无线传感器网络RPL路由协议路由集优化方案

周虹

摘  要：随着人们的生活质量日益提高，“互联网+”也在不断更新与完善，物联网在人们日常生活中的地位也越来越重要。而无线传感网络作为物联网的重要组成部分本身具有良好的研究价值，怎样才能更好地将节点间的数据进行交互，又怎样与处于同一网络中的其他设施传递信息等问题都是值得去深入研究的课题，其研究成果也会促进今后无线传感网络的持续健康发展。

关键词：无线传感器  RPL路由协议  优化方案

中图分类号：TP212.9   文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2019）05（b）-0010-03

1  无线传感器网络RPL路由器协议概述

当今，无线传感器的用途越来越广，人们对无线传感器的认识已经不满足于理论层次，随着时间的过渡，无线传感器已经应用到我们日常生活中，也有人将其用于军事管理，甚至还可以利用它检测环境，但是它的功能远不止于此。对于探测未知的宇宙信息、研究天气状况、监测地理环境和检测自然灾害等均能符合应用要求。

IPv6可以有效地支持无线传感器网络运行，而无线传感器的发展在一定程度上也可以推动IPv6扩宽领域范围，两者的关系相辅相成。当前通信技术和“互联网+”再加上物联网已经得到很大的发展，相信在它们的促进下，无线传感器网络与IPv6网络的结合在不久的将来会成为现实。

IETF ROLL工作组提出了关于RPL路由协议（IPv6 Routing Protocol for Low Power and Networks，RPL）的概念，其主要内容包括在IPv6矢量的基础上对低功耗有损网络的协议设计。

在因特网上，一般的路由器可以分为两种类型，而区分这两类的关键在于其不同的路由算法。一种路由协议是在距离矢量的基础上进行的路由算法，而另一种路由协议则是在链路状态的基础上进行的路由算法。什么样的路由协议是基于距离矢量的呢，RIP路由协议[1]就是其中最典型代表。RIP路由协议的主要思想是每隔一段固定的时间段后测算每个路由节点到其相邻的节点之间的长，之后所有相邻的节点都会收到来自前面所测路由的信息。

IPv6距离矢量路由协议的设计主要是为了补充低功率有损网络的不足。只要有了目标函数和路由度量这两个条件，RPL就可以成功地设计出针对目的地的有向无环图，而目标函数的作用主要体现在利用路由度量和约束条件来推测出最佳路径[2]是哪一条，可以大大地减少不必要的损耗。

RPL路由建立拓扑也属于DODAG的建设，两者是同时进行的，构建DODAG的过程中会涉及到DIO、DAO、DIS[3]这3种属于ICMP的控制信息。在RPL节点获取到关于IPv6地址后它会利用这3种控制信息与周围的节点进行交换，目的是为了用父节点进入目标导向的无环图[4，5]。此活动的发起者是DODAG Root，而其他节点只需要找到DODAG Root发出的消息并与之结合构成路由，然后就可以形成DODAG。

只有DODAG构建成功之后RPL路由才能建设成功，而DODAG的构建过程中的关键点就在于被邻居发现。发现DODAG的过程主要是由两方面构成，构建上行路由与构建下行路由。上行路由主要是找到DODAG的根节点并沿着它向下同时进行广播DIO的活动。节点在收到DIO的信息之后会根据情况决定自己是否要加入DODAG，继而会根据目标函数对父节点进行选择。至于下行路的建设过程，第一步是在节点上发送带有自身前缀信息的DAO，随后等待父节点接受，最后添加路由信息实现向下路由的构建[6]。

所以，关于RPL路由协议，有以下3点：

（1）借助根节点为基础所建立的有向五环图，这一过程对数据包不会循环传输起到保证作用，也不会遇到网络堵塞的情况，大大降低将整个过程的损耗。

（2）整个过程只保留DODAG含有的路由信息，极大程度上降低储存路由上的信息资源。

（3）6LoWPAN无线传感网络的变化性决定报文多长时间发送一次频率信息，所以控制报文发送频率的是网络畅通状况，这样可以降低整个资源的浪费。

由于链路的不断变化，导致在无线传感器网络中的RPL路由协议使用的树形拓扑结构适应不了动态变化的网络状态，以至于网络的鲁棒性降低，不安全性增加，满足不了实际使用时需求，所以有必要对目前的RPL路由协议进行完善。

2  对RPL协议路由集的改进

经过对RPL路由协议的分析，可以总结出DODAG由DODAG的建立、向上路由以及向下路由的形成共同组建，参考下图1和图2。

改进版的RPL可以快速地找到只包含目的地的路由集并应用，路由集的储存位置低于其节点，而节点也不被路由集所包括。Bitmap可以用来集合合并或者插入元素。Bitmap的使用是经过改进的RPL使用的表现，可显著节约ROM空间，参考图3。

在消耗比较低的无线网络中链路会发生不断的改变，致使路由拓撲需要接受不断进行调整。插入合并操作的节点路由每当丢失一链路分支时，就不可单独地删去一节点。比如，D在A的路由集中，A通过B、C子节点仍然可以到达D，而B丢失D的链接信息时，A路由集却不能删除D，因为A还可到达D。所以解决的办法是要每节点可对两个路由集进行维护，两个路由集状态分别为活跃和加热。活跃的路由集决定了节点路由的决策，随后将其插入到两个不同的路由集上，只要节点收到几次多播消息两个路由集的交换即可完成。

参考文献

[1] 李琨，俞忠原，薛小平.RIP协议分析与仿真研究[J].计算机工程，2002，28（3）：85-86.

[2] 朱琳.无线传感器网络RPL路由协议研究与改进[D].北京交通大学，2013.

[3] Vasseur J p，Dunkels A，田辉.基于IP的物联网架构技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[4] 朱琳，高德云，罗洪斌.无线传感器网络的RPL路由协议研究[J].计算机技术与发展，2012（8）：1-4.

[5] CHEN YB，Chanet JP，Hou KM.Rpl Routing protocol a case study：precision Agriculture[A].first china-France wordshop on Future Computing Technology （CF -WoFUCT 2012[C].2012.

[6] Gonizzi P，Ferrari G，Modagliani P，et al.DAta storage and retrieval with RPL routing[A].wireless Communications and Mobile Computing Conference（IWCMC），2013 9th International[C].IEEE，2013：1400-1404.