CN102804696A - 动态有向无环图(dag)拓扑结构报告 - Google Patents

动态有向无环图(dag)拓扑结构报告 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，有向无环图(DAG)的根设备可以确定/检测触发以获知DAG的网络拓扑结构。作为响应，根设备可以将具有路线记录请求的DAG发现请求沿着DAG向下发送，路线记录请求请求DAG中的各设备添加其设备标识(ID)到沿着DAG向上朝着根设备传播的DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中。在接收到一个或多个DAG发现回复时，根设备可以将来自反向路线记录堆栈的所记录的路线编译成DAG网络拓扑结构。另外，在一个实施例中，根设备可以基于流量矩阵确定“捷径”，流量矩阵是响应于可选地包括在来自DAG中的设备的响应中的网络统计而生成的。

Description

动态有向无环图(DAG)拓扑结构报告
相关申请
本发明要求Agarwal等人2010年3月19日提交的序列号为642/DEL/2010、题为“DYNAMIC DIRECTED ACYCLIC GRAPH(DAG)TOPOLOGY REPORTING”(动态有向无环图(DAG)的拓扑结构报告)的所有权共有的印度专利申请的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明大体上涉及计算机网络，并且更具体地说，涉及例如用于低功率有损网络(LLN)的有向无环图(directed acyclic graph，DAG)路由。
背景技术
低功率有损网络(LLN)(例如传感器网络)具有无数的应用，诸如智能电网和智能城市。LLN存在各种各样的挑战，诸如有损链接、低带宽、电池操作、低的存储和/或处理能力等。针对LLN挑战的一个示例路由解决方案是被称为用于LLN的路由协议或“RPL”的协议，这是一种除了建立用以界定(bound)控制流量、支持局部(和低速)修复等的特征集合之外还建立了面向目的地的有向无环图(DODAG)的距离矢量路由协议。RPL体系结构提供了一种灵活的方法，通过该方法，各节点执行DODAG发现、构造和维护。
和许多的DAG结构体系中一样，诸如RPL和其他合适的距离矢量路由协议，网络中的各节点构造DODAG边界并且维护它们，从而管理有关其对等节点和它们的作用的信息。然而，在这种情形下(通过与链接状态路由协议相比)，节点都不具有有关整个网络拓扑结构(topology)的信息。此外，系统管理员无法获知什么是DODAG结构、它是如何随时间而变化的、并且是否正确地建立并且维护了DODAG。
附图说明
通过结合附图参照以下描述可以更好地理解本文的实施例，其中类似的参考数字表示相同的或功能上相似的元素，其中：
图1图示了示例计算机网络和有向无环图(DAG)/树；
图2图示了示例网络设备/节点；
图3示出了示例消息；
图4图示了示例反向路线记录堆栈字段；
图5图示了具有“捷径”(short-cut)的示例计算机网络；以及
图6图示了用于提供动态DAG拓扑结构记录的示例过程。
具体实施方式
综述
根据本发明的一个或多个实施例，计算机网络中的有向无环图(DAG)的根设备可以确定/检测用以获知DAG的网络拓扑结构的触发。作为响应，根设备可以将DAG发现请求沿着所述DAG向下发送，所述DAG发现请求具有路线记录请求，所述路线记录请求请求所述DAG中的各设备添加其设备标识(ID)到针对沿着DAG向上朝着所述根设备传播的DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中。在接收到一个或多个DAG发现回复时，根设备可以将来自反向路线记录堆栈的所记录的路线编译成DAG网络拓扑结构。另外，根据本发明的一个或多个实施例，特定设备可以接收DAG发现请求，并且响应于所述路线记录请求，可以将它们的设备ID添加到针对DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中以供传送到根设备。此外，在一个或多个实施例中，根设备可以基于流量矩阵确定“捷径”，流量矩阵是响应于来自DAG内的设备的响应中可选地包括的网络统计而生成的。
说明
计算机网络是地理上分布的节点的集合，这些节点通过通信链路和区段互连以用于在端节点之间传输数据，诸如个人计算机和工作站，或其他设备，如传感器等。多种类型的网络都是可用的，这些类型的范围是从局域网(LAN)到广域网(WAN)。LAN典型地通过位于同一个一般物理位置(诸如建筑物或校园)中的专用私人通信链路来连接节点。另一方面，WAN典型地通过长距离通信链路连接地理上分散的节点，长距离通信链路例如是公共载波电话线、光学光路、同步光纤网络(SONET)、同步数字体系(SDH)链路或电力线通信(PLC)。此外，移动自组网络(MANET)是一种无线自组网络，通常被当作通过无线链路连接的移动路线(以及相关联的主机)的自配置网络，其联合形成任意的拓扑结构。
智能对象网络(诸如传感器网络)，具体地讲，是由空间上分布的自治设备组成的具体类型的网络，自治设备例如是在不同的位置协同监测物理或环境条件的传感器，物理或环境条件例如是温度、压力、振动、声音、辐射、移动、污染物等。LLN中的其他类型的智能对象是执行机构，例如负责打开/关闭引擎或执行任何其他的动作。传感器网络通常是无线网络，尽管有线连接也是可用的。也就是说，除一个或多个传感器之外，传感器网络中的各传感器设备(节点)一般可以配备有无线电收发器或其他通信端口、微控制器和能量源，诸如电池。一般来讲，对传感器节点的大小和成本的约束导致对资源的相应的约束，资源诸如为能量、存储器、计算速度和带宽。相应地，反应式(reactive)路由协议(尽管并非必要)可以用于代替用于传感器网络的先应式(proactive)路由协议。
在某些配置中，传感器网络中的传感器将它们的数据发送到一个或多个集中化的或分布式的数据库管理节点，这些数据库管理节点获得数据以与一个或多个相关联的应用一起使用。可替代地(或此外)，某些传感器网络提供了使得感兴趣的订户(例如，“信宿(sink)”)可以特别地从网络中的设备请求数据的机制。在“推送模式”下，在无需例如以规则的间隔/频率或响应于外部触发进行提示的情况下，传感器将它们的数据发送到传感器信宿/订户。反之，在“拉取模式”下，传感器信宿可以特别地请求传感器(例如，特定传感器或所有传感器)发送它们当前的数据(或采取措施，并且发送结果)到传感器信宿。(本领域的技术人员将会理解各个模式的优点和缺点，并且两者都适用于这里描述的技术。)
图1是示例计算机网络100的示意性方框图，说明性地包括通过多种通信方法互连的节点/设备200，例如路由器、传感器、计算机等(例如，并且标记为如图所示的“LBR”、“11”、“12”...“46”)。比如，链路可以是有线链路或可以包括无线通信介质，其中某些节点200例如基于距离、信号长度、当前操作状态、位置等而可以与其他节点200通信。本领域的技术人员将会理解，在计算机网络中可以使用任何数量的节点、设备、链路等，并且本文示出的视图是为了简单起见。说明性地，网络中的某些设备可以比其他的设备具有更大的能力，诸如具有更大的存储器、可持续的非电池电源等的那些设备相比于具有最小的存储器、电池电力等的那些设备。比如，如下文提到的，某些设备200可以没有存储能力或具有有限的存储能力(由虚线圆圈表示)。如本文进一步描述，一个或多个设备200可以当作“根节点/设备”，而一个或多个设备也可以当作“目的地节点/设备”。
数据分组140(例如，在设备/节点之间发送的流量和/或消息)可以通过使用预定义网络通信协议而在计算机网络100的节点/设备之间交换，预定网络通信协议诸如为传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)、用户数据报协议(UDP)、多协议标签交换(MPLS)、各种专有协议等。在此上下文中，协议包括用于定义节点如何彼此交互的规则的集合。此外，网络100中的数据分组可以取决于设备能够能力以不同的方式被发送，诸如源所路由的分组140-s，如下所述。
图2是可以与本文描述的一个或多个实施例一起使用(例如作为设备或传感器)的示例节点/设备200的示意性方框图。设备可以包括通过系统总线250互连的一个或多个网络接口210、一个或多个传感器组件215、处理器220(例如，8-64位微控制器)和存储器240，以及电源260(例如，电池、插件等)。(一个或多个)网络接口210包括用于通过耦合到网络100的物理和/或无线链路来传输数据的机械、电子和信令电路。网络接口可以被配置成使用多个不同的通信协议来发送和/或接收数据，包括：尤其是TCP/IP、UDP、无线协议(例如，IEEE标准802.15.4、WiFi、蓝牙
Figure BDA00002154035700041
)、以太网、电力线通信(PLC)协议等。
存储器240包括可由(一个或多个)处理器220和网络接口210寻址的多个存储位置，用于存储与本文描述的实施例相关联的软件程序和数据结构。如以上所述，某些设备可以具有有限的存储器或没有存储器(例如，除用于在设备上操作的程序/处理的存储器之外，没有其它用于存储的存储器)。处理器220可以包括适于执行软件程序并且操纵数据结构的必要的元件或逻辑，数据结构例如是路线或前缀245(特别地仅在有能力的设备上)。操作系统242(其各部分典型地位于存储器240中并且由(一个或多个)处理器执行)通过调用(尤其是)支持在设备上执行的软件处理和/或服务的操作来在功能上组织设备。这些软件处理和/或服务可以包括路由处理/服务244，路由处理/服务244可以包括说明性的有向无环图(DAG)处理246。另外，对于根设备(或其他管理设备)，在存储器240中还可以存在拓扑结构管理处理248和相关联的所存储的拓扑结构249，以供本文所述那样使用。本领域的技术人员将会清楚的是，其他的处理器和存储器类型(包括各种计算机可读介质)可以用于存储并且执行关于本文所述技术的程序指令。
路由处理(服务)244包括处理器220执行的计算机可执行指令以执行一个或多个路由协议所提供的功能，诸如先应式或反应式路由协议，如本领域的技术人员将会理解的。这些功能可以在有能力的设备上被配置来管理路由/转发表245，路由/转发表包括例如用于作出路由/转发决定的数据。具体地讲，在先应式路由中，在计算到网络中的任何目的地的路线之前发现并且获知连接性，例如，诸如开放式最短路径优先(OSPF)或中间系统到中间系统(ISIS)或最优链路状态路由(OLSR)之类的链路状态路由。另一方面，反应式路由发现邻居(即，不具有网络拓扑结构的先验知识)，并且响应于所需要的到目的地的路线，发送路线请求到网络中以确定哪个相邻节点可以用于到达期望的目的地。示例反应式路由协议可以包括自组网按需距离矢量(AODV)、动态源路由(DSR)、动态MANET按需路由(DYMO)等。注意的是，在没有能力或被配置为存储路由条目的设备上，路由处理244可以仅包括：提供源路由技术所需的机制。也就是说，对于源路由，网络中的其他设备可以明确地告诉能力较低的设备将数据分组140-s发送到何处，并且能力较低的设备按照指向简单地转发数据分组。
低功率有损网络(LLN)(例如，某些传感器网络)可以用于无数的应用，诸如“智能电网”和“智能城市”。LLN中存在许多挑战，诸如：
1)链路通常是有损的，使得分组传输速率/比率(PDR)可以由于不同干扰源而发生显著的变化，例如明显地影响比特误码率(BER)；
2)链路通常是低带宽的，使得控制平面流量通常必须被界定并且与低速率数据流量相比是可忽略的；
3)存在需要指定链路和节点度量的集合的多个使用情况，其中一些情况是动态的，因此需要特定平滑功能以避免路由不稳定性，从而极大地消耗带宽和能量；
4)一些应用可能需要约束路由(constraint-routing)，例如以建立将避免非加密链路的路由路径、以低能量运行的节点等；
5)网络的规模可以变得非常大，例如，在几千到几百万个节点的数量级；以及
6)可以使用低存储器、减少的处理能力、低电源(例如，电池)来约束节点。
换句话讲，LLN是这样一类网络，其中路由器和它们的互连都是受限制的：LLN路由器典型地在例如，处理能力、存储器和/或能量(电池)的约束下操作，并且它们的互连的特征在于(说明性地)高损耗率、低数据速率和/或不稳定性。LLN是由来自几十个到上千个或甚至上百万个LLN路由器的任何事物构成的，并且支持点对点流量(在LLN内部的设备之间)、点对多点流量(从中央控制点到LLN内部的设备的子集)以及多点到点的流量(从LLN内部的设备朝着中央控制点)。
在互联网工作任务组(IETF)互联网草案中指定的Winter等人的题为“RPL：IPv6Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks(RPL：用于低功率有损网络的IPv6路由协议)”<draft-ietf-roll-rpl-07>(2010年3月8日版本)的示例协议提供了支持从LLN内部的设备朝着中央控制点(例如，通常的LLN边界路由器(LBR)或“根节点/设备”)的多点到点(MP2P)的流量，以及从中央控制点到LLN内部的设备的点对多点(P2MP)流量(并且也称为点对点，或“P2P”流量)的机制。RPL(发音为“ripple”)通常可以描述为距离矢量路由协议，其除限定特征的集合以界定控制流量、支持修复等之外，还建立在路由流量/分组140中使用的有向无环图(DAG)。
DAG是具有如下特性的有向图：所有的边界按使得不存在环路(回路)的方式被定向。所有的边界都被包括在朝着一个或多个根节点(例如，“簇首”或“信宿”)定向并且终止于一个或多个根节点的路径中，通常以便使用更大的基础结构(诸如互联网、广域网或其他域)来将DAG的设备互连。此外，朝向目的地的DAG(DODAG)是以单个目的地作为根的DAG，即，以不具有外伸的边界(outgoing edge)的单个DAG为根。DAG中特定节点的“父节点”是朝着DAG根的路径上的特定节点的直接后继者，使得父节点具有比特定节点自身更低的“等级”，其中节点的等级标识了节点相对于DAG根的位置(例如，节点距离根越远，则该节点的等级越高)。此外，DAG中节点的兄弟节点(sibling)被限定为位于DAG中相同等级中的任何相邻的节点。注意，这些兄弟节点不必共享共同的父节点，并且兄弟节点之间的路线通常不是DAG的一部分，因为不存在转发进程(它们的等级是相同的)。还需注意，树是一种DAG，其中DAG中的各设备/节点具有一个父节点，或者如本文所使用的，一个优选的父节点。
DAG通常可以基于目标函数(Objective Function，OF)而被建立，目标函数定义了路由度量、优化目标、约束的集合，并且在DAG中使用相关的函数。也就是说，目标函数的作用是指定一个或多个度量以优化不利的DAG、以及如何使用这些度量来计算最好(例如，最短)的路径。另外，OF可以包括约束的可选集合以计算受约束的路径，诸如如果链路或节点不满足所需的约束，则当计算最好的路径时将其从候选列表中“剔除”。另外，OF可以包括定义了主机或主机的集合(诸如充当数据收集点的主机，或提供到外部基础结构的连接性的网关)的“目标点”(goal)，其中DAG的主要目标是使DAG中的设备能够达到该目标点。在节点不能遵守目标函数的情况下，其可以被配置为加入DAG作为叶节点。
说明性地，用于选择路径(例如，优选父节点)的示例度量可以包括成本、延迟、等待时间、带宽、估计出的传输计数(ETX)等，而可以施加于路线选择上的示例约束可以包括各个可靠性阈值、对电池操作的限制、多路多样性、负载均衡要求、带宽要求、传输类型(例如，有线、无线等)以及大量的所选父节点(例如，单个父节点树或多父节点DAG)。注意，在Vasseur等人的题为“Routing Metrics used for PathCalculation in Low Power and Lossy Networks(用于低功率有损网络中的路径计算的路由度量)”IETF互联网草稿<draft-ietf-roll-routing-metrics-04>(2009年12月3日版本)中可以找出可以如何获得路由度量的示例。此外，在Thubert的题为“RPL Objective Function 0(RPL目标函数0)”的IETF互联网草稿<draft-ietf-roll-of0-01>(2010年2月18日版本)中可以找出示例OF(例如，默认OF)。
建立DAG可以利用发现机制以建立网络的逻辑表示，并且对传播(dissemination)进行路由以建立网络中的状态，以使得路由器知道如何朝着它们最终的目的地转发数据分组。注意，“路由器”是指可以转发流量以及产生流量的设备，而“主机”是指可以产生流量但是无法转发流量的设备。另外，“叶节点”通常可用于描述非路由器，非路由器通过一个或多个路由器连接到DAG，但是其自身不能将在DAG上接收到的流量转发到DAG上的另一个路由器。控制消息可以在网络中的设备之间发送，用于当建立DAG时发现传播并对其进行路由。
根据说明性RPL协议，DODAG信息对象(DIO)是一种DAG发现请求消息，其携带了允许节点发现RPL实例、获知其配置参数、选择DODAG父节点集合并且维持向上的路由拓扑结构的信息。此外，目的地广告对象(DAO)是一种DAG发现回复消息，其沿着DODAG向上传达目的地信息以使得DODAG根(和其他的中间结点)可以提供向下的路线。DAO消息包括前缀信息以识别目的地、记录支持源路由的路线的能力以及确定特定广告的时新性的信息。注意，“向上”或“往上”路径是在从叶节点朝着DAG根的方向进行引导的路线，例如，随着DAG中的边界的方向。反之，“向下”或“往下”路径是在从DAG根朝着叶节点的方向进行引导的路线，例如，一般逆着DAG中边界的方向前行。
一般来讲，DAG发现请求(例如，DIO)消息是从DAG的(一个或多个)根设备向下朝着叶节点发送的，用于通知每个后续的接收设备如何到达根设备(也就是说，请求从哪里接收，哪里通常就是根的方向)。因此，在朝着根设备的向上方向中创建了DAG。DAG发现回复(例如，DAO)然后可以从叶节点返回到(一个或多个)根设备，用于通知在其他方向上的每个后续的接收设备如何到达向下路线的叶节点。能维持路由状态的节点可以从它们在发送DAO消息之前接收的DAO消息来聚集路线。然而，不能维持路由状态的节点可以将下一跳地址附加到反向路线记录堆栈(例如，RPL DAO消息中包括的“反向路线堆栈”)中。然后，反向路线记录堆栈随后可以用于在不能存储向下路由状态的DAG的区域内生成分段源路线(用于分组140-s)。
图3图示了当建立DAG(例如，作为DIO或DAO)时可以用于发现和路由传播的示例简化控制消息格式300。消息300说明性地包括位于识别消息的类型(例如，RPL控制消息)的一个或多个字段312内的头部，和指示消息的具体类型的具体代码，例如，DIO或DAO(或DAG信息请求)。在消息的主体/有效载荷320内可以是用于中继相关信息的多个字段。具体地讲，字段可以包括各种标记/比特321、序列号322、等级值323、实例ID 324和DAG ID 325以及其他字段，本领域的技术人员可以更加详细地理解每个字段。此外，对于DAO消息，还可以包括用于目的地前缀326和反向路线堆栈400的额外字段。对于DIO或DAO，一个或多个额外子选项字段328可用于在消息300内提供额外的或定制的信息。比如，目标代码点(OCP)子选项字段可以在DIO内用于携带如下代码，这些代码指定了用于建立相关联的DAG的特定目标函数(OF)。
如以上所述，典型的DAG结构体系(诸如RPL和其他的距离矢量路由协议)使网络中的每个节点例如基于DAG边界来管理有关它的对等体和它们的作用的信息。然而，由于在这种情形下，节点都不具有有关整个网络拓扑结构的信息，系统管理员也无法获知DAG结构是什么(如果它发生了改变)以及是否正确地建立并且维护了DAG。
已经建议了各种方法来补救这种情形，诸如用以在发现、构造并且维护DAG边界时向中央机构进行报告的其它应用。然而，这种系统将会消耗宝贵的计算资源，并且很可能会是定制应用，这些定制应用不幸地在设备之间几乎不具有或根本不具有互操作性。还已经建议了其他轻量级方法，诸如简化的简单网络管理协议(SNMP)系统，但是就存储器占用而言，这些方法仍然太过昂贵，并且就利用的带宽而言，甚至更加昂贵。
DAG拓扑结构报告
根据本发明的一个或多个实施例，路由协议消息(诸如RPL DIO和DAO)可以用来提供可由DAG根用来确定DAG网络拓扑结构的管理信息。具体地讲，如本文所述，根设备可以例如在DIO中请求DAG中的各设备将其设备标识(ID)添加到针对DAG发现回复(例如DAO)的每个路线的反向路线记录堆栈中，该DAG发现回复被沿着DAG向上朝着根设备传播。在接收到一个或多个DAG发现回复时，根设备可以将来自反向路线记录堆栈的所记录路线编译成DAG网络拓扑结构。
说明性地，本文所述的技术可以通过硬件、软件和/或固件来执行，诸如根据用于根设备功能的拓扑结构管理处理248，这些硬件、软件和/或固件可以包括由处理器220执行的计算机可执行指令，以便例如结合路由处理244和DAG处理246来执行涉及本文描述的新技术的功能。此外，DAG中的非根节点可以根据DAG处理执行本文的技术，例如，特别地被配置来执行本文的功能(例如，DAG中的至少一个节点)或对于能力较小的设备以默认的方式执行，如本文所描述。
在操作上，根设备(例如，LBR)可以确定或另外检测触发以获知它所负责的DAG的网络拓扑结构。比如，触发可以是周期性定时器(例如，周期性地获知拓扑结构)的截止或者检索管理信息的需求(例如，基于从系统管理员接收到请求或指令)。此外，在某些实施例中，触发可以简单地是DAG的建立或刷新，以使得每次建立或刷新(例如，增加的序列号)DAG时，根就可以获知(重新)建立的DAG的拓扑结构。
响应于该触发，说明性地，根设备可以将DAG发现请求300随着特殊路线记录请求一起沿着DAG向下发送，诸如RPL DIO。具体地讲，路线记录请求可以用于请求DAG中的各接收设备将其设备标识(ID)(诸如，网络地址)添加到针对沿着DAG向上朝着根设备传播的DAG发现回复(例如，DAO)的每个路线的反向路线记录堆栈中。说明性地，该请求可以在DAG发现请求中采用比特或标志321(例如，“记录比特”或“R-比特”)的形式，尽管其他字段和消息可以用于将该请求中继到DAG的节点。
当DAG的特定设备/节点接收到请求并且检测到路线记录请求(例如，比特/标志321)时，则该接收设备(例如，设备12)可以将请求进一步沿着DAG向下转发，并且可以等待定时器的截止，该定时器被配置为允许对来自下游DAG设备的DAG发现回复进行接收(例如，DAO延迟定时器)。当延迟定时器截止时，特定设备可以建立DAG发现回复(例如，DAO)消息，并且将它们的设备ID(例如，地址)添加到反向路线堆栈字段400中，例如，如果底层的路由协议需要，则递增路线记录计数(rr计数)值，并且将DAG发现回复沿着DAG向上发送到根设备。
图4图示了可在DAG发现回复消息300中携带的示例反向路线记录堆栈400。说明性地，堆栈400可以包括一个或多个条目450，这一个或多个条目各对应于具有路线记录列表(有序的设备ID)420的特定可到达前缀/路线410。例如，结合图1，假定设备42可到达前缀“P1”。当接收到路线记录请求时，设备42可以将其ID添加到针对与P1有关的条目的反向路线记录堆栈中，并且将相应的DAG发现回复沿着DAG向上转发到设备32。另外，设备43可以将其ID添加到针对与P2有关的条目的反向路线记录堆栈，并且也可以将该DAG发现回复转发到设备32。
在相关联的定时器截止之后，设备32可以从42和43接收回复消息(例如，DAO)，然后可以将其ID添加到反向路线记录堆栈，例如将其ID推送到堆栈上的其他条目前面，以使得堆栈包括用于P1和P2的条目。注意，说明性地，设备32是没有被配置成存储路由条目的能力较小的设备(例如，“非存储节点”)。与不能记录路由状态的任何设备一样，设备32可以继续在堆栈400中将用于源路由的地址添加到回复中的各路线/前缀中。换句话讲，有能力的设备(例如，正常地存储路由状态的存储节点)的操作可被修改为在不移除当前在位的任何堆栈(作为处理路线记录请求(例如，“R-比特”)的一部分)的情况下，将其设备ID添加到路线记录堆栈400，而能力较小的设备可以简单地根据它们的标准指令集来执行。
继续朝着根，设备32可以将回复转发到设备22，设备22也将其设备ID添加到针对到P1和P2的每个路线的堆栈400中，并且将相关联的回复转发到设备12。还假定关于前缀P3的信息也从设备44到设备33、再到设备23、再到设备12(具有全能力(路线存储)的设备的路线)反向地经过DAG。图4中示出的堆栈400因此可以在设备12将其ID添加到相关联的堆栈之后图示出用于前缀P1、P2和P3的示例堆栈。传统地，设备12(例如，以及23和33)可能已将其余路线压缩或以其它方式合并到前缀，这是因为它们能够存储路由信息，如果它们接收到如此前往的分组140的话。然而，根据本文的技术，为了响应于根的请求来建立DAG拓扑结构，有能力的节点(以及不能存储路线的设备)在不进行进一步修改的情况下(即，在不将其余路线压缩或合并到前缀的情况下)，通过将其ID附接到堆栈而不同地进行动作。如果存在DAG设备从其接收堆栈400的多个下游路径，则堆栈可被编译成分离的条目，例如，如在用于P1和P2的设备22处所示的，并且然后在用于P1/P2和P3的设备12处所示出的。
当根从其下游邻居接收到DAG发现回复(例如，DAO消息)时，其可以将包括在其中的反向路线记录堆栈中的所记录路线编译成DAG网络拓扑结构。换句话讲，根设备可以查看堆栈字段以追踪回复信息沿着DAG从各目的地端点所跟随的路径。此信息可以被存储(例如，拓扑结构249)并且可以按需被报告，诸如在本地显示拓扑结构或将此信息发送到外部代理用于视觉显示或处理。
通过从DAG中的所有节点请求以上描述的动作，根节点有效地迫使DAG的所有节点发送期望的信息，尽管网络中没有节点/设备能存储任何路线。换句话讲，该请求指示节点将去往任何目的地地址前缀的各个和每个路线当作源所路由的路线来对待。以此方式，根设备可以通过DAG获知所有前缀和到所有前缀的所有路线，从而创建完整的网络拓扑结构，这可以用于管理目的，诸如优化、报告等。
另外，在一个或多个实施例中，当完成了拓扑结构获知的后续迭代时，根设备可以将新接收的信息与存储的信息(先前的DAG网络拓扑结构)进行比较并且确定DAG管理信息(拓扑结构)是否发生了改变。例如，在检修网络时，例如当节点(例如，以及子DAG)未能响应时，对改变进行监测可以是有用的。根设备可以因此比较先前的信息以推断出哪些节点出了故障。注意，在一个或多个实施例中，根设备可以被配置成仅将改变报告给系统管理员，而另外地仅维持先前的DAG拓扑结构迭代来与后续迭代比较。
在根设备的智能之外，根据本文的一个或多个实施例，拓扑结构改变可以被报告给根设备；也就是说，特定非根设备处的返回所请求信息的触发可以是局部修复的执行。比如，响应于链接或节点故障，在DAG内可以执行全局或局部修复。通过根设备请求重新建立DAG(例如，DIO内的新的序列号)来触发全局修复，并且获知新的拓扑结构的请求可以包括在如上所述的DAG发现消息中。然而，此外，可以通过重新计算故障所影响的DAG的一部分来由非根设备执行局部修复。根据局部策略，然后，网络中由于局部修复而选择了新的父节点的设备可以被配置来发送具有已被更新的适当反向堆栈字段400的新的DAG发现回复(例如，DAO)。注意，DAG发现回复请求的路线记录请求可以包括如下的具体指示：将由DAG中特定设备响应于特定设备执行的局部修复来朝着根设备发送回复。可替代地，当接收到任何路线记录请求时局部修复通知可以是标准操作，也就是说，在根设备没有特别请求这样做的情况下，根据默认的行为响应于局部修复而发送回复到根设备。此外，在一个实施例中，DAG设备可以被配置成简单地通知DAG根已发生了局部修复，在无需额外的信息，此时DAG根可以通过请求全局重建和/或重获知DAG拓扑结构来做出响应。另外，即使响应于包括有针对新的已修复拓扑结构的新路线记录堆栈的局部修复通知，DAG根仍然可以请求全局重建和/或重获知DAG拓扑结构，例如，以便确保信息的准确性。
其他的DAG管理信息也可以包括在回复中，例如与DAG发现回复中携带的路线有关的流量度量/统计。比如，信息可以添加到子选项字段328，或者反向路线记录堆栈400的其它字段中(尽管此实施例可能需要改变至标准协议)。注意，如有必要，可以压缩信息以防止分组断裂。示例流量度量可以包括特定设备所处理(全部或每个前缀)的多个分组、(全部或每个前缀)重定向的和到其的多个分组、以及(全部或每个前缀)所处理的分组的速率。以此方式，根设备可以基于流量度量建立与DAG网络拓扑结构相对应流量矩阵。以此方式，更多的信息可用于DAG管理，诸如是否存储了未被使用的某些前缀等。
流量度量的传输可以响应于确定在特定设备处达到了度量阈值而发生，度量阈值诸如是所处理分组的一定数目(例如，接近最大容量)、被重定向的分组(例如，用以获知下面的“捷径”的任何分组)的数目等。在一个实施例中，局部策略可以定义是立即报告状态改变，还是与定期路由更新(例如，周期性的DAG发现回复)一起报告，诸如在合理的时间窗内下一更新/回复到期时。还要注意，流量度量的传输可被携带在DAG发现回复(例如，DAO)消息的子选项字段328内，或者，可替代地，可被携带在适合于中继该信息的单独的(例如，新定义的)管理消息中。
如以上所提及，本文的技术可用于获知DAG内任何的“捷径”，这些“捷径”通常是DAG根设备无法看见的。例如，图5图示了另外指示出了位于设备34与35之间通过设备24的捷径510的图1的网络/DAG。具体地讲，一旦已计算出DAG结构，两个节点之间(例如，设备34和35)分组所遵循的路径使得分组向上朝着根行进到两个设备的共同的祖先节点(例如，设备24)，分组在该点处被向下朝着另一设备(例如，设备35)重定向。这种“捷径”通常是一直行进到根的更优的路径，但是它们并不被根所知晓，因为根相应地没有看到来自它的流量。为了允许根获知捷径(例如，点对点路径优化)以用于管理目的，特定设备所重定向的分组的数量可以被中继到根，如以上所提及(例如，响应于超过某一阈值)。
图6图示了根据本文所述的一个或多个实施例的用于提供动态DAG拓扑结构记录的示例简化过程。过程600在步骤605开始，并且继续到步骤610，其中，根设备(例如，LBR)确定或检测触发以获知根设备所负责的DAG的网络拓扑结构。比如，如以上所述，各种触发包括周期性的定时器、根据需要(例如，管理员请求)、或者在首先建立DAG的初始请求期间。因此，在步骤615中，可以将具有路线记录请求(例如，比特/标志321)的DAG发现请求300(例如，DIO)沿着DAG向下发送，该路线记录请求请求DAG中的各设备添加其设备ID(例如，地址)到沿着DAG向上传播到根设备的DAG发现回复300(例如，DAO)中的每个路线的反向路线记录堆栈中。
在步骤620中，DAG的每个特定设备200可以接收DAG发现请求(例如，DIO)，并且，可选地在步骤625中等待允许从下游DAG设备接收DAG发现回复的定时器截止之后，可以相应地将其设备ID添加(例如，推送)到反向路线记录堆栈400中。注意，如以上所提及，特定设备也可以(在此时或随后)添加各种流量度量到该响应中，诸如子选项字段328中。在步骤635中，DAG发现回复300(和堆栈400)然后可以沿着DAG向上朝着根设备发送。此外，如以上所描述，在步骤640中，在要求信息的特定设备处还可以发生其他的触发，诸如局部修复的执行或者超过预定义流量度量阈值。因此，响应于这些可选触发，在步骤625中，特定设备可以将其设备ID和任何相应的流量度量添加到回复消息中。
在步骤645中，根设备可以接收DAG发现回复，然后在步骤650中，可以将所记录的路线编译成DAG网络拓扑结构。另外，当被请求时，根设备可以基于接收的度量进一步创建流量矩阵。在创建的拓扑结构具有至少一个前辈节点的情形下，则在步骤655中，根设备可以将最近的拓扑结构与较旧的拓扑结构(例如，先前的拓扑结构)进行比较以确定是否存在要报告的任何改变。在步骤660中，可以报告DAG网络拓扑结构(或简单地存储用于将来的比较)，并且过程600在步骤665结束。
本文描述的新技术提供了计算机网络中动态DAG拓扑结构的记录和流量矩阵的生成。具体地讲，以上描述的技术支持管理信息的按需更新或周期性更新，以及递增的更新以限制网络中的流量。此外，通过在DAG回复消息(例如，DAO)的路由数据内背载(piggy-back)信息，本技术具有最小的成本(开销)来管理LLN。此外，描述了由DAG的节点将“捷径”报告给根的高效机制，因为捷径通常是根所看不到的，从而使得可以建立流量矩阵以用于更优路径或其他管理目的。
尽管已经示出并且描述了提供计算机网络中的动态DAG拓扑结构记录的说明性实施例，应当理解的是，在本文的实施例的精神和范围内可以进行多种其他的改编和修改。例如，本文示出并且描述了关于LLN的实施例，并且更具体地讲，示出并且描述了关于RPL协议的实施例。然而，在更为广泛的意义上说，这些实施例并不如此受限，并且事实上可以用于利用DAG路由的其他类型的网络和/或协议(例如，距离矢量协议)。
上述描述涉及具体的实施例。然而，将会认识到的是，在实现它们的某些或全部优点的前提下，可以对所描述的实施例进行其他各种变化和修改。比如，明确地表示了本文描述的组件和/或元素可以实施为存储在有形的计算机可读介质(例如，磁盘/CD/等)上的软件，该软件具有在计算机、硬件、固件或它们的组合上执行的程序指令。因此，本说明书应被理解为仅仅以示例的方式，并且不另外限制本文的实施例的范围。因此，所附权利要求的目的是将所有的这些变化和修改涵盖在本文的实施例的真正的精神和范围内。

Claims (21)

1.一种方法，包括：
由计算机网络中的有向无环图(DAG)的根设备确定触发以获知所述DAG的网络拓扑结构；
作为响应，将DAG发现请求沿着所述DAG向下发送，所述DAG发现请求具有路线记录请求，所述路线记录请求请求所述DAG中的各设备添加其设备标识(ID)到沿着所述DAG向上朝着所述根设备传播的DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中；
在所述根设备处接收一个或多个DAG发现回复；并且
将所述一个或多个DAG发现回复的一个或多个反向路线记录堆栈的所记录路线编译成DAG网络拓扑结构。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
报告所述DAG网络拓扑结构。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述DAG网络拓扑结构自先前的DAG网络拓扑结构以来是否发生改变。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
按照需求确定所述触发。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于周期性的定时器确定所述触发。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述DAG中不能记录状态的设备被配置为也将它们各自的设备ID添加到所述DAG发现回复的每个路线的所述反向路线记录堆栈中。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述路线记录请求包括如下指示：由所述DAG中的特定设备响应于所述特定设备执行的局部修复来朝着所述根设备发送回复。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述路线记录请求包括这样的请求：在所述DAG发现回复中包括与所述DAG发现回复中携带的路线有关的流量度量的集合。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述流量度量选自由以下项组成的组：所处理的分组的数目、被重定向的分组的数目、和所处理的分组的速率。
10.如权利要求8所述的方法，还包括：
在所述根设备处基于所述流量度量建立与所述DAG网络拓扑结构相对应的流量矩阵。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：
根据用于低功率有损网络(RPL)的路由协议来利用DAG路由。
12.一种装置，包括：
一个或多个网络接口，适于在计算机网络中的有向无环图(DAG)上进行通信；
处理器，被耦合到所述网络接口并且适于执行一个或多个处理；以及
存储器，适于存储能由所述处理器执行的根设备处理，所述处理在被执行时可操作来：
作为所述DAG的根设备，确定触发以获知所述DAG的网络拓扑结构；
响应于所述触发将DAG发现请求沿着所述DAG向下发送，所述DAG发现请求具有路线记录请求，所述路线记录请求请求所述DAG中的各设备添加其设备标识(ID)到沿着所述DAG向上朝着所述装置传播的DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中；
接收一个或多个DAG发现回复；并且
将所述一个或多个DAG发现回复的一个或多个反向路线记录堆栈的所记录路线编译成DAG网络拓扑结构。
13.一种方法，包括：
在计算机网络中的有向无环图(DAG)中的特定设备处接收从所述DAG的根设备沿着所述DAG向下发送的DAG发现请求，所述DAG发现请求具有路线记录请求；
响应于所述路线记录请求，将所述特定设备的设备标识(ID)添加到针对DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中；并且
沿着所述DAG向上朝着所述根设备发送所述DAG发现回复。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
等待定时器的截止，所述定时器被配置为允许在添加所述设备ID和发送所述DAG发现回复之前接收来自下游DAG设备的DAG发现回复。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述设备ID是设备的网络地址。
16.如权利要求13所述的方法，还包括：
确定所述特定设备执行了局部修复；并且
作为响应，从所述特定设备朝着所述根设备发送指示所述局部修复的回复消息。
17.如权利要求13所述的方法，还包括：
在所述DAG发现回复中包括与所述回复中的路线有关的流量度量的集合。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述流量度量选自由以下项组成的组：所处理的分组的数目、被重定向的分组的数目、和所处理的分组的速率。
19.如权利要求17所述的方法，还包括：
确定在所述特定设备处已达到了度量阈值；并且
作为响应，从所述特定设备朝着所述根设备发送指示度量的回复消息。
20.如权利要求13所述的方法，还包括：
根据用于低功率有损网络(RPL)的路由协议来利用DAG路由。
21.一种装置，包括：
一个或多个网络接口，适于在计算机网络中的有向无环图(DAG)上进行通信；
处理器，被耦合到所述网络接口并且适于执行一个或多个处理；以及
存储器，适于存储能由所述处理器执行的根设备处理，所述处理在被执行时可操作来：
接收从所述DAG的根设备沿着所述DAG向下发送的DAG发现请求，所述DAG发现请求具有路线记录请求；
响应于所述路线记录请求，将所述装置的设备标识(ID)添加到针对DAG发现回复的每个路线的反向路线记录堆栈中；并且
沿着所述DAG向上朝着所述根设备发送所述DAG发现回复。
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