基于ACP的RPL路由協(xié)議設計與實現(xiàn)

李 棟，陳慈飛，吳佳琪，陳民華

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，規(guī)模不斷壯大，衍生出了眾多的新場景、新業(yè)務。由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡存在運營成本大、效率低下等缺點，已經(jīng)無法滿足當前網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢和要求，逐漸與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展相脫節(jié)。IBM公司于2001年首次提出自治網(wǎng)絡的概念[1],其基本目標是實現(xiàn)網(wǎng)絡自我管理、自我配置、自我優(yōu)化、自我修復、自我保護以及可擴展性等特點。

自治功能需要穩(wěn)定的基礎架構(gòu)來運行，以最大程度地降低網(wǎng)絡復雜性。如今，大多數(shù)關(guān)鍵的控制平面協(xié)議和網(wǎng)絡管理協(xié)議都在使用網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)平面。這通常導致一側(cè)的控制和管理平面與另一側(cè)的數(shù)據(jù)平面之間的不良依存關(guān)系。因此，ANIMA工作組定義自治控制平面 (Autonomic Control Plane,ACP)來為網(wǎng)絡提供獨立于數(shù)據(jù)平面的控制平面，為網(wǎng)絡的高效通信提供基礎，而ACP中通信需要滿足自治屬性的RPL路由協(xié)議來支撐。本文將從協(xié)議的設計、軟件開發(fā)以及軟件的測試和分析幾個方面來講述整個協(xié)議的原理與實現(xiàn)過程。

1 相關(guān)研究

2007年歐盟委員會啟動了第七框架計劃，同年該計劃推出了EFIPSANS項目[2]。該項目旨在分析當前互聯(lián)網(wǎng)中所存在的缺陷，探討未來自治管理互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、行為特征及實現(xiàn)方法。在IPv6基礎上探索、研究并創(chuàng)建新型的自治網(wǎng)絡。2014年IETF的ANIMA(Autonomic Network Integrated Model and Approach)工作組在GANA[3]的研究基礎上，提出了自己的自治網(wǎng)絡架構(gòu)，本著設計基礎、可重用的組件與分布式的思想，定義了三個具體的部分：自治控制平面(Autonomic Control Plane,ACP)[4]、通用自治信令協(xié)議(Generic Autonomic Signaling Protocol,GRASP)[5]和安全自啟動機制(Bootstrap Key Infrastructure，BRSKI)[6]。

自治功能需要穩(wěn)定的基礎架構(gòu)來運行，并且所有自治功能都應使用相同的基礎架構(gòu)，以最大程度地降低網(wǎng)絡的復雜性。如今，大多數(shù)關(guān)鍵的控制平面協(xié)議和網(wǎng)絡管理協(xié)議都在使用網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)平面。這通常導致一側(cè)的控制和管理平面與另一側(cè)的數(shù)據(jù)平面之間的不良依存關(guān)系，只有正確配置數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)和控制平面，數(shù)據(jù)平面和管理平面才能正常工作。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡管理方法中，可以通過帶外虛擬(Out of Band)技術(shù)[7]解決這些問題，但是其過高的成本與代價很大程度上限制了該技術(shù)的進一步推廣。因此，ANIMA工作組定義了ACP自治控制平面來為自治域中的自治節(jié)點提供通信，ACP提供了強大而安全的通信覆蓋，同時實現(xiàn)了控制平面和數(shù)據(jù)平面的隔離。

為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡的要求，IETF(The Internet Engineering Task Force)工作組在2008年成立了ROLL小組，ROLL小組提出了基于IPv6的低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議RPL[8]。在實際中，ContikiOS和TinyOS是兩種最流行的操作系統(tǒng)，而TelosB是測試平臺上最常用的硬件平臺。在開源實現(xiàn)方面，兩個最廣泛使用的開源RPL實現(xiàn)分別是ContikiOS的Contiki RPL[9]和TinyOS中的Tiny RPL[10]，并且這些實現(xiàn)幾乎已經(jīng)用于涉及真實實驗的所有RPL研究活動中。

2 路由協(xié)議設計與實現(xiàn)

路由協(xié)議承載著自治節(jié)點的通信需求，影響著整個網(wǎng)絡的性能和存活時間。RPL協(xié)議是一個基于標準化IPv6的距離矢量路由協(xié)議，節(jié)點通過交換距離矢量構(gòu)造一個有向無環(huán)圖(Destination Oriented Directed Acyclic Graph,DODAG)，DODAG可以有效防止路由環(huán)路問題。由于RPL路由協(xié)議具有自我管理、自我配置的特性，龐大的規(guī)模以及拓展性強等特點，ACP在標準實現(xiàn)中使用RPL路由協(xié)議來實現(xiàn)域內(nèi)數(shù)據(jù)多跳傳輸，但由于RPL路由協(xié)議本是應用在無線傳感網(wǎng)絡中，而自治網(wǎng)絡基于有線環(huán)境，所以本文以ANIMA工作組提出的自治控制平面為基礎，闡述自治控制平面中基于Linux操作系統(tǒng)的RPL路由協(xié)議的設計與實現(xiàn)。

2.1 DODAG構(gòu)建流程

在自治域中將有很多類似NOC的節(jié)點，但是只能選擇一個NOC節(jié)點作為當前自治域中的根節(jié)點，負責當前域中自治節(jié)點的維護和管理，以及跨自治域流量交互等。整個自治域就是一個DODAG，DODAG的構(gòu)建主要包含上行路由和下行路由的構(gòu)建，其中上行路由和下行路由的構(gòu)建均是由DODAG Root發(fā)起，通過DIO，DAO，DAO-ACK，DIS控制消息完成DODAG的構(gòu)建。DODAG的構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 DODAG的構(gòu)建過程Fig.1 DODAG construction process

2.2 上行路由模塊

上行路由是指自治域中的自治節(jié)點到根節(jié)點方向的路由，當網(wǎng)絡中的其他節(jié)點無法獲得某些路由時，將數(shù)據(jù)包向上默認發(fā)給根節(jié)點，同時當兩個自治域中的節(jié)點進行交互時，也需要上行路由將其數(shù)據(jù)包送至根節(jié)點，由根節(jié)點與其他域中根節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。模塊主要包括上行路由的構(gòu)建和維護兩部分。

上行路由的構(gòu)建與維護主要涉及兩種消息類型，分別為DODAG信息對象信息(DODAG Information object,DIO)和DODAG信息請求消息(DODAG Information Solicitation,DIS)，具體消息實現(xiàn)格式代碼如圖2和圖3所示。

圖2 DIO消息格式Fig.2 DIO message format

圖3 DIS消息格式Fig.3 DIS message format

RPLInstance ID表示當前DODAG所在RPL Instances中的ID號；Version Number表示當前DODAG的版本號，主要用于保證DODAG中所有節(jié)點的網(wǎng)絡狀態(tài)同步，且其值隨著DODAG的更新而逐漸遞增；Rank的大小可以反映出當前節(jié)點相對于根節(jié)點在DODAG中的相對位置；MOP表示節(jié)點加入DODAG中的操作模式：存儲模式和非存儲模式；DTSN表示觸發(fā)DAO控制消息的序列號，主要用于維護和更新DODAG中的下行路由；DODAG ID是由DODAG Root分配的IPv6地址，表示當前DODAG的ID號，用于標識每一個DODAG的身份，且每個DODAG ID不能重復，必須唯一。Flags和Reserved 各占據(jù)1字節(jié)，在發(fā)送端這兩個字段均默認初始化設置為0，在接收端直接忽略這兩個字段。

上行路由的構(gòu)建過程由根節(jié)點廣播DIO消息請求周圍鄰居節(jié)點加入當前DODAG開始，確定加入DODAG的自治節(jié)點將發(fā)送DIO的節(jié)點添加至自己的父節(jié)點集合中，同時構(gòu)造到父節(jié)點以及根節(jié)點的上行路由，上行路由的維護過程是從構(gòu)建完上行路由后開始，接收DIO消息的節(jié)點會判斷DIO消息中的Rank字段是否為INFINITE，若是，則從父節(jié)點集合中刪除該節(jié)點；否則，會繼續(xù)判斷Version Number字段是否已經(jīng)改變了，若是，則將節(jié)點的Rank值設為INFINITE，廣播DIO狀態(tài)變?yōu)槲醇尤隓ODAG，斷開與之前節(jié)點之間的連接；否則,繼續(xù)判斷DIO消息是否來自其他的DODAG，若是，則判斷DIO中Prf字段是否大于當前根節(jié)點的Prf，當若大于當前根節(jié)點，則直接置Rank為INFINITE，廣播DIO消息斷開所有連接；否則，根據(jù)發(fā)送節(jié)點的Rank值計算自身節(jié)點的臨時Rank值；繼續(xù)判斷是否加入了新的DODAG，若是，則切換父節(jié)點更新路由信息；否則，比較Rank值，選取最優(yōu)父節(jié)點更新路由。

節(jié)點通過遍歷節(jié)點的接口信息，創(chuàng)建與接口一一對應的RAW套接字用于廣播的DIO消息。由于節(jié)點進行廣播DIO是周期性的，所以在RPL進程中使用了單獨的線程處理DIO消息的轉(zhuǎn)發(fā)。IPv6中不再有廣播的概念，而是將其看做一種特殊的組播。在進行組播DIO消息時使用Raw套接字組播DIO消息，使用組播地址作為目的地址，其中組播地址中“FF02::1”指所有開啟了IPv6組播的主機，一般為鏈路上加入RPL多播組的所有主機。具體代碼如下：

const uint8_t all_rpl_addr[]= {0xff,0x02,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0x1a};

memcpy(&mreq.ipv6mr_multiaddr.s6_addr[0],all_rpl_addr,sizeof(mreq.ipv6mr_multiaddr));

if (setsockopt(sock,SOL_IPV6,IPV6_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq)) < 0)

∥節(jié)點加入多播組

for(int i=0;i

{

pa->ifname[i]=ifname[i];

}

for(int i=0;iif_count;i++)

{

if(pa->r_sock!=*(pa->s_sock+i))∥遍歷接口中繼，剔除收到消息接口

{

s_bytes=sendmsg(*(pa->s_sock+i),&mhdr,0);

}

}

2.3 下行路由模塊

下行路由是指自治域中的從根節(jié)點方向到其他自治節(jié)點方向的路由，根節(jié)點掌握所有子節(jié)點的路由信息，當數(shù)據(jù)包查找不到目的地時，會向上交付給父節(jié)點，由父節(jié)點查詢下行路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。模塊主要包括下行路由的構(gòu)建和維護兩部分。

下行路由的構(gòu)建與維護主要涉及兩種消息類型，分別為DODAG目的地通告消息(Destination Advertisement Object,DAO)和DODAG目的地通告消息確認消息(Destination Advertisement Object Acknowledgement,DAO-ACK)，具體消息格式如圖4和圖5所示。

圖4 DAO消息格式Fig.4 DAO message format

圖5 DAO-ACK消息格式Fig.5 DAO-ACK message format

DAO控制消息中RPLInstanceID是從接收到的DIO控制消息中獲?。籏標志位、表示DAO控制消息發(fā)送端是否需要接收端返回DAO-ACK控制消息；D字段表示DODAG ID字段是否存在；Flags字段和Reserved字段DIO控制消息中的操作一致；DAO Sequence字段被作為一個計數(shù)器，主要用于記錄節(jié)點收到其下游節(jié)點發(fā)送的DAO控制消息的數(shù)量，即節(jié)點每收到一個攜帶路由前綴的DAO控制消息，該字段的值便增加1；DODAGID字段的“*”表示DODAGID并不總是存在，該字段僅在設置D字段時才出現(xiàn)，即當使用本地RPLInstanceID時才存在，當使用全局RPLInstanceID時不存在。

下行路由的創(chuàng)建過程由節(jié)點收到DIO消息后建立完成上行路由開始，然后向選定的父節(jié)點回復DAO消息來通告自身地址前綴，協(xié)助父節(jié)點以及根節(jié)點來建立到自身的下行路由，最后如果需要則將DAO消息送至根節(jié)點，由根節(jié)點回復確認消息DAO-ACK消息，來提高下行路由的可靠性，當節(jié)點入網(wǎng)后，將收到DIO消息中的目標函數(shù)(Objective Function，OF)中定義的一個或多個度量和約束轉(zhuǎn)換為Rank值，然后周期廣播DIO繼續(xù)協(xié)助周圍鄰居入網(wǎng)。

節(jié)點通過遍歷節(jié)點的接口信息，結(jié)合poll函數(shù)實現(xiàn)非阻塞的RAW套接字，同時實現(xiàn)超時時間的設定與套接字的監(jiān)聽。Poll函數(shù)可以實現(xiàn)非阻塞IO的套接字，它可以通過監(jiān)視套接字描述符的變化來監(jiān)測等待事件的發(fā)生，一旦判定收到DIO消息，就確定接口信息，單播回復DAO消息。通過對若干個套接字進行輪詢，根據(jù)發(fā)生的事件來進行相應的處理。代碼示例如下：

for(int i=0;igif_count;i++)∥輪詢加入poll監(jiān)聽池

{

gif6.gifaddr6[i].ifa_name=pa->ifname[i];

fds[i].fd=pa->r_sock[i];

fds[i].events=POLLIN;∥設置監(jiān)控觸發(fā)事件

}

ret=poll(fds,pa->gif_count,INFTIM);

if(fds[i].revents==POLLIN)∥捕獲觸發(fā)的事件類型

send_dao(r_sock,r_src,parent,relay_src,dao_seq,r_dio.instanceid,r_dio.dodagid,ip6_src_add.s6_addr,plen);∥回復DAO消息

3 軟件測試及分析

在軟件協(xié)議的開發(fā)中，軟件功能的實現(xiàn)是保障協(xié)議能夠正常運行的最基本要求。為了驗證RPL路由協(xié)議能否正常運行，本文編寫了相應的測試用例對RPL協(xié)議模塊功能進行測試。

3.1 測試環(huán)境搭建

為測試RPL路由協(xié)議功能及性能，需要首先搭建自治控制平面作為測試平臺，實際搭建的測試場景網(wǎng)絡拓撲如圖6所示。

圖6 測試網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Fig.6 Network topology used for testing

圖6中所有的節(jié)點都是在一臺臺式機上通過Vmware Workstation虛擬機軟件虛擬了多個虛擬節(jié)點，在其上運行Linux操作系統(tǒng)，通過對節(jié)點進行配置多個虛擬網(wǎng)卡來構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲，每個網(wǎng)卡分別配置了不同網(wǎng)段的IPv6的LLA地址和ULA地址，其中LLA地址為鏈路本地地址，是默認為網(wǎng)卡分配的地址，用于本地鏈路之間的通信；自治控制平面在運行路由協(xié)議前，會自動分配一個ULA地址用于當前域內(nèi)路由。

3.2 構(gòu)建RPL路由測試

在所有的節(jié)點上運行RPL路由協(xié)議軟件，節(jié)點首先會初始化接口信息，例如A節(jié)點有兩個接口eth0和eth1，然后創(chuàng)建Raw套接字，其中假設A是根節(jié)點，其IPv6地址為fd89::1，作為DODAGID，其他節(jié)點是普通節(jié)點，首先由A構(gòu)建DODAG，A節(jié)點組播DIO消息如圖7所示，鄰居節(jié)點B和C收到DIO消息后構(gòu)建上行路由如圖8所示，收到的DIO消息中的DODAGID字段為fd89::1，rank值為0表示是根節(jié)點，B,C節(jié)點根據(jù)DIO消息構(gòu)建到節(jié)點A的上行路由,如圖9所示。然后向節(jié)點A回復DAO消息，其中Target Prefix字段為fd89:1::10，表示B的IPv6地址，節(jié)點A構(gòu)造下行路由的測試結(jié)果如圖10所示。

當節(jié)點B,C,D,E,F加入到DODAG后，在A節(jié)點中會聚集子節(jié)點路由信息，如圖11所示，這表示當前網(wǎng)絡已經(jīng)組網(wǎng)完成，如果節(jié)點是鄰居直連，則下一跳使用null表示，ifname表示數(shù)據(jù)包發(fā)送接口。

路由修復以節(jié)點B脫網(wǎng)為例，如圖12所示，當節(jié)點B故障時，A節(jié)點通過發(fā)送DIO消息并等待DAO消息，若在一定時間內(nèi)沒有收到，則會檢測出節(jié)點B出現(xiàn)故障，刪除故障節(jié)點路由。

圖7 A節(jié)點組播DIO消息測試信息Fig.7 Test information for Node A multicast DIO messages

圖8 B，C節(jié)點接收DIO消息測試信息Fig.8 Test information for node B and node C receiving DIO messages

圖9 B，C節(jié)點構(gòu)建上行路由測試信息Fig.9 Test information fornode B and node C to build upward routes

圖10 A節(jié)點構(gòu)建下行路由測試信息Fig.10 Test information for node A to build downward routes

圖11 A節(jié)點存儲的路由測試信息Fig.11 Test information of the routes stored at node A

圖12 A節(jié)點刪除錯誤路由測試信息Fig.12 Test information of node A deleting the wrong route

4 結(jié)束語

自治網(wǎng)絡作為當前一個較為新穎的研究方向，在當前的學術(shù)界以及相關(guān)領域被關(guān)注的不多，研究成果也較少。因此，本文以ANIMA工作組提出的自治網(wǎng)絡基礎結(jié)架構(gòu)中的自治控制平面為參考模型，重點是實現(xiàn)其中的路由協(xié)議來打通一個虛擬帶外網(wǎng)絡，在不依賴于節(jié)點的配置與全局路由表的情況下，依舊可以維持與網(wǎng)絡中節(jié)點的連通性，實現(xiàn)對于節(jié)點的管理與維護。本實現(xiàn)開拓性地在Linux系統(tǒng)下，結(jié)合網(wǎng)絡編程相關(guān)知識，使用C語言成功地實現(xiàn)了RPL路由模塊以及相應功能。實現(xiàn)結(jié)果表明，本文所設計的軟件系統(tǒng)能夠基本滿足自治控制平面中對路由的要求。