一種對(duì)rpl協(xié)議規(guī)避路由環(huán)路的算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)RPL協(xié)議規(guī)避路由環(huán)路的算 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 低功耗有損網(wǎng)絡(luò)（LowpowerandLossynetworks,LLN)是由功率、存儲(chǔ)空間、處 理能力等資源受限的嵌入式設(shè)備所組成的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過多種不同的鏈路連 接，例如IEEE802. 15. 4、藍(lán)牙、電力線通信、低功率Wi-Fi等等，在建筑自動(dòng)化、城市傳感器 網(wǎng)絡(luò)（包括智能電網(wǎng)應(yīng)用）、自動(dòng)化家居以及工業(yè)自動(dòng)化都有廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)具有節(jié)點(diǎn) 資源少，報(bào)文傳輸易丟失，傳輸距離有限等。
[0003] 低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（IPv6RoutingProtocolforLow-PowerandLossy Networks,RPL)是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（InternetEngineeringTaskForce，IETF)的 R0LL(RoutingOverLowpowerandLossynetworks)工作組，專門針對(duì)低功耗有損網(wǎng)絡(luò) (LowpowerandLossynetwork)新提出來的路由協(xié)議。每個(gè)RPL路由中的節(jié)點(diǎn)都具有對(duì)于 根節(jié)點(diǎn)的距離矢量（即Rank)。離根節(jié)點(diǎn)越近則Rank越小，另外RPL還具有上行路由和下 行路由，上行路由的建立通過根節(jié)點(diǎn)先多播DI0(D0DAGInformationObject)報(bào)文給周圍 的節(jié)點(diǎn)，DI0報(bào)文中包含有根節(jié)點(diǎn)的Rank，當(dāng)接收到根節(jié)點(diǎn)DI0報(bào)文后，根據(jù)0F0 (0bjective FunctionZero)計(jì)算其自身的Rank。
[0004] 當(dāng)一個(gè)RPL節(jié)點(diǎn)加入D0DAG后檢測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量（ETX)，從而獲得最優(yōu)父節(jié) 點(diǎn)，這個(gè)過程與節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送頻率、是否有DA0報(bào)文有關(guān)。當(dāng)前RPL路由協(xié)議主要使用控 制發(fā)送頻率的算法為涓流算法，其基本原理為當(dāng)節(jié)點(diǎn)間DI0報(bào)文傳輸一致時(shí)加大節(jié)點(diǎn)間的 傳輸間隔，以此節(jié)約傳輸功耗；若節(jié)點(diǎn)間DI0報(bào)文傳輸出現(xiàn)不一致，則使傳輸間隔設(shè)為最快 頻率，重新尋找最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處于一致性事件， 則節(jié)點(diǎn)間減少傳輸次數(shù)，節(jié)約能耗。若網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)不一致事件，則節(jié)點(diǎn)將頻繁的發(fā)送信息， 以重新組建網(wǎng)絡(luò)。如果節(jié)點(diǎn)間長期處于一致性事件，則節(jié)點(diǎn)間傳輸次數(shù)則會(huì)以2 X指數(shù)形式 遞減，若突然出現(xiàn)不一致事件，則無法立刻發(fā)現(xiàn)并采取措施，將會(huì)導(dǎo)致相關(guān)節(jié)點(diǎn)丟失或父子 節(jié)點(diǎn)關(guān)系混亂等問題。
[0005] 另一方面，若節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)不一致事件（如路由環(huán)路），則節(jié)點(diǎn)間將長時(shí)間頻繁的發(fā) 送信息，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗過大，不利于節(jié)點(diǎn)的長期使用。假設(shè)該節(jié)點(diǎn)為N，其父節(jié)點(diǎn)為P，則在 Contiki操作系統(tǒng)的RPL路由協(xié)議設(shè)置中可以根據(jù)公式（1)和公式（2)計(jì)算：
[0006] RankInc=MetricLinkXHnin (1)
[0007] Rank(N) =Rank (P) +RankInc (2)
[0008] 式（1)中H_表示父節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，子節(jié)點(diǎn)關(guān)于它的父節(jié)點(diǎn)的 Rank值增加的最小值。MetricLink為鏈路ETX(ExpectedTransmissionCount)的相關(guān)參 數(shù)。
[0009] 當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的Rank值相較與其他節(jié)點(diǎn)最小，則就把根節(jié)點(diǎn)作為自己的最優(yōu) 父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)選擇出最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)并且該節(jié)點(diǎn)并非目標(biāo)節(jié)點(diǎn)則該節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)發(fā)送DIO報(bào)文 尋找自己的子節(jié)點(diǎn)，以此建立上行路由。
[0010] 在RPL路由網(wǎng)絡(luò)中，由于鏈路質(zhì)量的惡化以及RPL協(xié)議缺少檢查非父非子節(jié)點(diǎn)的 機(jī)制，節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇自己的子節(jié)點(diǎn)作為自己的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，形成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互為父節(jié)點(diǎn)的環(huán)路。 假設(shè)有節(jié)點(diǎn)A、B、C、D，節(jié)點(diǎn)A是B的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)C是B的一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)D是B- 個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。
[0011] 設(shè)節(jié)點(diǎn)A的Rank值為Rank(A)，節(jié)點(diǎn)B與A之間的鏈路ETX為MA，節(jié)點(diǎn)B與C之 間的鏈路ETX為Me，則B和C的Rank值計(jì)算如公式（3)和（4)所示：
[0012] Rank (B) = Rank (A) +MA X Hnin (3)
[0013] Rank(C) =Rank(B)+MCXHnin (4)
[0014] 因?yàn)镋TX和H_都為正數(shù)，根據(jù)上述公式可得公式（5):
[0015] Rank (A)〈Rank (B)〈Rank (C) (5)
[0016] 由于節(jié)點(diǎn)D是節(jié)點(diǎn)B的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，所以有公式（6):
[0017] Rank(A) <Rank(D) (6)
[0018] 當(dāng)節(jié)點(diǎn)B重新選擇自己的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)多播DIO信息給鄰居節(jié)點(diǎn)，有計(jì)算公式 (7)、（8)、（9)如下：
[0019] Rank(BA) =Rank(A)+MAXHnin (7)
[0020] Rank(Bc) =Rank(C)+McXHnin (8)
[0021] Rank(BD) =Rank(D)+MDXHmin (9)
[0022] 若如之前假設(shè)則有公式（10)和（11):
[0023] Rank (BA)〈Rank (Bc) (10)
[0024] Rank (Ba)〈Rank (Bd) (11)
[0025] 節(jié)點(diǎn)B將選擇A作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。
[0026] 但此時(shí)，若是出現(xiàn)某些鏈路質(zhì)量惡化，Rank(A)SMa會(huì)增加。當(dāng)惡化致一定程度， 致使Rank(BA) >Rank(Be)，而此時(shí)由于節(jié)點(diǎn)DI0報(bào)文的發(fā)送運(yùn)用TA若與之前發(fā)送信息一致， 并不會(huì)在鏈路質(zhì)量惡化后立刻將節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送出去，致使節(jié)點(diǎn)間交流延遲。另一方面，若 Rank(BD)>Rank(Be)，則此時(shí)C的Rank值最小，節(jié)點(diǎn)13就會(huì)將C作為自己的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，但是 C的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn)B。當(dāng)出現(xiàn)這種情況就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互為父節(jié)點(diǎn)，形成路由 環(huán)路。
[0027] 當(dāng)出現(xiàn)路由環(huán)路，環(huán)路內(nèi)向根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息將會(huì)丟失，并且造成信息路由可靠 性降低。為了修復(fù)環(huán)路，節(jié)點(diǎn)將會(huì)使用TA頻繁的發(fā)送DI0報(bào)文，使得RPL網(wǎng)絡(luò)中局部通信 更加頻繁，將會(huì)造成某些鏈路質(zhì)量下降，形成新的環(huán)路，造成惡性循環(huán)，甚至?xí)霈F(xiàn)路由風(fēng) 暴現(xiàn)象，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能源消耗殆盡。
[0028] 尤其需要指出的是，像在農(nóng)田、山區(qū)等長期無人看管的無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)需要有較長 的壽命來維持無線路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以需要有一個(gè)更好的算法進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029] 為了解決TA(TrickleAlgorithm，涓流算法）在實(shí)際運(yùn)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)路由環(huán)路 的缺陷，尤其是在大型無人看管環(huán)境下導(dǎo)致的不良后果，本發(fā)明在涓流算法TA(Trickle Algorithm)基礎(chǔ)上提出一種新的間隔更新算法IUTA(IntermittentUpdateTrickle Algorithm)，采用的技術(shù)方案如下：
[0030] -種對(duì)RPL協(xié)議規(guī)避路由環(huán)路的算法，技術(shù)原理為：在RPL路由中的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)一致 性事件時(shí)，所述RPL路由中的節(jié)點(diǎn)先持續(xù)傳輸&。"次，若仍然處于一致性，則在RPL路由中 的節(jié)點(diǎn)每兩次傳輸間隔之間增加(^1_次傳輸；在RPL路由中的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不一致事件時(shí)， 所述RPL路由中的節(jié)點(diǎn)先持續(xù)傳輸（。"次，若仍然處于不一致性，則所述RPL路由中的節(jié)點(diǎn) 在每兩次連續(xù)傳輸中增加CMnd傳輸間隔；
[0031] 其中，V_為初始傳輸控制值，Q為一致性事件中控制發(fā)送的量，I_為當(dāng)前時(shí)間區(qū) 間I的取值下限值，Crand為不一致事件中間隔控制中隨機(jī)取值計(jì)數(shù)；
[0032] 具體實(shí)現(xiàn)步驟包括：
[0033] (1)設(shè)置RPL路由中的節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前時(shí)間區(qū)間I的值為區(qū)間[1_，1_]中的值，并開 始第一個(gè)時(shí)間區(qū)間；其中1_為當(dāng)前時(shí)間區(qū)間I的取值上限值；
[0034] (2)當(dāng)RPL路由中的節(jié)點(diǎn)的一個(gè)時(shí)間區(qū)間開始時(shí)，使控制一致性事件計(jì)數(shù)C為0， 并且置當(dāng)前時(shí)間區(qū)間I內(nèi)的一個(gè)時(shí)刻t為[1/2,I]之間的隨機(jī)數(shù)，時(shí)間區(qū)間在I時(shí)結(jié)束；
[0035] (3)若檢測(cè)到RPL路由中的節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)一致性事件發(fā)生，則使控制一致性事件 計(jì)數(shù)C的值增加1，不一致事件初始傳輸?shù)拇螖?shù)CstalJ^值增加1;
[0036] (4)若不