分析真實(shí)環(huán)境下RPL路由協(xié)議性能評(píng)估

胡亞杰+高天初+李軒

【摘要】 文章通過(guò)下文對(duì)具體環(huán)境中，RPL路由協(xié)議的性能進(jìn)行了分析和測(cè)。首先介紹了相關(guān)的測(cè)試環(huán)境的軟件和硬件參數(shù)；然后通過(guò)這些軟件和硬件，將路由公平性、路由協(xié)議、交付率和吞吐率四個(gè)性能指標(biāo)確定了出來(lái)，并且，詳細(xì)的進(jìn)行了分析，之后，通過(guò)這四個(gè)指標(biāo)開(kāi)展了相應(yīng)的性能評(píng)估活動(dòng)。

【關(guān)鍵詞】 真實(shí)環(huán)境 RPL路由協(xié)議 性能評(píng)估

在無(wú)線局域網(wǎng)中，RPL路由協(xié)議發(fā)揮著重要作用，當(dāng)前，RPL協(xié)議還處在草案階段，只是一個(gè)工作組文稿，還需要進(jìn)一步的完善與改進(jìn)。因此 ，為了能夠更好的了解和掌握RPL路由協(xié)議，文章通過(guò)下文對(duì)真實(shí)環(huán)境下RPL路由協(xié)議性能評(píng)估的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析。

一、RPL應(yīng)用規(guī)范分析

距離矢量的路由協(xié)議即為EPL，RPL利用根節(jié)點(diǎn)能夠?qū)o(wú)環(huán)有向圖構(gòu)建起來(lái)，并且都有一根能夠到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的路徑被設(shè)置到了網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò)層級(jí)可以表示出根節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的的相對(duì)距離。并且，順著根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)的方向，會(huì)逐漸遞增節(jié)點(diǎn)的各個(gè)層級(jí)。并且，RPL會(huì)通過(guò)目標(biāo)函數(shù)將根節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的路徑成本確定出來(lái)，進(jìn)而將最合理的路徑選擇出來(lái)。因?yàn)镽PL協(xié)議把路由處理、路由路徑和轉(zhuǎn)發(fā)分開(kāi)進(jìn)行處理。這樣在不同場(chǎng)合內(nèi)都可以靈活的應(yīng)用RPL。

1.1構(gòu)建DODAG節(jié)點(diǎn)

因?yàn)樵诙xRPL主要圍繞三個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)展的，主要是路由節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)和邊緣路由器。

在構(gòu)建DODAG時(shí)，首先通過(guò)根節(jié)點(diǎn)廣播控制相關(guān)傳播消息。構(gòu)建從葉子節(jié)點(diǎn)到各個(gè)根節(jié)點(diǎn)的路由信息。在根節(jié)點(diǎn)接收到DIO以后，這樣就會(huì)按照DIO內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)，將自身的rank值計(jì)算出來(lái)，然后按照相關(guān)的規(guī)則將屬于自己的父節(jié)點(diǎn)選擇出來(lái)。然后向DIO消息中更新了自己的rank值后，再次轉(zhuǎn)發(fā)DIO信息。

1.2構(gòu)建通信方案

對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式，RPL都能夠給予支持。

首先，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。它指的是從跟點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)或者到路由節(jié)點(diǎn)的下行路由策略。為了保護(hù)下行路由，各個(gè)節(jié)點(diǎn)要求對(duì)1個(gè)路由表進(jìn)行維護(hù)。進(jìn)而便于對(duì)自身的DODAG內(nèi)的節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行存儲(chǔ)。

其次，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。DODAG內(nèi)的任何兩點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路由都可以通過(guò)RPL提供出來(lái)，并且，可以從這樣兩個(gè)方面認(rèn)識(shí)理解點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的路由：其一，如果在源節(jié)點(diǎn)的射頻范圍內(nèi)控制著節(jié)點(diǎn)，這樣就會(huì)向目的點(diǎn)直接發(fā)送源節(jié)點(diǎn)。其二，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的村存儲(chǔ)模式能夠判斷出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的機(jī)制。

再次，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，在這種模式中，一般會(huì)通過(guò)上行路由的方式從多個(gè)節(jié)點(diǎn)入手發(fā)送信息數(shù)據(jù)。先路經(jīng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，之后向邊緣路由器中進(jìn)入，這樣，RPL網(wǎng)絡(luò)到Internt的連接接口就可以通過(guò)邊緣路由器提供出來(lái)。

二、真實(shí)環(huán)境下PRL路由協(xié)議的性能評(píng)估對(duì)策

2.1測(cè)試步驟及方法

首先利用USB接口將基本的測(cè)試程序拷貝到Telosb節(jié)點(diǎn)內(nèi)，將網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)連接，作為根節(jié)點(diǎn)，剩余節(jié)點(diǎn)當(dāng)作非根節(jié)點(diǎn)。然后在實(shí)驗(yàn)樓中隨機(jī)布置這些節(jié)點(diǎn)，將一個(gè)以樓宇自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景為背景的中級(jí)規(guī)模測(cè)試網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起來(lái)，由40個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成該網(wǎng)絡(luò)。待向網(wǎng)絡(luò)中成功的加入了這些節(jié)點(diǎn)后，并將根節(jié)點(diǎn)路由建立起來(lái)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送速率、測(cè)試持續(xù)時(shí)間T和數(shù)據(jù)包大小等參數(shù)設(shè)置在網(wǎng)關(guān)中，利用網(wǎng)關(guān)把有關(guān)參數(shù)與測(cè)試命令發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)，按照節(jié)點(diǎn)相全網(wǎng)廣播相關(guān)參數(shù)與命令，非根節(jié)點(diǎn)在得到有關(guān)命令后，就設(shè)置的參數(shù)將測(cè)試流程打開(kāi)。在完成一輪測(cè)試后，將測(cè)試結(jié)果收集好，之后對(duì)有關(guān)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再開(kāi)始全新的一輪測(cè)試，直到所有測(cè)試都完成后，分析最終收集的數(shù)據(jù)。

2.2相關(guān)數(shù)據(jù)分析

如果測(cè)試參數(shù)不同，吞吐率也會(huì)存在差異，如下圖，通過(guò)這個(gè)圖能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在1-16個(gè)/秒的時(shí)維持?jǐn)?shù)據(jù)包發(fā)送速率時(shí)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送率和吞吐率之前就會(huì)呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系；如果在16個(gè)/秒以上控制發(fā)送速率時(shí)，盡管吞吐率還在不斷變化，然而并非以線性關(guān)系出現(xiàn)；如果在20個(gè)/秒左右控制發(fā)送速率后，就會(huì)有非常小的吞吐率，在將數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率進(jìn)一步加大以后，所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，會(huì)在631.56個(gè)/秒左右控制路由協(xié)議的最大吞吐率。然后在條件相同的情況下，對(duì)RPL路由協(xié)議通過(guò)相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，最后得出路由協(xié)議的最大吞吐率是663.32個(gè)/秒。作為RPL路由協(xié)議的經(jīng)典，ContikiRPL的應(yīng)用量在不斷增加。相對(duì)來(lái)講，TinyRPL路由協(xié)議在吞吐率方面會(huì)差一點(diǎn)，還有提升和改進(jìn)的空間。

2.3數(shù)據(jù)包交付情況

通過(guò)實(shí)踐調(diào)查得知，如果在1-16個(gè)/秒控制數(shù)據(jù)包發(fā)送速率時(shí)，就會(huì)在0.9011左右控制數(shù)據(jù)包交付率，如果有50個(gè)左右的發(fā)送速率時(shí)，只有0.3138的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率；在持續(xù)增大了發(fā)送速率后，就會(huì)不斷降低數(shù)據(jù)包交付率，一直到接近0。測(cè)試結(jié)果表明，在較低的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下，TinyRPL路由協(xié)議的包交付率最高才達(dá)到0.95，這就表明，在包交付方面，TinyRPL還較為欠缺，為了能夠投入應(yīng)用，還有很多地方需要完善。相對(duì)來(lái)講，ContikiRPL的包交付率會(huì)好很多，0.9654是它最大的包交付率。

2.4分析路由協(xié)調(diào)性

通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試表明，不但數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率會(huì)影響到路由公平性，最大的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)也會(huì)影響到路由協(xié)議的公平性。如果在1處控制網(wǎng)絡(luò)的最大的跳數(shù)，這樣，通過(guò)一跳將各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)向節(jié)點(diǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)，在0.015左右控制路由公平性，表現(xiàn)比較優(yōu)越。如果在3處控制網(wǎng)路的最大跳數(shù)，這樣在相應(yīng)的提升了數(shù)據(jù)包發(fā)送速率后，路由公平性也會(huì)逐漸降低。這就說(shuō)明，有較大的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)存在于根節(jié)點(diǎn)中，這樣就很難向根節(jié)點(diǎn)出發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.5路由協(xié)議開(kāi)銷

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議開(kāi)銷的隨時(shí)間變化情況可以用下圖來(lái)表示，通過(guò)下圖分析得知，起初的時(shí)候，路由協(xié)議有著較大的開(kāi)銷，這是由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)要多次交換相應(yīng)的控制信息構(gòu)建路由。最高會(huì)在250字節(jié)/秒控制一跳類節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議。再次測(cè)試證明，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，這個(gè)最大值也會(huì)發(fā)生變化，大概在過(guò)了50秒后，就會(huì)完全建成全網(wǎng)的路由，也可以穩(wěn)定的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而開(kāi)始漸漸降低路由協(xié)議開(kāi)銷，最后控制在26字節(jié)/秒左右。

三、技術(shù)應(yīng)用展望

同現(xiàn)階段的研究成果相結(jié)合，需要進(jìn)一步研究以下幾個(gè)方面：

1、對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下生成路徑的算法進(jìn)行研究，科學(xué)的選擇路由設(shè)備，從而將數(shù)據(jù)包的達(dá)到率提升，將多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)的路由公平性增強(qiáng)。

2、完善與改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)，降低由于測(cè)試系統(tǒng)引入的誤差和干擾，將測(cè)試結(jié)果的精度提升。對(duì)國(guó)外最新的Program in Air 成果進(jìn)行參考，將遠(yuǎn)程更新模塊添加到測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)無(wú)線信道更新節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)部署速度提升，從而將實(shí)驗(yàn)成本降低。

3、文章主要在單一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)Tiny RPL路由協(xié)議的性能進(jìn)行的測(cè)試，所得到了結(jié)果只有參考價(jià)值，所以，應(yīng)該在一定的規(guī)模下完成更深層次的研究，在各種網(wǎng)絡(luò)覆蓋的真是場(chǎng)景下完成。

4、更加深入的對(duì)比分析和測(cè)試Contiki RPL與Tiny RPL協(xié)議，對(duì)它們?cè)诙喾N應(yīng)用場(chǎng)景下的實(shí)際表現(xiàn)情況進(jìn)行研究，找出其中的優(yōu)點(diǎn)和不足，將商用級(jí)RPL路由協(xié)議設(shè)計(jì)出來(lái)。

四、結(jié)語(yǔ)

文章通下文對(duì)路由協(xié)議數(shù)據(jù)包交付率、路由協(xié)議開(kāi)銷、路由協(xié)議吞吐率和路由公平性的一些性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。在吞吐率方面，Tiny RPL 路由協(xié)議還是能夠滿足需求的，再者就是數(shù)據(jù)包交付率，通過(guò)分析得知，在0.9021控制著Tiny RPL 路由協(xié)議最高數(shù)據(jù)包交付率，對(duì)比其他路由協(xié)議，它的性能較差，然后就是公平性，在發(fā)送速率較低的情況下，Tiny RPL 路由協(xié)議有著比較優(yōu)越的公平性。那么，路由協(xié)議開(kāi)銷中，在開(kāi)始運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由協(xié)議會(huì)有較大的開(kāi)銷，然而，在穩(wěn)定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)后，就會(huì)降低路由協(xié)議開(kāi)銷。總的來(lái)講，在路由協(xié)議開(kāi)銷、吞吐率方面，Tiny RPL 路由協(xié)議性能是非常優(yōu)越的。但是，在路由公平性與數(shù)據(jù)包交付率方面，還有待于進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

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