無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中RPL路由協(xié)議研究及性能分析

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)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中RPL路由協(xié)議研究及性能分析

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)

詳細(xì)介紹了無(wú)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(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。

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

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(mǎn)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(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 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(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)。

1 RPL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(Destination-Oriented 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。

1.1 DODAG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。

圖1 DODAG構(gòu)建過(guò)程

1.2 Trickle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)

圖2 UDMG類(lèi)型

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(lèi)型是UDMG類(lèi)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(lèi)型為sky類(lèi)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3 不同場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)圖

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5 分組遞交率

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)。

圖6 在15 min內(nèi)不同位置關(guān)系的平均功耗

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7 在15 min內(nèi)發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)接收包數(shù)量

圖8 分組遞交率

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。

圖9 15 min內(nèi)不同場(chǎng)景的平均功耗

3.3 Trickle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10 Trickle算法的仿真

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

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。

[1] 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.

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

[4] 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.

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

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

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

[8] 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.

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

Study and performance analysis of RPL routing protocol in WSN

Ruan Wenling, Zeng Peifeng

(College of Computer Science and Technology, University of Donghua, Shanghai 201620, China)

RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) routing protocol in WSN(Wireless Sensor Networks) is presented in detail. The simulation of RPL routing protocol is analysed in aspects of simulation environment, parameters setting and simulation scenarios design. RPL routing protocol is simulated by using cooja simulator, performance of RPL routing protocol is evaluated according to the two performance indexes of the packet delivery ratio and the average power consumption. The simulation result indicates that in packet dilivery ratio, RPL routing protocol adapts to diffent scenarios and dynamic changes of the network well, in average power consumption, RPL routing protocol is not suitable for the scenario of tree type space position, and will increase the average power consumption greatly for dynamic changes of the network.

RPL routing protocol; network simulation; cooja simulator; packet dilivery ratio; average power consumption

TP391.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.019

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.

2016-10-08)

阮文靈(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)。

曾培峰(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信、嵌入式系統(tǒng)。