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可靠传输ReliableTransmission

可靠传输ReliableTransmission

2014年/第1期物联网技术

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物联网技术2014年/第1期

无线传感网络中的RPL路由协议研究

胡芹艳，尹长川
（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876）

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
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302(2014)01-0057-03

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
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。

图1DAG结构示意图
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、
[1]。
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
目标函数（OF）、DODAG版本号等
其中OF规定了拓扑
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）
————————————————收稿日期：2013-11-14基金项目：国家自然科学基金（61271257）；
北京市自然科学基金（4122034）；
教育部博士点基金（20120005110007）
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