低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的組網(wǎng)優(yōu)化算法研究

程克非 陳慈飛 李 棟 吳佳琪

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

0 引 言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的快速發(fā)展，低功耗有損網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在多種場(chǎng)景，包括工業(yè)監(jiān)控[2]、智能電網(wǎng)自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施(Advanced metering infrastructure,AMI)[3]和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)[4]，研究低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(Low power and lossy networks,LLN)的路由協(xié)議具有重要意義。浮空器上設(shè)備自組網(wǎng)是由具有數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸能力的無(wú)線設(shè)備組成，其中包括飛控設(shè)備、紅外成像設(shè)備等，其主要特點(diǎn)是低動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多?shù)據(jù)流量形式、高可靠性、高穩(wěn)定性等。浮空器上設(shè)備自組網(wǎng)受限于有限的資源，屬于低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用場(chǎng)景，但是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模要小于普通無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)在，大部分的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的部署都采用基于開(kāi)放式和標(biāo)準(zhǔn)化的IPv4/IPv6體系結(jié)構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)連接，這種方法使得LLN更具有互操作性、靈活性和多功能性。低功耗有損網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)資源有限，并且網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的鏈路質(zhì)量不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，這種情況讓路由協(xié)議的研究帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)。國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(The Internet Engineering Task Force，IETF)的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由(Routing over Low Power and Lossy Networks,ROLL)小組在對(duì)比了OLSR[5]、AODV[6]等路由協(xié)議后，于2012年提出了RPL路由協(xié)議[7]，制定了標(biāo)準(zhǔn)RFC6550，以此引入基于IPv6的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。

目前，針對(duì)RPL路由協(xié)議的擁塞控制[8-9]和構(gòu)建過(guò)程[10]等方面已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。針對(duì)近根節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)大量的DAO消息導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，文獻(xiàn)[11]提出一種改進(jìn)的DelayDAO定時(shí)器機(jī)制，以控制DAO的轉(zhuǎn)發(fā)速率，避免擁塞，但是并未減少DAO消息的數(shù)量，同時(shí)增加了路由建立過(guò)程的收斂時(shí)間。文獻(xiàn)[12]提出了一種快速的DODAG形成機(jī)制，通過(guò)根據(jù)接收到的DIS(DODAG Information Solicitation)消息數(shù)量縮短DIO(DODAG Information Object)消息的傳輸間隔，這樣雖然加快了路由構(gòu)建的速度，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了至少一次DIO消息的發(fā)送，產(chǎn)生了控制開(kāi)銷。文獻(xiàn)[13]通過(guò)將上下行路由構(gòu)建過(guò)程完全分開(kāi)，先通過(guò)逐跳發(fā)送DIO消息，以此建立上行路由，再由葉子節(jié)點(diǎn)向根節(jié)點(diǎn)逐跳回復(fù)DAO消息，以此建立下行路由。這種方式在一定程度上降低了開(kāi)銷，但是由于低功耗有損網(wǎng)絡(luò)中鏈路狀態(tài)不穩(wěn)定，控制消息的丟失，就會(huì)使得整條路徑上的路由構(gòu)建失敗，這導(dǎo)致收斂時(shí)間和控制開(kāi)銷的增加。

對(duì)現(xiàn)有RPL路由協(xié)議分析，低功耗有損網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)模式的路由構(gòu)建過(guò)程存在著以下的缺點(diǎn)：

1) 在路由構(gòu)建的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)是從根節(jié)點(diǎn)周圍逐層進(jìn)行路由構(gòu)建，節(jié)點(diǎn)最后收到DAO-ACK(Destination Advertisement Object-Acknowledge)消息后，才完成路由構(gòu)建過(guò)程，然后向下一跳廣播DIO消息，這將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由構(gòu)建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到DIO消息后，都需要立即向最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息，DIO消息是單跳內(nèi)廣播，而DAO消息經(jīng)過(guò)多跳傳輸?shù)礁?jié)點(diǎn)，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中，尤其是在靠近根節(jié)點(diǎn)的地方，DAO消息的數(shù)量過(guò)多，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2) 在路由構(gòu)建時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到DIO消息后，需要立即回復(fù)一個(gè)DAO消息來(lái)加入DODAG，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)有多個(gè)父節(jié)點(diǎn)，即短時(shí)間內(nèi)會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送DIO消息，節(jié)點(diǎn)按順序接收DIO消息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)選擇第一個(gè)DIO消息的發(fā)送者為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)后，若再次收到鏈路狀況更好的DIO消息，則需要進(jìn)行切換，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生不必要的控制開(kāi)銷。

本文將針對(duì)構(gòu)建過(guò)程中控制開(kāi)銷過(guò)大及網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，從DODAG的構(gòu)建過(guò)程出發(fā)，綜合考慮DAO定時(shí)器以及消息聚合等機(jī)制，對(duì)RPL路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 RPL路由協(xié)議原理

RPL路由協(xié)議是距離矢量路由協(xié)議，可以工作在不同的MAC層之上[14]。RPL基于有向無(wú)環(huán)圖(Destination Oriented Directed Acyclic Graph,DODAG)的拓?fù)涓拍?，這是一種典型的樹(shù)狀路由，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)目標(biāo)函數(shù)選擇一個(gè)最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，以此構(gòu)建一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖。

如圖1所示，路由的構(gòu)建由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起，根節(jié)點(diǎn)上電后，通過(guò)Trickle定時(shí)器[15]向周圍廣播DIO消息來(lái)通告自身的存在，DIO消息中包括實(shí)例號(hào)、DODAG ID、自身的Rank以及網(wǎng)絡(luò)的配置信息。當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)A收到根節(jié)點(diǎn)的DIO消息后，首先將根節(jié)點(diǎn)加入到自身的父節(jié)點(diǎn)列表中，再通過(guò)目標(biāo)函數(shù)(Object Function,OF)和父節(jié)點(diǎn)的Rank值計(jì)算自身的Rank值，并且向根節(jié)點(diǎn)單播回復(fù)一個(gè)DAO消息，根節(jié)點(diǎn)收到DAO消息后，添加子節(jié)點(diǎn)信息，并且回復(fù)DAO-ACK消息，節(jié)點(diǎn)A收到DAO-ACK消息后，即完成入網(wǎng)過(guò)程。

圖1 路由構(gòu)建過(guò)程

節(jié)點(diǎn)A完成路由構(gòu)建后，將計(jì)算后的自身Rank值和網(wǎng)絡(luò)配置信息添加至DIO消息中，向周圍廣播。節(jié)點(diǎn)B收到DIO消息后，計(jì)算Rank值后，將節(jié)點(diǎn)A添加到父節(jié)點(diǎn)列表，若該節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，則向節(jié)點(diǎn)A回復(fù)DAO消息，以建立下行路由。節(jié)點(diǎn)A收到該DAO消息后，添加至子節(jié)點(diǎn)列表中，并且將該DAO消息轉(zhuǎn)發(fā)到根節(jié)點(diǎn)。

根節(jié)點(diǎn)收到DAO消息后向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送DAO-ACK消息，節(jié)點(diǎn)B收到DAO-ACK消息后，完成入網(wǎng)過(guò)程。

當(dāng)新節(jié)點(diǎn)C需要加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，向周圍節(jié)點(diǎn)周期性廣播DIS消息以請(qǐng)求加入到網(wǎng)絡(luò)中，周圍已經(jīng)加入DODAG的鄰居節(jié)點(diǎn)B收到該DIS消息后，會(huì)向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送DIO消息，節(jié)點(diǎn)C收到以后，向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息，最后收到DAO-ACK消息后，完成入網(wǎng)過(guò)程。

路由構(gòu)建過(guò)程中，目標(biāo)函數(shù)使用路由度量，如跳數(shù)和期望傳輸次數(shù)ETX，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的Rank值，Rank值也將作為選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的依據(jù)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)比較父節(jié)點(diǎn)列表中父節(jié)點(diǎn)的Rank值，選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。

RPL路由協(xié)議的構(gòu)建分為存儲(chǔ)模式和非存儲(chǔ)模式。在存儲(chǔ)模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到DAO消息都需要存儲(chǔ)子孫節(jié)點(diǎn)的信息，并且建立路由表后，再將DAO消息轉(zhuǎn)發(fā)給自身的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。在非存儲(chǔ)模式下，DAO消息直接發(fā)送給DODAG根節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)不存儲(chǔ)DAO消息內(nèi)容，僅將自己的地址添加在DAO消息中，發(fā)送給自己的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，只有根節(jié)點(diǎn)擁有全網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由信息。

2 RPL路由協(xié)議組網(wǎng)優(yōu)化算法

針對(duì)低功耗有損網(wǎng)中RPL路由協(xié)議構(gòu)建的收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及構(gòu)建過(guò)程中控制消息過(guò)多的問(wèn)題，本文提出了一種RPL路由協(xié)議的組網(wǎng)優(yōu)化算法，其中包括“跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”和“自適應(yīng)DAO定時(shí)器”兩部分，從而有效減少了構(gòu)建過(guò)程中的收斂時(shí)間和降低構(gòu)建過(guò)程中RPL的控制開(kāi)銷。

2.1 跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO

在RPL路由協(xié)議的存儲(chǔ)模式下，DAO數(shù)據(jù)包不是單播到DODAG的根節(jié)點(diǎn)，而是單播給自身的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，然后最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)添加完路由信息后發(fā)送給自身的父節(jié)點(diǎn)，這些DAO數(shù)據(jù)包以逐跳的方式到達(dá)DODAG的根節(jié)點(diǎn)，從而建立起RPL路由協(xié)議的下行路由。

“跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”機(jī)制在DIO消息中Reserved保留字段引入了DAO-Aggregation字段，在路由構(gòu)建過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷DIO消息中的DAO-Aggregation，以此決定是否需要聚合子節(jié)點(diǎn)DAO消息，以減少DAO消息的發(fā)送數(shù)量。其DIO消息的消息格式如圖2所示。

圖2 DIO消息格式

圖2中的字段Agg是DAO消息聚合標(biāo)志位，即DAO-Aggregation，占用8 bit保留字段中的1 bit。當(dāng)DAO-Aggregation為1時(shí)，則表示節(jié)點(diǎn)需要聚合DAO消息，DAO-Aggregation為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即回復(fù)DAO消息。

為了更好地兼容原有協(xié)議，聚合后的DAO消息采用原協(xié)議中的Target選項(xiàng)，Target選項(xiàng)用于指示沿DODAG可以到達(dá)的目的IPv6地址，即表示目標(biāo)IPv6地址節(jié)點(diǎn)的可到達(dá)性。

本文將對(duì)聚合機(jī)制中的Target選項(xiàng)的包格式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的Target選項(xiàng)

Option Length為整個(gè)Target選項(xiàng)的長(zhǎng)度，DAO-PRI為優(yōu)先級(jí)標(biāo)志位，占用2 bit，告知父節(jié)點(diǎn)此消息能否被聚合，Prefix Length為IPv6地址的前綴長(zhǎng)度。

對(duì)于聚合DAO消息中最大能聚合的地址數(shù)量，本文定義為T(mén)argetmax，其計(jì)算公式為：

(1)

DAOoverhead=IPv6h+ICMPv6h+DAOh+Tageth

(2)

式中：MTU為網(wǎng)絡(luò)中的最大傳輸單元，由網(wǎng)絡(luò)層而決定。IPv6h、ICMPv6h、DAOh、Targeth為控制消息中的IPv6頭部、ICMPv6頭部、DAO頭部和目標(biāo)選項(xiàng)的頭部大小。

“跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”機(jī)制的算法流程如圖4所示。

圖4 “跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”流程圖

整個(gè)DODAG的構(gòu)建由根節(jié)點(diǎn)發(fā)起，將DIO消息中的DAO-Aggregation置為1,向周圍節(jié)點(diǎn)廣播DIO消息，讓鄰居節(jié)點(diǎn)能夠加入到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點(diǎn)收到的DIO消息的DAO-Aggregation字段與自身發(fā)出的DIO消息中的DAO-Aggregation字段相反。

步驟一當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到DIO消息后，從DIO中獲取DODAG信息，選擇是否加入到網(wǎng)絡(luò)中，若不加入網(wǎng)絡(luò)，則返回繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。若選擇加入到網(wǎng)絡(luò)中，則添加路由信息，轉(zhuǎn)至步驟二。

步驟二判斷DAO-Aggregation是否為1，若該字段不為1，則添加完路由信息后，立即向自身最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息，通告自身的目的地信息。若該字段為1，則不立即回復(fù)DAO消息，設(shè)置定時(shí)器以聚合DAO消息，轉(zhuǎn)至步驟三。

步驟三設(shè)置完定時(shí)器后，將DIO消息中的DAO-Aggregation設(shè)置為0，并且向自身的周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播。

步驟四在定時(shí)器到期前，若收到子節(jié)點(diǎn)的DAO消息，判斷此時(shí)聚合數(shù)量是否已達(dá)上限，若未達(dá)到上限，則將該DAO消息聚合至自身的DAO消息中。若已達(dá)上限，則進(jìn)行保存第二個(gè)DAO消息中，并轉(zhuǎn)至步驟五。

步驟五在定時(shí)器到期后，節(jié)點(diǎn)將聚合后的DAO消息發(fā)送給自身的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。

2.2 自適應(yīng)DAO定時(shí)器

DAO定時(shí)器決定了等待聚合的時(shí)間，起著非常重要的作用。在實(shí)際中，如果DAO定時(shí)器的時(shí)間值設(shè)置得比較小，節(jié)點(diǎn)在收到DAO消息后，將在很短的時(shí)間就發(fā)送給自身的父節(jié)點(diǎn)，無(wú)法達(dá)到聚合的最佳效果，尤其是在位于根節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)，無(wú)法降低近根節(jié)點(diǎn)周圍的開(kāi)銷和緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。而如果DAO定時(shí)器的時(shí)間設(shè)置得比較大，雖然很大程度上降低了控制開(kāi)銷，但是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樵诟鱾€(gè)設(shè)置DAO定時(shí)器的節(jié)點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生較大的延時(shí)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)間加長(zhǎng)。因此，傳輸DAO消息的延時(shí)時(shí)間需要和拓?fù)湫畔⒔Y(jié)合。與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)收到DIO消息后，立即回復(fù)DAO消息，也使得構(gòu)建過(guò)程中發(fā)生切換父節(jié)點(diǎn)的次數(shù)增加，增加網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。

本文提出一種“自適應(yīng)DAO定時(shí)器”，節(jié)點(diǎn)在收到DIO消息之前，通過(guò)收到的DIS消息，掌握自身的鄰居節(jié)點(diǎn)情況。定義Tdelaydao為DAO定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間：

Tdelaydao=TRTT+Tprocess×Nneighbor

(3)

式中：TRTT為節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的單跳往返時(shí)延，Tprocess為節(jié)點(diǎn)處理DAO數(shù)據(jù)的平均時(shí)間。Nneighbor為節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)。

在DODAG根節(jié)點(diǎn)廣播DIO消息前，普通節(jié)點(diǎn)都處于未加入DODAG的狀態(tài)，需向周圍周期性廣播DIS消息。普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的DIS消息判斷自身周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，并且自定義自身的DAO定時(shí)器。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟DAO定時(shí)器后，等待子節(jié)點(diǎn)的DAO消息的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)比較定時(shí)時(shí)間內(nèi)收到的DIO消息，以決定最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，增加鏈路的穩(wěn)定性，減少切換父節(jié)點(diǎn)造成的不必要開(kāi)銷。對(duì)于需要聚合DAO消息的節(jié)點(diǎn)而言，DAO定時(shí)器將一定程度上增加其組網(wǎng)時(shí)間，降低響應(yīng)實(shí)時(shí)性，但是對(duì)整個(gè)DODAG的構(gòu)建來(lái)說(shuō)，一次對(duì)DODAG的兩層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由構(gòu)建取代了原有逐層進(jìn)行路由構(gòu)建，縮短了整個(gè)DODAG的路由構(gòu)建的收斂時(shí)間。

3 RPL路由協(xié)議組網(wǎng)優(yōu)化算法實(shí)驗(yàn)

本節(jié)將模擬浮空器上設(shè)備自組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。為了驗(yàn)證RPL路由協(xié)議的組網(wǎng)優(yōu)化算法的性能，采用基于OpenWRT(嵌入式Linux的發(fā)行版)系統(tǒng)的JS9331低功耗Wi-Fi開(kāi)發(fā)板，單跳覆蓋范圍為30 m。對(duì)比協(xié)議為原始RPL路由協(xié)議、文獻(xiàn)[12]中的RPL路由協(xié)議。

3.1 RPL路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)框架

整個(gè)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)部分，分別為“路由控制模塊”和“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊”，分別位于用戶空間和內(nèi)核空間?！奥酚煽刂颇K”分為DIO、DAO、DAO-ACK、DIS消息的發(fā)送及處理模塊、偵聽(tīng)模塊、Trickle定時(shí)器模塊、目標(biāo)函數(shù)模塊、路由更新模塊等關(guān)鍵子模塊，“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊”分為Pre-routing、Post-routing模塊、虛擬文件模塊等關(guān)鍵子模塊。

系統(tǒng)整體框架如圖5所示?！奥酚煽刂颇K”通過(guò)DIO、DAO、DAO-ACK、DIS等控制信息的交互，獲取鏈路信息，產(chǎn)生路由表信息，并將路由表信息通過(guò)PROC文件共享至內(nèi)核空間?！皵?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊”采用Netfilter框架，通過(guò)hook技術(shù)在掛載點(diǎn)進(jìn)行嵌入，當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入到Linux操作系統(tǒng)協(xié)議棧后，依據(jù)“路由控制模塊”的路由信息，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的正確尋路、傳輸。

圖5 整體實(shí)現(xiàn)框架

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置

實(shí)驗(yàn)中，為了模擬真實(shí)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)間的距離為20 m，根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置6種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹９?jié)點(diǎn)數(shù)為5、6的DODAG有同樣的網(wǎng)絡(luò)深度，深度為3；節(jié)點(diǎn)數(shù)為7、8的DODAG有同樣的網(wǎng)絡(luò)深度，深度為4；節(jié)點(diǎn)數(shù)為9的DODAG網(wǎng)絡(luò)深度為5。本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境的主要具體參數(shù)配置如表1所示。

表1 參數(shù)配置

續(xù)表1

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文為評(píng)估優(yōu)化后的RPL路由協(xié)議的性能，將從路由構(gòu)建時(shí)間、控制開(kāi)銷兩個(gè)方面對(duì)所提出的RPL路由協(xié)議組網(wǎng)優(yōu)化算法進(jìn)行驗(yàn)證。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，每次實(shí)驗(yàn)測(cè)試重復(fù)10次，最終取平均值作為最后結(jié)果。下面將對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行定義。

1) 路由構(gòu)建時(shí)間：從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后發(fā)起組網(wǎng)至網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)都收到DAO-ACK消息，加入到DODAG中的時(shí)間。

2) 路由構(gòu)建總控制開(kāi)銷：路由構(gòu)建時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送DIO、DAO、DAO-ACK、DIS控制消息的總字節(jié)數(shù)。

如圖6所示，隨著DODAG中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，構(gòu)建時(shí)間也在增加。其中當(dāng)網(wǎng)絡(luò)深度增加的時(shí)候，DODAG的構(gòu)建時(shí)間增加幅度要相對(duì)高一些。對(duì)比圖中，優(yōu)化后的RPL路由協(xié)議，控制開(kāi)銷降低了至少9.3%。分析其主要原因?yàn)椋壕W(wǎng)絡(luò)初始化構(gòu)建時(shí)，原始的RPL路由協(xié)議是逐層進(jìn)行路由構(gòu)建，并進(jìn)行確認(rèn)，“跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”機(jī)制和“自適應(yīng)DAO定時(shí)器”每一次是針對(duì)DODAG中兩層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入網(wǎng)確認(rèn)，使得構(gòu)建過(guò)程中減少了DAO消息和DAO-ACK消息的交互次數(shù)，從而有效地減少路由構(gòu)建時(shí)間。

圖6 路由構(gòu)建時(shí)間比較

如圖7所示為構(gòu)建過(guò)程中的控制開(kāi)銷對(duì)比圖。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，控制開(kāi)銷的數(shù)量也在增加。如圖7(a)所示，本文優(yōu)化后的RPL路由協(xié)議相比于其他協(xié)議，DAO消息的數(shù)量得到了明顯的下降。如圖7(b)所示為路由構(gòu)建的總控制開(kāi)銷對(duì)比，優(yōu)化的RPL路由協(xié)議比現(xiàn)有RPL路由協(xié)議在路由構(gòu)建過(guò)程的總控制開(kāi)銷至少降低了10.6%。

(a) DAO消息數(shù)量

(b) 路由構(gòu)建總控制開(kāi)銷圖7 路由構(gòu)建控制開(kāi)銷比較

分析其主要原因：首先，“跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”機(jī)制將子節(jié)點(diǎn)的地址聚合成一個(gè)DAO消息，有效減少了向根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的DAO消息的字節(jié)數(shù)，其次，“自適應(yīng)DAO定時(shí)器”減少了DAO消息聚合節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)切換次數(shù)，即減少了路由切換時(shí)的DAO消息的數(shù)量。最后，組網(wǎng)優(yōu)化算法對(duì)聚合后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一確認(rèn)也降低了DAO-ACK消息的數(shù)量，從而減少了路由構(gòu)建的總控制開(kāi)銷。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)RPL路由構(gòu)建過(guò)程中收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及控制開(kāi)銷過(guò)多的問(wèn)題，提出一種RPL路由協(xié)議的組網(wǎng)優(yōu)化算法，其包括了“跨節(jié)點(diǎn)聚合DAO”機(jī)制和“自適應(yīng)DAO定時(shí)器”兩種新機(jī)制。該算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的DAO消息進(jìn)行有效聚合，并且通過(guò)對(duì)聚合的DAO消息進(jìn)行統(tǒng)一的確認(rèn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，RPL路由協(xié)議的組網(wǎng)優(yōu)化算法不僅能夠有效降低控制開(kāi)銷，并且能縮短路由構(gòu)建過(guò)程的收斂時(shí)間。在未來(lái)的工作中，我們將對(duì)父節(jié)點(diǎn)的選擇機(jī)制進(jìn)行研究，進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。