RPL路由協議的改進方法及性能分析

摘"要：針對能量損耗問題，為增加節點在網絡中的有效存活時間和延長網絡的使用壽命，文章提出了一種平衡關鍵傳感器節點能量損耗的解決方案ENPSRPL。該方案依據關鍵節點的轉發數據包次數調節有向無環圖的構建，并預估關鍵節點的平均能量消耗，從而改變路徑的選取，以延長無線傳感網絡的有效生存時間。通過比較ELT、ETX、RPL與ENPSRPL方案在鏈路質量和網絡信息傳遞中的性能參數，結果表明，ENPSRPL方案在整個網絡范圍內轉發報文的平均能量消耗最低，為44個單位；當網絡節點數為70時，ENPSRPL方案具有較佳的220跳的網絡存活時間。ENPSRPL方案有效改善了傳感器節點在無線傳感網中的能量損耗，從而延長了使用壽命。

關鍵詞：ENPSRPL；轉發數據包次數；性能評估；傳感器節點

中圖分類號：TN915.04"""""文獻標識碼：A""""""文章編號：20959699（2024）03003405

自無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）提出以來，它已廣泛應用于生活中的各行各業，包括農業、衛生醫療行業、智能家居和智能物流等多個領域[1]。然而，無線傳感網絡中的設備的能量從根本上限制了網絡的各項性能。早期提出的路由協議，如開放式最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）、按需平面距離向量路由（Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing，AODV）和優化鏈路狀態路由（Optimized Link State Routing，OLSR）等都在無線傳感網絡中得到了應用[2]。OSPF支持點到點、點到多點以及廣播的方式進行報文通信，使用最短路徑優先的方式生成路由表，但其泛洪式的鏈路更新和狀態報文發送方式消耗大量能量，導致其不適合低功耗有損網絡（Low Power and Lossy Networks，LLN）[3]。AODV是一種主動式按需路由協議，僅在節點有發送報文需求時才開啟路由發現機制，無法滿足無線傳感網中實時監測并進行傳感器數據包實時發送的要求，且AODV協議實現起來較為復雜，限制了在傳感器節點能量和計算能力較低的無線傳感網中的應用[4]。OLSR協議用于無線自組織網絡，基于經典鏈路狀態的改進，通過多點中繼技術（Multipoint Relay，MPR）減少同一分組內的報文轉發次數，從而減緩能量損耗[5]。在互聯網協議第6版（Internet Protocol version 6，IPv6）引入無線網絡之后，IETF ROLL工作組針對以上幾種路由協議進行了研究，專為低功耗有損網絡應用場景下提出了RPL（Routing for LowPower and Lossy Networks）路由協議[6]。盡管RPL路由協議滿足了大部分網絡設計需求，但在不同環境下對其要求也有所不同。例如，在電池可隨時更換的環境中，需保證電池穩定供電，而在對數據實時性要求較高的環境中，節點的短暫休眠時間可能導致問題[7]。此外，當前針對能量損耗研究而提出的RPL改進方案大多數是基于總體能量消耗的最小化來實現，通常通過考慮每個節點的能量消耗來優化路由協議[8]。

針對低功耗有損網絡路由RPL協議因能量消耗導致傳感器節點存活時間短的問題，文章提出了一種RPL協議改進方案（以下簡稱ENPSRPL）。該方案利用關鍵節點的轉發數據包次數（The Expected Number of Packets Sent，ENPS）構建有向無環圖（Directed acyclic graph，DAG），盡量減少節點的轉發次數，從而延長無線傳感網絡中節點的有效生存時間。通過仿真比較ENPSRPL與ELT、ETX和RPL方案在報文轉發率、網絡存活時間和能量消耗等方面的性能，為驗證ENPSRPL的性能提供理論支持。

1"基于關鍵節點的ENPSRPL算法

文中的算法改進思路是通過計算路由鏈路關鍵節點（即當前ENPS最小的節點）的剩余轉發報文次數來選擇下一跳節點，同時考慮到報文發送到匯聚節點所消耗的轉發次數，盡量選擇消耗次數較少的路徑作為路由，從而構建DAG。關鍵節點的ENPS是衡量當前網絡存活時間的重要參數。

該算法主要包括以下步驟：（1）計算關鍵節點剩余的報文轉發次數；（2）選擇剩余轉發報文次數最多且路徑消耗轉發次數最少的節點作為下一跳節點；（3）確定節點到根節點的距離，即計算相關節點的Rank值，使相關鏈的節點對應的Rank值單調遞增。

1.1"關鍵節點的剩余轉發報文次數計算

關鍵節點可能是第一個因報文轉發次數耗盡而丟失的節點，因此協議基于關鍵節點的存活時間作為對協議質量的評估標準。假設當前有新的節點要加入無線網絡，當新節點加入網絡的時候需要計算關鍵節點的ENPS。同時，考慮期望傳輸次數（Expected transmission count，ETX）的最小化，以ENPS和ETX為度量設計目標函數。設關鍵節點是key，節點選擇路由過程時先計算關鍵節點的ENPS。計算關鍵節點的剩余轉發次數ENPS（key）前，需要計算節點傳輸每個數據包所消耗的能量和當前節點的剩余能量。當傳輸報文的能量消耗大于某閾值時，視為該報文無法到達目的地，此時將數據包丟棄，不再繼續向其他節點轉發。節點I加入傳感網時對關鍵節點剩余轉發報文次數ENPS（key）的計算還與key節點的轉發率R有關。

ENPS（key）=N（total）×R（1）

式中，ENPS（key）為關鍵節點的剩余轉發報文次數；R為轉發率；N（total）為總報文次數。

1.2"剩余轉發次數最多的路由選擇

在節點為自己選擇下一跳節點時，必須考慮當前轉發報文次數和對關鍵節點的影響。選擇下一跳的節點算法流程如下：假定節點i尋找下一跳節點（通過Cand_next函數實現）。首先，考慮所有相鄰節點的Rank值，將Rank值小于或等于自己的節點作為下一跳節點的備選節點；其次，計算所有備選節點的ENPS值并進行比較，得到其中最大值作為自己的下一跳節點輸出；然后，在尋找下一跳節點的過程中需要考慮Rank值，但RPL協議中并沒有明確給出對Rank值的計算方法；最后，為滿足單調性以避免環路，可以在下一跳節點的Rank值基礎上加一個變量M，另使用變量S作為M的基礎值，M的計算來源于S和最小跳數增長常數的乘積。最小跳數增長常數是RPL協議中標識線路壽命的參數，由RPL協議所提供，顯然它是一個非負數。因此，節點的Rank值等于下一跳節點的Rank值加上變量M，從而滿足單調性需求。

1.3"改進協議的DAG構建過程

使用本協議構建DAG的過程如下：當遇到路由選擇時，使用文中的度量決定下一跳路由的選擇。圖1中的A節點是現有路由拓撲的匯聚節點，當前剩余轉發報文數目為60個單位。當新的G節點想要加入這個網絡時，可以選擇GDBA、GFECA和GDEBA等三種路由選擇方式。如圖1所示，E節點和B節點分別是GDBA和GFECA上的關鍵節點，而使用GDEBA路由則會消耗B和E節點的轉發次數，因此選擇GFECA作為G節點到邊界節點A的路由線路。在關鍵節點剩余轉發次數相差不大的情況下，選擇ETX和較小的那條路由線路。以此構建的DAG1，如圖1所示。

由圖1可知，當節點在網絡中工作后，隨著節點傳輸報文的進行，關鍵節點會相應發生改變。當G節點在轉發數輪報文之后，GFECA鏈路上的資源消耗根據所轉發的報文經歷的跳數而導致有不同的能量剩余。其后按照剩余報文轉發次數所構建的DAG2發報，如圖2所示。

由圖2可知，在協議運行過程中，關鍵節點是會隨著具體情況而有所變化的。其目的是在構建DAG過程中選擇一條情況較好的路由作為數據包轉發的鏈路，從而在一定情況下延長傳感器網絡的有效壽命。

2"結果與討論

2.1"數據處理

采用了Contiki操作系統（2.7版本，ubuntu為內核）下的COOJA仿真器自定義建立的仿真區域，大小為400 m×400 m，組網節點選擇分別是20、30、40、50、60、70和80個節點。在這個區域內隨機分布節點位置，然后自行組織網絡拓撲結構。考慮到誤差原因，每組數據仿真次數為10，取得的平均數值作為測試記錄值。采用最小跳數增長常數為256，仿真時長每次1小時。在協議測試中，以網絡的穩定性、報文轉發率、網絡存活時間和能量消耗等指標，分別對比ETX方案、期望發送壽命（Expected lifetime，ELT）方案、RPL方案和ENPSRPL方案的性能。

2.2"報文轉發率分析

為了測試網絡穩定性，在相同的網絡報文數下，比較四種協議的數據包轉發率，結果如圖3所示。

由圖3可知，在當前節點范圍內，四種解決方案的數據包傳輸效率相差不大，并且都會隨著網絡節點數的增加而緩慢增加。使用ETX方案的協議轉發報文數據轉發率最高，其原因在于該解決方案僅考慮鏈路質量作為路由質量的判定標準[9]。此外，數據分析顯示，文中所提出的ENPSRPL方案和ELT方案、RPL方案在報文轉發率上相差不大。

2.3"網絡存活時間分析

將網絡中第一個節點丟失時所經歷的總時間記作為網絡的存活時間。由圖4可知，當傳感器節點數目增加時，網絡存活時間急劇下降。網絡規模越大，報文轉發數量急劇增加，能量消耗也迅速加劇[10]，因此網絡存活時間會劇烈降低。節點增多后，關鍵節點的報文轉發次數急劇消耗，導致網絡存活時間也隨之急劇下降。然而，當規模增大到一定程度后，下降速度就會趨于平緩。ETX方案主要考慮鏈路質量的問題[11]，因此組網后的網絡存活時間比ELT、RPL方案和ENPSRPL方案稍低。當節點規模達到一定數量時，網絡壽命下降趨于平緩。ENPSRPL方案在節點規模為70到80之間的表現優于其他三種方案，達到220跳；在網絡節點數為80時，四種方案的網絡存活時間相差不大。

2.4"轉發報文的能量消耗與Rank值的關聯

轉發報文的資源消耗與Rank值有很大關系。一般來說，Rank值較低的節點產生的報文傳輸對資源要求也較低，而距離邊界節點越遠的節點所產生的數據報文在傳輸過程中對資源消耗較大[12]。圖5為四種方案的轉發報文的資源消耗與Rank值的關系。

由圖5可知，隨著Rank值的增大，轉發報文的能量消耗先增大后逐漸減小。在相同Rank值下，ENPSRPL方案的能量消耗最小，其次為ELT，而ETX的能量消耗最大。ENPSRPL方案在整個網絡范圍里平均消耗在44個單位的能量，說明該協議在一定程度上可以平衡能量損耗，實現延長網絡壽命的目的。

3"結語

文中研究所提出使用節點轉發報文次數的期望值ENPS，并結合期望傳輸跳數ETX進行DAG圖的構建，在延長無線網絡壽命方面取得了良好效果。通過仿真實驗表明，文中所提出的改進方案ENPSRPL在有效壽命上面有顯著提升。

在相同實驗環境下，使用本協議時在節點數目為70左右時有較好的延長網絡壽命的效果。當節點規模在70～80之間時，協議運行比較平穩。然而，由于實際環境中不確定因素較多，今后的工作中還需要對該方案做進一步的改進與優化。

參考文獻：

[1]董海俊，韋素媛，劉興成，等.面向環境感知的無線傳感網絡路由方法綜述[J].計算機科學，2018，45（01）：1423，33.

[2]李飛，李登.無線傳感網絡中的路由選擇及優化研究[J].電腦知識與技術，2022，18（20）：3436.

[3]柯躍.路由引入中次優路徑問題分析與解決[J].長江工程職業技術學院學報，2023，40（04）：914.

[4]衛濃鈺，江子龍，陳芳炯.基于位置信息和能量均衡的聲電協同網絡AODV[J].物聯網學報，2023，7（01）：2736.

[5]王柄焱，鄭向平，賈文杰，等.基于鏈路質量與節點負載估計的Q學習UANET路由協議[J].移動通信，2023，47 （10）：1723.

[6]王智群，周鑫，張波，等.低功耗有損網絡RPL目標函數研究綜述[J].軟件工程，2023，26（03）：15.

[7]程克非，陳慈飛，李棟，等.低功耗有損網絡路由協議的組網優化算法研究[J].計算機應用與軟件，2022，39（06）：110115，120.

[8]劉運節，包萍.考慮節點能量消耗的無線傳感網絡平衡路由算法設計[J].科學技術與工程，2022，22（01）：277282.

[9]林勇.基于鏈路質量的無線傳感網絡路由[J].傳感技術學報，2019，32（08）：12661270.

[10]李祝紅，楊安東，杜炳，等.物聯網路由協議中的能量和延遲感知數據聚合[J].信息技術，2020，44（12）：96101

[11]孟超，周倩，郭林，等.基于相關性傳輸模型的無線鏈路質量估計方法及路由優化算法[J].電子學報，2022，50（10）：24092424.

[12]宋海龍，張書真.基于期望壽命與均衡能量消耗的RPL路由協議[J].計算機工程，2016，42（01）：7782.

責任編輯：肖祖銘

Improvement Method and Performance Analysis of RPL Routing Protocol

LIN Pei

（College of Digital Media， Lanzhou University of Arts and Science， Lanzhou 730010， China）

Abstract：This paper addresses the issue of energy loss in order to increase the effective life time of nodes in the network and extend the overall service life of the network. A solution named ENPSRPL is proposed in this paper to balance the energy consumption of key sensor nodes. The construction of Directed Acyclic Graph is adjusted according to the number of packets forwarded by key nodes， and the average energy consumption of key nodes is estimated， altering the path selection and extending the effective life time of wireless sensor networks. The performance parameters of ELT， ETX， RPL and ENPSRPL schemes are compared in terms of link quality and network information transmission. The results indicate that the ENPSRPL scheme exhibits the lowest average energy consumption for packet forwarding across the entire network， measured at 44 units. When the number of network nodes is 70， the ENPSRPL scheme demonstrates a superior network lifetime， which is 220 hops. The ENPSRPL scheme effectively mitigates energy loss of sensor nodes within wireless sensor networks， thus extending their service life.

Keywords：ENPSRPL; the number of packets forwarded; performance evaluation; sensor node