王智群，周 鑫，張 波，朱明賀

(1.湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州學(xué)院理工學(xué)院，浙江 湖州 313000)

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1 引言(Introduction)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)的快速發(fā)展使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)覆蓋到醫(yī)療、軍事、工業(yè)、監(jiān)控、構(gòu)建智能家居等多個(gè)領(lǐng)域[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種典型的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(Low-power and Lossy Network，LLN)，網(wǎng)絡(luò)中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)具有低功率、通信能力弱、能源受限等特點(diǎn)，一般由電池供電[2]，這就產(chǎn)生了對(duì)LLN路由協(xié)議的實(shí)質(zhì)性需求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議無(wú)法滿足LLN的要求，所以互聯(lián)網(wǎng)工程專責(zé)小組(Internet Engineering Task Force，IETF)中的RoLL(Routing over Low power and Lossy network)工作組提出了一種用于LLN的IPv6協(xié)議，稱為RPL(Routing Protocol for LLN))的低功耗和有損網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。RPL能夠滿足諸如低功耗、平衡負(fù)載等要求，并且便于管理和修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。如何選擇一條優(yōu)質(zhì)的路徑是目前RPL協(xié)議需解決的一個(gè)主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的目的便是尋找到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑，對(duì)此科研人員做了大量的研究，提出了不同的改良方案，但改良方案可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性能、移動(dòng)性能和安全性能等[4]。本文選擇目標(biāo)函數(shù)作為重點(diǎn)研究對(duì)象進(jìn)行探討，期望為相關(guān)研究人員提供路由優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路與參考。

2 標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)函數(shù)分類及特性(Standard objective function classification and characteristics)

目標(biāo)函數(shù)的原理是通過(guò)Rank值選擇下一跳的目的地，節(jié)點(diǎn)的Rank值屬性可以理解為節(jié)點(diǎn)相對(duì)于根節(jié)點(diǎn)的距離或者位置，節(jié)點(diǎn)通過(guò)目標(biāo)函數(shù)使用的路由度量(ETX、ENERGY等)計(jì)算其所在網(wǎng)絡(luò)中的Rank值[5]。在同一個(gè)RPL實(shí)例中，所有節(jié)點(diǎn)都被要求使用相同的目標(biāo)函數(shù)，目前ROLL工作組在征求意見(jiàn)文件(Requests For Comment，RFC)中定義了兩種目標(biāo)函數(shù)供使用者選擇，分別是目標(biāo)函數(shù)零OF0(Object Function Zero)和帶有滯后功能的目標(biāo)函數(shù)MRHOF(Minimum Rank with Hysteresis Objective Function)[6]。

2.1 OF0

默認(rèn)情況下，OF0使用跳數(shù)作為路由度量，從候選節(jié)點(diǎn)中選擇最佳父級(jí)[7]。在DODAG(面向目的地的有向無(wú)環(huán)圖)構(gòu)造過(guò)程中，傳感節(jié)點(diǎn)需要計(jì)算到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，并選擇該條路徑作為最優(yōu)路徑。為了避免環(huán)路，從節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的Rank值向下遞減[8]。OF0的設(shè)計(jì)適用于低功耗有損的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但其僅使用跳數(shù)的路由度量有可能會(huì)提供較差的鏈路質(zhì)量，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)會(huì)選擇具有最小跳數(shù)的路徑，該路徑的鏈路質(zhì)量可能并不高，這不僅會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)更多次的數(shù)據(jù)重傳，數(shù)據(jù)包的丟失率也會(huì)隨之不斷攀升。此外，選擇最短跳數(shù)的路徑也會(huì)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)故障的情況，一旦節(jié)點(diǎn)發(fā)生這種情況，就會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期[9]。

2.2 MRHOF

MRHOF用于解決靜態(tài)度量問(wèn)題，只有當(dāng)鏈路發(fā)生變化，當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)才會(huì)選擇候選節(jié)點(diǎn)作為自己的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。MRHOF支持附加指標(biāo)，在默認(rèn)情況下，MRHOF使用預(yù)期傳輸計(jì)數(shù)(ETX)作為路由度量來(lái)選擇最佳路徑[10]。ETX表示成功接收數(shù)據(jù)包所需的最大重傳次數(shù)。ETX值越低，則意味著路徑質(zhì)量越高。網(wǎng)絡(luò)中一條鏈路的ETX值即成功傳輸數(shù)據(jù)包的次數(shù)，整條路由的ETX值則是每一條鏈路ETX值的總和[11]。例如，一條傳輸成功率為50%的單跳路由，其ETX值為2，另一條傳輸成功率為100%的2跳路由，其ETX值為2。因此，ETX的路徑成本是單跳ETX和多跳ETX的總和，最佳路徑是提供了較低ETX值的路徑。MRHOF的另一個(gè)度量指標(biāo)是利用能量作為選擇最佳路徑的標(biāo)準(zhǔn)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間，節(jié)點(diǎn)會(huì)定期檢查根節(jié)點(diǎn)的鏈接可靠性，這會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量。為了克服這個(gè)問(wèn)題，MRHOF會(huì)選擇剩余能量較高的父級(jí)節(jié)點(diǎn)。與帶ETX的MRHOF相比，帶能量的MRHOF可以提供更低的能量消耗和延遲[12]。OF0和MRHOF的特性總結(jié)如表1所示。

表1 OF0和MRHOF的特性總結(jié)Tab.1 Feature summary of OF0 and MRHOF

3 度量組合方法分析(Analysis of metric combination methods)

路由度量用于路徑成本的評(píng)估，選擇最優(yōu)路徑[13]。目標(biāo)函數(shù)的使用，使得路由度量的組合方式十分靈活。節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的需求選擇不同的度量參數(shù)，例如ETX、節(jié)點(diǎn)能量、跳數(shù)等，這些參數(shù)信息在路由決策中起著重要的作用。目前，有許多研究人員為了克服使用單一度量的局限性，采用了多種路由度量的權(quán)重組合，這樣可以確保函數(shù)度量約束的準(zhǔn)確性。一些簡(jiǎn)單的目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)只需要使用單個(gè)度量，而復(fù)雜的目標(biāo)函數(shù)需要定義一組路由度量或約束。路由度量可以劃分為節(jié)點(diǎn)或鏈路度量，度量還可以根據(jù)數(shù)量和質(zhì)量、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步劃分，這些指標(biāo)可以在定義的OF中用作單個(gè)或組合的指標(biāo)。此外，優(yōu)質(zhì)的度量需考慮另一個(gè)特征動(dòng)態(tài)性，LLN網(wǎng)絡(luò)中的鏈路或節(jié)點(diǎn)度量并不是穩(wěn)定的，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)運(yùn)作期間容易發(fā)生變化[14]。例如，考慮剩余能量作為選擇路徑的度量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)降低其剩余能量，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程。以下是常見(jiàn)的度量組合方式。

(1)詞法度量組合：此組合包括兩個(gè)路由度量，根據(jù)路由的需求優(yōu)先被選擇的度量將被視為目標(biāo)函數(shù)使用的度量參數(shù)。倘若第一個(gè)度量的值相等，那么節(jié)點(diǎn)將選用第二個(gè)度量確定DODAG父級(jí)。例如，路由的需求是優(yōu)先考慮跳數(shù)，則在該組合方式中只有跳數(shù)相同的前提下才會(huì)考慮其他路由度量。

(2)加法度量組合：此度量組合基于定義的OF，該OF結(jié)合了一組度量，在輸出中提供一個(gè)公共度量，然后使用RPL控制消息通告此生成的度量。路由度量在整個(gè)路徑中聚合，并包含在度量容器對(duì)象中，組合的方式可用下式舉例說(shuō)明：

(3)模糊邏輯組合：模糊邏輯使用語(yǔ)言變量確定路由度量之間的適用程度，例如剩余能量可以用少、中等、多表示，這些值在一個(gè)公共輸出上被去模糊化和轉(zhuǎn)換，從而使其具有不同的度量特征。良好的路由度量應(yīng)該具備定義明確、穩(wěn)定性好及可以有效避免環(huán)路等特點(diǎn)[15]。

4 函數(shù)的構(gòu)建分類和比較研究(Classification and comparative study of the construction of functions)

4.1 基于單一度量的目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是RPL 的主要組成部分，用于快速構(gòu)建DODAG，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)能通信，針對(duì)單一度量的性能優(yōu)化，就有不少學(xué)者提出了方案。文獻(xiàn)[16]提出了一個(gè)基于節(jié)點(diǎn)剩余能量的新目標(biāo)函數(shù)OF-ENERGY(Objective Function-Energy)。剩余能量被用作下一個(gè)躍點(diǎn)的選擇，節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與基于ETX的OF和基于跳數(shù)的OF相比，OFENERGY下節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，減少了能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。但是，該目標(biāo)函數(shù)沒(méi)有將鏈路質(zhì)量考慮在內(nèi)，不能突破單一指標(biāo)帶來(lái)的局限性。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于跳數(shù)的新目標(biāo)函數(shù)選擇首選的父級(jí)，這種優(yōu)化在端到端延遲和數(shù)據(jù)包傳遞率方面提供了更好的性能，但提出的方案僅在傳輸效率和延遲上進(jìn)行了測(cè)試，忽視了其他重要指標(biāo)，如網(wǎng)絡(luò)壽命、首選父級(jí)的數(shù)量等。從提升RPL提供的服務(wù)質(zhì)量上考慮，文獻(xiàn)[18]提出了一種基于連接狀態(tài)ETX的新目標(biāo)函數(shù)，稱之為Best Friend-ETX(BF-ETX)。BF-ETX在功耗和網(wǎng)絡(luò)延遲方面提高了網(wǎng)絡(luò)性能。但是，此方案忽略了一些重要參數(shù)，例如收斂時(shí)間和ETX更新可能導(dǎo)致的父節(jié)點(diǎn)更改問(wèn)題。為了提高節(jié)點(diǎn)接收確認(rèn)信息的效率，文獻(xiàn)[19]提出一種通過(guò)改變ContikiMAC(周期性休眠)無(wú)線占空比協(xié)議調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的喚醒和休眠時(shí)間的方法。與標(biāo)準(zhǔn)ETX相比，新的目標(biāo)函數(shù)AVG_DEL(Average Delay)顯著降低了端到端延遲。表2總結(jié)了單一度量下目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表2 基于單一度量目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)研究Tab.2 Relevant research on objective function based on a single metric

4.2 基于復(fù)合度量的目標(biāo)函數(shù)

使用單一度量會(huì)導(dǎo)致一些限制。例如，需要良好可靠性的目標(biāo)函數(shù)會(huì)選擇提供低ETX的父節(jié)點(diǎn)。相比之下，使用低ETX進(jìn)行父節(jié)點(diǎn)選擇可能會(huì)促使節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量，因而衍生出多種度量相結(jié)合的方案。文獻(xiàn)[20]提出了一個(gè)由ETX、能耗和隊(duì)列長(zhǎng)度通過(guò)Add組合的目標(biāo)函數(shù)EEQ(ETX，Energy consumption，Queue length)，其能保護(hù)過(guò)度耗能的節(jié)點(diǎn)以便于將數(shù)據(jù)包發(fā)送至根節(jié)點(diǎn)。EEQ與標(biāo)準(zhǔn)的MRHOF和OF0相比，減少了控制消息的開(kāi)銷。文獻(xiàn)[21]考慮了使用ETX度量及能耗的復(fù)合路由度量，稱之為L(zhǎng)2AM(Lifetime and Latency Aggregateable Metric)，該函數(shù)允許在DODAG構(gòu)建期間平衡能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。與標(biāo)準(zhǔn)ETX相比，節(jié)點(diǎn)耗能更平均，能夠提供更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。同樣為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)整體壽命，文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了一種能量感知和負(fù)載平衡的目標(biāo)函數(shù)EL-RPL(Energy and Load aware RPL)，其由網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、電池耗能指數(shù)(BDI)和ETX三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行組合，數(shù)值更低的路線被視為到達(dá)目的地的最佳路徑。因?yàn)槭褂昧四：壿嫷慕M合方法，所以與Add方法相比需要更多的計(jì)算過(guò)程。從改善端到端延遲的角度，文獻(xiàn)[23]提出了一種增強(qiáng)端到端延遲估計(jì)的RPL自適應(yīng)機(jī)制RA-EEDEM(RPL Adaptation of Endto-End Delay Estimation Mechanism)，旨在提高端到端延遲(EED)估計(jì)的準(zhǔn)確性。使用的OF基于兩個(gè)主要的路由度量相加組合，即處理延遲度量和路徑延遲度量。第一個(gè)度量表示到接收器的累積處理延遲，而第二個(gè)度量是到接收器的累積鏈路延遲。結(jié)果表明，使用的OF除降低平均EED和提高數(shù)據(jù)包接收率(PRR)之外，還提高了EED估計(jì)精度。但是，該方案沒(méi)有考慮收斂時(shí)間和能耗等指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)擁塞是RPL的問(wèn)題之一，為了克服這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]提出了一種新的擁塞感知路由CoAR(Congestion-Aware Routing)協(xié)議。為了檢測(cè)擁塞情況，CoAR采用了一種基于當(dāng)前隊(duì)列占用率和負(fù)載變化的自適應(yīng)機(jī)制，它使用一個(gè)新的擁塞感知目標(biāo)函數(shù)CoA-OF選擇最佳的父級(jí)。這種新的CoA-OF采用多個(gè)準(zhǔn)則決策技術(shù)，該函數(shù)考慮了三個(gè)主要指標(biāo)，即CoA、隊(duì)列利用率和剩余能量。通過(guò)這種方式，節(jié)點(diǎn)可以選擇通往目的地的備選路徑，從而避免擁塞情況。此外，它改善了端到端延遲、吞吐量、PDR(數(shù)據(jù)包交付率)、數(shù)據(jù)包丟失和能耗。相比之下，CoAR只支持靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，這使得它不適合移動(dòng)環(huán)境?；趶?fù)合度量目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)總結(jié)如表3所示。

表3 基于復(fù)合度量目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)研究Tab.3 Relevant research on objective function based on composite metrics

5 面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的研究方向(Challenges and future research directions)

5.1 缺少大規(guī)模的真實(shí)測(cè)試平臺(tái)

通過(guò)分析表2和表3的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)不難發(fā)現(xiàn)，只有少數(shù)設(shè)計(jì)方案使用真實(shí)的節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，基于仿真實(shí)驗(yàn)的評(píng)估雖然有用，但是不能完全反映真實(shí)環(huán)境的各個(gè)方面。因此，為克服RPL的局限性，研究工作旨在使用真實(shí)的大規(guī)模測(cè)試平臺(tái)評(píng)估設(shè)計(jì)方案，反映現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用場(chǎng)景。

5.2 性能指標(biāo)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化

以上的研究方案中，因?yàn)閷?duì)RPL性能的提升程度沒(méi)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，所以研究學(xué)者們只能采用幾種性能指標(biāo)評(píng)估他們提出的方案，多數(shù)方案僅同標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，所體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)有限，并且所提出的方案在某方面還存在不足之處，并且多數(shù)提議方案都使用PDR和節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行評(píng)估，而更重要和準(zhǔn)確的指標(biāo)，如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡還未關(guān)注。因此，急需設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估指標(biāo)，以便有效地評(píng)估和比較方案的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

5.3 度量指標(biāo)的組合

采用單個(gè)路由度量?jī)?yōu)化RPL性能，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很大的局限性，組合多個(gè)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用十分重要，但是在設(shè)計(jì)復(fù)合度量時(shí)需要考慮許多因素。首先，指標(biāo)的數(shù)量應(yīng)盡可能地少，因?yàn)橹笜?biāo)越多，控制消息的信息內(nèi)容就越大，容易增大路由出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。其次，對(duì)于加法度量的組合，隨著指標(biāo)數(shù)量的增加，分配權(quán)重的過(guò)程也會(huì)變得更復(fù)雜。所以，在復(fù)合度量的設(shè)計(jì)中更偏向于采用較為簡(jiǎn)單的詞法度量的組合。最后，目前已有一些跨層次的度量設(shè)計(jì)，例如物理層與數(shù)據(jù)鏈路層度量相組合，這類設(shè)計(jì)可以為滿足LLN路由負(fù)載平衡、能量效率的需求提供優(yōu)質(zhì)的解決方案，或許能為未來(lái)解決負(fù)載均衡和能耗問(wèn)題提供思路。

6 結(jié)論(Conclusion)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的傳感節(jié)點(diǎn)不斷接入網(wǎng)絡(luò)，路由的效率就顯得尤為重要，目前還沒(méi)有一種完美的適應(yīng)不同環(huán)境，解決負(fù)載不均衡的路由決策方案。RPL路由指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化可能帶來(lái)的收益很小，因此需要研究新技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，諸如利用多個(gè)實(shí)例或使用基于AI的方法進(jìn)行自動(dòng)度量生成和閾值確定等，目前RPL仍是一個(gè)具有很大應(yīng)用前景的物聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議。本文圍繞RPL目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新，梳理了相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，期望能為RPL路由技術(shù)的發(fā)展提供有益借鑒。