无线传感网络中的RPL路由协议研究

　　摘要：现有的低功耗有损网络路由协议RPL以跳数为唯一的路径选择度量，这样会导致Sink节点周边位置的节点数据压力过大，从而过早将其电量耗尽。为了更好地平衡网络能耗，缓解Sink周边节点的压力，文章在原路由协议的基础上，提出了考虑节点剩余能量的路径选择策略；即在路径选择时综合跳数和节点能量两方面因素，让数据尽量从能量充裕的节点传输。经计算机仿真验证：改进后的路由协议对平衡网络能耗、延长网络整体的生命长度具有较为显著的改善。

　　关键词：无线传感网络；RPL；IP；能量路由

　　0引言

　　低功耗有损网络路由协议（RPL）是IETF的ROLL（RoutingOverLowpowerandLossynetworks）工作组，专门针对低功耗有损网络LLN（LowpowerandLossynetwork）新提出来的路由协议[1]。低功耗有损网络是由功率、存储空间、处理能力等资源受限的嵌入式设备所组成的网络。它们可以通过多种链路连接，比如IEEE802.15.4、蓝牙、低功率Wi-Fi，甚至低功耗电力线通信（PLC）等等。ROLL将LLN网络的应用主要划分为四个领域[2]：城市网络（包括智能电网应用）、建筑自动化、工业自动化以及家庭自动化，并且分别制定了针对四个应用领域的路由需求[3-6]。由于LLN的独特性，传统的IP路由协议，比如OSPF、IS-IS、AODV、OLSR，无法满足其独特的路由需求，因此ROLL工作组制定了RPL协议，其协议标准RFC6550[1]发布于2012年3月。

　　本论文首先介绍了RPL的应用场景及基本原理，并在路径选择策略中加入了对节点剩余能量的考虑；最后通过仿真验证了改进后的路由协议的性能。

　　1RPL协议工作原理

　　RPL是一个矢量路由协议，通过构建有向非循环图（DAG）来形成拓扑结构，加入DAG中的节点自动形成一条指向根节点的路径。RPL主要为数据汇聚型的场景设计，即数据流量由叶节点指向根节点。当然RPL也扩展支持多点对点（MP2P）和点对点（P2P）的应用场景。

　　图1所示为典型的DAG结构。其中的每一个节点至少有一条指向根节点的路径。

　　1.1DODAG的形成

　　DODAG（DestinationOrientedDirectedAcyclicGraph）是面向目的地的有向非循环图的简称，可以视为物理网络上的逻辑路由拓扑。

　　RPL中定义了由多种ICMPv6消息来控制拓扑的形成。DIO消息用于通告有关DODAG的参数，例如DODAGID、目标函数（OF）、DODAG版本号等[1]。其中OF规定了拓扑建立及最优父节点的选择方式，规定了节点级别的计算方法，是路径选择的首要参考标准。级别决定了节点在DODAG中的相对位置，主要用于避免回路。DAO消息是用来建立从根节点到叶节点的“向下”的路径。根据节点的存储能力，RPL协议中将节点类型定义为可存储型和非存储型，两者的区别在于是否存储有路由表信息。在图1中，当D节点要和E节点通信时，如果B节点和C节点是非存储型，那么必须先追溯到根节点A，查找路由，即路径为D—C—B—A—B—C—E。若C为可存储型节点，则只需追溯到共同的祖先节点即可找到路由，即路径为D—C—E。DIS消息用于向邻居节点请求DODAG信息。当一个孤立的节点没有收到任何DIO消息的时候，可通过DIS向周围节点请求DODAG信息。收到DIS消息的节点会反馈DIO消息给DIS源节点。

　　如图1所示，首先A节点通过DIO消息广播自己创建的DODAG信息，收到DIO消息的节点根据OF来决定是否应该加入该DODAG；加入之后然后再向自己周围的节点继续广播DIO消息；这样一层一层地建立拓扑结构。当节点加入DODAG之后，就自动创建一条“向上”汇聚到根节点的路径。“向下”的路径则由DAO消息完成。

　　1.2定时器管理

　　RPL中使用细流算法[7]来控制DIO消息的发送。细流算法是一个适应性的机制，用来限制控制协议的开销。与传统IP网络不同，LLN网络有着非常有限的资源，必须尽可能的减少控制协议消息所占的比例，但同时又必须要维护好网络结构。当网络改变时，节点会以较高的频率发送控制包；当网络趋于稳定时，则控制流的速率减少。算法中定义了控制消息发送间隔参数I，当网络很稳定时，则I成倍的增加；而网络有动荡时，则发送间隔迅速降为最小值，高频率的发送控制消息以修复网络。

　　本文借助Contiki系统中的Cooja模拟器，对RPL协议进行了仿真。图2所示为节点布局图，并在图3中以节点5为例展示了DIO消息的发送控制过程。从图3中可以看到，当网络刚形成逐步趋于稳定的时候，DIO消息发送间隔成倍增加；图3中23：00和01：20附近陡峭的转折点表明此时监测到节点5和网络存在不一致性，迅速将控制消息发送间隔调至最小值以迅速修复网络。

　　1.3环路避免机制

　　RPL中规定，在沿着叶节点到根节点的路径上，节点级别必须是递减的[1]，即父节点的级别必须小于子节点的级别。当节点在网络中位置发生改变时，必须根据父节点重新计算自己的级别。假设节点N的最优父节点为P，P的级别为R（P），那么N的级别R（N）计算公式为：

　　R（N）=R（P）+rank_increase

　　rank_increase为子节点和父节点级别的差值，其算法在OF中有定义。

　　节点的级别在环路避免中有着重要的意义。RPL协议也通过在包头上设定标志位来附带路由控制数据，以避免数据包被循环转发。

　　2考虑节点剩余能量的RPL协议

　　2.1RPL协议原始路由方案

　　目标函数决定了RPL协议的路径选择方式。目前RPL的官方文件中，只明确定义了零目标函数（OF0）[8]，即以跳数（HC）为最佳路径选择的唯一标准，而其他的目标函数则由开发者根据需求灵活定义。比如对链路可靠性要求较高的应用，可将链路质量作为路由选择的首要考虑标准；而对能量受限的环境则可以定义在路径中尽量避开电池供电节点。在文档RFC6551[9]中，提出了多种可供开发者参考的路由度量。

　　在选择路径时，若只考虑跳数因素，必然会导致Sink周边节点数据压力过大，从而使关键节点能量过早消耗而死亡。文献[10]将网络的生命长度定义为第一个节点死亡的时间。对于能量受限的低功耗有损网络，如何平衡能量消耗，延长网络整体寿命，是协议要考虑的重要因素。

　　2.2优化之后的RPL路由方案

　　目前已有多种针对无线传感网络能量优化的路由协议，比如分级能量路由协议LEACH和TEEN，以数据为中心的能量有效路由协议DD和SPIN，还有基于地理位置的路由协议GPSR和GEAR等[11]。但这些协议都很难实现和RPL协议的融合。RPL协议是通过在containermetric中，定义路径选择时所考虑的参数，然后再以一定的方式将所需要考虑的参数相结合，从而确定一个合理的路径选择方案。

　　本篇论文中采取的是跳数（HC）和节点能量（EN）相结合的方式。结合方式有两种[12]，一种是Lex，一种是Add。Lex是指优先考虑跳数，只有在跳数相同的情况下，才考虑节点能量；而Add则是采取两种参数综合考虑的方式，按照一定的比例相结合，即：

　　其中：

　　本文对这两种不同的结合方式做了仿真对比。