一種用于6LoWPAN的多路徑路由協(xié)議

鄧海良

摘要：分析6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的特點及其對路由協(xié)議的要求。提出一種基于LOAD路由協(xié)議的多路徑改進方案OS-LOAD，引入按最優(yōu)路由與次優(yōu)路由的路由代價比實現(xiàn)多路徑傳輸數(shù)據(jù)的思想，并利用NS2對該方案進行仿真分析。結(jié)果表明，本方案在分組投遞率、傳輸時延、整網(wǎng)生存時間等方面具有更大的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：6LoWPAN;LOAD;OS-LOAD;NS2仿真

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0031-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1? 引言

6LoWPAN[1，2]（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks）是一種在IEEE802.15.4標準上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，旨在實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的無縫連接，被認為是未來WSN最有發(fā)展前途的主流技術(shù)之一。IETF的6LoWPAN工作組在原有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中加入了適配層，負責(zé)對IPv6數(shù)據(jù)包進行分配與重組，其他很多技術(shù)還在探討之中，其中路由方案是亟待解決的問題之一。目前，適用于6LoWPAN的路由技術(shù)主要有兩種：Mesh-Under路由和Route-Over路由。Mesh-Under類路由協(xié)議運行在適配層，路由轉(zhuǎn)發(fā)在適配層進行，減少了IPv6報文的分片與重組、降低了節(jié)點的能耗、提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，但是它不具有IP化特征，不利于網(wǎng)絡(luò)的擴展和診斷維護;Route-Over類路由協(xié)議真正實現(xiàn)了IP化，但由于協(xié)議的復(fù)雜性和每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點都進行數(shù)據(jù)的分片與重組，使得這類協(xié)議對計算能力有限、帶寬資源不足、能量較低的WSN來說難以接受。

2? LOAD協(xié)議分析

LOAD[3]（6LoWPAN Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing）是Mesh-Under路由協(xié)議，它是AODV的簡化版本。相對AODV來說，主要在以下方面進行了改進：AODV運行在傳輸層之上，而LOAD運行在適配層，對IPv6的網(wǎng)絡(luò)層完全透明;LOAD使用EUI-64位標識符或短地址結(jié)構(gòu)，廣播的目的地址為0xFFFF;LOAD取消了AODV中使用的目的序號機制，只允許目的節(jié)點產(chǎn)生路由應(yīng)答，以此來防止路由環(huán)路的產(chǎn)生;簡化了路由表，LOAD不再使用前驅(qū)列表，路由斷路時，該節(jié)點僅單播一個RRER報文給源節(jié)點，請求源節(jié)點重新啟動路由發(fā)現(xiàn);不再使用Hello報文來進行路由維護，LOAD使用MAC層的ACK機制來對鏈路狀態(tài)進行監(jiān)控;使用鏈路質(zhì)量指標LQI（Link Quality Indication）以及源節(jié)點到目的節(jié)點的跳數(shù)作為路由代價，選擇弱鏈路總數(shù)WL（Weak Link）較少的路徑，減少了因鏈路斷鏈造成的重啟路由發(fā)現(xiàn)次數(shù)。

LOAD繼承了AODV的許多優(yōu)點，比如按需路由、對網(wǎng)絡(luò)拓撲變化反應(yīng)迅速等，但也存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在：路由代價僅使用LQI，沒有考慮節(jié)點能量，也沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的負載均衡問題。當(dāng)某些節(jié)點頻繁進行轉(zhuǎn)發(fā)時，容易造成節(jié)點能量提前耗盡導(dǎo)致節(jié)點死亡，進而引起整網(wǎng)癱瘓，縮短整網(wǎng)使用壽命;LOAD仍然是采用單播方式進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，只發(fā)現(xiàn)和維護一條活動路由，文獻[4，5]對LOAD進行了改進，使用了備用路由機制，但只有當(dāng)活動路由失效時才啟動備用路由，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)仍然是單播的。

3? 改進的LOAD路由協(xié)議—OS-LOAD

3.1 改進的基本思路

針對LOAD路由協(xié)議的不足之處，提出一種相應(yīng)的改進方案—OS-LOAD。引入節(jié)點能量NE（Node energy）作為路由代價之一，使用（WL，NE，RC）作為總路由代價，并賦予相應(yīng)的權(quán)重。在這種方案下，對自身剩余能量較低的節(jié)點能減少其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分片的次數(shù)，延長其使用壽命。修改LOAD的路由表和路由請求表，在路由發(fā)現(xiàn)過程中，根據(jù)路由代價選擇不相交的最優(yōu)路由路徑和次優(yōu)路由路徑，并寫入路由表。路由表加入路由代價字段，存儲最優(yōu)和次優(yōu)路由路徑的代價，當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時，根據(jù)最優(yōu)和次優(yōu)路由路徑代價之比，按比例發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣能在一定程度上均衡節(jié)點的負載，降低時延。當(dāng)某條路由鏈路短鏈時，該節(jié)點發(fā)送RERR報文，源節(jié)點收到RERR報文后，將此路由的生存時間置零，如果該節(jié)點還有通信需求，則再次啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。在新路由路徑形成之前，仍然可以利用上次建立的另一條路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 OS-LOAD實現(xiàn)方案

3.2.1 路由表與路由請求表

如表1和表2所示，在OS-LOAD路由表中加入了路由代價字段，該字段是當(dāng)前路由從源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點的路由代價之和。為了最簡化路由表，刪除了LOAD路由表中原有的有效標志字段，直接用路由的生存時間來判斷該路由是否有效，每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，生存時間置位，文獻[6]表明，每5秒更新一次路由表能夠保證路由表的有效性，因此這里的生存時間設(shè)為5秒。路由請求表用于在路由發(fā)現(xiàn)過程中存儲RREP和RREQ以及路由代價相關(guān)的信息。

3.2.2 OS-LOAD路由發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

源節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時，先向其鄰居節(jié)點廣播RREQ，節(jié)點收到RREQ后，首先將RREQ中源節(jié)點地址與自己地址比較，如果相同，則丟棄，否則根據(jù)（路由請求ID，源節(jié)點地址）與自己的路由請求表比較，若有，則丟棄，否則建立到源節(jié)點的反向路由，并更新RREQ中的路由代價，然后繼續(xù)向其鄰居節(jié)點廣播，根據(jù)RREQ中的路由代價與路由請求表中的反向路由代價進行比較，選取最優(yōu)的路由代價作為最優(yōu)路由路徑，次優(yōu)的路由代價作為次優(yōu)路由路徑，并將路由代價寫入路由表中的路由代價字段中。當(dāng)目的節(jié)點收到RREQ時，選擇最優(yōu)路由路徑和次優(yōu)路由路徑單播一個RREP給源節(jié)點，而不必進行廣播。當(dāng)源節(jié)點收到RREP時，建立到達目的節(jié)點的正向路由。

當(dāng)源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，先計算最優(yōu)路由代價和次優(yōu)路由代價之比，然后按該比例在兩條路由路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 OS-LOAD協(xié)議仿真與分析

4.1 LOAD與OS-LOAD的仿真及結(jié)果

在NS2環(huán)境下，對LOAD與OS-LOAD進行仿真分析。仿真參數(shù)表如表3所示。分析對比分組投遞率、端到端平均時延、路由代價、存活節(jié)點個數(shù)等四個路由指標。6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種能量有限、移動速度較慢、帶寬資源不足、處理能力較弱的網(wǎng)絡(luò)，因此只仿真了低負載、低速率的情況，特別是為了測節(jié)點的生存時間，把節(jié)點能量都設(shè)成了30焦耳，節(jié)點接收能量閾值為10焦耳，當(dāng)一個節(jié)點的能量小于接收能量閾值時，我們可以認為該節(jié)點已經(jīng)死亡。仿真結(jié)果如圖1至圖4所示。

4.2 性能分析

從圖1、圖2可以看出，OS-LOAD的分組投遞率和平均端到端時延均比LOAD要高，這是因為OS-LOAD使用雙路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)一條活動鏈路斷鏈時，在啟動路由發(fā)現(xiàn)形成新的路徑期間，仍然有一條可用的活動路由。圖3表明，該方案的路由代價比LOAD要高，因為OS-LOAD同時維護了兩條路由，和LOAD一樣，默認沒有本地鏈路修復(fù)機制，只要有一條鏈路斷鏈，必須重新啟動路由發(fā)現(xiàn)，這使得路由分組相對LOAD要多。圖4可以看出，整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間有提高，當(dāng)仿真時間大于450秒時，使用LOAD路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，存活節(jié)點基本上只有50%了，而使用OS-LOAD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點還有75%左右，這說明雙路徑路由在一定程度上起到了負載均衡的作用，減少了能量低的節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，延長了其使用壽命。

5 結(jié)束語

本文在分析LOAD路由協(xié)議的不足之基礎(chǔ)上，提出LOAD的改進方案—OS-LOAD。該方案使用最優(yōu)和次優(yōu)兩條路徑按比例進行數(shù)據(jù)傳輸，仿真結(jié)果表明，OS-LOAD在分組投遞率、時延、整網(wǎng)生存時間等方面較LOAD有優(yōu)勢。但該方案的路由開銷增大了，可考慮在路由算法中加入本地鏈路修復(fù)機制，這值得進一步研究。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】