的對比Rank值，而是綜合考慮節(jié)點(diǎn)Rank與剩余能量。
　　(2)為提升優(yōu)化性能，本文提出兩種使用Metric(R，E)優(yōu)化OF0的方案:方案一在原始協(xié)議基礎(chǔ)上對比節(jié)點(diǎn)剩余能量;方案二則在Rank1≧Rank2時(shí)對比剩余能量，剩余能量相等及Rank1＜Rank2時(shí)，由Rank值對比決定最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。在Con

5、tiki系統(tǒng)中，修改RPL協(xié)議中OF0相關(guān)代碼。通過COOJA仿真，對比優(yōu)化前后能耗和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)量，驗(yàn)證了優(yōu)化方案初步解決了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗差異較大的問題，且方案二優(yōu)化性能最佳。在優(yōu)化前論證了SINK節(jié)點(diǎn)置于圓心位置時(shí)，能耗最低，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化，更加保證節(jié)點(diǎn)低能耗。在采用方案二時(shí)，對比了單SINK節(jié)點(diǎn)、雙SINK節(jié)點(diǎn)與是否采用優(yōu)化OFO方案的網(wǎng)絡(luò)整體能耗差異，證明在單SINK節(jié)點(diǎn)下OF0優(yōu)化方案，優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)總能耗差別最為顯著。<

6、br>　　(3)為解決路由回路問題，做到深度回路避免，在RPL拒絕貪婪及max_depth規(guī)則的基礎(chǔ)上，本文提出采用基于Rank門限的候選父節(jié)點(diǎn)篩選機(jī)制。在DODAG中，Rank相等的點(diǎn)可能引起路由回路;在鏈路變化時(shí)，DIO消息及節(jié)點(diǎn)信息更新滯后，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間互相選取作為父節(jié)點(diǎn)，從而出現(xiàn)回路。將這兩類容易導(dǎo)致回路的節(jié)點(diǎn)從候選父節(jié)點(diǎn)集合中篩除。依此修改協(xié)議代碼后，通過對比100節(jié)點(diǎn)和160節(jié)點(diǎn)環(huán)境下的數(shù)據(jù)包投遞成功率和平均端到端時(shí)