謝英輝， 李躍飛

(1.長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，湖南 長沙 410004;2.湖南信息學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖南 長沙 410104)

0 引 言

多類物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT)應(yīng)用[1]均能提供不同服務(wù)，而點到點(point-to-point,P2P)通信的流量數(shù)是這些應(yīng)用的關(guān)鍵，并且移動也是這些應(yīng)用的基本特性。在節(jié)點移動的動態(tài)環(huán)境中，維持可靠鏈路，防止數(shù)據(jù)包丟失存在較大挑戰(zhàn)。由于節(jié)點的能量有限，物聯(lián)網(wǎng)中的路由必須考慮節(jié)點能效問題。

作為低功耗易損網(wǎng)絡(luò)(low power and lossy network,LPN)，面向物聯(lián)網(wǎng)的路由得到廣泛研究。文獻(xiàn)[2]基于LPN提出了IPV6路由(RPL)。RPL利用四類控制消息構(gòu)建并維持拓?fù)鋱D，但該路由并不適合于P2P數(shù)據(jù)流的傳輸。文獻(xiàn)[3]基于LPN提出先應(yīng)式的點到點路由協(xié)議(reactive discovery of point-to-point,P2P-RPL),但協(xié)議的能耗較高，并沒有考慮到節(jié)點的移動問題。文獻(xiàn)[4]提出考慮移動增強(qiáng)的RPL協(xié)議(mobility enhanced RPL,ME-RPL),在考慮節(jié)點移動問題的同時，優(yōu)先選擇靜態(tài)節(jié)點非移動節(jié)點作為父節(jié)點，進(jìn)而構(gòu)建穩(wěn)定鏈路，但其沒有考慮節(jié)點能耗問題。文獻(xiàn)[5]提出能量有效路由ER-RPL，其提供了可靠、最優(yōu)P2P路由。ER-RPL路由建立了目標(biāo)的導(dǎo)向的有向無環(huán)圖(destination oriented directed acyclic graph,DODAG)，維持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，進(jìn)而優(yōu)化多點對一點(multipoint-to-point)通信，但并不支持移動環(huán)境。

本文以ER-RPL協(xié)議為基礎(chǔ)，對ER-RPL協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，并提出基于移動感知的能效路由(mobility aware energy efficient routing,MAEER)。MAEER路由提高了能量效率，并改進(jìn)路由機(jī)制，進(jìn)而支持移動環(huán)境。本文的主要工作可歸納兩點：1)最小化移動影響：針對目標(biāo)導(dǎo)向的有向無環(huán)圖(destination oriented directed acyclic graph,DODAG)，MAEER路由在信息目標(biāo)(DODAG information object,DIO)消息和消息請求目標(biāo)(message request object,MRO)消息中添加了移動標(biāo)志。這些標(biāo)志使節(jié)點能感知到鄰居節(jié)點的移動狀態(tài)。2)維持移動設(shè)備至網(wǎng)絡(luò)的連接：利用動態(tài)的DODAG 信息收集(DODAG information solicitation,DIS)和DIO 傳播管理維持節(jié)點的連接。仿真實驗數(shù)據(jù)表明，提出的MAEER路由有效地降低能耗，并提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

1 ER-RPL路由概述

ER-RPL協(xié)議是面向靜態(tài)節(jié)點而提出的路由，其將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為區(qū)，如圖1所示。并利用區(qū)信息發(fā)現(xiàn)P2P路由。它利用RPL的控制消息和Trickle定時器[6]維持DODAG。

圖1 區(qū)劃分示意

為了收集區(qū)信息和發(fā)現(xiàn)P 2P路由，ER-RPL路由引用控制信息：區(qū)形成目標(biāo)(region formation object,RFO)和消息請求目標(biāo)(message request object,MRO)。

同時，ER-RPL路由考慮兩類節(jié)點：參考節(jié)點(reference nodes,RN)和普通節(jié)點(normal nodes)。RNs知曉它們的位置，同時，RNs通過發(fā)送RFO消息將網(wǎng)絡(luò)劃分不同區(qū)。利用這些信息，節(jié)點就計算離RNs的邏輯距離，并引用分布式自區(qū)算法[5]決定自己的區(qū)。每個區(qū)由區(qū)編碼(region code,RC)識別，將RC矩陣稱為RC矩陣(RCM)。

對于P 2P路由請求，ER-RPL協(xié)議先確認(rèn)現(xiàn)存的RPL路由的成本。如果路由成本在應(yīng)用限制內(nèi)，就啟動P 2P路由發(fā)現(xiàn)。依據(jù)源節(jié)點和目的節(jié)點區(qū)域信息，僅選擇一些區(qū)參數(shù)路由發(fā)現(xiàn)。通過這種方式，構(gòu)建臨時DODAG。源節(jié)點建立離目的節(jié)點路由，依據(jù)此路由傳輸數(shù)據(jù)。

為了使ER-PRL路由能夠應(yīng)用于移動場景，需對ER-RPL路由進(jìn)行擴(kuò)展。

2 MAEER路由

MAEER路由基于ER-RPL進(jìn)行擴(kuò)展，通過增加一些機(jī)制使ER-RPL路由能適應(yīng)于移動環(huán)境，并發(fā)現(xiàn)鄰近最優(yōu)的P2P路由，同時降低能量消耗。MAEER路由的框架如圖2所示。

圖2 MAEER協(xié)議框架

MAEER協(xié)議的坐標(biāo)計算、歐氏距離計算、自區(qū)算法的工作類似于ER-RPL協(xié)議。最初，RNs在協(xié)調(diào)計算階段發(fā)送RFOs，再通過歐氏距離計算將節(jié)點劃分不同區(qū)域。然后，每個節(jié)點利用分布式自區(qū)算法[5]計算自己區(qū)。

為了支持MAEER協(xié)議的移性能，MAEER協(xié)議增添了動態(tài)DIS管理、DIO管理和區(qū)域決策階段和DODAG更新。

2.1 系統(tǒng)模型

假定n個節(jié)點密集在分布于m2區(qū)域。移動節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)小于靜態(tài)節(jié)點數(shù)。令TR為節(jié)點的傳輸半徑，且TR?m。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有N個RNs，且N?n。節(jié)點分布密度為ρ。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，除RNs外的其他節(jié)點不知道節(jié)點位置信息。

2.2 動態(tài)DIS管理

MAEER利用RPL維持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個移動節(jié)點通過與其他節(jié)點的通信，連通網(wǎng)絡(luò)。在RPL協(xié)議中，當(dāng)移動節(jié)點移動至新的位置時，由于父節(jié)點的不一致，能夠檢測節(jié)點的移動性。因此，移動節(jié)點就重啟DIO定時器，一旦定時器結(jié)束，移動節(jié)點就傳輸DIO消息。

節(jié)點通過發(fā)送DIS消息收集信息。MAEER協(xié)議依據(jù)節(jié)點是否發(fā)生移動動態(tài)調(diào)整DIS消息發(fā)送率。兩個連續(xù)的DIS傳輸時期的間隔稱為DIS時期。具體而言，若節(jié)點移動，就對DIS時期減半，即增加DIS消息的傳輸時期;反之，若節(jié)點未移動時，則擴(kuò)展DIS時期，隨即又降低DIS傳輸率。以此動態(tài)地調(diào)整DIS傳輸率。

2.3 DIO消息的擴(kuò)展

為了降低能量消耗，應(yīng)盡可能地選擇靜態(tài)節(jié)點而不是移動節(jié)點構(gòu)建鏈路，進(jìn)而提高鏈路穩(wěn)定性。為此，對DIO控制消息進(jìn)行擴(kuò)展，增添了2個字段：移動標(biāo)志和區(qū)域編碼，如圖3所示[5]。

圖3 DIO消息格式

通過添加這兩個字段，所有節(jié)點能夠感知其鄰居節(jié)點移動狀態(tài)和區(qū)編碼信息。利用鄰居節(jié)點的移動標(biāo)志，節(jié)點即可從多個節(jié)點中選擇一個靜態(tài)節(jié)點作為父節(jié)點。而DIO消息內(nèi)的RC信息允許協(xié)議充分利用了節(jié)點的區(qū)信息。通過設(shè)置這兩個字段，MAEER協(xié)議能夠依據(jù)移動節(jié)點位置動態(tài)地調(diào)整，進(jìn)而降低能耗。

2.4 動態(tài)DIS和DIO管理

在ER-RPL協(xié)議中，目標(biāo)節(jié)點作為P2P路徑發(fā)現(xiàn)的根節(jié)點。根節(jié)點沒有父節(jié)點，但有孩子節(jié)點。一旦根節(jié)點移動，就具有新的節(jié)點成為孩子節(jié)點。因此，可依據(jù)DIS時期內(nèi)的新孩子數(shù)判斷節(jié)點的移動性[6]。如果新增加的孩子節(jié)點數(shù)超過預(yù)定的最小新增加孩子的門限值時，就增加DIS傳輸和DIO傳輸率，具體過程如算法1所示。

圖4 算法1的偽代碼

具體而言，用child_added表示新增的孩子數(shù)。用Min_child_added表示child_added的最小值(門限值)。同時，引用布爾變量new_child_added。若節(jié)點的new_child_added=1，則說明該節(jié)點成為移動節(jié)點的新孩子節(jié)點。此時，child_added就需加1。Min_DIS_I和Max_DIS_I分別表示DIS時期的最小值和最大值。而Min_DIO_I和Max_DIO_I分別表示最小DIO時期和最大DIO時期。

2.5 DODAG更新

通過更新DODAG，使得要根節(jié)點能夠為每一對通信實體選擇最優(yōu)的路由[7,8]，這與P2P-RPL協(xié)議和ER-RPL協(xié)議類似。然而，P2P-RPL協(xié)議和ER-RPL協(xié)議是利用期望傳輸次數(shù)(expected transmission count,ETX)選擇節(jié)點作為它的父節(jié)點，這存在不足。當(dāng)節(jié)點移動，已不在孩子的通信范圍內(nèi)時，路徑就無效。

為此，必須考慮節(jié)點是否移動。MAEER路由協(xié)議對RFO消息進(jìn)行擴(kuò)展，在RFO內(nèi)添設(shè)了移動標(biāo)志[9]，如圖5所示。MAEER路由是先是選擇靜態(tài)節(jié)點，然后再在靜態(tài)節(jié)點中選擇具有最小ETX的節(jié)點作為父節(jié)點，通過這種方式，降低因節(jié)點移動而導(dǎo)致的路由斷裂問題。

圖5 RFO格式的擴(kuò)展

3 數(shù)值仿真

3.1 仿真環(huán)境

為了更好地分析MAEER性能，選用Tmote Sky物聯(lián)網(wǎng)平臺。假定100個節(jié)點隨機(jī)分布于180 m×180 m區(qū)域。同時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有4個RNs。對于90s的流量，隨機(jī)選擇節(jié)點作為源節(jié)點和目的節(jié)點。實驗中，10～40個P2P流量進(jìn)行分析。節(jié)點傳輸半徑為35 m，數(shù)據(jù)包尺寸為512字節(jié)，整個仿真時間為100 s。

同時，選RPL、P2P-RPL和ME-RPL協(xié)議作為參照，并分析數(shù)據(jù)包傳遞率(packet delivery ratio,PDR)、每成功傳輸一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量(energy consumption per data packet successfully delivered,ECPD)和平均跳數(shù)(average hop count,AHC)的性能。

3.2 數(shù)據(jù)分析

首先分析P2P流量數(shù)對ECPD的性能影響，仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 ECPD隨P2P流量數(shù)的變化曲線

從圖6可知，提出的MAEER協(xié)議的ECPD最低。例如在P2P流量數(shù)為10，25和40時，MAEER協(xié)議比P2P-RPL協(xié)議的ECPD分別下降了近22 %，24 %和10 %。原因在于：P2P-RPL協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個節(jié)點參與P2P路由，這就使得在整個仿真時間內(nèi)，節(jié)點均在消耗能量。而提出的MAEER協(xié)議在進(jìn)行P2P路由發(fā)現(xiàn)時，只影響已選擇區(qū)的能量消耗，而未選擇區(qū)中的節(jié)點能量就得到了保護(hù)。

圖7 數(shù)據(jù)包傳遞率

分析各協(xié)議的PDR性能，如圖7所示。從圖7可知，提出的MAEER協(xié)議的PDR最高。與P2P-RPL協(xié)議相比，MAEER協(xié)議的PDR在P2P流量數(shù)為10,25和40時，分別提高了近5 %,15 %和13.6 %。是由于當(dāng)節(jié)點一旦檢測到不一致時，MAEER協(xié)議就更新路由。而RPL和ME-RPL協(xié)議需要通過根節(jié)點更新路由，這必然造成擁塞和數(shù)據(jù)包丟失。

分析平均跳數(shù)AHC隨P2P流量數(shù)的變化情況如圖8所示。

圖8 平均跳數(shù)隨P2P流量的變化曲線

從圖8可知，提出的MAEER協(xié)議與P2P-RPL協(xié)議的平均跳數(shù)相近，并且優(yōu)于RPL和ME-RPL協(xié)議。原因在于：MAEER協(xié)議與P2P-RPL協(xié)議在構(gòu)建更新DODAG方式相似。

4 結(jié) 論

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸問題，展開了分析。先討論了ER-RPL協(xié)議的不足，隨后提出改進(jìn)路由MAEER路由。MAEER路由考慮了節(jié)點的移動問題，并引用移動標(biāo)志。并且在選擇路由時，先考慮節(jié)點的移動性，然后選擇具有最低ETX的節(jié)點作為父節(jié)點。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的MAEER路由有效地降低能效，并提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。