低功耗有损网络中的RPL路由协议研究

发布时间：2020-09-03 12:11

　　随着物联网技术的迅猛发展,无线传感器节点根据不同应用需求所构成的低功耗有损网络(Low Power and Lossy Networks,LLN)成为了当前的研究热点。LLN具有广泛的应用前景,譬如环境监测、医疗保健和工业控制等领域。然而,由于组成LLN的无线传感器节点通常在处理能力、存储空间以及能量(电池功率)方面受到限制,因此为了满足更广阔的应用需求,国际互联网工程任务组提出了一种基于IPv6的LLN路由协议(IPv6 based Routing Protocol for LLN,RPL)。本文在综述现有LLN路由算法的基础上,主要从网络拥塞控制和路由修复两个方面进行深入研究并提出一定改进,本文在上述两个方面所作出的具体研究工作如下:针对LLN中现有负载均衡相关算法不能有效地降低网络拥塞发生的概率,以及现有网络拥塞控制算法无法快速高效地缓解网络拥塞等问题,提出了一种基于多维度量结合的集中式网络拥塞控制路由协议(Centralized Congestion Control Routing Protocol Based on Multi-metrics Combination,CRPMC)。该协议综合考虑节点剩余能量、缓存占用率、无线链路质量以及中继节点当前子节点个数等多维度量完成网络拓扑的构建;通过网络拥塞节点对数据流量进行分析和处理,并采取集中式的方式控制其子节点的切换;为了避免网络出现震荡现象,对“乒乓效应”问题进行了有效解决。理论分析验证了CRPMC的有效性,仿真结果表明,本文所提出的CRPMC在网络拥塞发生概率、网络平均寿命以及根节点平均吞吐量等性能指标方面得到了一定的改善。针对LLN中现有路由修复算法存在控制开销冗余、修复时延较大和路由环路的问题,提出了一种基于环路避免的高效LLN路由修复算法(High-efficient Loop-free Based Repair Routing Protocol for LLN,HLR-RPL)。该算法包含三个改进机制:(1)“取消拆路消息”机制,通过采用一种改进后的面向目的地的有向无循环图(Destination Oriented Directed Acyclic Graph,DODAG)信息请求消息(Modified DODAG Information Solicitation,MDIS),使得当前无线链路故障节点将其链路故障状态及时通告给其子节点和邻居节点;(2)“减少控制消息回复”机制,链路故障节点的邻居节点接收到MDIS控制消息后,并非均要向链路故障节点回复DODAG信息对象消息(DODAG Information Object,DIO);(3)“链路故障节点的子节点切换”机制,使得链路故障修复后的网络拓扑结构能够处于更优状态。理论分析验证了HLR-RPL算法的有效性,仿真结果表明:与现有相关路由修复算法相比,HLR-RPL算法的归一化控制开销减少了25%以上,路由修复时延至少降低了32.64%,并且能够有效地避免路由环路现象的出现。最后,对全文所做的工作进行了总结,并对LLN中的RPL路由协议的进一步研究进行了展望。
【学位单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5;TP212.9
【部分图文】：

示意图,体系结构,路由协议,示意图

图 1.1 LLN 体系结构示意图由于传统的路由协议，譬如移动 Ad-hoc 网络中的按需距离矢量路由协议(Ad-hoc on-demand Distance Vector, AODV)[10]、动态源路由协议(Dynamic SourcRouting, DSR)[11]以及最优链路状态路由协议 (Optimized Link State Routing

拓扑结构图,路由协议,嵌入式设备,路由

图 2.1 RPL 路由协议拓扑结构图(包含 3 个 DODAG 和 2 个 RPL Instance)在 RPL 路由协议拓扑结构图中，每个嵌入式设备均拥有一个指定的网络ank，Rank 值的大小反映了该嵌入式设备相对于 DODAG Root 的位置AG3 中可以发现沿着下行路由方向，嵌入式设备的 Rank 值的大小呈现

消息,帧格式

图 2.2 RPL 控制消息的帧格式如图 2.2 所示，当检测到消息类型字段的值为 155 时，则表明该消息属于 RPL控制消息；代码字段标识着 RPL 控制消息的类型，DIO 控制消息的代码字段值为0x01、DAO 控制消息的代码字段值为 0x02、DAO-ACK 控制消息的代码字段值为

【参考文献】