分析真實環境下RPL路由協議性能評估

胡亞杰+高天初+李軒

【摘要】 文章通過下文對具體環境中，RPL路由協議的性能進行了分析和測。首先介紹了相關的測試環境的軟件和硬件參數；然后通過這些軟件和硬件，將路由公平性、路由協議、交付率和吞吐率四個性能指標確定了出來，并且，詳細的進行了分析，之后，通過這四個指標開展了相應的性能評估活動。

【關鍵詞】 真實環境 RPL路由協議 性能評估

在無線局域網中，RPL路由協議發揮著重要作用，當前，RPL協議還處在草案階段，只是一個工作組文稿，還需要進一步的完善與改進。因此 ，為了能夠更好的了解和掌握RPL路由協議，文章通過下文對真實環境下RPL路由協議性能評估的相關內容進行了分析。

一、RPL應用規范分析

距離矢量的路由協議即為EPL，RPL利用根節點能夠將無環有向圖構建起來，并且都有一根能夠到達根節點的路徑被設置到了網絡中。通過層級可以表示出根節點和節點的的相對距離。并且，順著根節點到葉子節點的方向，會逐漸遞增節點的各個層級。并且，RPL會通過目標函數將根節點到節點的路徑成本確定出來，進而將最合理的路徑選擇出來。因為RPL協議把路由處理、路由路徑和轉發分開進行處理。這樣在不同場合內都可以靈活的應用RPL。

1.1構建DODAG節點

因為在定義RPL主要圍繞三個節點開展的，主要是路由節點、葉子節點和邊緣路由器。

在構建DODAG時，首先通過根節點廣播控制相關傳播消息。構建從葉子節點到各個根節點的路由信息。在根節點接收到DIO以后，這樣就會按照DIO內的目標函數，將自身的rank值計算出來，然后按照相關的規則將屬于自己的父節點選擇出來。然后向DIO消息中更新了自己的rank值后，再次轉發DIO信息。

1.2構建通信方案

對于點對多點、點對點、多點對點的通信模式，RPL都能夠給予支持。

首先，點對多點。它指的是從跟點到葉子節點或者到路由節點的下行路由策略。為了保護下行路由，各個節點要求對1個路由表進行維護。進而便于對自身的DODAG內的節點地址進行存儲。

其次，點對點。DODAG內的任何兩點之間的點對點路由都可以通過RPL提供出來，并且，可以從這樣兩個方面認識理解點對點的路由：其一，如果在源節點的射頻范圍內控制著節點，這樣就會向目的點直接發送源節點。其二，通過節點的村存儲模式能夠判斷出點對點的機制。

再次，點對多點，在這種模式中，一般會通過上行路由的方式從多個節點入手發送信息數據。先路經每個節點的父節點，之后向邊緣路由器中進入，這樣，RPL網絡到Internt的連接接口就可以通過邊緣路由器提供出來。

二、真實環境下PRL路由協議的性能評估對策

2.1測試步驟及方法

首先利用USB接口將基本的測試程序拷貝到Telosb節點內，將網關和節點連接，作為根節點，剩余節點當作非根節點。然后在實驗樓中隨機布置這些節點，將一個以樓宇自動化應用場景為背景的中級規模測試網絡構建起來，由40個節點構成該網絡。待向網絡中成功的加入了這些節點后，并將根節點路由建立起來后，將數據發送速率、測試持續時間T和數據包大小等參數設置在網關中，利用網關把有關參數與測試命令發送給根節點，按照節點相全網廣播相關參數與命令，非根節點在得到有關命令后，就設置的參數將測試流程打開。在完成一輪測試后，將測試結果收集好，之后對有關測試參數進行調整，再開始全新的一輪測試，直到所有測試都完成后，分析最終收集的數據。

2.2相關數據分析

如果測試參數不同，吞吐率也會存在差異，如下圖，通過這個圖能夠發現，當在1-16個/秒的時維持數據包發送速率時，節點的發送率和吞吐率之前就會呈現出一種線性關系；如果在16個/秒以上控制發送速率時，盡管吞吐率還在不斷變化，然而并非以線性關系出現；如果在20個/秒左右控制發送速率后，就會有非常小的吞吐率，在將數據包的發送速率進一步加大以后，所得到的測試數據表明，會在631.56個/秒左右控制路由協議的最大吞吐率。然后在條件相同的情況下，對RPL路由協議通過相同的數據進行了測試，最后得出路由協議的最大吞吐率是663.32個/秒。作為RPL路由協議的經典，ContikiRPL的應用量在不斷增加。相對來講，TinyRPL路由協議在吞吐率方面會差一點，還有提升和改進的空間。

2.3數據包交付情況

通過實踐調查得知，如果在1-16個/秒控制數據包發送速率時，就會在0.9011左右控制數據包交付率，如果有50個左右的發送速率時，只有0.3138的數據包發送成功率；在持續增大了發送速率后，就會不斷降低數據包交付率，一直到接近0。測試結果表明，在較低的網絡負載情況下，TinyRPL路由協議的包交付率最高才達到0.95，這就表明，在包交付方面，TinyRPL還較為欠缺，為了能夠投入應用，還有很多地方需要完善。相對來講，ContikiRPL的包交付率會好很多，0.9654是它最大的包交付率。

2.4分析路由協調性

通過相應的測試表明，不但數據包的發送速率會影響到路由公平性，最大的網絡跳數也會影響到路由協議的公平性。如果在1處控制網絡的最大的跳數，這樣，通過一跳將各個節點發送的數據向節點內轉發，在0.015左右控制路由公平性，表現比較優越。如果在3處控制網路的最大跳數，這樣在相應的提升了數據包發送速率后，路由公平性也會逐漸降低。這就說明，有較大的節點跳數存在于根節點中，這樣就很難向根節點出發送數據。

2.5路由協議開銷

網絡內各個節點路由協議開銷的隨時間變化情況可以用下圖來表示，通過下圖分析得知，起初的時候，路由協議有著較大的開銷，這是由于各個節點要多次交換相應的控制信息構建路由。最高會在250字節/秒控制一跳類節點的路由協議。再次測試證明，隨著網絡規模的增加，這個最大值也會發生變化，大概在過了50秒后，就會完全建成全網的路由，也可以穩定的運行網絡拓撲結構，進而開始漸漸降低路由協議開銷，最后控制在26字節/秒左右。

三、技術應用展望

同現階段的研究成果相結合，需要進一步研究以下幾個方面：

1、對多跳網絡環境下生成路徑的算法進行研究，科學的選擇路由設備，從而將數據包的達到率提升，將多跳網絡環境內的路由公平性增強。

2、完善與改進測試系統，降低由于測試系統引入的誤差和干擾，將測試結果的精度提升。對國外最新的Program in Air 成果進行參考，將遠程更新模塊添加到測試系統中，通過無線信道更新節點，將節點部署速度提升，從而將實驗成本降低。

3、文章主要在單一的網絡環境下對Tiny RPL路由協議的性能進行的測試，所得到了結果只有參考價值，所以，應該在一定的規模下完成更深層次的研究，在各種網絡覆蓋的真是場景下完成。

4、更加深入的對比分析和測試Contiki RPL與Tiny RPL協議，對它們在多種應用場景下的實際表現情況進行研究，找出其中的優點和不足，將商用級RPL路由協議設計出來。

四、結語

文章通下文對路由協議數據包交付率、路由協議開銷、路由協議吞吐率和路由公平性的一些性能進行了評價與分析。在吞吐率方面，Tiny RPL 路由協議還是能夠滿足需求的，再者就是數據包交付率，通過分析得知，在0.9021控制著Tiny RPL 路由協議最高數據包交付率，對比其他路由協議，它的性能較差，然后就是公平性，在發送速率較低的情況下，Tiny RPL 路由協議有著比較優越的公平性。那么，路由協議開銷中，在開始運行網絡時，路由協議會有較大的開銷，然而，在穩定了整個網絡后，就會降低路由協議開銷。總的來講，在路由協議開銷、吞吐率方面，Tiny RPL 路由協議性能是非常優越的。但是，在路由公平性與數據包交付率方面，還有待于進一步完善和改進。

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