秦 峰，曾 浩，2，林開東

1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065

2.重慶郵電大學(xué) 電工理論與新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065

1 引言

低功耗有損網(wǎng)絡(luò)（Low-power and Lossy Networks，LLN）[1-2]被認(rèn)為是一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在物聯(lián)網(wǎng)[3-4]等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。LLN 通常由大量的嵌入式設(shè)備組成，然而組成LLN 的這些嵌入式設(shè)備往往受到一定的限制，譬如能量供應(yīng)不足，存儲(chǔ)空間較小和處理能力較弱。因此，鑒于LLN 的廣泛應(yīng)用前景和其特有的性質(zhì)，設(shè)計(jì)出一種適用于LLN 的路由協(xié)議顯得尤為重要。

2008 年，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)任務(wù)工程組制定了一種基于IPv6 的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（Routing Protocol for Low-power and Lossy network，RPL）[5]。RPL是一種基于距離矢量的先驗(yàn)式路由協(xié)議，由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起并逐級(jí)完成整個(gè)面向目的地的有向無環(huán)圖（Destination Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG）的構(gòu)建。此外，DODAG中的每個(gè)嵌入式設(shè)備均需要定期廣播DODAG 信息對(duì)象消息（DODAG Information Object，DIO），該消息主要用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且該消息的發(fā)送周期間隔由溪流計(jì)時(shí)器[6]控制。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)RPL 已展開了大量研究工作。文獻(xiàn)[7]在構(gòu)建DODAG時(shí)將傳輸跳數(shù)作為路由度量，能夠在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，但忽略了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。文獻(xiàn)[8]在構(gòu)建DODAG 時(shí)將期望傳輸次數(shù)作為路由度量，能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂幸欢ㄌ嵘?，卻忽略了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。尤其是在高負(fù)載場(chǎng)景下，依據(jù)文獻(xiàn)[7]和[8]中的路由度量所構(gòu)建的DODAG均無法較好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各方面的性能造成嚴(yán)重的影響。

為了減少在構(gòu)建DODAG 時(shí)僅考慮節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的期望傳輸次數(shù)所產(chǎn)生的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，文獻(xiàn)[9]在構(gòu)建DODAG 的過程中考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)至根節(jié)點(diǎn)整條傳輸路徑上的期望傳輸次數(shù)，在一定程度上能夠減少能量瓶頸節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)量，但效果不是很顯著。文獻(xiàn)[10]在構(gòu)建DODAG 的過程中，綜合考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)至根節(jié)點(diǎn)整條路徑上的期望傳輸次數(shù)和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的概率，即根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)至根節(jié)點(diǎn)整條路徑的數(shù)據(jù)傳輸代價(jià)進(jìn)行最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的選擇。此種方式雖然能夠在整體上降低數(shù)據(jù)的傳輸代價(jià)，卻未考慮負(fù)載不均衡對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能所產(chǎn)生的負(fù)面影響。文獻(xiàn)[11]在單路徑RPL協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種多路徑RPL協(xié)議。該協(xié)議為了降低網(wǎng)絡(luò)中能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗速率，節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)每條路徑中能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的期望壽命進(jìn)行數(shù)據(jù)流量的分配，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分流傳輸。該協(xié)議能夠在一定程度對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體壽命進(jìn)行延長(zhǎng)，但忽略了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。文獻(xiàn)[12]在構(gòu)建DODAG的過程中綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的期望傳輸次數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下，能夠避免剩余能量不足的節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，文獻(xiàn)[13-14]均通過周期性廣播的DIO 控制消息將網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)一步對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行處理。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，DIO 控制消息的發(fā)送周期間隔相對(duì)較大，故通過周期性廣播的DIO控制消息無法快速地將節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，從而影響當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的處理。文獻(xiàn)[15]針對(duì)文獻(xiàn)[13-14]中存在的問題，通過對(duì)溪流計(jì)時(shí)器的重置便可快速的將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。然而，多次的將溪流計(jì)時(shí)器重置將會(huì)增加大量不必要的控制開銷，且對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2 網(wǎng)絡(luò)模型和問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1 所示為HSLB-RPL 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蛨D。其中，sink 節(jié)點(diǎn)也被稱之為根節(jié)點(diǎn)，主要用于對(duì)下游節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量進(jìn)行匯聚；R1～R8為中繼節(jié)點(diǎn)，主要用于轉(zhuǎn)發(fā)所有葉子節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量；S1～S7為葉子節(jié)點(diǎn)，主要用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量，并向上游節(jié)點(diǎn)傳輸所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量。

圖1 HSLB-RPL協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模型

關(guān)于HSLB-RPL協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型有如下假設(shè)：

（1）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的物理構(gòu)造、屬性和性質(zhì)均相同，其中根節(jié)點(diǎn)除外。

（2）為了盡可能保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均工作于靜態(tài)模式下。

（3）雖然節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間受限，但網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有足夠的隊(duì)列空間對(duì)路由表項(xiàng)進(jìn)行緩存。

（4）網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可作為消息的發(fā)布者，也可作為消息的接收者。

2.2 問題描述

通過深入研究發(fā)現(xiàn)，在高負(fù)載場(chǎng)景下已有RPL協(xié)議存在以下幾個(gè)問題：

（1）在DODAG 的構(gòu)建過程中，節(jié)點(diǎn)在選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)通常僅考慮與其備選父節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，而未考慮其備選父節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)的上一跳節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，使得擁有期望傳輸次數(shù)較大的父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)被其鄰居節(jié)點(diǎn)選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的概率增大，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)所選擇的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)并非最優(yōu)。

（2）當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)的負(fù)載較重時(shí)，并未對(duì)此類節(jié)點(diǎn)的DIO 控制消息的廣播周期間隔進(jìn)行一定調(diào)整，從而導(dǎo)致此類節(jié)點(diǎn)的負(fù)載極有可能持續(xù)加重，且加快了此類節(jié)點(diǎn)的能耗速率，并對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成了一定的影響。

（3）在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，利用周期性廣播的DIO控制消息無法及時(shí)的將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其鄰居節(jié)點(diǎn)。此外，重置溪流計(jì)時(shí)器雖然能夠盡快的將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其鄰居節(jié)點(diǎn)，但會(huì)增加大量不必要的控制開銷，且對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸也會(huì)造成一定的影響。

為了解決上述問題，本文提出了一種高負(fù)載場(chǎng)景下基于負(fù)載均衡的LLN 路由協(xié)議（HSLB-RPL）。該協(xié)議包含3 種改進(jìn)策略：（1）最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選擇策略。為了避免擁有期望傳輸次數(shù)較大的父節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)被其鄰居節(jié)點(diǎn)選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，綜合考慮當(dāng)前備選節(jié)點(diǎn)和其父節(jié)點(diǎn)的期望傳輸次數(shù)。（2）溪流計(jì)時(shí)器調(diào)整策略。當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重時(shí)，為了降低其被鄰居節(jié)點(diǎn)選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的概率，對(duì)其DIO控制消息的發(fā)送時(shí)間間隔進(jìn)行一定調(diào)整。（3）網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告策略。當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，設(shè)計(jì)一種網(wǎng)絡(luò)擁塞通告消息（NCN），及時(shí)將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其鄰居節(jié)點(diǎn)。

3 HSLB-RPL協(xié)議

3.1 最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選擇策略

在DODAG 構(gòu)建過程中，節(jié)點(diǎn)在選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常會(huì)依據(jù)不同的路由度量對(duì)最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確定，譬如傳輸跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)剩余能量、期望傳輸次數(shù)和節(jié)點(diǎn)緩存占用率等。其中，傳輸跳數(shù)能夠大致反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性；期望傳輸次數(shù)能夠大致反映數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為了兼顧?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，本文將結(jié)合傳輸跳數(shù)和期望傳輸次數(shù)兩種路由度量。

此外，最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選擇策略的核心之處在于，節(jié)點(diǎn)在選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)，不僅需要考慮與當(dāng)前一跳范圍內(nèi)的備選父節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，而且還需要考慮其備選父節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)上一跳節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，降低期望傳輸次數(shù)較高的備選父節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的概率，從而達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的。以節(jié)點(diǎn)k 為例，其當(dāng)前擁有兩個(gè)備選父節(jié)點(diǎn)m 和n ，那么，節(jié)點(diǎn)k 在選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)的具體實(shí)施步驟如下：

步驟1 節(jié)點(diǎn)k 的備選父節(jié)點(diǎn)m 和n 分別計(jì)算各自的期望傳輸次數(shù)。期望傳輸次數(shù)為節(jié)點(diǎn)間無線鏈路質(zhì)量的倒數(shù)，表示節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)其父節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)钠骄螖?shù)，其計(jì)算如公式（1）所示：

步驟2 節(jié)點(diǎn)m 和n 分別將各自的期望傳輸次數(shù)與各自的傳輸跳數(shù)進(jìn)行匯聚處理[15]，并通過周期性廣播的DIO控制消息中的RANK字段攜帶匯聚處理后的結(jié)果，并將匯聚后的結(jié)果通告給節(jié)點(diǎn)k。期望傳輸次數(shù)與傳輸跳數(shù)匯聚處理如公式（3）所示：

步驟3 節(jié)點(diǎn)k 接收到節(jié)點(diǎn)m 和n 廣播的DIO控制消息后，分別解析出節(jié)點(diǎn)m 和n 的傳輸跳數(shù)和期望傳輸次數(shù)。期望傳輸次數(shù)與傳輸跳數(shù)解析處理如公式（3）和公式（4）所示：

步驟4 節(jié)點(diǎn)k 解析出節(jié)點(diǎn)m 和n 的期望傳輸次數(shù)后，判斷是否需要對(duì)與節(jié)點(diǎn)m 和n 之間的期望傳輸次數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整如公式（5）所示：

步驟5 節(jié)點(diǎn)k 分別計(jì)算與節(jié)點(diǎn)m 和n 之間的路由度量值，并選擇路由度量值較小的節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。路由度量值的計(jì)算如公式（6）所示：

3.2 溪流計(jì)時(shí)器調(diào)整策略

在RPL協(xié)議中，DIO控制消息的發(fā)送間隔由溪流計(jì)時(shí)器控制，可通過調(diào)整溪流計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)對(duì)DIO控制消息進(jìn)行周期性的發(fā)送。當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不一致（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化）時(shí)，溪流計(jì)時(shí)器通常會(huì)被重置，從而使得節(jié)點(diǎn)更快的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定時(shí)，DIO 控制消息的發(fā)送時(shí)間間隔將會(huì)逐漸增大，從而避免不必要的控制開銷。因此，為了降低負(fù)載較重節(jié)點(diǎn)被其鄰居節(jié)點(diǎn)選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的概率，對(duì)溪流計(jì)時(shí)器發(fā)送DIO控制消息的策略進(jìn)行一定改進(jìn)，即根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)適當(dāng)延長(zhǎng)DIO 控制消息的發(fā)送間隔。溪流計(jì)時(shí)器調(diào)整策略實(shí)施具體流程，如圖2所示。

圖2 溪流計(jì)時(shí)器調(diào)整策略

溪流計(jì)時(shí)器中用到的主要參數(shù)如下：

（1）Imin：發(fā)送DIO控制消息的最小時(shí)間間隔長(zhǎng)度。

（2）Imax：發(fā)送DIO控制消息的最大時(shí)間間隔長(zhǎng)度。

（3）k：冗余常量。

（4）I ：當(dāng)前DIO控制消息發(fā)送的時(shí)間間隔長(zhǎng)度。

（5）t：時(shí)間值，介于[I/2,I]之間。

（6）c：冗余計(jì)數(shù)器。

那么，溪流計(jì)時(shí)器調(diào)整策略的具體實(shí)施步驟如下：

步驟1 網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，將I 設(shè)置為介于[Imin,Imax]之間的任意一個(gè)值，并開始第一個(gè)時(shí)隙。

步驟2 將冗余計(jì)數(shù)器c 的值初始化為0，t 設(shè)置為介于[I/2,I]之間的任意一個(gè)值，該時(shí)隙終止于I 處。

步驟3 Trickle定時(shí)器每接收到一個(gè)“一致性”傳輸，則將冗余計(jì)數(shù)器c 的值自增1。

步驟4 在時(shí)刻t 時(shí)，Trickle定時(shí)器檢查冗余計(jì)數(shù)器c 的值是否小于冗余常量k。如果c ＜k，再判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列利用率是否超過預(yù)設(shè)的閾值，所預(yù)設(shè)的閾值大小為0.6。如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列利用率超過預(yù)設(shè)的閾值，Trickle 定時(shí)器將會(huì)延長(zhǎng)DIO 控制消息的發(fā)送間隔，則將其發(fā)送間隔增大1 倍；反之，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播DIO 控制消息。如果c ＞k ，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)被禁止向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播DIO控制消息。

步驟5 當(dāng)時(shí)隙I 結(jié)束后，將I 的值增大到原來的兩倍，并重復(fù)步驟2。如果加倍后的I 大于Imax，則將I 的取值設(shè)置為Imax。

步驟6 一旦接收到“不一致”傳輸時(shí)，Trickle定時(shí)器立刻被重置，即將c 的值重新歸位于0，并將時(shí)間間隔I設(shè)置為Imin并重復(fù)步驟3，直至網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間結(jié)束。

3.3 網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告策略

通常，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)時(shí)，需要網(wǎng)絡(luò)擁塞節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)，以便其子節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行一定處理，譬如對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)的傳輸路徑進(jìn)行更換或是調(diào)整當(dāng)前數(shù)據(jù)包的傳輸速率。在RPL協(xié)議中，通用方式是利用周期性廣播的DIO控制消息攜帶節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，并將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)。然而，此種方式并不能及時(shí)的將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)；此外，通過重置溪流計(jì)時(shí)器雖然能夠快速地對(duì)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)進(jìn)行通告，但是，此操作會(huì)導(dǎo)致DIO控制消息的發(fā)送間隔變小，從而增加了大量不必要的控制開銷，且會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成一定的影響。

為了盡量減少不必要的控制開銷，并且能夠及時(shí)地將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的網(wǎng)絡(luò)擁塞通告控制消息（NCN）。NCN控制消息的幀格式與DIO控制消息的幀格式區(qū)別不大，除了消息的類型不同之外，在NCN 控制消息中新增了網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)（NC）字段。為了避免增加NCN 控制消息的大小，利用其保留字段中的1 bit 設(shè)置為NC 字段。當(dāng)該字段的值為1 時(shí)，表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)；反之，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于正常狀態(tài)。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)其當(dāng)前處于網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)時(shí)，無需對(duì)溪流計(jì)時(shí)器進(jìn)行重置，僅需向其子節(jié)點(diǎn)組播NCN 控制消息便可及時(shí)地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告的目的。

4 性能評(píng)估

為了驗(yàn)證HSLB-RPL協(xié)議的性能，本文采用Contiki 2.7操作系統(tǒng)中的Cooja 仿真器對(duì)文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[10]所提協(xié)議以及本文所提協(xié)議進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)它們以下三種性能指標(biāo)分別進(jìn)行對(duì)比和分析。

（1）網(wǎng)絡(luò)平均壽命：以網(wǎng)絡(luò)中最先死亡的節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)平均壽命，其中死亡節(jié)點(diǎn)是指當(dāng)前剩余能量?jī)H為初始能量的1%的節(jié)點(diǎn)。

（2）根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量：根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量表示為在單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量，是衡量LLN網(wǎng)絡(luò)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

（3）歸一化控制開銷：歸一化控制開銷是指在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目刂葡⒈忍財(cái)?shù)與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目刂葡⒈忍財(cái)?shù)和根節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包比特?cái)?shù)的比值。

4.1 仿真環(huán)境

在200 m×200 m 的仿真區(qū)域構(gòu)建節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 且節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的LLN 網(wǎng)絡(luò)，其中根節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為1，普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為20。此外，根節(jié)點(diǎn)的初始能量不受限制，而普通節(jié)點(diǎn)的初始能量將會(huì)受到一定限制。本文所提協(xié)議與其他兩種對(duì)比協(xié)議采用相同的網(wǎng)絡(luò)模型，且為了網(wǎng)絡(luò)模型的穩(wěn)定性，其中所有節(jié)點(diǎn)均工作于靜態(tài)模式。模擬仿真過程中用到的主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 性能分析

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)平均壽命

如圖3表明，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸速率增加，HSLBRPL 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均壽命均比文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]協(xié)議高，且至少提升了23.57%。分析其原因主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：（1）HSLB-RPL 協(xié)議中，在構(gòu)建DODAG 時(shí)，綜合考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)以及其備選父節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)上一跳節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，能夠避免期望傳輸次數(shù)較大的備選父節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，從而降低了節(jié)點(diǎn)因數(shù)據(jù)包重傳所耗費(fèi)的能量。（2）在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重時(shí)，對(duì)其DIO控制消息的發(fā)送時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)整，能夠降低此類重負(fù)載節(jié)點(diǎn)被其鄰居節(jié)點(diǎn)選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的概率，從而避免了此類重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的能耗速率持續(xù)增加。（3）當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)擁塞通告消息（NCN），能夠避免重置溪流計(jì)時(shí)器所產(chǎn)生大量不必要控制開銷，同時(shí)還能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)及時(shí)地通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)，從而加快了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的緩解，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞節(jié)點(diǎn)的能耗。

圖3 網(wǎng)絡(luò)平均壽命比較

4.2.2 根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量

從圖4 中發(fā)現(xiàn)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸速率的增加，HSLB-RPL 協(xié)議的根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量均比文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]協(xié)議高，且至少提升了14.52%。通過分析發(fā)現(xiàn)其主要原因在于：HSLB-RPL 協(xié)議中，在構(gòu)建DODAG 時(shí)，綜合考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)以及其備選父節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)上一跳節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，能夠避免期望傳輸次數(shù)較大的備選父節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，從而有效地降低了數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)；當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)擁塞通告消息（NCN），能夠避免重置溪流計(jì)時(shí)器產(chǎn)生大量不必要控制消息，同時(shí)能夠及時(shí)地將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)，從而有效地避免了重置溪流計(jì)時(shí)器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

圖4 根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量比較

4.2.3 歸一化控制開銷

如圖5顯示，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸速率的增加，HSLBRPL 協(xié)議的歸一化控制開銷均比文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]協(xié)議低，且至少降低了12.87%。分析其原因主要有以下兩點(diǎn)：（1）HSLB-RPL協(xié)議中，在構(gòu)建DODAG時(shí)，綜合考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)以及其備選父節(jié)點(diǎn)與其備選父節(jié)點(diǎn)上一跳節(jié)點(diǎn)之間的期望傳輸次數(shù)，能夠避免期望傳輸次數(shù)較大的備選父節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，從而有效地降低了數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)。（2）HSLB-RPL協(xié)議中，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)擁塞通告消息（NCN），能夠避免重置溪流計(jì)時(shí)器所產(chǎn)生大量不必要控制消息，同時(shí)還能夠及時(shí)地將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)，從而有效地降低了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告的控制開銷，并減少了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的占用。

圖4 歸一化控制開銷比較

5 結(jié)論

本文提出了一種高負(fù)載場(chǎng)景下基于負(fù)載均衡的LLN路由協(xié)議（HSLB-RPL）。HSLB-RPL協(xié)議包含三種策略：（1）最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)選擇策略，在組網(wǎng)的過程中，聯(lián)合節(jié)點(diǎn)傳輸跳數(shù)和期望傳輸次數(shù)兩種路由度量；（2）溪流計(jì)時(shí)器調(diào)整策略，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對(duì)重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的DIO 控制消息的發(fā)送周期進(jìn)行一定調(diào)整；（3）網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)通告策略，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，通過NCN控制消息及時(shí)地將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)進(jìn)行通告。仿真結(jié)果表明，HSLB-RPL協(xié)議能夠有效地改善網(wǎng)絡(luò)各方面的性能。在今后的工作中，基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的負(fù)載均衡將是研究的重點(diǎn)。