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        多匯聚LLN中基于雙向父節(jié)點(diǎn)選擇的 高效RPL路由協(xié)議

        2022-06-23 11:00:02王朝碩朱克蘭姚玉坤趙子軍
        關(guān)鍵詞:字段實(shí)例路由

        王朝碩,朱克蘭,姚玉坤,趙子軍

        (1.中國(guó)南方電網(wǎng)高壓輸電公司 信息通信運(yùn)維中心,廣東 廣州 510000;2.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

        0 引 言

        低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(low power and lossy network,LLN)[1,2]是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSN)[3,4]的一類(lèi)分支,目前被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于智能電網(wǎng)[5]、智能建筑[6]、智能家居[7]和環(huán)境監(jiān)測(cè)[8]等領(lǐng)域,RPL路由協(xié)議(routing protocol for LLN,RPL)[9]作為專(zhuān)為L(zhǎng)LN制定的路由協(xié)議也受到了關(guān)注。當(dāng)前,RPL路由協(xié)議的研究熱點(diǎn)為基于單sink的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡[10-12],但相關(guān)研究表明基于多sink的LLN與基于單sink的LLN相比具有較大的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[13,14]通過(guò)對(duì)比分析證明了隨著sink節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。然而當(dāng)前基于多sink節(jié)點(diǎn)的RPL路由協(xié)議中的研究中仍存在一定的問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]提出通過(guò)多重身份節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量在多個(gè)面向目的地的有向無(wú)循環(huán)圖(destination-oriented directed acyclic graph,DODAG)之間的自適應(yīng)分配,從而均衡多個(gè)DODAG的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,但該協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提升不算明顯。文獻(xiàn)[16]提出一種基于備用sink節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化RPL協(xié)議,為節(jié)點(diǎn)定義了一種壓力指數(shù)參數(shù),當(dāng)壓力指數(shù)超過(guò)閾值,節(jié)點(diǎn)將主動(dòng)發(fā)起父節(jié)點(diǎn)切換過(guò)程,將父節(jié)點(diǎn)切換到備用sink,直至檢測(cè)到壓力指數(shù)低于閾值。但備用節(jié)點(diǎn)僅在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時(shí)啟用,浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[17]提出一種基于協(xié)調(diào)框架的RPL路由協(xié)議,依據(jù)數(shù)據(jù)包的投遞率調(diào)整子節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)目,實(shí)現(xiàn)了以sink為中心的多個(gè)子樹(shù)間的負(fù)載均衡,但該協(xié)議不能有效避免DODAG內(nèi)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。

        針對(duì)上述現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題,本文提出一種多匯聚LLN中基于雙向父節(jié)點(diǎn)選擇的高效RPL路由協(xié)議——BPSM-ERPL(efficient RPL in LLNs based on bidirectional parent selection in multiple sinks)加以解決。

        1 網(wǎng)絡(luò)模型及問(wèn)題描述

        1.1 RPL路由協(xié)議

        RPL路由協(xié)議組網(wǎng)的消息交互如圖1所示。首先,sink節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)DODAG信息對(duì)象消息(DODAG information object,DIO)發(fā)起組網(wǎng)過(guò)程;sink通信范圍內(nèi)的待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到DIO消息后,將sink的信息添加到自己的父節(jié)點(diǎn)列表,并用單播方式向sink回復(fù)一個(gè)包含自身信息的目的地通告對(duì)象消息(destination advertisement object,DAO);sink節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)接收到的DAO消息均用單播方式回復(fù)一個(gè)目的地通告對(duì)象確認(rèn)消息(destination advertisement object acknowledgement,DAO -ACK);待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到DAO -ACK消息后記錄相關(guān)信息,至此一個(gè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)過(guò)程完成。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后用廣播一個(gè)包含自身信息的DIO消息。

        圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

        1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

        網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示,圖中S1與S2為sink節(jié)點(diǎn),分屬不同的RPL實(shí)例。為便于表述,給出如下假設(shè)和定義:

        (1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均有路由功能,即節(jié)點(diǎn)可以收發(fā)消息,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為兩種,普通路由節(jié)點(diǎn)以及邊界路由節(jié)點(diǎn):①普通路由節(jié)點(diǎn):普通節(jié)點(diǎn)僅能接收到一個(gè)RPL實(shí)例的DIO廣播消息,也僅能加入一個(gè)DODAG,例如節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2以及節(jié)點(diǎn)10;②邊界路由節(jié)點(diǎn):邊界路由節(jié)點(diǎn)能夠接收到多個(gè)RPL實(shí)例的DIO廣播消息,故其可以加入多個(gè)DODAG,例如節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6以及節(jié)點(diǎn)7。

        (2)主父節(jié)點(diǎn)指路由節(jié)點(diǎn)依據(jù)目標(biāo)函數(shù)從備選父節(jié)點(diǎn)集中選擇的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn),次父節(jié)點(diǎn)指路由節(jié)點(diǎn)依據(jù)目標(biāo)函數(shù)從備選父節(jié)點(diǎn)選擇的次優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。

        (3)網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)均不具備移動(dòng)性,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)除sink節(jié)點(diǎn)外均需要考慮路由節(jié)點(diǎn)處的能耗及數(shù)據(jù)處理能力。

        1.3 問(wèn)題描述

        經(jīng)過(guò)研究分析當(dāng)前基于RPL路由協(xié)議的相關(guān)技術(shù),發(fā)現(xiàn)仍存在以下問(wèn)題:

        (1)待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)唯一決定父節(jié)點(diǎn)選擇:在最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的選擇中,待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的DIO消息從備選父節(jié)點(diǎn)集中選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn),并向選擇的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)DAO消息,接收到DAO消息的節(jié)點(diǎn),不論當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài),都必須建立與子節(jié)點(diǎn)的連接。同時(shí),向上繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自子節(jié)點(diǎn)的DAO消息。在極端情況下,若此時(shí)最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)由于已連接的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多,子節(jié)點(diǎn)均向最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)處發(fā)送大量數(shù)據(jù),導(dǎo)致最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)較重,然而受數(shù)據(jù)處理能力的限制,最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)無(wú)法處理如此高的數(shù)據(jù)流量進(jìn)而造成隊(duì)列占用率急劇增加,最終導(dǎo)致最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)處遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞,影響網(wǎng)絡(luò)正常數(shù)據(jù)傳輸。RPL路由協(xié)議針對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的問(wèn)題提出切換最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的策略,但該策略勢(shì)必導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)傳輸丟包率上升等問(wèn)題。

        (2)雷鳴效應(yīng):雷鳴效應(yīng)指的是大量的待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)建立與網(wǎng)絡(luò)性能較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)的連接,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處連接大量子節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。

        如圖3的雷鳴效應(yīng)所示,以隊(duì)列利用率為路由度量,除sink外的所有節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1-11)按照?qǐng)D1所示的控制消息交互流程開(kāi)展入網(wǎng)操作:如果節(jié)點(diǎn)能夠收到父節(jié)點(diǎn)廣播的DIO消息,則直接與sink節(jié)點(diǎn)交互完成入網(wǎng);如果不能收到,則通過(guò)廣播DODAG信息請(qǐng)求(DODAG information solicitation,DIS)消息的方式與已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系然后完成入網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)1及節(jié)點(diǎn)3先入網(wǎng),其隊(duì)列利用率分別為0.3和0.25,并將該信息添加在DIO消息中廣播。隨后節(jié)點(diǎn)2入網(wǎng),其隊(duì)列利用率為0.2,同樣廣播添加了該信息的DIO消息;這樣將導(dǎo)致在其通信范圍內(nèi)的待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在對(duì)比備選父節(jié)點(diǎn)集中的其它節(jié)點(diǎn)后,均選擇該節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。而已經(jīng)入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn),例如節(jié)點(diǎn)5以及節(jié)點(diǎn)6,也可能切換最優(yōu)父節(jié)點(diǎn),最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)2處連接較多的子節(jié)點(diǎn),也即在節(jié)點(diǎn)2上產(chǎn)生了雷鳴效應(yīng)。在雷鳴效應(yīng)的作用下,節(jié)點(diǎn)2的能量被快速地消耗,而節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3的資源卻未得到充分利用,這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

        圖3 雷鳴效應(yīng)

        (3)多sink節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡:以每個(gè)sink節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn),可以構(gòu)建一個(gè)DODAG圖。在多sink的LLN中,若某個(gè)RPL實(shí)例內(nèi)由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重,僅在該RPL實(shí)例中進(jìn)行優(yōu)化,并未有效利用多sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?,也即網(wǎng)絡(luò)資源的分配非最優(yōu)。

        2 BPSM-ERPL路由協(xié)議

        BPSM-ERPL路由協(xié)議包括以下3個(gè)創(chuàng)新機(jī)制,針對(duì)問(wèn)題(1)及問(wèn)題(2),提出攜帶咨詢(xún)信息的DAO消息機(jī)制以及雙向父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制,針對(duì)問(wèn)題(3),提出一種自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。下文詳細(xì)介紹BPSM-ERPL路由協(xié)議包含的新機(jī)制及具體操作。

        2.1 攜帶咨詢(xún)信息的DAO消息

        攜帶咨詢(xún)信息的DAO消息機(jī)制的核心思想為,通過(guò)改進(jìn)的M-DAO請(qǐng)求消息,告知父節(jié)點(diǎn)當(dāng)前待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的預(yù)估數(shù)據(jù)傳輸速率。M-DAO消息的基本對(duì)象格式如圖4所示,圖中字段M代表主父節(jié)點(diǎn),字段C代表強(qiáng)制。

        圖4 M-DAO消息基本對(duì)象格式

        與DAO消息的基本對(duì)象相比,M-DAO消息的基本對(duì)象在格式上改變不大,主要變化在Type字段和保留字段。首先,為了與當(dāng)前RPL路由協(xié)議中的其它控制消息區(qū)分,新協(xié)議更改了M-DAO消息的Type字段;其次,對(duì)原DAO消息的保留字段進(jìn)行了更改,重新劃分為字段M、字段C以及Data字段。字段M占1字節(jié),主要用于通告父節(jié)點(diǎn)當(dāng)前是否為主父節(jié)點(diǎn)。若接收M-DAO消息的節(jié)點(diǎn)為主父節(jié)點(diǎn),則字段M設(shè)1。若接收M-DAO消息的節(jié)點(diǎn)為次父節(jié)點(diǎn),則字段M設(shè)0。字段C占1字節(jié),主要用于通告父節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的入網(wǎng)請(qǐng)求是否是強(qiáng)制請(qǐng)求。若當(dāng)前待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)集中僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn),則待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送字段C置1的強(qiáng)制請(qǐng)求。若當(dāng)前待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)集有多個(gè)節(jié)點(diǎn),則待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送字段C置0的非強(qiáng)制請(qǐng)求。Data字段用于攜帶待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)傳輸速率,以實(shí)現(xiàn)提前通告父節(jié)點(diǎn)的目的。

        2.2 雙向父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制

        雙向父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制的核心思想是父節(jié)點(diǎn)在接收到M-DAO消息后,根據(jù)M-DAO消息攜帶的信息,判斷是否建立與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接,詳細(xì)操作步驟如下。

        步驟1 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送M-DAO消息,最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)接收后,首先讀取字段C以及Data字段。首先最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)查看字段C,若字段C的值設(shè)為1,表明當(dāng)前的入網(wǎng)請(qǐng)求為強(qiáng)制性請(qǐng)求,最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)依據(jù)M-DAO消息攜帶的信息更新路由表并向sink轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息,否則直接執(zhí)行步驟2。

        步驟2 若字段C的值設(shè)為0,表明當(dāng)前的入網(wǎng)請(qǐng)求為非強(qiáng)制性請(qǐng)求。此時(shí),最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)將依據(jù)Data字段攜帶的信息判斷是否能夠在不影響當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下,建立與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接,判據(jù)條件如式(1)所示

        (1)

        式中:假設(shè)待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)N,最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)P,則dN為待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)M-DAO消息的Data字段攜帶的當(dāng)前請(qǐng)求的一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目,dP為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的一個(gè)時(shí)間周期需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目,di為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)P當(dāng)前已連接的子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包的數(shù)目。q表示最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度,do為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)P的一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目,轉(zhuǎn)至步驟3。

        步驟3 若待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的平均數(shù)目滿(mǎn)足判據(jù)條件,則最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)建立與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接。更新路由表,并向上轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息,否則轉(zhuǎn)至步驟4。

        步驟4 若待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目不滿(mǎn)足判據(jù)條件,則最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)向待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求拒接消息,待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)從備選父節(jié)點(diǎn)集中選擇其它節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)至步驟5。

        步驟5 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在接收到來(lái)自sink節(jié)點(diǎn)的DAO -ACK消息后入網(wǎng)。已入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)將廣播添加了自身信息的DAO -ACK 消息。

        2.3 自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

        在擁有多個(gè)RPL實(shí)例的RPL路由協(xié)議中,位于實(shí)例邊界的路由節(jié)點(diǎn)可以獲取不同RPL實(shí)例的DIO消息,加入多個(gè)RPL實(shí)例。數(shù)據(jù)傳輸自適應(yīng)機(jī)制的核心思想是:邊界路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)在DIO消息中獲取到的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的鏈路隊(duì)列利用率和網(wǎng)絡(luò)深度等信息,根據(jù)屬于不同RPL實(shí)例的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸,以均衡數(shù)據(jù)流量在多個(gè)RPL實(shí)例的分配。自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的具體操作步驟如下:

        步驟1 重新定義DIO消息中的Rank字段,將鏈路隊(duì)列利用率Q與網(wǎng)絡(luò)深度h進(jìn)行編碼[10],(下文式(2)~式(4)中參數(shù)的定義請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[10])。如式(2)所示

        RankQU(n)=β(h(n)+1)+(β-1)Q(n)

        (2)

        邊界路由節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的DIO消息中的Rank字段解碼,如式(3)、式(4)所示,從而獲取網(wǎng)絡(luò)深度以及鏈路隊(duì)列利用率等信息

        (3)

        (4)

        步驟2 邊界路由節(jié)點(diǎn)對(duì)屬于不同RPL實(shí)例的DIO消息進(jìn)行劃分,分別計(jì)算不同RPL實(shí)例的備選父節(jié)點(diǎn)的路由度量,并依據(jù)式(5)選出最優(yōu)的屬于不同的RPL實(shí)例的最優(yōu)備選父節(jié)點(diǎn)。式(5)中hp表示備選父節(jié)點(diǎn)p的網(wǎng)絡(luò)深度,ETX(N,p) 表示待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)N與備選父節(jié)點(diǎn)p之間的無(wú)線鏈路的質(zhì)量,λ為備選父節(jié)點(diǎn)連接的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量,Qp表示MAC子層的鏈路隊(duì)列利用率

        R=hp+ETX(N,p)+λQp

        (5)

        如圖2所示,邊界路由節(jié)點(diǎn)4的備選父節(jié)點(diǎn)集中屬于實(shí)例1的備選父節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1及節(jié)點(diǎn)2;屬于實(shí)例2的備選父節(jié)點(diǎn)集為節(jié)點(diǎn)9及節(jié)點(diǎn)10,轉(zhuǎn)至步驟3。

        步驟3 邊界路由節(jié)點(diǎn)從備選父節(jié)點(diǎn)集中選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集后,繼續(xù)查看最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集合的鏈路隊(duì)列利用率,檢查最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路中是否有重負(fù)載節(jié)點(diǎn)。若最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路中沒(méi)有重負(fù)載節(jié)點(diǎn),則邊界路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度分配數(shù)據(jù)傳輸速率[15],并分別向?qū)儆诓煌琑PL實(shí)例的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送Pt字段置1以及字段C置0的M-DAO請(qǐng)求消息,否則直接執(zhí)行步驟4。

        步驟4 若當(dāng)前最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn),則邊界路由節(jié)點(diǎn)向鏈路未連接重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送字段M值為1和字段C值為0的M-DAO消息,并向鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送字段M值為0和字段C值為0的M-DAO消息,否則直接執(zhí)行步驟5。

        步驟5 若當(dāng)前最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路均連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn),則邊界路由節(jié)點(diǎn)從備選父節(jié)點(diǎn)集中重新選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集,然后重復(fù)步驟2至步驟4的操作。

        2.4 BPSM-ERPL路由協(xié)議

        BPSM-ERPL路由協(xié)議的主要操作[18]如下:

        步驟1 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的DIO消息的內(nèi)容,判斷自己是否是邊界路由節(jié)點(diǎn);若不是,則根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定最優(yōu)路徑,選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn),然后向最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含自身信息的M-DAO消息。

        步驟2 如果待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是邊界路由節(jié)點(diǎn),則由待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集。在確定最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集后,檢查最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路是否連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn)。若鏈路未連接重負(fù)載節(jié)點(diǎn),則邊界路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度分配數(shù)據(jù)流量,邊界路由節(jié)點(diǎn)向最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送包含自己信息的M-DAO消息,否則直接執(zhí)行步驟3。

        步驟3 如果邊界路由節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn),則邊界路由節(jié)點(diǎn)向鏈路未連接重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送字段M值為1的M-DAO消息;并且向鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送字段M值為0的M-DAO消息,否則直接執(zhí)行步驟4。

        步驟4 如果邊界路由節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)集的關(guān)聯(lián)鏈路均連接有重負(fù)載節(jié)點(diǎn),邊界路由節(jié)點(diǎn)則重新在備選父節(jié)點(diǎn)集中選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn),然后執(zhí)行步驟5。

        步驟5 最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)收到M-DAO消息后,提取該消息攜帶的信息進(jìn)行判斷;若字段C的值為1,最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)須建立與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接,并向sink轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息;否則,最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)根據(jù)判據(jù)條件式(1)進(jìn)行判斷;若滿(mǎn)足式(1),最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)建立與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接,并向sink轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息,否則最優(yōu)節(jié)點(diǎn)向待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求拒絕消息。

        步驟6 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自sink的DAO-ACK消息后便完成了入網(wǎng)。已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播添加了自身信息的DIO消息。

        BPSM-ERPL路由協(xié)議算法流程如圖5所示。

        圖5 BPSM-ERPL路由協(xié)議算法流程

        3 仿真驗(yàn)證及分析

        本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET Modeler 14.5對(duì)CF-RPL路由協(xié)議、TAAM-RPL路由協(xié)議和提出的BPSM-ERPL路由協(xié)議進(jìn)行仿真,在相同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸成功率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間性能指標(biāo)進(jìn)行定量對(duì)比及分析[19]。

        3.1 仿真統(tǒng)計(jì)量

        本文選取了吞吐量、成功率以及網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間作為驗(yàn)證新協(xié)議性能的仿真統(tǒng)計(jì)量。本文所提新協(xié)議在原理上能夠更有效、合理地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬和能量資源,因此對(duì)上述3個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有提升作用。

        (1)數(shù)據(jù)傳輸成功率

        數(shù)據(jù)傳輸成功率等于目的節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包的總比特?cái)?shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的總數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)的比值,如式(6)所示

        (6)

        式中:S為數(shù)據(jù)傳輸成功率,Dr為被目的節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包的總比特?cái)?shù),Dt為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總比特?cái)?shù)。

        (2)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

        網(wǎng)絡(luò)吞吐量表示在有數(shù)據(jù)包發(fā)送的仿真時(shí)間內(nèi),目的節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包的總比特?cái)?shù),如式(7)所示

        (7)

        式中:Ts為有數(shù)據(jù)發(fā)送的仿真時(shí)間,T表示網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

        3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

        網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景設(shè)置為800 m×800 m的正方形區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)依次設(shè)置為40、80、120、160、200以及240。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置兩個(gè)sink節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)位置均固定。節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率設(shè)為30 mW,每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)均設(shè)有路由節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度為128 bits,數(shù)據(jù)發(fā)送速率為每秒一個(gè),網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)間為4000 s,主要仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

        表1 主要仿真參數(shù)

        3.3 數(shù)據(jù)傳輸成功率

        如圖6所示,在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,雖然3種路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率均呈下降趨勢(shì),但BPSM-ERPL路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率高于CF-RPL路由協(xié)議和TAAM-ERPL路由協(xié)議。主要原因是BPSM-ERPL路由協(xié)議首先通過(guò)雙向父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制,充分考慮了父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況和數(shù)據(jù)處理能力,避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟包,能夠更有效、合理地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源;同時(shí)通過(guò)自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,在充分考慮最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)鏈路負(fù)載狀態(tài)的前提下,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量在多個(gè)DODAG間的均衡分配;有效均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生概率,從而進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)傳輸成功率。

        圖6 數(shù)據(jù)傳輸成功率

        3.4 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

        如圖7所示,在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,BPSM-ERPL路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量均高于CF-RPL路由協(xié)議以及TAAM-ERPL路由協(xié)議,并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大,BPSM-ERPL路由協(xié)議的性能優(yōu)勢(shì)更加顯著。分析其原因?yàn)?,網(wǎng)絡(luò)吞吐量與數(shù)據(jù)發(fā)送成功率呈正相關(guān),與數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r(shí)延呈負(fù)相關(guān)。通過(guò)圖6可知,BPSM-ERPL路由協(xié)議提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。其次,由于BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡,降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的概率,從而能更加合理、有效地利用網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源。從而其能夠有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐抨?duì)時(shí)延以及由于丟包導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重傳。也即,可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r(shí)延。因此,BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

        圖7 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

        3.5 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

        網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的定義請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。圖8顯示BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。據(jù)分析主要原因是BPSM-ERPL協(xié)議通過(guò)采用DAO消息攜帶咨詢(xún)信息和雙向父節(jié)點(diǎn)選擇的新機(jī)制,有效避免了雷鳴效應(yīng),而雷鳴效應(yīng)的直接后果就是發(fā)生雷鳴效應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處的網(wǎng)絡(luò)資源以及節(jié)點(diǎn)能量等被快速消耗;其次,通過(guò)采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,避免了負(fù)載較重的節(jié)點(diǎn)被選為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn);并且借助邊界路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量在多個(gè)RPL實(shí)例間的合理分配,調(diào)動(dòng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源,使網(wǎng)絡(luò)資源的利用更加合理,重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的能量能夠得到保護(hù)。因此,BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

        圖8 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)當(dāng)前RPL相關(guān)路由協(xié)議存在的雷鳴效應(yīng)、待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)唯一決定父節(jié)點(diǎn)選擇以及數(shù)據(jù)在多個(gè)RPL實(shí)例間分配不合理問(wèn)題,提出BPSM-ERPL路由協(xié)議。BPSM-ERPL路由協(xié)議首先優(yōu)化了DAO消息,通過(guò)M-DAO消息攜帶咨詢(xún)信息;其次采用了雙向父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制,使父節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)能夠選擇建立或不建立與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接,從而有效地避免了雷鳴效應(yīng),提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。最后,BPSM-ERPL路由協(xié)議采用了自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,通過(guò)邊界路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息在RPL實(shí)例間的分配,有效實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。在未來(lái)的工作中,我們將繼續(xù)就如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)DODAG間的通信進(jìn)行研究。

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