CN108781188B - 用于平衡即兴网络构造的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

在一种实施方式中，本申请提供一种用于平衡即兴网络构造的机制。为了实现平衡即兴网络构造，本申请发送度量信息和DIO控制消息。在RPL中引入新型度量容器用于保存所述度量信息，选择路径成本最小的父节点，并根据定义的逻辑切换至路径成本最小的父节点。无状态度量假设每个节点的平均流量大致相同。所述无状态度量直接利用路由表条目数(RTsize)决定要使用的路径。在有状态度量中，节点记录自己每秒处理的报文。对于有状态度量，节点维护可变的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)，再将其用作度量。

Description

用于平衡即兴网络构造的设备和方法
本申请是2016年1月7日提交的国际申请IN201641000628的延续。上述申请的公开内容以引入的方式并入本文。
技术领域
本申请通常涉及在无线网络中路由报文，尤其涉及一种用于平衡即兴网络构造的设备、系统和方法，以延长网络寿命。
背景技术
物联网(Internet of Things，简称IoT)能够使所有的通用设备/器具以及传感器/执行器连接到互联网，因此在监控方面可以有更好的控制，并且可以在任何时间、任何地点指挥这些设备。例如楼宇自动化，其中所有的传感器(火灾传感器、温度传感器等)、灯具、房间窗帘、门锁都连接到互联网，并且可以利用移动应用程序或者任何其它便于使用的设备远程/本地控制。这些设备通常构成即兴模式的网络，其中设备互相连接以最终到达边界路由器(border router，简称BR)，这些设备通过所述边界路由器连接到互联网。
低功耗有损网络(Low Power and Lossy Networks，简称LLN)是一种由空间分布自主且资源受到约束的传感器/执行器组成的网络，用于监测温度、声音、压力等物理或环境条件，并将其数据通过网络协同传递到主位置。这类网络中的节点在以下几个方面受到极大限制：存储空间(RAM、ROM和闪存都)较小、处理能力较弱、网络带宽较小、功率较小(电池供电的节点)等等。以网状结构建构使得节点连接到一个或者多个中间路由器的网络称为即兴网。LLN路由协议(Routing Protocol for LLN，简称RPL)是LLN中最广泛使用的路由协议之一。通过考虑各种度量标准和约束条件例如ETX(估计的传输次数)、时延和/或节点能量等，构建路由表/路径。网络寿命定义为网络中第一个节点发生故障之前的时间量。过度使用节点导致能源耗尽可能是故障原因。
图1示出了一个解释网络故障问题的示例性场景。如图1所示，假设一个智能农业场景，部署在其中的传感器用于测量土壤的水分含量。传感器有助于分析农作物的水分需求，并且合理利用可用水资源。这些传感器周期性地向远程服务器发送信息，远程服务器对信息进行分析以决定是否浇灌更多的水以及向哪块农田浇灌。传感器分散在农田中，数千个这样的传感器中通常只有一个边界路由器。因此，这些传感器以即兴方式互相连接。传感器通常是电池供电，因为农田中所有的相关区域不可能都与电力网连接。即兴网络的构造决定如何在节点之间分配流量模式。节点处理的流量越多，电池耗电越快。因此，网络构造的整体流量分布需要到达最优。
图2示出了一个最优流量分布的示例。如图2所示，假设一个拓扑结构I，其网络构造示出节点X用作节点A、B、C、D的路由器，而拓扑结构I中的节点Y则不会从其它节点接收任何流量，即使节点Y与其它节点例如节点C之间存在连接(虚线所示)。这使得节点X接收的流量越来越多，而节点Y被闲置。因此，相比节点Y，节点X的电池消耗较多，从而使得节点X发生故障的时间远早于节点Y。在场景II中，因为节点C连接到节点Y，并且节点D的流量也通过节点Y路由，因此拓扑构造是平衡的，节点X和节点Y分担的流量几乎相等(假设每个节点生成的流量相等)。因此，树中特定级别的网络的整体电池消耗得以均匀平衡。这使得网络寿命最优。为了形成平衡网络以实现最优的流量分布，现有技术提供了几种不同的解决方案和方法。
基于ETX的路由度量方法启用了一种路由度量，使得节点试图使用(重新)传输次数最少的路径。这是最广泛采用的路由度量之一，并且是根据标准默认使用。但是，基于ETX的路由度量会导致网络构造不平衡。原因在于ETX度量主要适用于在发送报文时优化/减少传输次数，没有考虑到网络平衡。
基于节点能量的路由度量方法提供了一种路由度量，优选电池电量最多的节点作为下一跳。这是一种反应性方法，认为电池电量只要降到特定阈值之下就无法使用。同时，如果网络构造的动力发生变化，该路由度量就无法保证平衡的电池消耗。但是，通过形成将节点能量视为路由度量的网络拓扑，节点能量才能发生作用。这是针对网络平衡的反应性方法。称其反应性是因为一旦节点能量低至特定阈值，网络拓扑构造就会发生改变。问题在于这段时间网络节点可能已经移动，并且可能导致网络能量的次优平衡。
在现有技术中，Tripathi J等人于2013年在《信息科学与系统(InformationSciences and Systems，简称CISS)》上发表了文献“量化负载不平衡(Quantifying LoadImbalance)”，公开了一种仅利用非常有限的相邻节点或父节点的子集来逐渐最小化不平衡度量的技术。根据文中定义的技术：每个节点都应该向DAG根或LBR通告一个父节点集而非单个父节点。节点最多向DAG根通告三个父节点。当然，如果只能通过单个父节点访问节点，则通告所述唯一的父节点。其次，在收集关于整个DAG/网络的信息之后，DAG根(LBR)应该运行启发式方法，从每个节点提供的父节点集中为该节点分配一个父节点。所述根通过应答消息将分配的父节点通知给每个节点，这些父节点应该用于定期或批量数据上报。
但是，“量化负载不平衡(Quantifying Load Imbalance)”方法存在一些缺点，例如在这种方法中，每个子节点都需要将其父节点集通知给根节点(root node，简称BR)。这会在网络中产生额外流量。BR需要运行某种算法决定每个子节点需要使用的父节点。该算法无法大规模使用，实际上是一个待解决的NP疑难问题。所述方法试图通过定义自己的算法实现接近最优的构造。即使这样，随着网络中节点数量的增加，算法的时间也将呈指数增长。所述方法仅在非存储模式的操作中有效。当节点产生的流量各不相等时，所述方法不起作用。
在现有技术中，Xinxin Liu等人于2013年在“无线通信与网络会议(WirelessCommunications and Networking Conference，简称WCNC)”和专利US 20140204759A1中发表了文献“低功耗有损网络的负载平衡路由(Load Balanced Routing for Low power andlossy networks)”，公开了基于RPL协议的负载平衡路由协议，以实现大规模低功耗有损网络中的节点之间的工作负载的平衡分布。提供了一种分布式和非侵入式的技术，以实现自动工作负载不平衡信令及检测。综合考虑工作负载分布和通信条件，选择最优数据转发路径以最大化报文传输速率。该理念的工作原理是允许子节点同时使用多个父节点，并将工作负载(待发送报文)分配至所述多个父节点。该理念定义了通过每个待使用父节点发送的流量的大小。因此，这种情况的主要区别在于子节点可能会使用多条路径分配工作负载。因为需要存储所有的路径信息，这会导致更大的内存利用率。其次，决定分配给每个父节点的权重的算法较为复杂，程序逻辑更多，占用的程序ROM空间也更多，这些都是受限设备比较关注的。
但是，“低功耗有损网络的负载平衡路由(Load Balanced Routing for Lowpower and lossy networks)”和US 20140204759存在一些缺点，例如该方法要求每个子节点维护包括不同父节点的多条路径和关于每个父节点的权重。所述权重决定了直接通过特定父节点的流量的大小。终端节点需要额外的内存来存储这些信息。决定概率/权重的算法也需要在终端节点上运行，导致相对较高的CPU利用率。所述算法基于传输缓冲区、利用队列模型决定使用某个父节点的概率。问题在于很多情况下IoT设备可能没有多个缓冲区。这适用于Contiki/UIP，最广泛使用的通信中间件之一。因此，在没有传输缓冲区的情况下，队列模型也会工作。
鉴于现有技术文献中存在的上述缺点和问题，迫切需要提供一种在非均匀节点分布下解决网络平衡问题的技术，因为当前路由协议没有任何度量标准/约束条件主动处理网络不平衡。此外，网络还需要达到最优平衡，使得同一级别的所有节点分担的流量大致相等。希望可以减少添加/删除节点所带来的影响，以维护网络的最佳平衡。另外，还希望降低逻辑复杂性，以控制处理不均衡流量的开销，并且仍然实现网络的主动平衡。
发明内容
本申请内容介绍了用于平衡即兴网络构造的设备和方法的相关概念，并且将在下文中做进一步详细的描述。本申请内容并非用于确定所请求保护的主题的必要特征，也并非用于确定或限制所请求保护的主题的范围。
本申请的主要目标是实现网络的最优平衡，使得每个节点分担的流量大致相等。网络流量的最优平衡还能够使网络树中特定级别的网络的总体电池消耗得到均匀平衡，从而产生最优的网络寿命。
本申请的另一个目标是提供用于平衡RPL网络的新度量。
本申请的另一个目标是提供无状态度量，无状态度量假设每个节点的平均业务流大致相同。在特定网络中，所有节点的业务流大致相同。所述无状态度量直接使用节点和节点路径上的路由表条目数(RTsize)决定要使用的路径。
本申请的另一个目标是提供有状态度量，节点记录自己每秒处理的报文。在特定网络中，流量的生成可能严重不均衡，少量节点可能会产生大量流量。对于有状态度量，节点维护可变的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)，再将其用作度量。因为有状态度量考虑了节点的实际流量，所述有状态度量会导致有更多“负载”平衡路径的形成。
本申请的再一个目标是提供新的目标函数，称之为平衡网络目标函数(balancednetwork objective function，简称BNOF)，该目标函数在存储模式的操作中使用路由表大小(routing table size，简称RTsize)作为度量对象，在非存储模式的操作中使用报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)作为度量对象。所述BNOF用于选择路径成本最小的相邻节点作为优选父节点。
本申请的再一个目标是提供有向无环图信息对象(Destination OrientedDirected Acyclic Graph Information Object，简称DIO)消息的无回路有向图(directedacyclic graph，简称DAG)度量容器选项，该消息存储RTsize和PPR对象信息。
本申请的再一个目标是在RPL中引入新型度量容器以保存度量信息和DIO控制消息。
本申请的又一个目标是使边界路由器和网络中的所有节点都支持路由度量RTsize(路由表大小)和PPR(报文处理速率)。
为了提供解决上述技术问题的技术方案，本申请提供了一种用于平衡即兴网络构造的机制。为了实现平衡即兴网络构造，本申请包括：
●发送度量信息和DIO控制消息；在RPL中引入新型度量容器以保存所述度量信息；
●选择路径成本最小的父节点；
●根据定义的逻辑切换至路径成本最小的父节点。
相应地，在一种实施方式中，本申请提供一种设备。所述设备包括：至少一个接收模块，用于从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；至少一个选择模块，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本，并且如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；至少一个切换模块，用于基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则将所述设备的当前父设备切换至所述父设备。
在一种实施方式中，本申请提供一种节点。所述节点包括：至少一个接收模块，用于从至少一个边缘路由器接收至少一个度量信息；至少一个选择模块，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本，并且如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；至少一个切换模块，用于分别基于选择以及所述父节点和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点。
在一种实施方式中，本申请提供一种由基于LLN路由协议(Routing Protocol forLLN，简称RPL)的平衡即兴网络构造中的设备路由报文的方法。所述方法包括：
●从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；
●根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本；
●如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；
●基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则所述设备的当前父设备切换至所述父设备。
在一种实施方式中，本申请提供一种由基于LLN路由协议(Routing Protocol forLLN，简称RPL)的平衡即兴网络构造中的节点路由报文的方法。所述方法包括：
●从至少一个边界路由器接收至少一个度量信息；
●根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本；
●如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；
●分别基于选择以及所述父节点和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点。
在一种实施方式中，本申请提供一种利用基于LLN路由协议(Routing Protocolfor LLN，简称RPL)通信的平衡即兴网络构造。所述平衡即兴网络构造包括一种设备，所述设备包括：至少一个接收模块，用于从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；至少一个选择模块，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本，并且如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；至少一个切换模块，用于基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则将所述设备的当前父设备切换至所述父设备。
在一种实施方式中，本申请提供一种利用基于LLN路由协议(Routing Protocolfor LLN，简称RPL)通信的平衡即兴网络构造。所述平衡即兴网络构造包括一种节点，所述节点包括：至少一个接收模块，用于从至少一个边缘路由器接收至少一个度量信息；至少一个选择模块，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本，并且如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；至少一个切换模块，用于分别基于选择以及所述父节点和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点。
本申请解决了下述技术问题以及已经讨论过的技术问题：
●当前路由协议没有任何度量标准/约束条件主动处理网络不平衡。此外，当前方法不能保证网络最初是以平衡状态形成而不是在能量级别变化时平衡，因此需要提供新的度量标准/约束条件主动处理网络不平衡，从而保证网络最初是以平衡状态形成而不是在能量级别变化时平衡。
●当前方法不能提供网络的最优平衡。因此需要提供一种即兴网络构造，使得同一级别的所有节点分担的流量大致相等。
●当前方法对现有网络中的添加/删除节点有巨大的影响，因此即便在删除或添加节点的情况下，独立的逻辑也需要采用快速变化的网络。
●当前方法涉及的逻辑复杂，使用较大内存用于存储，因此需要提供一种不会增加太多难度或RAM利用率并且适用于受限节点的逻辑。
●在当前方法中，在向信令流程添加任何新的控制流时，会增加额外的控制开销，因此需要提供一种不向信令流程添加任何新的控制流并且在工作过程中不添加任何额外控制开销的机制。
●当前方法不足以处理节点的不均衡流量，因此需要提供一种机制，用于高效处理节点的不均衡流量。
与现有可用技术相比，本申请提供新的目标函数BNOF(balanced networkobjective function，平衡网络目标函数)，该目标函数在存储模式的操作中使用路由表大小(routing table size，简称RTsize)作为度量对象，在非存储模式的操作中使用报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)作为度量对象。RTsize和PPR对象信息都在DIO消息的DAG度量容器选项中发送。无状态度量假设每个节点的平均业务流大致相同。在特定网络中，所有节点的业务流大致相同。所述无状态度量直接利用路由表条目数(RTsize)决定要使用的路径。在有状态度量中，节点记录自己每秒处理的报文。在特定网络中，少量节点可能会产生大量流量。对于有状态度量，节点维护可变的报文处理速率(packetprocessing rate，简称PPR)，再将其用作度量。因为有状态度量考虑节点的实际流量，所述有状态度量会导致有更多“负载”平衡路径的形成。
附图说明
参考附图进行详细描述。在附图中，参考编号最左边的数字标识所述参考编号首次出现的附图。所有附图使用相同数字指代相同特征和组件。
图1示出了具有传感器节点的示例性智能农业场景；
图2示出了网络中流量的不平衡分布(I)和平衡分布；
图3示出了节点D连接到父节点A、B和C的样本拓扑；
图4示出了节点D根据每个父节点维护的路由度量信息；
图5示出了RPL信令视图；
图6示出了本申请主题的实施例提供的设备或节点602；
图7示出了本申请主题的实施例提供的由基于LLN路由协议(Routing Protocolfor LLN，简称RPL)的平衡即兴网络构造中的设备/节点(602)路由报文的方法；
图8示出了本申请主题的实施例提供的DAG度量容器的消息格式；
图9示出了本申请主题的实施例提供的度量数据的格式；
图10示出了现有技术中可用的ETX度量对象；
图11示出了本申请主题的实施例提供的RTSize对象的格式；
图12示出了本申请主题的实施例提供的RTSize度量对象；
图13示出了本申请主题的实施例提供的RTSize度量信息流(DIO消息流)；
图14示出了根据现有可用技术的网络构造；
图15示出了本申请主题的实施例提供的利用无状态路由度量RTsize的平衡网络构造；
图16示出了本申请主题的实施例提供的PPR计算；
图17示出了本申请主题的实施例提供的PPR度量对象格式。
应该理解，附图是为了说明本申请的概念，可以不用按比例绘制。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请可以以多种方式实现，包括作为进程、装置、系统、合成物质、计算机可读存储介质等计算机可读介质、通过光纤或者电子通信链路发送程序指令的计算机网络。在本说明书中，这些实施方式或者本申请可能采取的任意其它形式都可以称之为技术。一般来说，所公开进程的步骤顺序可以在本申请范围内改变。
下面提供了本申请一个或多个实施例的详细描述以及说明本申请原理的附图。本申请是结合这些实施例进行描述，但是本申请不局限于任何实施例。本申请的范围仅由权利要求限制，并且本申请包括很多替代方案、修改和等同物。为了彻底理解本申请，下面的描述中阐述了很多具体细节。这些细节用于举例，本申请可以根据权利要求得以实现，部分或者全部具体细节并非必需。为了描述清晰，与本申请相关的但技术领域中已知的技术材料没有进行详细描述，从而不必模糊本申请。
公开了用于平衡即兴网络构造的设备和方法。
虽然描述了用于平衡即兴网络构造以延长网络寿命的设备和方法的各个方面，但是本申请可以在任意数量的不同计算系统、环境和/或配置中实现，这些实施例在以下示例性的系统、装置和方法中进行描述。
在一种实施方式中，本申请提供一种用于平衡即兴网络构造的机制。为了实现所述平衡即兴网络构造，本申请包括：
●发送度量信息和DIO控制消息；在RPL中引入新型度量容器以保存所述度量信息；
●选择路径成本最小的父节点；
●根据定义的逻辑切换至路径成本最小的父节点。
在一种实施方式中，本申请使得系统能够标记与特定进程实例有关的进程实体/数据，并且能够基于可插拔规则将相关数据一致存储在数据库服务器集群中的一个服务器中。
基于RPL的即兴网络构造在现有技术中是众所周知的。RPL是用于即兴网络构造的标准化协议。基于RPL的即兴网络构造有以下工作阶段：
1.网络中的网络信息传播：
在该阶段的开始，边界路由器选择要使用的路由度量标准/约束条件的集合，利用该信息组成DIO消息并在链路层广播，使得只有与BR直接连接的节点才能接收该信息。路由度量可以由现有标准定义，所述现有标准可能选自时延(形成网络以减少总体时延)、跳数(目的是减少网络中的跳数)、估计的重传次数ETX(减少重传)、节点能量(使用电力网供电的节点，尽量不使用电池供电的节点)等。
2.维护路径成本：
接收这些DIO(消息)和相应路由度量标准/约束条件的任意节点首先检查其是否符合上述所有约束条件，然后针对每个父节点维护路由度量标准/约束条件。需要说明的是节点可以从多个节点接收路由度量标准/约束条件，并且必须根据路由度量标准/约束条件决定接受哪个DIO。例如，由于路径成本较小，节点可以选择来自特定父节点的特定DIO。一旦接受某一DIO，节点选择发送该DIO的父节点作为优选节点，并且转发该DIO。在转发该DIO之前，节点通过添加/聚合/累计自己的路径成本来更新路由度量。更新了的DIO再通过链路层广播到后续节点。例如，在如图3所示的节点D连接到父节点A、B和C的样本拓扑中，每个子节点保存每个父节点的度量信息，以识别或切换至新的父节点(如果需要的话)。维护的参数都是不同的度量(上述任意度量)。每个具有任意父节点的节点都维护有该信息。图4根据图3示出了节点D根据每个父节点维护的路由度量信息。
3.最终所有节点都加入网络，并且有自己到达边界路由器(border router，简称BR)节点(也称为DODAG根)的成本。
在一些情况下，为了在基于RPL的网络中传播度量，网络中的节点通过向所有的RPL节点发送本地链路组播DIO(DODAG信息对象)消息通告其存在、与DODAG的关联、路由成本以及相关度量。所述DODAG根(通常是边界路由器)负责通过发送DIO消息形成DODAG。节点监听DIO并且使用该信息形成新的DODAG(即，选择DODAG父节点)，或者根据指定的目标函数(Objective Function，简称OF)和其相邻节点的秩维护现有DODAG。所述OF基本上利用由节点的相邻节点通告的路由度量计算通过该相邻节点至DODAG根的路径成本。根据这些路径成本，节点会形成优选父节点的列表，并且选择路径成本最小的相邻节点作为其优选父节点。然后节点通过优选父节点发送单播DAO，以建立从根到该节点的向下路径。能够路由的非叶节点将在网络中进一步向下发送DIO。RPL信令流如图5所示。
本领域技术人员可以理解，相关度量可以包括不同类型的度量，例如但不限于：
时延：报文从节点传输至BR的时间，该信息初始时为默认值，然后在一段时间内更新；
ETX：节点将报文成功发送至BR需要完成的重传尝试次数，该度量初始时为默认值，并在一段时间内更新；
跳数：最终连接到BR之前的中间节点数，该信息在运行时获取；
节点能量：节点是电池供电还是电力网供电，关于该信息，节点具有先决条件，并且该信息在节点中静态维护。
本领域技术人员也可以理解，基于链路度量选择DODAG父节点。例如参考图3，节点D连接到节点A、B和C，因为节点A的链路度量较好，节点D选择节点A作为其父节点。数值X1<(X2或X3)或/和数值Y1<(Y2或Y3)。
此外，本领域技术人员也知道，目标函数(objective functions，简称OF)预定义为标准的一部分。目标函数的输出是秩。目标函数0是使跳计数(跳数)最小化的标准函数，目标函数1是使ETX最小化的另一个标准函数。
参考图6，本申请主题的实施例示出一种设备或节点602。在一种实施方式中，本申请提供的设备/节点602包括处理器604和存储器608，所述存储器608耦合至用于执行所述存储器608中存储的多个模块的处理器。
尽管本申请主题是通过设备或节点602实现本申请进行说明，但是可以理解的是所述设备或节点602也可以在各种计算系统中实现，例如膝上型计算机、台式计算机、笔记本、工作站、大型计算机、服务器以及网络服务器等。应当理解的是，多个用户或驻留在所述设备或节点602上的应用程序可以访问所述设备或节点602。所述设备或节点602的示例可以包括但不限于便携式计算机、个人数字助理、手持设备、传感器、路由器、网关和工作站。所述设备或节点602与其它设备或节点通信耦合以形成网络(未示出)。
在一种实施方式中，所述网络可以是无线网络、有线网络或者其组合。所述网络可以为任意不同类型的网络，例如GSM、CDMA、LTE、UMTS、内部网、局域网(local areanetwork，简称LAN)、广域网(wide area network，简称WAN)、互联网等等。所述网络可以是专用网络或者共享网络。所述共享网络表示使用各种协议进行通信的不同类型的网络的联合，所述协议例如超文本传输协议(Hypertext Transfer Protocol，简称HTTP)、传输控制协议/互联网协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，简称TCP/IP)以及无线应用协议(Wireless Application Protocol，简称WAP)等。此外，所述网络可以包括各种网络设备，包括路由器、网桥、服务器、计算设备、存储设备等。
根据本申请主题的实施例示出了设备或节点602。在一个实施例中，所述设备或节点602可以包括至少一个处理器604、输入/输出(input/output，简称I/O)接口606和存储器608。所述至少一个处理器604可以为一个或多个微处理器、微型机、微控制器、数字信号处理器、中央处理器、状态机、逻辑电路和/或基于操作指令操纵信号的任意设备。除了其他能力以外，所述至少一个处理器604还用于获取和执行存储在所述存储器608中的计算机可读指令或模块。
所述I/O接口606可以包括各种软件和硬件接口，例如web接口、图形用户接口等。所述I/O接口606可以允许设备或节点602直接与用户交互。此外，所述I/O接口606可以使得设备或节点602能够与其它设备或节点以及计算设备例如web服务器和外部数据服务器(未示出)等通信。所述I/O接口606可以促进各种网络和协议类型之间的多种通信，包括GSM、CDMA、LAN、电缆等有线网络，以及WLAN、蜂窝或者卫星等无线网络。所述I/O接口606可以包括用于将多个设备互相连接或连接到另一个服务器的一个或多个端口。所述I/O接口606可以通过屏幕提供用户与设备或节点602之间的交互。
所述存储器608可以包括本领域已知的任意计算机可读介质，包括静态随机存取存储器(static random access memory，简称SRAM)和动态随机存取存储器(dynamicrandom access memory，简称DRAM)等易失性存储器，和/或只读存储器(read onlymemory，简称ROM)、可擦除可编程ROM、闪存、硬盘、光盘和磁带等非易失性存储器。所述存储器608可以包括多个指令、模块或者应用程序，以执行各种功能。所述存储器608包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件或者数据结构等。
在一种实施方式中，多个模块可以包括但不限于至少一个接收模块610、至少一个选择模块612和至少一个切换模块614。
在一种实施方式中，公开了一种设备。所述设备包括：至少一个接收模块610，用于从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；至少一个选择模块612，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本，并且如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；至少一个切换模块614，用于基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则将所述设备的当前父设备切换至所述父设备。
在一种实施方式中，公开了一种节点602。所述节点602包括：至少一个接收模块610，用于从至少一个边缘路由器接收至少一个度量信息；至少一个选择模块612，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本，并且如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；至少一个切换模块614，用于分别基于选择以及所述父节点和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点。
在一种实施方式中，接收所述度量信息和至少一个有向无环图信息对象(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Information Object，简称DIO)控制消息，其中所述DIO控制消息包括至少一个保存所述度量信息的容器。
在一种实施方式中，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小(routing table size，简称RTsize)，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)，或其任意组合中的至少一个。
在一种实施方式中，所述设备用于在低功耗有损网络中路由至少一个报文以实现负载平衡路由。
在一种实施方式中，所述设备602包括存储器608和处理器604，所述存储器608用于存储至少一个报文，所述处理器用于基于所述存储器608中存储的报文数量确定工作负载。
在一种实施方式中，所述设备包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数(balanced network objective function，简称BNOF)，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小(routing table size，简称RTsize)，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)，或其任意组合中的至少一个。
在一种实施方式中，基于与至少一个有向无环图信息对象(DestinationOriented Directed Acyclic Graph Information Object，简称DIO)控制消息一起接收的至少一个度量值计算路径成本，所述DIO控制消息包括至少一个保存度量信息和度量值的容器。
在一种实施方式中，至少基于接收到的度量信息和/或设备的路由表大小和/或父级切换阈值计算路径成本。
在一种实施方式中，通过以下等式计算所述路径成本：
Figure GDA0001791190910000201
无状态路由度量计算
Figure GDA0001791190910000202
有状态路由度量计算
其中，上述等式中的数值1是默认父级切换阈值；NBRTSize指相邻设备的路由表大小；PPR指报文处理速率；DIO指有向无环图信息对象；ip指互联网协议(地址)；OWNRTSize指所述设备的路由表大小。
在一种实施方式中，所述设备602包括至少一个存储相邻设备的信息的表616，其中所述表616在计算路径成本时连续更新。
在一种实施方式中，一旦切换父设备，所述设备用于将至少一个无路径有向无环图广告对象(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Advertisement Object，简称DAO)消息发送至切换前的父设备，所述父设备用于在接收到DAO消息时从作为向下通信的下一跳的设备的父设备的至少一个路由表618中删除至少一个路由条目。
在一种实施方式中，公开了一种利用基于LLN路由协议(Routing Protocol forLLN，简称RPL)通信的平衡即兴网络构造。所述平衡即兴网络包括一种设备，所述设备包括：至少一个接收模块610，用于从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；至少一个选择模块612，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本，并且如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；至少一个切换模块614，用于基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则将所述设备的当前父设备切换至所述父设备。
在一种实施方式中，公开了一种利用基于LLN路由协议(Routing Protocol forLLN，简称RPL)通信的平衡即兴网络构造。所述平衡即兴网络包括一种节点，所述节点包括：至少一个接收模块610，用于从至少一个边缘路由器接收至少一个度量信息；至少一个选择模块612，用于根据接收到的度量信息计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本，并且如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；至少一个切换模块614，用于分别基于选择以及所述父节点和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点。
在一种实施方式中，与现有技术相比，为了在基于RPL的网络中传播度量，本申请提供了一种新的目标函数BNOF(balanced network object function，平衡网络目标函数)，该目标函数在存储模式的操作中使用路由表大小(routing table size，简称RTsize)作为度量对象，在非存储模式的操作中使用报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)作为度量对象。可以在DIO消息的DAG度量容器选项中发送RTsize和PPR对象信息。DAG度量容器的消息格式可以如图8所示。DAG度量容器的度量数据部分可以包含实际度量信息。
在一种实施方式中，度量数据的格式如图9所示。在一种实施方式中，字段可以如RFC 6551中所述。在一种实施方式中，针对RTsize对象，可以将路由度量类型值定义为9；针对PPR，可以将路由度量类型值定义为10。两个值都需要向作为获得这些值的中心机构IANA申请。
当前或现有的ETX度量对象如图10中所示。在一种实施方式中，ETX度量是节点为了成功传送报文至目的地而估计的传输次数。ETX对象由ETX子对象组成，并且必须至少包含ETX子对象。每个ETX子对象都有16比特的固定长度。
与当前或现有的ETX度量对象相比，本申请提供的RTsize度量对象如图11所示。在一种实施方式中，RTSize是16比特。在任何节点的RTSize值都可以通过优选父节点将所有节点的当前路由表大小的聚合值指示给ROOT。在一种实施方式中，DODAG根(BR)必须始终将该值设置为0。在一种实施方式中，DODAG根也可能用任意其他静态值取代0。直接连接到BR的任意非叶节点必须将该值设置为其当前路由表大小。网络中的所有其他节点必须在DIO度量容器中发送与其优选父节点相同的值。
在一种实施方式中，如图12所示，将RTsize度量对象建模为类似于ETX对象。
在一种实施方式中，任何节点的秩计算可以与现有技术类似，并且本申请提供的度量可能对秩计算没有任何影响。例如，图13示出了RTsize度量信息流(DIO消息流)。针对秩计算，鉴于图13，边界路由器发送DIO，其中秩＝256，minHopRankIncrease＝256。节点A和节点B接收并接受DIO消息。一旦接受DIO消息，节点A和节点B计算自己的秩，即接收到的DIO消息中的秩(256)+minHopRankIncrease(256)＝512。因此，节点A和节点B将自己的秩设置为512，然后将DIO消息(包括新的秩＝512)广播到下面的节点。
在一种实施方式中，与现有技术相比，为了计算路径成本，本申请使得根节点(接地或浮动)将变量cur_min_path_cost设置为0。非根节点可以利用从其相邻节点接收的DIO中的度量值计算通过该特定相邻节点的路径成本。非根节点可以增加两个分量，以根据接收到的DIO中的RTsize/PPR对象值或者在相邻节点不是当前优选父节点时加上自身路由表大小计算相邻路径成本。(针对优选父节点，不需要添加自己的路由表大小，因为父节点已经具有该节点的路由条目和其为根的子DODAG)，或者在相邻节点不是优选父节点时加上父级切换阈值(PARENT_SWITCH_THRESHOLD)。PARENT_SWITCH_THRESHOLD的默认值为1。
在一种实施方式中，通过下述等式计算所述路径成本：
Figure GDA0001791190910000241
无状态路由度量计算
Figure GDA0001791190910000242
有状态路由度量计算
其中，上述等式中的数值1是默认父级切换阈值。
在一种实施方式中，与现有技术相比，为了选择最好的父节点，本申请提供了能够选择路径成本最小的相邻节点作为优选父节点的目标函数(BNOF)。
在一种实施方式中，每当添加或删除任意节点时或者在针对平衡网络构造设定的预定时间间隔之后，所述目标函数能够进行父节点选择。例如，包括优选父节点的现有候选相邻节点的路径成本发生变化。这种情况可以在路径成本计算之后立即进行检验。再如，相邻节点表中可能插入新的候选相邻节点，此时需要相应地平衡网络。
在一种实施方式中，根据RPL RFC(6550)的父级切换流程的现有技术众所周知。根据已知技术，在网络形成的初期，度量对象的值可以为0，因此在这种情况下，节点首先选择发送DIO的相邻节点作为优选父节点并加入网络。随着越来越多的节点加入网络，度量值会发生变化，节点也会根据从接收到的DIO消息中的度量值计算出的路径成本改变优选父节点。当且仅当在计算出的经过另一个候选父节点的路径成本小于经过当前优选父节点的路径成本时，节点才可以改变优选父节点。如果路径成本相等，则节点不会改变优选父节点。如果节点改变其优选父节点，该节点必须向其优选父节点发送无路径DAO，并且重置DIO定时器以将DIO和更新后的度量发送至子DODAG。当节点接收到路由的无路径DAO时，节点将删除针对该特定节点的路由表条目。但是经过发送无路径DAO的节点的其他路由条目仍在所述节点的上一个优选父节点上。这些无效条目将影响上一个优选父节点的RTSize度量对象的度量值(因为其依赖于路由表大小)。
但是，为了解决无效条目的问题，在本申请中，一接收到无路径DAO，父节点能够从作为向下流量的下一跳的无路径DAO的发送方的路由表中删除路由条目。
图7示出了本申请实施例提供的用于获取平衡即兴网络构造的方法。所述方法可以在计算机可执行指令的广义语境中描述。一般来说，计算机可执行指令可以包括执行特定功能或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、流程、模块和函数等。所述方法也可以在分布式计算环境中执行，该环境中的功能都是由通过通信网络连接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，计算机可执行指令可以位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。
描述该方法的顺序并非用于构成限制，任意数量的所述方法块可以以任意顺序组合，以实现所述方法或替代方法。另外，在不脱离本文所描述主题的保护范围的情况下，可以从所述方法中删除各别块。此外，所述方法可在任意合适的硬件、软件、固件或其组合中实现。但是为了便于说明，在下面描述的实施例中，可以认为所述方法是在上述设备/节点602中实现。
在块702，从至少一个边界路由器或至少一个其它设备接收至少一个度量信息。
在块704，根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个节点/设备3中选择的至少一个相邻节点/设备的至少一个路径成本。
在块706，如果相邻节点/设备的路径成本最小，选择所述相邻节点/设备作为父节点/其它设备。
在块708，分别基于选择以及所述父节点/设备和当前父节点/设备的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点/设备，其中，如果父节点/设备的路径成本与当前父节点/设备的路径成本相比较小，并且父节点/设备的工作负载量与当前父节点/设备的工作负载量相比较少，则所述节点/设备的当前父节点/设备切换至所述父节点/设备。
在一种实施方式中，所述方法还包括：接收所述度量信息以及至少一个有向无环图信息对象(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Information Object，简称DIO)控制消息，其中所述DIO控制消息包括至少一个保存所述度量信息的容器。
在一种实施方式中，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小(routing table size，简称RTsize)，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)，或其任意组合中的至少一个。
在一种实施方式中，所述方法能够在低功耗有损网络中路由至少一个报文以实现负载平衡路由。
在一种实施方式中，所述方法包括：在所述设备的存储器中存储至少一个报文；所述设备的处理器基于所述存储器中存储的报文数量确定工作负载。
在一种实施方式中，所述方法包括：利用平衡网络目标函数(balanced networkobjective function，简称BNOF)处理所述度量信息，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小(routing table size，简称RTsize)，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)，或其任意组合中的至少一个。
在一种实施方式中，所述方法包括：基于与至少一个有向无环图信息对象(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Information Object，简称DIO)控制消息一起接收的至少一个度量值计算路径成本，所述DIO控制消息包括至少一个保存度量信息和度量值的容器。
在一种实施方式中，所述方法包括：至少基于接收到的度量信息和/或设备的路由表大小和/或父级切换阈值计算路径成本。
在一种实施方式中，所述方法包括：通过以下等式计算所述路径成本：
Figure GDA0001791190910000271
无状态路由度量计算
Figure GDA0001791190910000272
有状态路由度量计算
在一种实施方式中，所述方法包括：将相邻设备的信息存储在所述设备的存储器中的至少一个表内，所述表在计算路径成本时连续更新。
在一种实施方式中，所述方法包括：一旦切换父设备，所述设备602将至少一个无路径有向无环图广告对象(Destination Oriented Directed Acyclic GraphAdvertisement Object，简称DAO)消息发送至切换前的父设备，所述父设备用于在接收到DAO消息时从作为向下通信的下一跳的设备的父设备的至少一个路由表中删除至少一个路由条目。
在一种实施方式中，根据本申请，所述无状态度量假设所有节点在一段时间内生成的流量(大致)相等，因此路由协议平等对待所有节点。在这种情况下，路由表大小(routing table size，简称RTsize)用作路由度量。所述无状态度量的优势在于度量处理不需要额外内存空间，操作简单，因此程序复杂性较小。
图14示出了根据现有可用技术的网络构造。例如，根据图14的网络构造将RTsize作为度量，因此PathWt值可以等于RTsize度量。流程的分步骤说明如下：
a.边界路由器发起DIO传输以形成网络。因为网络是第一次形成，起初所有节点都没有路由条目。在这种情况下，(根据现有标准)有两个可用选项，1)如果有其他可用度量，则可以用于形成网络；2)可以通过接受先到先得的DIO形成网络。
b.DIO消息是本地链路广播消息，即消息会传达到连接在同一链路上的节点例如，在上图中，边界路由器发送的DIO消息仅到达节点A和节点B。
c.边界路由器发送由节点A和节点B接收的DIO消息，其中PathWt＝RTsize＝0。节点A和节点B将接收并接受DIO消息。这里接受消息指的是节点A和节点B能够接受DIO消息中的所有条目，并且相比源自任意其它节点的任意其他DIO消息，节点A和节点B更倾向于使用该DIO消息。接受DIO消息的另一个点指的是节点会在更新度量信息之后进一步广播该DIO消息。例如，节点A得到PathWt＝Rtsiz＝0的度量值，现在的节点A得到RTsize＝0，因此更新RTsize＝0+0＝0并向外发送。
d.节点D从节点A接收取值为0的RTsize。节点D接受RTsize＝0，因为这是唯一接收的DIO并且支持的度量。
e.节点D向节点A返回DAO消息。在接收到DAO消息时，节点A将节点D填入路由表条目。因此，节点A上的RTsize值变为1。
f.基于初始网络构造(如步骤a-e所述，即基于先到先得)，节点A得到RTsize＝1(即仅有一个子节点)，节点B得到RTsize＝8(即有8个子/孙节点)。因此，路由表大小情况如图14所示。所有的子节点都通过其优选父节点发送应用报文，即在这种情况下，节点B会从8个子节点接收应用报文，节点A仅从1个节点接收应用报文。
g.因此，初始网络形成。显然，相比节点A，节点B处理大量子节点，因此网络是倾斜的。
h.根据本申请，DIO消息传输本质上是周期性的。边界路由器一段时间之后会发送另一个DIO消息，其中RTsize＝0。需要注意的是边界路由器总是发送固定的RTsize(在本例中为零，但也可以是任意其他静态数字，不影响本申请的实现)。
i.节点A和节点B接收DIO消息。节点A和节点B接受DIO消息，并在网络中进一步向下广播。转发之前更新度量。节点A发送RTsize＝0+1＝1，节点B发送RTsize＝0+8＝8。
j.之前连接到节点B的节点C现在从节点A(PathWt＝1)和节点B(PathWt＝8)接收DIO消息。
k.节点C计算NewPathWt_A＝PathWt_A+NodeC_RTsize＝1+3＝4，并且NewPathWt_B＝8。(以下给出NewPathWt计算公式)。
l.节点C切换到节点A，即选择节点A作为优选父节点，因为NewPathWt_A<NewPathWt_B，因此，节点A上的RTsize增加至5(NodeA_RTsize+NodeC_RTsize+1＝1+3+1＝5)。同时节点B上的RTsize减至4(NodeB_Rtsize–NodeC_Rtsize–1＝8–3–1＝4)
m.因此，根据本申请获得的新网络如图15所示。
在一种实施方式中，图14示出了初始网络构造。在网络初始状态下，RTsize是未知的，因此使用其他标准(例如ETX)进行网络构造。
在一种实施方式中，图15示出了一旦每个节点知晓RTsize之后，网络链路如何发生变化。当节点接收到多个DIO时，通过以下公式对比这些DIO：
Figure GDA0001791190910000301
无状态路由度量计算
Figure GDA0001791190910000311
有状态路由度量计算
在一种实施方式中，如果从当前已经是其优选父节点的节点接收DIO，则仅使用路径权重(即DIO中的RTsize)。如果从当前不是优选父节点的节点接收DIO，则节点使用路径权重(DIO中的RTsize)+当前路由表大小+1。比较这两个数值，如果新的父节点的值小于当前优选父节点的值，则节点切换路径。例如，针对图14来实现本申请提供的网络平衡：
节点C接收DIO_A(PathWt＝1)，NewPathWt＝PathWt+Rtsize+1＝1+3+1＝5；
节点C接收DIO_B(PathWt＝8)，NewPathWt＝PathWt＝8，因此节点C选择父节点A作为优选父节点，因为NewPathWt(5)最小。图15示出了新的网络构造。
在一种实施方式中，当不同节点生成的流量“严重”不均衡时，需要有状态度量。经证明，RTsize度量可能是无效的，因为Rtsize是基于连接节点的数量进行平衡，并不考虑流量模式。在有状态度量时，每个节点维护的报文处理速率(packet processing rate，简称PPR)作为度量。总体逻辑与无状态操作相同，只是用于计算路径权重的度量是PPR。
有状态度量具有的优点可以包括但不限于其考虑实际流量模式，并且适用于节点产生不均衡流量的场景。
图16示出了如何计算报文处理速率的示例。在一种实施方式中，报文处理速率可以通过递归平均技术计算。y[n]＝(1-α)y[n-1]+αx[n]。针对PPR的计算如下：Current_PPR＝α*(1/(tn–tn-1))+(1-α)*Previous_PPR。
在一种实施方式中，较高的α值会导致最新值具有更高的优先级，并且可以使用任意单位例如嘀嗒声、时间戳和时钟时间等。
在一种实施方式中，图17示出了本申请实施例提供的PPR度量格式。在一种实施方式中，PPR度量对象可以作为DIO度量容器的一部分进行传递。PPR度量的格式可以如图17所示。
在一种实施方式中，图17所示的α用于运行图16所示的平均计算，α计算为1/α。例如，设置α值为0.5，度量中发送的α为2(即1/2＝0.5)。
例如，为了了解如何在接收到任意报文时更新PPR，参考图16，假设α＝0.5。
在T0(第10秒)时接收到报文。因为这是第一个要接收的数据包，因此Current_PPR＝0。
在T1(第12秒)时接收到另一个报文，计算如下：
Current_PPR＝0.5*(1/(12-10))+(1-0.5)*Previous_PPR，这里的Previous PPR为0，因此
Current_PPR＝0.5*0.5+0＝0.25。
在T2(第14秒)时，计算如下：
Current_PPR＝0.5*(1/14-12)+(1-0.5)*0.25＝0.25+0.125＝0.375
下表示出了本申请新定义的BNOF目标函数与现有目标函数的对比：
表1 BNOF与标准目标函数的对比
Figure GDA0001791190910000331
在一种实施方式中，为了完成本申请，可能需要对边界路由器进行一些改变。下面提到一些改变：
a.边界路由器发起DIO传输，并且负责决定要使用的路由度量。因此，如果BR决定使用RTsize或PPR作为度量，则初始DIO消息需要根据针对RTsize和PPR创建的度量对象进行构建。
b.有状态度量时，边界路由器决定用于计算PPR的运行平均计算中的α。网络中的所有其他节点必须遵循BR所通告的与α相同的单位。
在一种实施方式中，为了完成本申请，可能需要对跳和终端节点进行一些改变。下面提到一些改变：
a.接收DIO消息的终端节点检查度量对象是RTsize还是PPR。
b.针对PPR，需要根据图16额外启动PPR的计算。
c.如果α值已经相比之前的PPR度量对象发生了变化，则PPR计算需要重置，然后产生新的α值。
在一种实施方式中，本申请可以由用于启动网络构造的边界路由器实现。边界路由器可以通过使用根据本申请定义的路由度量发起网络构造。
在一种实施方式中，本申请可以由家庭网络和工业网络中使用的智能网关/控制器实现，并且控制网络形成的方式。
在一种实施方式中，本申请可以由传感器、执行器、HVAC等终端设备实现，需要理解和实现在这种度量中定义的路由度量。
在一种实施方式中，以下是本申请使用的共同特征：
●部署了电池供电的节点的场景
●节点数量较多的场景
●数据传输本质上是周期性的，并且周期通常非常低，例如5分钟一次例如智能电表的基础结构，电表每5分钟或每30分钟发送一次读数
●大多数流量本质上是MP2P，即遥测应用，例如传感器网络的数据采集
在一种实施方式中，本申请可以用于智能农业场景，该场景中多个传感器互相连接以形成网状网络。本申请的平衡理念可以应用在该场景中，以延长网络的总体寿命。
在一种实施方式中，本申请可以用于智能仪表场景，该场景中数千个智能仪表互相连接以形成网状网络。它们以较低的频率周期性地传输数据。
在一种实施方式中，本申请可以用于包含多个不同的使用案例的智能城市解决方案。一个示例性的使用案例是智能箱使用案例。在城市中配置智能回收箱，该智能回收箱包含传感器和通信系统，能够使控制器识别已满箱子和未满箱子。这种情况下通常使用的是电池供电系统，并且传输频率会比较低。
除了上述内容之外，本申请还包括下述优点：
√网络平衡实现了网络能源消耗的均衡性，从而延长了网络寿命。
√由于网络负载平衡，报文传输速率会提高。
√决定网络构造的逻辑非常简便，可以在受限设备上轻松使用，无需任何其他资源。例如，本申请的逻辑不会增加现有的RAM/ROM限制。
√可用性强：由于数据库是分布式的，如果一个数据库服务器故障，则仅该数据库中的进程数据不可用，系统可以继续正常运行其他进程。在传统的解决方案中，如果单个集中式数据库故障，则整个系统都不可用。
除了上述说明之外，本申请还提供：
√支持路由度量RTsize(路由表大小)和PPR(报文处理速率)的边界路由器和网络中的所有节点。
√所有节点都可以利用路径权重，即RTsize或PPR，决定要使用的父节点。
√针对PPR，每个节点都维护一个统计计数器用于识别报文处理速率。
√网络平衡的主动性技术，使得网络得以平衡形成。这是相对反应性技术而言，在反应性技术中，当能耗达到节点的特定阈值时，网络将重新对齐。
√基于路由表项数量(无状态度量，RTsize)平衡网络的技术。
√基于流量模式(有状态度量，PPR)平衡网络的技术。
√一种扩展路由协议度量标准/约束条件以考虑网络平衡的机制。
√一种节点选择父节点用于实现平衡网络的机制。
本领域技术人员可以理解：
1.本申请公开的技术在低功耗有损网络中提到，但是也可以用于移动即兴网络(Mobile Ad-hoc network，简称MANET)或任何其他基于即兴/网状拓扑的构造场景。
2.PPR(packet processing rate，报文处理速率)作为本申请公开的机制，用于识别节点的网络负载量。也可以使用其它机制例如传输层统计、网络层统计或者SNMP/Netconf等识别节点上的负载。
3.本申请中公开使用的RPL是讨论平衡网络构造的一个示例。但是基本上任何支持路由度量标准/约束条件的主动路由协议都可以使用。例如，AODVv2路由协议支持路由度量和约束条件，可以用于部署上述理念。
4.本申请中公开定义的度量可以与其他度量(例如ETX、时延、节点能量、节点状态和属性等)结合使用，用于改善网络平衡。
5.本申请中公开的有状态度量定义了如何利用递归平均技术计算报文处理速率。任何其他用于识别报文处理速率的技术也可以使用。
本领域普通技术人员能够认识到，结合本说明书所公开的实施例中所描述的示例，可通过电子硬件或计算机软件与电子硬件的组合实施单元和算法步骤。这些功能能是由硬件还是由软件执行取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可使用不同方法实现每个特定应用的所描述功能，但是不应认为该实施方式超出本申请的范围。
本领域技术人员可清楚地理解，出于方便和简单描述的目的，前述系统、装置和单元的详细工作过程，可参考前述方法实施例中的对应过程，这里不再赘述。
在本申请中提供的若干实施例中，应理解，所公开的系统、装置和方法可通过其它方式实现。例如，所描述的装置实施例仅仅是示例性的。例如，单元划分仅仅是逻辑功能划分且在实际实现中可以是其它划分。例如，可将多个单元或部件合并或集成到另一系统中，或可忽略或不执行部分特征。另外，可通过一些接口实现所显示或论述的互相耦合或直接耦合或通信连接。装置或单元之间的直接耦合或通信连接可通过电子、机械或其它形式实现。
当这些功能以软件功能单元的形式实现以及作为单独产品销售或使用时，它们可存储在计算机可读存储介质中。基于这种理解，本申请的技术方案基本上或对现有技术有贡献的部分或技术方案的一部分可以通过软件产品的形式实现。计算机软件产品存储在存储介质中并包括若干指令，用于指示计算机设备(其可以为个人计算机、服务器或网络设备)执行本申请实施例中所描述的方法的所有或部分步骤。上述存储介质包括：可以存储程序代码的任何介质，例如USB盘、可移动硬盘、只读存储器(read only memory，简称ROM)、随机存取存储器(random access memory，简称RAM)、磁盘或光盘。
虽然已经以结构特征和/或方法特定的语言描述了用于平衡即兴网络构造的设备和方法的实施方式，但是应当理解的是所附权利要求不一定限于所描述的特定特征或方法。相反，具体特征和方法作为用于平衡即兴网络构造的设备和方法实施方式的示例公开。

Claims (22)

1.一种用于获取即兴网络平衡的设备(602)，其特征在于，包括：
至少一个接收模块(610)，用于从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；
至少一个选择模块(612)，用于：
根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本；
如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；
至少一个切换模块(614)，用于基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则所述设备的当前父设备切换至所述父设备；
所述设备还包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数BNOF，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小RTsize，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率PPR，或其任意组合中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，接收所述度量信息和至少一个有向无环图信息对象DIO(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Information Object)控制消息，所述DIO控制消息包括至少一个保存所述度量信息的容器。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备用于在低功耗有损网络中路由至少一个报文以实现负载平衡路由。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，包括：存储器(608)和处理器(604)，其中所述存储器(608)用于存储至少一个报文，所述处理器(604)用于基于所述存储器(608)中存储的报文数量确定工作负载。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，基于与至少一个有向无环图信息对象DIO(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Information Object)控制消息一起接收的至少一个度量值计算路径成本，所述DIO控制消息包括至少一个保存度量信息和度量值的容器。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，至少基于接收到的度量信息和/或设备的路由表大小和/或父级切换阈值计算路径成本。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通过以下等式计算所述路径成本：
Figure FDA0003080333000000021
用于无状态路由度量计算；
Figure FDA0003080333000000022
用于有状态路由度量计算；
其中：
上述等式中的数值1是默认父级切换阈值；
NBRTsize指相邻设备的路由表大小；
PPR指报文处理速率；NBPPR指相邻节点的PPR；OWNPPR指节点自身计算的PPR；
DIO指有向无环图信息对象；
ip指互联网协议地址；
OWNRTsize指所述设备的路由表大小。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，包括至少一个存储相邻设备的信息的表，所述表在计算路径成本时连续更新。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，一旦切换父设备，所述设备用于将至少一个无路径有向无环图广告对象DAO(Destination Oriented Directed Acyclic GraphAdvertisement Object)消息发送至切换前的父设备，所述父设备用于在接收到DAO消息时从作为向下通信的下一跳的设备的父设备的至少一个路由表中删除至少一个路由条目。
10.一种用于获取即兴网络平衡的节点(602)，其特征在于，包括：
至少一个接收模块(610)，用于从至少一个边界路由器接收至少一个度量信息；
至少一个选择模块(612)，用于：
根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本；
如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；
至少一个切换模块(614)，用于分别基于选择和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点；
所述节点还包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数BNOF，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小RTsize，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率PPR，或其任意组合中的至少一个。
11.一种用于获取即兴网络平衡的方法，其特征在于，所述方法包括：
从至少一个其它设备接收(702)至少一个度量信息；
根据接收到的度量信息，计算(704)从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本；
如果相邻设备的路径成本最小，选择(706)所述相邻设备作为父设备；
基于选择和工作负载量切换(708)至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则所述设备的当前父设备切换至所述父设备；
所述方法还包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数BNOF，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小RTsize，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率PPR，或其任意组合中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，接收所述度量信息以及至少一个有向无环图信息对象DIO(Destination Oriented Directed Acyclic Graph InformationObject)控制消息，其中所述DIO控制消息包括至少一个保存所述度量信息的容器。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括在低功耗有损网络中路由至少一个报文以实现负载平衡路由。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括：
在所述设备的存储器中存储至少一个报文；
所述设备的处理器基于所述存储器中存储的报文的数量确定工作负载。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括：基于与至少一个有向无环图信息对象DIO(Destination Oriented Directed Acyclic Graph Information Object)控制消息一起接收的至少一个度量值计算路径成本，所述DIO控制消息包括至少一个保存度量信息和度量值的容器。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括：至少基于接收到的度量信息和/或设备的路由表大小和/或父级切换阈值计算路径成本。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括：通过以下等式计算所述路径成本：
Figure FDA0003080333000000041
用于无状态路由度量计算；
Figure FDA0003080333000000042
用于有状态路由度量计算；
其中：
上述等式中的数值1是默认父级切换阈值；
NBRTsize指相邻设备的路由表大小；
PPR指报文处理速率；NBPPR指相邻节点的PPR；OWNPPR指节点自身计算的PPR；
DIO指有向无环图信息对象；
ip指互联网协议地址；
OWNRTsize指所述设备的路由表大小。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括：将相邻设备的信息存储在所述设备的存储器中的至少一个表内，所述表在计算路径成本时连续更新。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括：一旦切换父设备，所述设备将至少一个无路径有向无环图广告对象DAO(Destination Oriented Directed Acyclic GraphAdvertisement Object)消息发送至切换前的父设备，所述父设备用于在接收到DAO消息时从作为向下通信的下一跳的设备的父设备的至少一个路由表中删除至少一个路由条目。
20.一种用于获取即兴网络平衡的方法，其特征在于，所述方法包括：
从至少一个边界路由器(702)接收至少一个度量信息；
根据接收到的度量信息，计算(704)从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本；
如果相邻节点的路径成本最小，选择(706)所述相邻节点作为父节点；
分别基于选择和工作负载量，利用所述父节点切换(708)当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点；
所述方法还包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数BNOF，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小RTsize，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率PPR，或其任意组合中的至少一个。
21.一种利用基于LLN路由协议RPL(Routing Protocol for LLN)通信的平衡即兴网络的系统，其特征在于，包括具有以下模块的设备：
至少一个接收模块(610)，用于从至少一个其它设备接收至少一个度量信息；
至少一个选择模块(612)，用于：
根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个设备中选择的至少一个相邻设备的至少一个路径成本；
如果相邻设备的路径成本最小，选择所述相邻设备作为父设备；
至少一个切换模块(614)，用于基于选择和工作负载量切换至所述父设备，其中，如果父设备的路径成本与当前父设备的路径成本相比较小，并且父设备的工作负载量与当前父设备的工作负载量相比较少，则所述设备的当前父设备切换至所述父设备；
所述设备还包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数BNOF，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小RTsize，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率PPR，或其任意组合中的至少一个。
22.一种利用基于LLN路由协议RPL(Routing Protocol for LLN)通信的平衡即兴网络的系统，其特征在于，包括具有以下模块的节点：
至少一个接收模块(610)，用于从至少一个边界路由器接收至少一个度量信息；
至少一个选择模块(612)，用于：
根据接收到的度量信息，计算从即兴网络中的一个或者多个节点中选择的至少一个相邻节点的至少一个路径成本；
如果相邻节点的路径成本最小，选择所述相邻节点作为父节点；
至少一个切换模块(614)，用于分别基于选择以及所述父节点和当前父节点的工作负载量，利用所述父节点切换当前父节点，其中，如果父节点的路径成本与当前父节点的路径成本相比较小，并且父节点的工作负载量与当前父节点的工作负载量相比较少，则将所述节点的当前父节点切换至所述父节点；
所述节点还包括处理所述度量信息的平衡网络目标函数BNOF，所述度量信息是作为度量对象用于存储模式的操作的路由表大小RTsize，或者是作为度量对象用于非存储模式的操作的报文处理速率PPR，或其任意组合中的至少一个。
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