CN103262467A - 与计算机网络中低接触节点的增加的通信机会 - Google Patents

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CN103262467A
CN103262467A CN2011800603037A CN201180060303A CN103262467A CN 103262467 A CN103262467 A CN 103262467A CN 2011800603037 A CN2011800603037 A CN 2011800603037A CN 201180060303 A CN201180060303 A CN 201180060303A CN 103262467 A CN103262467 A CN 103262467A
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什穆埃尔·谢弗
桑迪普·杰伊·舍迪
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Abstract

在一个实施例中，计算机网络中有向无环图(DAG)中的特定节点(如根节点)可以识别DAG中的低接触(如无线)节点，该节点冒着当到达该低接触节点的尝试被做出时具有无效路径的风险。作为响应，该特定节点可以识别低接触节点的邻居，并且可以通过多个邻居构建从该特定节点到该低接触节点的多播树以到达该低接触节点。当向该低接触节点发送流量时，该特定节点在多播树上发送流量，其中多个邻居中的每一个尝试向该低接触节点转发流量。在另一实施例中，为了接收多播流量，低接触节点本身向特定/根节点指示它的状态以及它的邻居列表。

Description

与计算机网络中低接触节点的增加的通信机会
技术领域
本公开一般地涉及计算机网络，更具体地涉及对带有低接触(low-contact)节点的有向无环图(DAG)的管理。
背景技术
低功率有损网络(LLN，如传感器网络)有大量的应用，例如智能电网(Smart Grid)和智能城市(Smart Cities)。对LLN存在各种挑战，例如有损链路、低带宽、电池操作、低存储和/或处理能力等等。一种对LLN挑战的示例性路由方案是被称为针对LLN的路由协议或“RPL”的协议，该协议是距离矢量路由协议，除了用于限制控制流量、支持局部的(并且缓慢的)修复等的一组特征之外，该距离矢量路由协议建立面向目的地的有向无环图(DODAG，或者仅仅是DAG)。RPL构架提供了灵活的方法，通过这种方法每个节点执行DODAG的发现、建造和维护。
在LLN中，具有很少通信、但在任何时间仍然必须是可达的节点是十分普遍的。例如，如果该“低接触”节点是用电池操作的，则使用保持活动(keep-alive)机制来维护通过先应式(先验的)路由协议(如RPL)建立的路由拓扑是特别有害的。例如，当该节点希望发送数据包时，该节点唤醒(wake up)并且通常在发送数据包之前使用前导技术。如果节点检测到在数据被传输时它先前的链路不可用，则该节点可以切换至备份父亲(backup parent)或者触发修复。
然而，主要的问题是在相反的方向上：假如节点需要向低接触节点发送数据包，并且至该低接触节点的(先前可用的)链路损坏了。例如，当低接触节点尝试发送上行消息并且未接收到确认(ACK)时，低接触节点可以改变父亲。然而，如果在低接触节点改变父亲之前，该低接触节点的父亲尝试通过损坏的链路发送下行消息，或者如果当低接触节点的父亲是不可修复的(inoperable)时，该低接触节点的祖父尝试向其低接触孙子节点发送下行消息，则任一节点都无法这样做。在这些实例的任意一个中，由于低接触节点通常不知道以其本身为目的地的数据包，因此低接触节点无法知晓或者切换至新的父亲。当前，对该问题的下述两个解决方案是可用的：(1)迫使低接触节点发送保持活动消息来维护与其邻居的邻接，这对于不会频繁地发送数据包的用电池操作的节点而言通常是不可接受的；或者(2)使用基于反应式路由的不同方案，这以当搜索新的路由时洪泛(flood)整个网络为代价，这也是不希望的。
附图说明
结合附图参考下文的说明可以更好地理解本文的实施例，在附图中相似的参考数字指示相同或功能类似的元件，其中：
图1示出了示例性计算机网络；
图2示出了示例性网络设备/节点；
图3示出了示例性消息；
图4示出了图1的计算机网络中的示例性有向无环图(DAG)；
图5示出了指示出低接触节点状态的示例性消息交换；
图6A-6B示出了示例性邻居发现消息交换；
图7示出了DAG中的示例性多播树；
图8示出了沿着多播树的示例性流量传输；
图9示出了DAG中的示例性多样多播树；
图10从DAG中的特定节点(如根节点)的角度示出了用于增加与低接触节点的通信机会的示例性简化过程；并且
图11从低接触节点的角度示出了用于增加与低接触节点的通信机会的示例性简化过程。
具体实施方式
概述
根据本公开的一个或多个实施例，计算机网络中有向无环图(DAG)中的特定节点(如根节点)可以识别DAG中的低接触(如无线)节点，当到达该低接触节点的尝试被做出时，该低接触节点冒着具有无效路径的风险。作为响应，该特定节点可以识别低接触节点的邻居，并且可以通过多个邻居构建从该特定节点到该低接触节点的多播树以到达该低接触节点。当向该低接触节点发送流量时，该特定节点在多播树上发送流量，其中多个邻居中的每一个尝试向该低接触节点转发流量，从而显著地提高数据包递送的机会。
根据本公开的一个或多个另外的实施例，节点可以将它的状态确定为DAG中的低接触节点。照此，低接触节点可以识别它的邻居，并且可以向根节点传输该节点是低接触节点的指示，该指示具有识别出的该低接触节点的邻居的列表。照此，假设邻居中的至少一个仍处于与低接触节点的通信中，则随后该低接触节点可以作为多播流量从一个或多个邻居接收流量。
说明
计算机网络是通过通信链路相互连接的节点和用于在端节点之间输送数据的片段的在地理上分布的集合，这些端节点例如是个人计算机和工作站或者其他设备(如传感器)等。许多类型的网络是可用的，类型的范围从局域网(LAN)到广域网(WAN)。LAN通常通过专用私人通信链路来连接位于相同的一般物理位置(如建筑或校园)中的节点。另一方面，WAN通常通过长距离通信链路来连接地理上分散的节点，这些长距离通信链路例如是常见的运营商电话线、光学光路、同步光学网络(SONET)、同步数字体系(SDH)链路，或者诸如IEEE61334、CPL G3、瓦特脉冲通信(WPC)等电力线通信(PLC)。此外，移动自组网络(MANET)是一种自组(ad-hoc)网络，其一般被认为是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，移动路线的联合形成了任意拓扑。
智能对象网络(例如特别是传感器网络)是一种具有诸如传感器、致动器等在空间上分布的自治装置的特定类型的网络，这些自治装置协同监视不同位置处的物理或环境条件，例如能量/功率消耗、资源消耗(如用于高级计量基础设施或“AMI”应用的水/气等)、温度、压力、振动、声音、辐射、运动、污染物等。其他类型的智能对象包括致动器，例如负责开启/关断引擎或者执行任何其他动作。尽管有线连接也是可用的，但是作为一种智能对象网络的传感器网络通常是无线网络。即，除了一个或多个传感器之外，传感器网络中的每个传感器设备(节点)通常可以配备有无线收发器或者其他通信端口、微控制器以及能量源(如电池)。一般地，对传感器节点的尺寸和成本限制导致对资源(如能量、存储器、计算速度和带宽)的相应限制。相应地，虽然不需要，但是反应式路由协议可以替代先应式路由协议而被用于传感器网络。
在某些配置中，传感器网络中的传感器向一个或多个集中式或分布式数据库管理节点发送它们的数据以及来自其它传感器的路由/中继数据，这些数据库管理节点获取该数据以用于一个或多个相关联的应用。替代地(或者另外)，某些传感器网络提供这样的机制：通过这些机制，感兴趣的订阅者(如“汇聚点(sink)”)可以特别地从网络中的设备请求数据。在“推送模式”中，传感器在不提示的情况下向传感器汇聚点/订阅者传输它们的数据，例如以规律的间隔/频率或者响应于外部触发(如警报消息)来传输。相反，在“拉动模式”中，传感器汇聚点可以特别地请求传感器(如特定传感器或者所有传感器)向传感器汇聚点传输它们的当前数据(或者做出测量并传输该结果)。(本领域技术人员将会认识到每种模式的益处和不足，并且将两种模式都适用于本文描述的技术。)
图1是示例性地包括通过各种通信方法相互连接的节点/设备200(例如，被如图所示地标记，“根”、“11”、“12”…“45”、“46”)的示例性计算机网络100的示意性框图。例如，链路105可以是有线链路或者可以包括无线通信媒介，其中某些节点200(例如路由器、传感器、计算机等)可以例如基于距离、信号强度、当前操作状态、位置等而与其他节点200通信。本领域技术人员将会理解，任何数量的节点、设备、链路等可以被用在计算机网络中，本文示出的视图是为了简明。此外，虽然实施例在本文中是参考一般为“树”形的网络而示出的，但是本文的描述不局限于此，并且可以应用于具有这样的分支的网络：这些分支从一般集中在多个周围节点当中的根节点向所有方向发射。
说明性地，网络中的某些设备可以比其他设备更有能力，例如与具有最小的存储器、电池电力等的那些设备相比，具有更大存储器、可持续的非电池电源等的那些设备。例如某些设备200可能不具有存储能力或者具有有限的存储能力。此外，一个或多个设备200可以被视为“根节点/设备”(或者能够作为根的设备(root capable device))，也被称为LLN边界路由器(LBR)，而一个或多个设备也可以被视为“目的地节点/设备”。
数据包140(如在设备/节点之间发送的流量和/或消息)可以被使用预定义的网络通信协议(例如传输控制协议/因特网协议(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)在计算机网络100的设备/节点之间交换。在该背景下，协议由定义节点如何彼此交互的规则集合组成。此外，网络100内的数据包可以被取决于设备能力来以不同的方式传输，例如源路由数据包。
图2是可以用于本文所描述的一个或多个实施例的示例性节点/设备200(例如，作为网络中的根节点或者其他节点(如传感器))的示意性框图。该设备可以包括通过系统总线250相互连接的一个或多个网络接口210、一个或多个传感器组件215(如传感器、致动器等)、至少一个处理器220(如8-64位微控制器)和存储器240，以及电源260(如电池、插入部等)。注意，根节点无需包含传感器组件215。
网络接口210包含用于在耦合到网络100的物理和/或无线链路上传送数据的机械、电子和信令电路。网络接口可以被配置为使用各种不同的通信协议(尤其包括TCP/IP、UDP、无线协议(如IEEEStd802154、WiFi、蓝牙
Figure BDA00003346187900051
)、以太网、电力线通信(PLC)协议等)来发送和/或接收数据。注意，根可以具有两种不同类型的网络连接210。也就是说，一个或多个接口可以用来与网状网络(即，图1示出的其他节点)通信(进入网格单元(mesh cell))，而对于根节点，另一接口可以被用作根与例如位于WAN的头端设备之间的WAN上行链路网络接口。
存储器240包括多个可由处理器220和网络接口210寻址的存储位置，这些存储位置用于存储与本文所描述的实施例相关联的软件程序和数据结构。如上文所述，某些设备可能具有有限的存储器或者不具有存储器(例如，除了用于在设备上操作的程序/进程的存储器之外，没有用于存储的存储器)。处理器220可以包括适于执行软件程序以及操纵数据结构的必要元件或逻辑，例如路线或前缀245(特别地，仅在支持的设备(capable device)上)。操作系统242的一些部分通常驻留在存储器240中并且由处理器执行，操作系统242通过调用支持在设备上执行的软件程序和/或服务的操作等在功能上组织设备。这些软件程序和/或服务可以包括路由进程/服务244，路由进程/服务244可以包括示例性的有向无环图(DAG)进程246。另外，对于根设备(或者其他管理设备)，在存储器240中还可以存在拓扑管理进程248和相关联的所存储拓扑249，以供如本文所描述地使用。对本领域的技术人员而言显而易见的是，其他处理器和存储器类型(包括各种计算机可读介质)可以被用来存储和执行与本文所描述的技术有关的程序指令。另外，虽然说明书说明了各种进程，但是明确地考虑到，各种进程可以被实施为模块，这些模块被配置来根据本文的技术(如根据类似进程的功能)而操作的模块。
路由进程(服务)244包含由处理器220执行以实现由一个或多个路由协议提供的功能的计算机可执行指令，这些协议例如是本领域技术人员将会理解的先应式或反应式路由协议。这些功能可以在支持的设备上被配置来管理路由/转发表245，路由/转发表245例如包括用于做出路由/转发决定的数据。特别地，在先应式路由中，在计算去往网络中的任何目的地的路由之前发现和知晓连通性，例如链路状态路由(如开放最短路径优先(OSPF)或中间系统到中间系统(ISIS))或者优化链路状态路由(OLSR)。在另一方面，反应式路由发现邻居(即，不具有网络拓扑的先验知识)，并且响应于至目的地的所需路线来发送路由请求到网络中，从而确定哪个邻居节点可以用来到达所希望的目的地。示例性反应式路由协议可以包括自组按需距离矢量(AODV)、动态源路由(DSR)、动态MANET按需路由(DYMO)等。注意，在不支持或者未被配置来存储路由条目的设备上，路由进程244可以仅由源路由技术所必需的提供机制组成。即，对于源路由，网络中的其他设备可以精确地告知能力较低的设备(less capable device)向何处发送数据包，并且能力较低的设备简单地按照指示来转发数据包。
低功率有损网络(LLN)(如某些传感器网络)可以被用在大量的应用中，例如用于“智能电网”和“智能城市”。LLN中的许多挑战已经被呈现，例如：
(1)链接一般是有损的，使得数据包传递率/比(PDR)可能由于各种干扰源而显著地变化，例如，相当大地影响误码率(BER)；
(2)链接一般是低带宽的，使得控制平面流量一般必须是有限制的并且与低速率数据流量相比是可以忽略的；
(3)有一些这样的使用情况：需要指定一组链路和节点度量，其中一些度量是动态的，从而需要特定的平滑功能来避免路由不稳定，相当大地耗费了带宽和能量；
(4)一些应用可能需要约束路由(constraint-routing)来例如建立将避免非加密链路、低能量上运行的节点等的路由路径；
(5)网络的规模可能变得非常大，例如，大约数千到数百万个节点；以及
(6)节点可能会受到低存储器、降低的处理能力、低电源(如电池)的限制。
换言之，LLN是路由器及其相互连接都被限制的一类网络：LLN路由器通常在有限制(例如处理能力、存储器和/或能量(电池))的情况下操作，并且他们的相互连接的特征示例性地在于高损耗率、低数据速率和/或不稳定。LLN由从数十到高至数千甚至数百万个LLN路由器中的任意路由器组成，并且支持(LLN内的设备之间的)点对点流量、(从中央控制点到LLN内的设备子集的)点对多点流量以及(从LLN内的设备朝向中央控制点的)多点对单点流量。
在因特网工程任务组(IETF)因特网草案中、Winter等人题为“RPL：用于低功率有损网络的IPv6路由协议(RPL：IPv6Routing Protocol for LowPower and Lossy Networks)”<draft-ietf-roll-rpl-15>(2010年11月11日版)中规定的示例性协议提供了一种机制，该机制支持从LLN内的设备朝向中央控制点的多点对单点(MP2P)流量(如通常的LLN边界路由器(LBR)或者“根节点/设备”)，以及从中央控制点到LLN内的设备的点对多点(P2MP)流量(以及点对点或者“P2P”流量)。RPL(发音为“ripple”)一般可以被描述为这样的距离矢量路由协议：除了定义一组特征来约束控制流量、支持修复等等之外，该协议还建立用于路由流量/数据包140的有向无环图(DAG)。
DAG是具有如下属性的有向图：所有的边缘被以应当没有循环(环路)存在的方式来定向。所有的边缘都被包含在朝着一个或多个根节点而定向并且终止于这一个或多个根节点(例如“簇头(clusterhead)”或“汇聚点”)，以通常将DAG的设备与更大的基础设施(如因特网、广域网或其他域)相互连接。此外，面向目的地的DAG(DODAG)是以单个目的地(即，没有向外边缘的单个DAG根)为根的DAG。DAG中的特定节点的“父亲”是在朝向DAG根的路径上该特定节点的直接后继，从而父亲具有比该特定节点本身更低的“秩”，其中节点的秩标识出该节点相对于DAG根的位置(例如，节点离根越远，该节点的秩越高)。另外，在某些实施例中，节点在DAG中的兄弟可以被定义为在DAG中位于相同的秩的任何邻居节点。注意，兄弟不一定共享共同的父亲，并且由于没有向前的行进(它们的秩是相同的)，兄弟之间的路线通常不是DAG的一部分。还要注意，树是一种DAG，其中DAG中的每个设备/节点一般具有一个父亲或一个优选的父亲。
DAG通常可以被基于目标函数(OF)来建立。目标函数的作用通常是指定关于如何建立DAG(例如父亲、备份父亲等的数量)的规则。
此外，一个或多个度量/约束可以通过路由协议来公告从而优化DAG。此外，路由协议还允许包括可选的一组约束以计算受约束路径，例如如果链路或节点不满足所要求的约束，则当计算最佳路径时该链路或节点被从候选列表中“剪除(prune)”。(替代地，约束和度量可以与OF分开)。此外，路由协议可以包括定义主机或一组主机的“目的(goal)”，例如用作数据采集点的主机、或者向外部基础设施提供连通性的网关，其中DAG的主要目标是使得该DAG内的设备能够达成目的。在节点无法符合目标函数或者不理解或支持所公告的度量的情况下，该节点可以被配置来作为叶节点而加入DAG。如本文所使用的，各种度量、约束、方针等被视为“DAG参数”。
说明性地，用于选择路径(如优选的父亲)的示例性度量可以包括成本、延迟、等待时间、带宽、估计传输计数(ETX)等，而可以被置于路由选择上的示例性约束可以包括各种可靠性阈值、对电池操作的限制、多径分集、带宽要求、传输类型(如有线、无线等)。OF可以提供定义负载平衡要求的规则，例如所选择的父亲的数量(如单父亲树或多父亲DAG)。注意，路由度量和约束可以被如何获得的示例可以在Vasseur等人的题为“低功率有损网络中用于路径计算的路由度量(Routing Metrics used forPath Calculation in Low Power and Lossy Networks)”<draft-ietf-roll-routing-metrics-12>(2010年11月10日版)的IETF因特网草案中找到。此外，示例性OF(如缺省OF)可以在Thubert的题为“RPL目标函数0(RPL Objective Function0)”<draft-ietf-roll-of0-03>(2010年7月29日版)的IETF因特网草案中找到。
建立DAG可以利用发现机制来建立网络的逻辑表示，并且利用路由传播(route dissemination)来在网络内构建状态，使得路由器知晓如何向它们的最终目的地转发数据包。注意，“路由器”指能够转发和生成流量的设备，而“主机”指能够生成但不转发流量的设备。此外，“叶(leaf)”通常可以用来描述通过一个或多个路由器连接到DAG的非路由器，但叶本身不能向DAG上的其他路由器转发在该DAG上接收的流量。当建立DAG时，控制消息可以被在网络内的设备之间传输以用于发现和路由传播。
根据说明性的RPL协议，DODAG信息对象(DIO)是承载如下信息的DAG发现消息：该信息允许节点发现RPL实例、学习它的配置参数、选择DODAG父亲集合以及维护上行的路由拓扑。此外，目的地公告对象(DAO)是一种发现答复消息，该发现答复消息沿着DODAG向上传送目的地信息，使得DODAG根(以及其他中间节点)能够供给下行路由。DAO消息包括用于标识目的地的前缀信息、在支持源路由的情况下记录路线的能力、以及用于确定特定公告的新鲜度的信息。注意，“上行”或“向上”路径是在从叶节点朝着DAG根的方向上引导的路线，例如遵循DAG内边缘的朝向。相反地，“下行”或“向下”的路径是在从DAG根朝着叶节点的方向上引导的路线，例如通常行进在与DAG内的上行消息相反的方向上。
通常，DAG发现请求(例如DIO)消息被从DAG的(一个或多个)根设备向下朝着叶传输，告知每个相继的接收设备如何到达根设备(即，接收到请求的方向通常是根的方向)。因此，DAG被在朝向根设备的向上方向上创建。DAG发现答复(例如DAO)然后可以从叶向(一个或多个)根设备返回(除非是不必要的，例如仅针对UP流)，告知另一方向上的每个相继的接收设备如何针对下行路线来到达叶。该过程帮助建立路由表从而向DAG中的任何节点，而不仅仅是向叶，发送下行消息。在传输DAO消息之前，能够维护路由状态的节点可以从它们所接收的DAO消息来聚集路线。然而，不能维护路由状态的节点可以附加下一跳(next-hop)父亲地址。DAO消息然后被直接发送至能够进而建立拓扑并且在本地计算到DODAG中所有节点的下行路线的DODAG根。这样的节点然后可以跨过不能存储下行路由状态的DAG的区域而使用源路由技术到达。
图3示出示例性的简化控制消息格式300，控制消息格式300可以在建立DAG时用于发现和路由传播，例如作为DIO或DAO。说明性地，消息300包括带有一个或多个表明消息类型(如RPL控制消息)的字段312以及指示特定消息类型的特定代码的报头310，该特定消息类型例如是DIO或DAO(或DAG信息征集)。该消息的主体/有效载荷320内可以是多个用于中继有关信息的字段。特别地，这些字段可以包括各种标志/位321、序列号322、秩值323、实例ID324、DODAG ID325以及其他字段，每个字段可以被本领域计数人员更详细地理解。此外，对于DAO消息，还可以包括用于目的地前缀326和转变信息字段327的另外字段等等(如用于ACK的DAO_序列等)包括。对DIO或者DAO，可以使用一个或多个另外的子选项字段328在消息300内提供另外的或者定制消息。例如，目标代码点(OCP)子选项字段可以在DIO内用来承载指定用于建立相关联的DAG的特定目标函数(OF)的代码。替代地，子选项字段328可以用来在消息300内(可以如本文所述的，在一个或多个类型-长度-值(TLV)字段中)承载其他某些信息，例如指示、请求、列表等。
图4示出了例如通过上面所述的技术可以在图1的网络100内创建的示例性DAG。例如，可以为每个节点选择某些链路105以与特定的父亲通信(并且因此，相反地，与孩子通信，如果存在孩子的话)。这些所选择的链路形成DAG410(示出为较粗的线)，DAG410从根节点朝着一个或多个叶节点(没有孩子的节点)延伸。然后流量/数据包140(在图1中示出)可以在朝着根的上行方向或者朝向叶节点的下行方向上经过DAG410。
如上所述，在LLN中，具有很少通信、但在任何时间仍然必须是可达的节点(例如节点“N”)是十分普遍的。例如，如果该“低接触”节点N是用电池操作的，则使用保持活动机制来维护通过先应式(先验的)路由协议(如RPL)建立的路由拓扑是特别有害的。例如，当节点N希望发送数据包时，该节点唤醒并且通常在发送数据包之前使用前导技术。如果节点N检测到在数据被传输时链路31-N(它的先前链路)损坏，则节点N可以切换至备份父亲(如节点32)或者触发修复。
但正如指出的那样，主要问题在相反的方向上，假如节点(如根节点或其他节点)需要(例如通过路径“根-11-21-31-N”)向低接触节点N发送数据包，并且最后的链路31-N损坏了。在该实例中，低接触节点N无法知晓进来的数据包，因此无法切换至新的父亲。本质上，使用现有协议，节点N不具有表明它的父亲(在我们的示例中为节点31)出故障的指示。当前，对该问题的下述两个解决方案是可用的：(1)迫使低接触节点发送保持活动消息以维护与邻居的邻接，这对于不会频繁地发送数据包的电池操作节点而言是不可接受的；或者(2)使用基于反应式路由的不同方案，这以当搜索新的路由时洪泛(flood)整个网络为代价，这也是不希望的。与低接触节点的增加的通信
本文的技术缓解了这样的需要：强制对保持活动或反应式路由的使用，从而保持与这些低接触节点的通信。说明性地，这些技术先验地识别一个或多个备用父亲，并且通过使用多播技术，沿着导向低接触节点的每条路径，利用复制的流量(duplicate traffic)来使用多条路径。
具体地，根据本公开的一个或多个实施例，计算机网络中的DAG中的特定节点(如根节点)可以识别该DAG中的低接触(例如无线)节点，当到达该低接触节点的尝试被做出时，该低接触节点冒着具有无效路径的风险。作为响应，该特定节点可以识别该低接触节点的邻居，并且可以通过多个邻居来构建从该特定节点到该低接触节点的多播树以到达该低接触节点。当向该低接触节点发送流量时，特定节点在多播树上发送流量，其中多个邻居中的每一个邻居尝试向该低接触节点转发流量。此外，如下文所述，根据本公开的一个或多个另外的实施例，为了接收多播流量，低接触节点本身向特定的/根节点指示它的状态以及其邻居的列表。
说明性地，本文所描述的技术可以例如根据DAG进程246而由硬件、软件和/或固件来执行，硬件、软件和/或固件可以包括计算机可执行指令，这些指令由处理器220执行以实现与本文例如结合路由进程244所描述的新颖技术有关的功能。例如，本文的技术可以被视为对传统协议(如RPL协议)的扩展，因此这样，这些技术将由在本领域中被理解为执行RPL协议的类似组件来处理。
在操作上，本文的技术开始于识别DAG中的低接触节点(也被称为“困乏节点(sleepy node)”，例如节点N。如上文所述，低接触节点是一种冒着当到达该低接触节点的尝试被做出时具有无效路径的风险的节点。例如，不参与保持活动的消息传输(如不能、或未被配置为如此做)和/或不频繁地传输流量的节点。诸如能量约束(如电池供电)的其他因素可能转化为在数据包要被从网络中的任何节点发送至N的情况下不具有有效路径的潜在高风险。例如，尽管这些低接触节点可能不必发送自己，但是可能有接触低接触节点的理由，例如像警报、紧急动作、配置更新等关键流量。另外的准则可以是，连接节点的链路被标识为极度有损(lossy)。
在一个实施例中，对低接触节点的识别是由DAG中的“负责节点(responsible node)”而非低接触节点本身做出的。例如，负责节点可以是根节点或DAG、头端设备(如在广域网中)或者DAG中任何其他被指定为负责确保寻址到低接触节点的消息到达它们的目的地的节点。在该实施例中，负责节点可以基于拓扑知识(包括设备配置和能力(电池供电、无线、能够保持活动等))以及基于网络统计(如流量传输的数量)或者其他因素来识别低接触节点。
在另一个实施例中，DAG中的节点本身可以基于例如上述因素中的任何因素或者基于本地配置，来确定它们的状态是否是低接触节点(困乏节点)。在这种情形中，当节点确定它是低接触节点时，该节点可以向DAG的根节点(或者另外的被配置的负责节点)传输这样的指示。图5示出了示例性消息交换，其中节点N在确定其是低接触节点之后，可以朝着上游的根节点传输指示信息510(如带有到子选项字段328的扩展的DAO300)，以将它的状态告知根和/或沿着该路径的任何其他负责节点。根节点然后可以接收指示510(指示出低接触节点N是低接触节点)，并且可以因此作为响应而识别该低接触节点。
一旦低接触节点(如N)被识别，本文的技术接下来就识别该低接触节点的邻居的集合(列表)。例如，在上述第一实施例中，该确定可以是基于已知的拓扑信息来做出的，例如确定节点N具有到节点43、41、32和31(有线链路或与该多个节点无线通信)的“链路”。但根据上述第二实施例，低接触节点可以被配置来发现它自己的邻居。特别地，在说明性实施例中，如图6A所示，低接触节点N可以传输发现消息610(如RPL“DIS”消息)，并且任何接收到发现消息610的邻居可以向低接触节点答复。说明性地，如图6B所示，节点43、32和31可以接收发现消息，并且可以向节点N返回答复消息620。因此节点N可以接收答复，并且在此基础上识别附近的邻居。低接触节点可以在指示510(图5)内包括邻居的该列表，从而负责节点(如根节点)可以检查指示消息以识别该邻居的集合。
负责节点(如根节点)可以使用所收集的信息(低接触节点和它的邻居)，并且可以从专用于本文的技术的多播组的集合来构建和/或选择多播地址组。即，可用多播组的某个子集可以被保留以用于改善与低接触节点的通信，如本文所描述的。对于这个所选择的组，负责节点可以构建(或者建立)从它本身经过多个邻居到低接触节点的多播树以到达该低接触节点。此外“专门的”多播组被传送到低接触节点的邻居以使得它们订阅该多播组。
图7示出可以沿DAG朝着低接触节点N构建的示例性多播树710(虚线)。注意，尽管多播树被示出为终止于低接触节点N处，但是在替代的实施例中，树可以在邻居节点(31、32和43)处终止，因此，邻居节点然后可被配置来向低接触节点N转发多播流量。
负责节点可以将特定多播组(对应于多播树710)作为到N的单播消息(如直接消息或DIO300)告知给低接触节点N。在接收到多播组标识之后，低接触节点可以加入(注册至)多播组，从而成为相应多播地址(多播流量)的听众。
一旦该多播组和树被构建，任何以低接触节点为目的地的流量就可以作为多播树上的多播流量而被从负责节点发送到低接触节点。在一个实施例中，只有某些流量，例如关键流量(如警报、高优先级流量等)被作为多播流量发送，而其它流量可以被作为DAG上的传统单播流量发送到低接触节点。在另一实施例中，多播树710被响应于单播数据包的失效(例如缺少来自低接触节点的确认或ACK)而被使用。在另一个实施例中，所有流量被简单地作为树710上的多播流量而发送。注意，虽然根节点是流量的说明性发起者(originator)以及进入多播树710的入口节点(作为多播数据包而在本地发送)，但是负责节点可以是沿DAG的任何接收以低接触节点为目的地的单播数据包的节点，并且据此，可以将单播数据包作为多播流量而插入到多播树中(将单播数据包封装在适当的多播数据包中)。
如图8所示，多播流量810(如140)可以被沿所构建的多播树710从根节点传输到低接触节点N。各个预定义的邻居(节点31、32和43)可以接收多播流量810，并且尝试向低接触节点N转发该流量。特别地，在低接触节点加入多播树的一个实施例中，该流量可以是经传输的多播数据包的形式。但在另一个实施例中，该流量可以是从多播流量解封装的单播数据包。即，识别出的邻居可以(例如，基于多播流量内的对流量的特定目的地的指示)确定下一跳是目的地低接触节点，并且照此，可以对多播流量解封装来产生单播数据包(单播流量)用于转发。
如果从节点N上一次更新它的路由信息起，低接触节点和它的邻居之间的任何通信链路失效，特别是如示出的，父亲节点31和节点N之间先前使用的(先前活动的)链路失效，则流量到达低接触节点的概率被增加/改善。例如，虽然节点31和N之间的链路失效了(尽管节点N不了解)，但是节点32和43以副本的形式向低接触节点N传输流量810，从而确保它的递送。注意，在向它们的最终目的地方多播数据包之前，可以使用随机定时器来避免所有端接点(邻居)同时地发送多播数据包从而潜在地以冲突结束。
然后在大多数情况下，低接触节点可以从一个或多个邻居接收流量810。(注意，如果低接触节点仍不接收流量，则该节点被与任何邻居隔离并且在任何情况下无法完成任何动作。)当重复的多播被接收时，低接触节点可以简单地忽略除了第一个接收的多播流量消息之外的所有消息。此外，在接收到多播数据包(流量810)之后，节点N也可以抓住机会基于多播流量被从哪些邻居接收，或者更具体地，多播流量不是从哪些邻居接收(用于检测链路/节点失效)，来更新它的邻居表。在图8的示例中，节点31可以被从可行的父亲/邻居的列表中移除，留下节点32和43。在该实例中，由于失去的连接是关于原父亲节点的，因此低接触节点可以根据它的路由表，要么切换至已经识别的备用父亲，要么发出新的发现消息510和/或触发DAG的本地修复。
因此，为了到达低接触节点，整个网络不需要被洪泛(仅仅是需要多播组)，并且低接触节点不需要维护保持活动的交换。替代地，当向低接触节点发送流量时(就其本质而言，不频繁)，如果在其间路由可用性被改变了，则冗余流量被传输来改善到达节点的通信机会。
注意，确保多播树710遍历尽可能多样的路径(例如完全多样，或在所有可能处多样)以进一步增加到达低接触节点的通信机会可能是有益的。例如，基于节点N的类型或者将被发送到节点N的流量的类型，多播树710可以被作为多样多播树来构建，如图9中所示。在某些实施例中，低接触节点可以明确地例如在指示510内(如子选项字段328中的“关键标志”)请求构建多播树710以(至少尽可能地)确保路径多样性。(注意，两个分开的树可以被维护，一个传统树，一个多样树。但在大多数示例中，这可能并非必要或有用的。)因此以这种方式，如果任何沿多播树的节点，而非简单地是低接触节点的邻居节点失效，则多播流量数据包仍会到达该低接触节点。
除了多样多播树，图9还示出了这一点：多播树不需要特别地遍历基础DAG410。在一个实施例中，如图7中所示，树710确实遍历了DAG，但在其他不那么受限于DAG(less DAG-restrictive)的实施例中，树可以遍历到达低接触节点所需要/希望的任何路径，实质上创建了到该低接触节点的独立子DAG。
最后，图10例如从DAG中特定节点(如根节点)的角度，示出根据本文所述的一个或多个实施例的用于增加与低接触节点的通信机会的示例性简化过程。过程1000始于步骤1005，并且继续到步骤1010，在步骤1010，特定节点识别DAG中冒着当到达该低接触节点的尝试被做出时具有无效路径的风险的低接触节点(如节点N)。如上文所述，步骤1010可以是基于对指示消息510的接收，或者可以被基于网络拓扑信息来独立地确定。另外，在步骤1015中，再次基于指示510或拓扑信息，低接触节点的邻居被识别。
在步骤1020，可以构建经由多个邻居到低接触节点(例如如上文所述终止于邻居)的多播树710以到达该低接触节点，并且在步骤1025，低接触节点(N)可以被告知相应的多播组。注意如上所述，例如响应于来自低接触节点的明确请求，所构建的树710可以是多样的。
当树710就绪，在步骤1030，流量可以被作为多播流量发送到低接触节点。例如，某些(例如，高优先级)流量可以被作为多播流量而发送，或者所有流量可以被如此发送(例如如上文所述，从负责节点或根节点发送)。因此接收到树上的流量之后，多个邻居中的每一个可以在步骤1035尝试向低接触节点转发流量(例如如上文所述，以多播数据包的方式或者作为解封装的单播数据包)。然后，例如如果只有一个数据包需要被发送到该低接触节点(例如用于按需多播)，则过程1000可以在步骤1040结束，或者过程可以返回步骤1030来继续按照需要通过所构建的树710向低接触节点发送流量。
另外，图11例如从低接触节点的角度，示出根据本文所述的一个或多个实施例的用于增加与低接触节点的通信机会的示例性简化过程。过程1100始于步骤1105，并且继续到步骤1110，在步骤1110，特别是如上文更详细地描述的，节点(如N)可以确定它的状态为冒着当到达该低接触节点的尝试被做出时具有无效路径的风险中低接触节点。因此在步骤1115，低接触节点N可以例如通过发现消息610和答复620来识别它的邻居。一旦邻居的集合被识别，在步骤1120低接触节点就可以向根节点传输表明节点N是低接触节点的指示510。在一个实施例中，该指示可以包括识别出的邻居的列表。此外，如上文所述，在一个实施例中，该指示可以在所构建的多播树中请求去往低接触节点的路径多样性。
在步骤1125，尤其在一个实施例中，低接触节点N可以从根接收多播组的识别，该多播组与响应于该低接触节点(将自己表示为“困乏节点”)而创建的作为结果的(resultant)多播树710相对应，然后在步骤1130，该低接触节点可以加入所识别出的多播组并且听取针对该组的流量。可选地，过程1100可以从步骤1120前进至步骤1135，其中低接触节点不加入该多播组。特别地，在步骤1135，假设至少一个邻居仍能够与低接触节点通信，则该低接触节点可以从一个或多个邻居，例如作为多播流量或解封装的单播流量，来接收流量810。在步骤1140，当复制的流量被接收时，低接触节点可以忽略除了第一个接收的多播流量之外的所有流量(其中多于一个邻居仍然能够通信)。如上文所述，如果只有某些邻居能够到达低接触节点，则该低接触节点可以更新它的邻居列表，或者在所选择的父亲无法到达低接触节点的情况下，该低接触节点可以执行(或请求/触发)重路由(reroute)事件。过程1100可以返回步骤1135来从邻居接收另外的流量，或者如果没有更多的流量将被接收，则过程1100可以结束。
因此，本文所描述的新颖技术增加了与计算机网络中的低接触节点的通信机会。特别地，通过建立经由低接触节点附近的每个邻居节点的专用多播树，该新颖技术允许使用该树向该低接触节点发送多播数据包(或者发送单播)，从而在不需要对低接触节点的昂贵路由邻接维护的情况下增加通信机会(例如，通常保证了数据包的递送)。特别地，本文的技术避免了迫使节点在先应式路由中发送保持活动消息来维护路由邻接，或者使用任何形式的反应式理由机制，该机制在用于整个网络的能量方面可能是十分昂贵的。此外，上文的动态技术提供了这样的功能：手动执行该功能将是困难的(如果不是无法实践的)，尤其是对于网络中潜在的大量节点。
虽然已经示出和描述了增加与计算机网络中的低接触节点的通信机会的说明性实施例，但应理解，可以在本文的实施例的精神和范围内做出各种其他适应和修改。例如，本文已经针对LLN，更具体地针对RPL协议，描述和示出了实施例。但是，这些实施例在它们的广义上不受此限制，并且事实上可以用于其他类型的利用带有低接触节点的DAG路由的网络和/或协议(如距离矢量协议)。例如，尽管这些技术主要描述了无线低接触节点，但是任何低接触节点，特别是那些不参与保持活动交换的低接触节点可以从本文的技术获益。
前文的描述已经被指向具体实施例。但明显的是，可以对所描述的实施例做出其他变化和修改，而达成它们的一些或全部优点。例如，明显可以考虑的是，本文所描述的组件和/或元件可以被实现为存储在有形的(非短暂性的)计算机可读介质(如盘/CD等)上的软件、硬件、固件或它们的组合，该介质具有在计算机上执行的程序指令。由此本说明书被认为仅仅是示例性的，并且不限制本文实施例的范围。因此，覆盖所有在本文实施例的真正精神和范围内出现的这种变化和修改，是所附权利要求的目的。

Claims (26)

1.一种方法，包括：
由计算机网络中的有向无环图(DAG)中的特定节点来识别所述DAG中的低接触节点；
识别所述低接触节点的邻居；
构建从所述特定节点通过多个所述邻居到所述低接触节点的多播树，以到达所述低接触节点；以及
将流量作为所述多播树上的多播流量从所述特定节点向所述低接触节点发送，其中所述多个邻居中的每一个尝试向所述低接触节点转发所述流量。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述低接触节点被识别为：当到达所述低接触节点的尝试被做出时，冒着具有无效路径的风险的节点。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述低接触节点被识别为：不参与保持活动消息的传输的节点或者不频繁地传输流量的节点中的一者。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定所述低接触节点包括：
从所述低接触节点接收表明所述低接触节点是低接触节点的指示。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述指示包括所述低接触节点的邻居的列表，并且其中识别所述邻居包括：
检查来自所述低接触节点的所述指示以识别所述低接触节点的邻居。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
将与所述多播树相对应的多播组告知给所述低接触节点。
7.如权利要求1所述的方法，其中建立所述多播树包括：
在可用的情况下确保所述DAG内的路径多样性。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
从所述低接触节点接收对所述多播树内的路径多样性的请求。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述特定节点是所述DAG的根节点。
10.如权利要求1所述的方法，其中发送包括：将所有流量作为所述多播树上的多播流量向所述低接触节点发送。
11.一种装置，包括：
一个或多个网络接口；
处理器，所述处理器耦合至所述网络接口并且适合于执行一个或多个进程；以及
存储器，所述存储器被配置为存储可由所述处理器执行的进程，该进程在被执行时可操作来：
识别计算机网络中有向无环图(DAG)中的低接触节点；
识别所述低接触节点的多个邻居；
通过所述多个邻居来构建到所述低接触节点的多播树，以到达所述低接触节点；以及
将流量作为所述多播树上的多播流量向所述低接触节点发送，其中所述多个邻居中的每一个尝试向所述低接触节点转发所述流量。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述进程在被执行时还可操作来：将所述低接触节点识别为冒着当到达所述低接触节点的尝试被做出时具有无效路径的风险。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述进程在被执行时还可操作来：通过从所述低接触节点接收表明所述低接触节点是低接触节点的指示，来识别所述低接触节点。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述指示包括所述低接触节点的邻居的列表。
15.一种方法，包括：
由计算机网络中的有向无环图(DAG)中的节点来确定该节点的状态为所述DAG中的低接触节点；
识别所述低接触节点的邻居；
向所述DAG的根节点传输所述节点是低接触节点的指示，所述指示具有所识别出的所述低接触节点的邻居的列表；以及
将流量作为多播流量从一个或多个所述邻居接收。
16.如权利要求15所述的方法，其中作为所述低接触节点的状态是基于所述节点冒着当到达所述低接触节点的尝试被做出时具有无效路径的风险而识别的。
17.如权利要求15所述的方法，其中作为所述低接触节点的状态是基于所述节点不参与保持活动消息的传输而识别的。
18.如权利要求15所述的方法，其中识别所述邻居包括：
从所述节点传输发现消息；
从所述邻居接收答复；以及
基于所述答复来识别所述邻居。
19.如权利要求15所述的方法，还包括：
基于所述多播流量被从哪些邻居接收来更新所述邻居。
20.如权利要求19所述的方法，其中更新包括：
识别流量被预期从其到达的邻居的列表；
将所述流量被从其接收的邻居，与所预期的邻居的列表相比较；
识别所述列表内流量尚未从其到达的邻居；以及
修改所述低接触节点的路由表，以移除流量尚未从其到达的邻居。
21.如权利要求15所述的方法，还包括：
在所述指示内，请求与所述多播流量相对应的多播树内的路径多样性。
22.如权利要求15所述的方法，还包括：
从所述根接收对与所述多播流量相对应的多播组的识别；以及
由所述低接触节点加入所述多播组。
23.如权利要求15所述的方法，还包括：
从所述邻居接收复制的多播流量；以及
作为响应，忽略除了第一个接收的多播流量之外的所有流量。
24.如权利要求15所述的方法，其中所述低接触节点是无线节点。
25.如权利要求15所述的方法，其中将流量作为多播流量从所述一个或多个邻居接收包括下列两者中的一者：
将流量作为来自所述一个或多个邻居中的每一个的多播流量，来从所述一个或多个邻居接收；或者
将流量作为被从来自所述一个或多个邻居中的每一个的多播流量解封装的单播数据包，来从所述一个或多个邻居接收。
26.一种装置，所述装置包括：
一个或多个网络接口，所述网络接口适合于在计算机网络中的有向无环图(DAG)中通信；
处理器，所述处理器耦合至所述网络接口并且适合于执行一个或多个进程；以及
存储器，所述存储器被配置为存储可由所述处理器执行的进程，该进程在被执行时可操作来：
确定所述装置的状态为所述DAG中的低接触节点；
识别所述低接触节点的多个邻居；
向所述DAG的根传输表明所述装置是低接触节点的指示，所述指示具有所识别出的所述低接触节点的邻居的列表；以及
作为多播流量从一个或多个所述邻居接收流量。
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