王朝碩，朱克蘭，姚玉坤，趙子軍

(1.中國南方電網(wǎng)高壓輸電公司 信息通信運維中心，廣東 廣州 510000；2.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

0 引 言

低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(low power and lossy network，LLN)[1,2]是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)[3,4]的一類分支，目前被越來越廣泛地應(yīng)用于智能電網(wǎng)[5]、智能建筑[6]、智能家居[7]和環(huán)境監(jiān)測[8]等領(lǐng)域，RPL路由協(xié)議(routing protocol for LLN，RPL)[9]作為專為LLN制定的路由協(xié)議也受到了關(guān)注。當(dāng)前，RPL路由協(xié)議的研究熱點為基于單sink的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡[10-12]，但相關(guān)研究表明基于多sink的LLN與基于單sink的LLN相比具有較大的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢。文獻(xiàn)[13,14]通過對比分析證明了隨著sink節(jié)點數(shù)目的增加，能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。然而當(dāng)前基于多sink節(jié)點的RPL路由協(xié)議中的研究中仍存在一定的問題。文獻(xiàn)[15]提出通過多重身份節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量在多個面向目的地的有向無循環(huán)圖(destination-oriented directed acyclic graph，DODAG)之間的自適應(yīng)分配，從而均衡多個DODAG的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但該協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)性能的提升不算明顯。文獻(xiàn)[16]提出一種基于備用sink節(jié)點的優(yōu)化RPL協(xié)議，為節(jié)點定義了一種壓力指數(shù)參數(shù)，當(dāng)壓力指數(shù)超過閾值，節(jié)點將主動發(fā)起父節(jié)點切換過程，將父節(jié)點切換到備用sink，直至檢測到壓力指數(shù)低于閾值。但備用節(jié)點僅在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時啟用，浪費了網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[17]提出一種基于協(xié)調(diào)框架的RPL路由協(xié)議，依據(jù)數(shù)據(jù)包的投遞率調(diào)整子節(jié)點的連接數(shù)目，實現(xiàn)了以sink為中心的多個子樹間的負(fù)載均衡，但該協(xié)議不能有效避免DODAG內(nèi)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。

針對上述現(xiàn)有研究中存在的問題，本文提出一種多匯聚LLN中基于雙向父節(jié)點選擇的高效RPL路由協(xié)議——BPSM-ERPL(efficient RPL in LLNs based on bidirectional parent selection in multiple sinks)加以解決。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及問題描述

1.1 RPL路由協(xié)議

RPL路由協(xié)議組網(wǎng)的消息交互如圖1所示。首先，sink節(jié)點廣播一個DODAG信息對象消息(DODAG information object，DIO)發(fā)起組網(wǎng)過程；sink通信范圍內(nèi)的待入網(wǎng)節(jié)點收到DIO消息后，將sink的信息添加到自己的父節(jié)點列表，并用單播方式向sink回復(fù)一個包含自身信息的目的地通告對象消息(destination advertisement object，DAO)；sink節(jié)點對每個接收到的DAO消息均用單播方式回復(fù)一個目的地通告對象確認(rèn)消息(destination advertisement object acknowledgement，DAO -ACK)；待入網(wǎng)節(jié)點收到DAO -ACK消息后記錄相關(guān)信息，至此一個節(jié)點的入網(wǎng)過程完成。節(jié)點入網(wǎng)后用廣播一個包含自身信息的DIO消息。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示，圖中S1與S2為sink節(jié)點，分屬不同的RPL實例。為便于表述，給出如下假設(shè)和定義：

(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均有路由功能，即節(jié)點可以收發(fā)消息，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為兩種，普通路由節(jié)點以及邊界路由節(jié)點：①普通路由節(jié)點：普通節(jié)點僅能接收到一個RPL實例的DIO廣播消息，也僅能加入一個DODAG，例如節(jié)點1、節(jié)點2以及節(jié)點10；②邊界路由節(jié)點：邊界路由節(jié)點能夠接收到多個RPL實例的DIO廣播消息，故其可以加入多個DODAG，例如節(jié)點5、節(jié)點6以及節(jié)點7。

(2)主父節(jié)點指路由節(jié)點依據(jù)目標(biāo)函數(shù)從備選父節(jié)點集中選擇的最優(yōu)父節(jié)點，次父節(jié)點指路由節(jié)點依據(jù)目標(biāo)函數(shù)從備選父節(jié)點選擇的次優(yōu)父節(jié)點。

(3)網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點均不具備移動性，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點除sink節(jié)點外均需要考慮路由節(jié)點處的能耗及數(shù)據(jù)處理能力。

1.3 問題描述

經(jīng)過研究分析當(dāng)前基于RPL路由協(xié)議的相關(guān)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)仍存在以下問題：

(1)待入網(wǎng)節(jié)點唯一決定父節(jié)點選擇：在最優(yōu)父節(jié)點的選擇中，待入網(wǎng)節(jié)點根據(jù)接收到的DIO消息從備選父節(jié)點集中選擇最優(yōu)父節(jié)點，并向選擇的最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送一個DAO消息，接收到DAO消息的節(jié)點，不論當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，都必須建立與子節(jié)點的連接。同時，向上繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)來自子節(jié)點的DAO消息。在極端情況下，若此時最優(yōu)父節(jié)點由于已連接的子節(jié)點數(shù)目較多，子節(jié)點均向最優(yōu)父節(jié)點處發(fā)送大量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致最優(yōu)父節(jié)點需要承擔(dān)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)較重，然而受數(shù)據(jù)處理能力的限制，最優(yōu)父節(jié)點無法處理如此高的數(shù)據(jù)流量進(jìn)而造成隊列占用率急劇增加，最終導(dǎo)致最優(yōu)父節(jié)點處遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響網(wǎng)絡(luò)正常數(shù)據(jù)傳輸。RPL路由協(xié)議針對網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題提出切換最優(yōu)父節(jié)點的策略，但該策略勢必導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)傳輸丟包率上升等問題。

(2)雷鳴效應(yīng)：雷鳴效應(yīng)指的是大量的待入網(wǎng)節(jié)點建立與網(wǎng)絡(luò)性能較優(yōu)的節(jié)點的連接，導(dǎo)致節(jié)點處連接大量子節(jié)點的現(xiàn)象。

如圖3的雷鳴效應(yīng)所示，以隊列利用率為路由度量，除sink外的所有節(jié)點(節(jié)點1-11)按照圖1所示的控制消息交互流程開展入網(wǎng)操作：如果節(jié)點能夠收到父節(jié)點廣播的DIO消息，則直接與sink節(jié)點交互完成入網(wǎng)；如果不能收到，則通過廣播DODAG信息請求(DODAG information solicitation，DIS)消息的方式與已入網(wǎng)節(jié)點建立聯(lián)系然后完成入網(wǎng)。節(jié)點1及節(jié)點3先入網(wǎng)，其隊列利用率分別為0.3和0.25，并將該信息添加在DIO消息中廣播。隨后節(jié)點2入網(wǎng)，其隊列利用率為0.2，同樣廣播添加了該信息的DIO消息；這樣將導(dǎo)致在其通信范圍內(nèi)的待入網(wǎng)節(jié)點在對比備選父節(jié)點集中的其它節(jié)點后，均選擇該節(jié)點為最優(yōu)父節(jié)點。而已經(jīng)入網(wǎng)的節(jié)點，例如節(jié)點5以及節(jié)點6，也可能切換最優(yōu)父節(jié)點，最終導(dǎo)致節(jié)點2處連接較多的子節(jié)點，也即在節(jié)點2上產(chǎn)生了雷鳴效應(yīng)。在雷鳴效應(yīng)的作用下，節(jié)點2的能量被快速地消耗，而節(jié)點1和節(jié)點3的資源卻未得到充分利用，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

圖3 雷鳴效應(yīng)

(3)多sink節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡：以每個sink節(jié)點為中心節(jié)點，可以構(gòu)建一個DODAG圖。在多sink的LLN中，若某個RPL實例內(nèi)由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重，僅在該RPL實例中進(jìn)行優(yōu)化，并未有效利用多sink節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?，也即網(wǎng)絡(luò)資源的分配非最優(yōu)。

2 BPSM-ERPL路由協(xié)議

BPSM-ERPL路由協(xié)議包括以下3個創(chuàng)新機(jī)制，針對問題(1)及問題(2)，提出攜帶咨詢信息的DAO消息機(jī)制以及雙向父節(jié)點選擇機(jī)制，針對問題(3)，提出一種自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。下文詳細(xì)介紹BPSM-ERPL路由協(xié)議包含的新機(jī)制及具體操作。

2.1 攜帶咨詢信息的DAO消息

攜帶咨詢信息的DAO消息機(jī)制的核心思想為，通過改進(jìn)的M-DAO請求消息，告知父節(jié)點當(dāng)前待入網(wǎng)節(jié)點的預(yù)估數(shù)據(jù)傳輸速率。M-DAO消息的基本對象格式如圖4所示，圖中字段M代表主父節(jié)點，字段C代表強(qiáng)制。

圖4 M-DAO消息基本對象格式

與DAO消息的基本對象相比，M-DAO消息的基本對象在格式上改變不大，主要變化在Type字段和保留字段。首先，為了與當(dāng)前RPL路由協(xié)議中的其它控制消息區(qū)分，新協(xié)議更改了M-DAO消息的Type字段；其次，對原DAO消息的保留字段進(jìn)行了更改，重新劃分為字段M、字段C以及Data字段。字段M占1字節(jié)，主要用于通告父節(jié)點當(dāng)前是否為主父節(jié)點。若接收M-DAO消息的節(jié)點為主父節(jié)點，則字段M設(shè)1。若接收M-DAO消息的節(jié)點為次父節(jié)點，則字段M設(shè)0。字段C占1字節(jié)，主要用于通告父節(jié)點當(dāng)前的入網(wǎng)請求是否是強(qiáng)制請求。若當(dāng)前待入網(wǎng)節(jié)點的備選父節(jié)點集中僅有一個節(jié)點，則待入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送字段C置1的強(qiáng)制請求。若當(dāng)前待入網(wǎng)節(jié)點的備選父節(jié)點集有多個節(jié)點，則待入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送字段C置0的非強(qiáng)制請求。Data字段用于攜帶待入網(wǎng)節(jié)點請求的數(shù)據(jù)傳輸速率，以實現(xiàn)提前通告父節(jié)點的目的。

2.2 雙向父節(jié)點選擇機(jī)制

雙向父節(jié)點選擇機(jī)制的核心思想是父節(jié)點在接收到M-DAO消息后，根據(jù)M-DAO消息攜帶的信息，判斷是否建立與待入網(wǎng)節(jié)點的連接，詳細(xì)操作步驟如下。

步驟1 待入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送M-DAO消息，最優(yōu)父節(jié)點接收后，首先讀取字段C以及Data字段。首先最優(yōu)父節(jié)點查看字段C，若字段C的值設(shè)為1，表明當(dāng)前的入網(wǎng)請求為強(qiáng)制性請求，最優(yōu)父節(jié)點依據(jù)M-DAO消息攜帶的信息更新路由表并向sink轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息，否則直接執(zhí)行步驟2。

步驟2 若字段C的值設(shè)為0，表明當(dāng)前的入網(wǎng)請求為非強(qiáng)制性請求。此時，最優(yōu)父節(jié)點將依據(jù)Data字段攜帶的信息判斷是否能夠在不影響當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，建立與待入網(wǎng)節(jié)點的連接，判據(jù)條件如式(1)所示

(1)

式中：假設(shè)待入網(wǎng)節(jié)點為節(jié)點N，最優(yōu)父節(jié)點為節(jié)點P，則dN為待入網(wǎng)節(jié)點通過M-DAO消息的Data字段攜帶的當(dāng)前請求的一個時間周期內(nèi)需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目，dP為最優(yōu)父節(jié)點的一個時間周期需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目，di為最優(yōu)父節(jié)點P當(dāng)前已連接的子節(jié)點請求的一個時間周期內(nèi)需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包的數(shù)目。q表示最優(yōu)父節(jié)點的隊列長度，do為最優(yōu)父節(jié)點P的一個時間周期內(nèi)傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目，轉(zhuǎn)至步驟3。

步驟3 若待入網(wǎng)節(jié)點請求的一個時間周期內(nèi)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的平均數(shù)目滿足判據(jù)條件，則最優(yōu)父節(jié)點建立與待入網(wǎng)節(jié)點的連接。更新路由表，并向上轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息，否則轉(zhuǎn)至步驟4。

步驟4 若待入網(wǎng)節(jié)點請求的一個時間周期內(nèi)需傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)包數(shù)目不滿足判據(jù)條件，則最優(yōu)父節(jié)點向待入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送請求拒接消息，待入網(wǎng)節(jié)點繼續(xù)從備選父節(jié)點集中選擇其它節(jié)點為最優(yōu)父節(jié)點。轉(zhuǎn)至步驟5。

步驟5 待入網(wǎng)節(jié)點在接收到來自sink節(jié)點的DAO -ACK消息后入網(wǎng)。已入網(wǎng)的節(jié)點將廣播添加了自身信息的DAO -ACK 消息。

2.3 自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

在擁有多個RPL實例的RPL路由協(xié)議中，位于實例邊界的路由節(jié)點可以獲取不同RPL實例的DIO消息，加入多個RPL實例。數(shù)據(jù)傳輸自適應(yīng)機(jī)制的核心思想是：邊界路由節(jié)點通過在DIO消息中獲取到的最優(yōu)父節(jié)點的鏈路隊列利用率和網(wǎng)絡(luò)深度等信息，根據(jù)屬于不同RPL實例的最優(yōu)父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，以均衡數(shù)據(jù)流量在多個RPL實例的分配。自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的具體操作步驟如下：

步驟1 重新定義DIO消息中的Rank字段，將鏈路隊列利用率Q與網(wǎng)絡(luò)深度h進(jìn)行編碼[10]，(下文式(2)～式(4)中參數(shù)的定義請參見文獻(xiàn)[10])。如式(2)所示

RankQU(n)=β(h(n)+1)+(β-1)Q(n)

(2)

邊界路由節(jié)點對接收到的DIO消息中的Rank字段解碼，如式(3)、式(4)所示，從而獲取網(wǎng)絡(luò)深度以及鏈路隊列利用率等信息

(3)

(4)

步驟2 邊界路由節(jié)點對屬于不同RPL實例的DIO消息進(jìn)行劃分，分別計算不同RPL實例的備選父節(jié)點的路由度量，并依據(jù)式(5)選出最優(yōu)的屬于不同的RPL實例的最優(yōu)備選父節(jié)點。式(5)中hp表示備選父節(jié)點p的網(wǎng)絡(luò)深度，ETX(N,p) 表示待入網(wǎng)節(jié)點N與備選父節(jié)點p之間的無線鏈路的質(zhì)量，λ為備選父節(jié)點連接的子節(jié)點數(shù)量，Qp表示MAC子層的鏈路隊列利用率

R=hp+ETX(N,p)+λQp

(5)

如圖2所示，邊界路由節(jié)點4的備選父節(jié)點集中屬于實例1的備選父節(jié)點為節(jié)點1及節(jié)點2；屬于實例2的備選父節(jié)點集為節(jié)點9及節(jié)點10，轉(zhuǎn)至步驟3。

步驟3 邊界路由節(jié)點從備選父節(jié)點集中選擇最優(yōu)父節(jié)點集后，繼續(xù)查看最優(yōu)父節(jié)點集合的鏈路隊列利用率，檢查最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路中是否有重負(fù)載節(jié)點。若最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路中沒有重負(fù)載節(jié)點，則邊界路由節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度分配數(shù)據(jù)傳輸速率[15]，并分別向?qū)儆诓煌琑PL實例的最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送Pt字段置1以及字段C置0的M-DAO請求消息，否則直接執(zhí)行步驟4。

步驟4 若當(dāng)前最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點，則邊界路由節(jié)點向鏈路未連接重負(fù)載節(jié)點的最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送字段M值為1和字段C值為0的M-DAO消息，并向鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點的最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送字段M值為0和字段C值為0的M-DAO消息，否則直接執(zhí)行步驟5。

步驟5 若當(dāng)前最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路均連接有重負(fù)載節(jié)點，則邊界路由節(jié)點從備選父節(jié)點集中重新選擇最優(yōu)父節(jié)點集，然后重復(fù)步驟2至步驟4的操作。

2.4 BPSM-ERPL路由協(xié)議

BPSM-ERPL路由協(xié)議的主要操作[18]如下：

步驟1 待入網(wǎng)節(jié)點根據(jù)收到的DIO消息的內(nèi)容，判斷自己是否是邊界路由節(jié)點；若不是，則根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定最優(yōu)路徑，選擇最優(yōu)父節(jié)點，然后向最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送包含自身信息的M-DAO消息。

步驟2 如果待入網(wǎng)節(jié)點是邊界路由節(jié)點，則由待入網(wǎng)節(jié)點選擇最優(yōu)父節(jié)點集。在確定最優(yōu)父節(jié)點集后，檢查最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路是否連接有重負(fù)載節(jié)點。若鏈路未連接重負(fù)載節(jié)點，則邊界路由節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度分配數(shù)據(jù)流量，邊界路由節(jié)點向最優(yōu)父節(jié)點分別發(fā)送包含自己信息的M-DAO消息，否則直接執(zhí)行步驟3。

步驟3 如果邊界路由節(jié)點的最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點，則邊界路由節(jié)點向鏈路未連接重負(fù)載節(jié)點的最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送字段M值為1的M-DAO消息；并且向鏈路連接有重負(fù)載節(jié)點的最優(yōu)父節(jié)點發(fā)送字段M值為0的M-DAO消息，否則直接執(zhí)行步驟4。

步驟4 如果邊界路由節(jié)點的最優(yōu)父節(jié)點集的關(guān)聯(lián)鏈路均連接有重負(fù)載節(jié)點，邊界路由節(jié)點則重新在備選父節(jié)點集中選擇最優(yōu)父節(jié)點，然后執(zhí)行步驟5。

步驟5 最優(yōu)父節(jié)點收到M-DAO消息后，提取該消息攜帶的信息進(jìn)行判斷；若字段C的值為1，最優(yōu)父節(jié)點須建立與待入網(wǎng)節(jié)點的連接，并向sink轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息；否則，最優(yōu)父節(jié)點根據(jù)判據(jù)條件式(1)進(jìn)行判斷；若滿足式(1)，最優(yōu)父節(jié)點建立與待入網(wǎng)節(jié)點的連接，并向sink轉(zhuǎn)發(fā)M-DAO消息，否則最優(yōu)節(jié)點向待入網(wǎng)節(jié)點發(fā)送請求拒絕消息。

步驟6 待入網(wǎng)節(jié)點收到來自sink的DAO-ACK消息后便完成了入網(wǎng)。已入網(wǎng)節(jié)點繼續(xù)廣播添加了自身信息的DIO消息。

BPSM-ERPL路由協(xié)議算法流程如圖5所示。

圖5 BPSM-ERPL路由協(xié)議算法流程

3 仿真驗證及分析

本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET Modeler 14.5對CF-RPL路由協(xié)議、TAAM-RPL路由協(xié)議和提出的BPSM-ERPL路由協(xié)議進(jìn)行仿真，在相同的網(wǎng)絡(luò)場景下對數(shù)據(jù)傳輸成功率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)生存時間性能指標(biāo)進(jìn)行定量對比及分析[19]。

3.1 仿真統(tǒng)計量

本文選取了吞吐量、成功率以及網(wǎng)絡(luò)生存時間作為驗證新協(xié)議性能的仿真統(tǒng)計量。本文所提新協(xié)議在原理上能夠更有效、合理地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬和能量資源，因此對上述3個統(tǒng)計指標(biāo)有提升作用。

(1)數(shù)據(jù)傳輸成功率

數(shù)據(jù)傳輸成功率等于目的節(jié)點成功收到的數(shù)據(jù)包的總比特數(shù)與源節(jié)點發(fā)送的總數(shù)據(jù)比特數(shù)的比值，如式(6)所示

(6)

式中：S為數(shù)據(jù)傳輸成功率，Dr為被目的節(jié)點成功收到的數(shù)據(jù)包的總比特數(shù)，Dt為源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總比特數(shù)。

(2)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量表示在有數(shù)據(jù)包發(fā)送的仿真時間內(nèi)，目的節(jié)點成功收到的數(shù)據(jù)包的總比特數(shù)，如式(7)所示

(7)

式中：Ts為有數(shù)據(jù)發(fā)送的仿真時間，T表示網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)場景設(shè)置為800 m×800 m的正方形區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)依次設(shè)置為40、80、120、160、200以及240。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置兩個sink節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點位置均固定。節(jié)點發(fā)射功率設(shè)為30 mW，每個路由節(jié)點的通信范圍內(nèi)均設(shè)有路由節(jié)點，數(shù)據(jù)分組長度為128 bits，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為每秒一個，網(wǎng)絡(luò)仿真時間為4000 s，主要仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 主要仿真參數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)傳輸成功率

如圖6所示，在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，雖然3種路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率均呈下降趨勢，但BPSM-ERPL路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率高于CF-RPL路由協(xié)議和TAAM-ERPL路由協(xié)議。主要原因是BPSM-ERPL路由協(xié)議首先通過雙向父節(jié)點選擇機(jī)制，充分考慮了父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀況和數(shù)據(jù)處理能力，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟包，能夠更有效、合理地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源；同時通過自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，在充分考慮最優(yōu)父節(jié)點鏈路負(fù)載狀態(tài)的前提下，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量在多個DODAG間的均衡分配；有效均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生概率，從而進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)傳輸成功率。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸成功率

3.4 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

如圖7所示，在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，BPSM-ERPL路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量均高于CF-RPL路由協(xié)議以及TAAM-ERPL路由協(xié)議，并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，BPSM-ERPL路由協(xié)議的性能優(yōu)勢更加顯著。分析其原因為，網(wǎng)絡(luò)吞吐量與數(shù)據(jù)發(fā)送成功率呈正相關(guān)，與數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r延呈負(fù)相關(guān)。通過圖6可知，BPSM-ERPL路由協(xié)議提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。其次，由于BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的概率，從而能更加合理、有效地利用網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源。從而其能夠有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐抨爼r延以及由于丟包導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重傳。也即，可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄说蕉藭r延。因此，BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖7 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

3.5 網(wǎng)絡(luò)生存時間

網(wǎng)絡(luò)生存時間的定義請參見文獻(xiàn)[15]。圖8顯示BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效地延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。據(jù)分析主要原因是BPSM-ERPL協(xié)議通過采用DAO消息攜帶咨詢信息和雙向父節(jié)點選擇的新機(jī)制，有效避免了雷鳴效應(yīng)，而雷鳴效應(yīng)的直接后果就是發(fā)生雷鳴效應(yīng)的節(jié)點處的網(wǎng)絡(luò)資源以及節(jié)點能量等被快速消耗；其次，通過采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，避免了負(fù)載較重的節(jié)點被選為最優(yōu)父節(jié)點；并且借助邊界路由節(jié)點實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量在多個RPL實例間的合理分配，調(diào)動了整個網(wǎng)絡(luò)的資源，使網(wǎng)絡(luò)資源的利用更加合理，重負(fù)載節(jié)點的能量能夠得到保護(hù)。因此，BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

圖8 網(wǎng)絡(luò)生存時間

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前RPL相關(guān)路由協(xié)議存在的雷鳴效應(yīng)、待入網(wǎng)節(jié)點唯一決定父節(jié)點選擇以及數(shù)據(jù)在多個RPL實例間分配不合理問題，提出BPSM-ERPL路由協(xié)議。BPSM-ERPL路由協(xié)議首先優(yōu)化了DAO消息，通過M-DAO消息攜帶咨詢信息；其次采用了雙向父節(jié)點選擇機(jī)制，使父節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)能夠選擇建立或不建立與待入網(wǎng)節(jié)點的連接，從而有效地避免了雷鳴效應(yīng)，提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。最后，BPSM-ERPL路由協(xié)議采用了自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，通過邊界路由節(jié)點實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息在RPL實例間的分配，有效實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。理論分析及仿真實驗結(jié)果表明，BPSM-ERPL路由協(xié)議能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。在未來的工作中，我們將繼續(xù)就如何實現(xiàn)多個DODAG間的通信進(jìn)行研究。