CN116016336B - 基于hrpl的高效节点间通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于HRPL的高效节点通信方法，包括初始化阶段，HRPL在RPL的基础上操作，DODAG构建过程中预先建立上行和下行路由；每个HRPL节点向BR报告其邻居信息及其链路质量；节点利用RPL的DAO消息来承载它们的邻居信息；然后BR构建节点互连的完整链路，以便构建网络中任意两个节点之间的最短路径；路由发现阶段：在发现阶段，想要发送N2N数据包的源节点应该从本地缓存中获取到预定目的节点的路由路径；HRPL既保留了基于RPL的转发的优势，又保留了根节点采用链路状态路由的过程，根节点运行一种集中式算法来维护最新的路由消息，并在LLN域内的N2N通信构建最佳的质量路径，解决了可靠性低、延迟和能量空洞的问题。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于HRPL的高效节点间通信方法。
背景技术
路由发现是低功耗损耗网络(Low-power and Lossy Networks，LLN)中通信堆栈的关键组成部分。用于LLN的IPv6路由协议RPL已被标准化，为LLN提供路由发现，以实现物联网(Internet-of-Things，IoT)的愿景。在RPL中根节点作为单一目的地，通信流向根节点汇聚。
然而，节点对节点(Node-to-Node，N2N)通信(既不是源节点也不是目的节点)是大多数基于LLN的执行、决策和控制应用程序的需求，目前形式的RPL不能很好地满足这种有大量向内N2N的通信流。
而且RPL将基于LLN的物理拓扑限制为一个面向目的地的有向无环图(Destination-Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG)，DODAG的根节点作为其中一个预先分配的资源节点利用一个目标函数(Objective Function，OF)控制路由选择过程，OF是通过最小化特定的路由度量来建立路由。构建DODAG是为了优化到达根节点的路由，而对于N2N通信，其源节点和目的节点都不是根节点，数据包应该沿着DODAG向上转发到源节点和目的节点最近的共同节点，然后数据包沿着DODAG向下传播，直到到达目的地。如果向下传播的路由只由根节点维护，则信息包将一直向上转发到根节点，然后再向下路由至目的地。
因此，基于RPL的现有规范，不能很好地满足N2N的路由需求：
(1)可靠性：限制N2N通信只使用预先建立的DODAG路由，会导致根节点附近严重的流量拥塞，导致丢包率增加。
(2)延迟：沿着DODAG拓扑的向上和向下路由可能最终得到的路径比源节点和目标节点间可用的最短路径差得多。此外，拥塞导致的数据包丢失会触发更多的重传，从而增加端到端传输延迟。
(3)负载分布:位于根节点附近的节点在高流量负载时可能会发生拥塞。拥塞的节点会比其他节点更快地消耗能量，导致能量空洞问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于HRPL的高效节点间通信方法
具体方案如下：
基于HRPL的高效节点间通信方法，包括如下步骤，
S1)、初始化阶段：HRPL在RPL的基础上操作，DODAG构建过程中预先建立上行和下行路由；每个HRPL节点向BR报告其邻居信息及其链路质量；节点利用RPL的DAO消息来承载它们的邻居信息；然后BR构建节点互连的完整链路，以便构建网络中任意两个节点之间的最短路径；
S2)、路由发现阶段：在发现阶段，想要发送N2N数据包的源节点应该从本地缓存中获取到预定目的节点的路由路径；如果需要的路由路径没有被缓存，源节点应该通过向BR发送HRPL路由请求HRREQ消息发起路由发现过程，询问到目标目的节点的路径；
HRREQ通过基于RPL的上行路由转发到BR，在接收到HRREQ后，BR构造到HRREQ消息中声明的目的节点的最短路径；然后，通过基于RPL的下行路由，通过HRPL路由应答消息HRREP将构建的路径发送回源节点。
步骤S1的具体操作如下：
S11)、邻居信息报告：每个节点n∈N使用DAO消息的目标和传输选项周期性地将其可达性信息，即前缀单播向上到BR；HRPL利用节点在传输所提交的DAO中装载它们的邻居信息；也就是说，在周期报告时间，每个节点n∈N附加它的邻居信息；
S12)、自适应报告机制：自适应确定是否应该在报告时根据将特定的邻居节点信息附加到传输的DAO中，设计滞后报告函数实现；
S13)、携带HRPL邻居选项的DAO：为了保证与RPL的兼容性，HRPL使用RPL已有的控制消息类型。HRPL引入了一个添加到原始DAO基对象中的新的标准ICMP选项，该方案被命名为HRPL邻居方案HNO。
步骤S2的具体操作如下：
S21)、由于BR具有网络连接的全局视图，它总是可以提供最短路径，根据任何源节点和目标节点之间的附加判断是否存在这样的路径；
S22)、Dijkstra算法：首先把源节点到所有节点的距离存下来找到距离源节点最短的邻居节点，然后松弛一次再找出剩余最短的，所述的松弛操作就是，遍历一遍看通过刚刚找到的距离最短的点作为中间节点会不会更近，如果更近就更新距离，这样把所有的点找遍之后就存下源节点到其他所有节点的最短距离。
本发明公开了一种基于HRPL的高效节点间通信方法，提出了一种基于RPL的混合路由机制HRPL，HRPL既保留了基于RPL的转发的优势，又保留了根节点采用链路状态路由的过程。根节点运行一种集中式算法来维护最新的路由消息，并在LLN域内的N2N通信构建最佳的质量路径。本发明通过下述几种方法来解决可靠性低、延迟和能量空洞问题：
(1)利用在非根节点上实现的自适应报告机制，向根节点提供邻居信息，HRPL有助于降低能量消耗，从而提高网络的总体寿命。
(2)在根节点上实现的单源最短路径(Single-Source Shortest Path，SSSP)机制，构造网络中任意两个节点之间的最短路径。随后，通过使用RPL路由中构造的路径的方法将数据包路由到其目标。HRPL只需要较少的跳数可以成功地交付N2N数据。
(3)HRPL利用可用的RPL协议控制消息来避免冗余传输，减少MAC重传次数，提高数据传输可靠性。
附图说明
图1是DODAG上行路由建立示意图。
图2是HRPL携带邻居选项的DAO。
图3是HRPL路由过程的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于RPL的混合路由机制HRPL，HRPL既保留了基于RPL的转发的优势，又保留了根节点采用链路状态路由的过程。为此，本发明提出，根节点运行一种集中式算法来维护最新的路由消息，并在LLN域内的N2N通信构建最佳的质量路径。
RPL将LLN中的节点组织成树状结构，通常扎根于边界路由(Border Router，BR)，这样的拓扑结构命名为DODAG。由三种控制消息协议(Internet Control MessageProtocol，ICMP)处理DODAG的构造过程，分别是：DODAG信息对象(DODAG InformationObject，DIO)、DODAG信息征集(DODAG Information Solicitation，DIS)、目标广告对象(Destination Advertisement Object，DAO)。
下面描述DODAG是如何构造和维护、定义上行路由和下行路由的概念以及解释在基于RPL的网络中如何路由N2N数据包。
(1)DIO发送和上行路由建立：DODAG的构造是由BR广播一个DIO消息发起的，该消息包含其自身的等级、构建DODAG所需的公共配置属性和策略等内容。使用ETX作为RPL的路由指标，利用OF选择计算值最小的邻居节点作为首选父节点。当节点接收到DIO后，依据OF的计算结果选择数据传输的首选父节点，计算节点在BR中的等级，更新接收到的DIO的等级，并进一步重播，该过程将继续进行，直到覆盖网络中的所有节点，BR的每个节点向上路由建立，如图1所示。等级计算公式如下所示：
其中，表示t时刻节点n的等级，m表示节点n的单跳邻居节点，/>表示t时刻节点n的所有单跳邻居节点集合；/>时刻节点n到m的链路质量指标，
首选父节点的判定依据下面的公式计算结果选取：
其中，表示t时刻节点n的首选父节点。
(2)DODAG一致性维护：每个节点n∈N，其中，n表示LLN中的节点，N为LLN中的所有节点集合；每当检测到其中一个邻居节点的变化时，都会执行一个父节点选择过程。根节点通过增加所传输的DIO消息中的序列号和DODAG版本来触发对DODAG的全局重新计算，为了保持DODAG的一致性，每个节点都发出由涓流计时器触发的DIO，以避免不必要的流量。定时器持续时间呈指数增长，但当父节点不可达、父节点切换、DODAG重建和路由环路检测等事件发生时，它会重置为最小值。此外，每个节点采用局部修复机制来修复网络中父节点不可达或不可用的问题，通过启动父节点选择过程并发送DIO消息通知其关联节点需要切换父节点来实现。每当节点遇到序号较新的DIO时，它会根据更新后的链路开销再次启动父选择过程。在循环检测的情况下，接收节点试图通过向发送节点发送单播DIO来修复循环，以便它获得接收节点等级为最新值。最后，当一个节点加入网络时，它可以等待接收DIO，也可以多播DIS消息以主动请求DIO。
(3)DAO发送和下行路由建立：加入DODAG的节点将其自身的前缀和通过它们可到达目的节点的前缀单播给它们的父节点。这些前缀在DAO消息中携带。反过来，这些信息单播到达BR，支持从根节点向下传输到网络中的非根节点。参数发生了更改，进行全局修复或触发下行的路由更新。
(4)RPL的存储模式和非存储模式：在非存储模式中，非BR节点不需要管理内存中的路由表，该目的地是该终端节点所在的DODAG的根节点。DAO消息是跟着DODAG路径向上传播的，直至BR接收。当BR收集了所有节点的信息后，它才能够沿着正确的路径向下路由数据包。如果BR不能建立到特定目的地的路径，它别无选择，只能丢弃定向到该目的地的包；在存储模式中，所有节点内部都维护一个路由表以存储其子DODAG中的路由信息，目的地是该终端节点的父节点。如果节点没有空闲内存，将删除所有新的关联节点。
一种基于RPL的混合路由机制，其路由过程有初始化阶段和路由发现阶段组成：如图3所示，
S1、初始化阶段：HRPL在RPL的基础上操作，DODAG构建过程中预先建立上行和下行路由，每个HRPL节点向BR报告其邻居信息及其链路质量，节点利用RPL的DAO消息来承载它们的邻居信息，然后BR构建节点互连的完整链路，以便构建网络中任意两个节点之间的最短路径。
S2、路由发现阶段：在发现阶段，想要发送N2N数据包的源节点应该从本地缓存中获取到预定目的节点的路由路径，如果需要的路由路径没有被缓存，源节点应该通过向BR发送HRPL路由请求(HRREQ)消息发起路由发现过程，询问到目标目的节点的路径。
HRREQ通过基于RPL的上行路由转发到BR，在接收到HRREQ后，BR构造到HRREQ消息中声明的目的节点的最短路径。然后，通过基于RPL的下行路由，通过HRPL路由应答消息(HRREP)将构建的路径发送回源节点。
作为优选，步骤S1的具体操作如下：
S11、邻居信息报告：每个节点n∈N使用DAO消息的目标和传输选项周期性地将其可达性信息即前缀，单播向上到BR。HRPL利用节点在传输所提交的DAO中装载它们的邻居信息。也就是说，在周期报告时间，每个节点n∈N附加它的邻居信息。
由于附加的信息随着邻居列表的增加而增大，这将导致较高的流量，特别是在指向根的路径上的节点上。因此，这将导致高度的网络拥塞和高能量消耗。然而，在报告时间过程中，在当前更新的度量和之前使用的度量/>之间有一个用Vεn,m表示的不显著差异，其中，Vεn,m表示/>与/>之间的差值，/>表示t时刻节点n到m的链路质量指标，/>表示t-1时刻节点n到m的链路质量指标。这个新报告的更新应该被认为是多余的，因为从BR的角度来看，它不会有助于最短路径的构建，因此，更新该值使资源紧张的网络状况更加恶化。为了解决这一问题，提出了一种自适应报告机制。
S12、自适应报告机制：自适应确定是否应该在报告时根据特定的邻居节点信息附加到传输的DAO中，设计滞后报告函数实现。自适应更新具有节能的好处，并使网络更具可伸缩性，因为控制流量不再与报告时间和的大小成线性正比，UMHRF用来向BR提供节点的邻居信息，同时防止网络过度混乱。
UMHRF通过使用两个机制来实现这一点：
1)的变化是利用链路层反馈检测到的；
2)UMHRF仅在满足以下条件之一或两者的情况下，才将附加到/>其中，表示t时刻节点n发送的DAO；
a)Vεn,m的绝对值Vεn,m高于预定的阈值β，β表示延迟阈值；
b)自上次报告时间以来的周期Vt(Vεn,m)超过最大报告间隔Tmax，这种情况的目的是避免由于某个更新的值不重要而无限期地抑制它，Vt(εn,m)表示从上次报告开始经过的时间。
存储在BR中的与节点相关的邻居信息被分配一个过期时间，如果没有接收到更多的更新，它将被删除。
S13、携带HRPL邻居选项的DAO：为了保证与RPL的兼容性，HRPL使用RPL已有的控制消息类型。HRPL引入了一个添加到原始DAO基对象中的新的标准ICMP选项，该方案被命名为HRPL邻居方案HNO。如图2所示。HNO选项的有效负载有一个由option length field指定的可变长度，它对应于报告时隙的的大小。
作为优选，步骤S2的具体操作如下：
S21、由于BR具有网络连接的全局视图，它总是可以提供最短路径，根据任何源节点和目标节点之间的附加判断是否存在这样的路径。根据节点s的请求，在节点s和节点d之间找到一条路径，可以解决SSSP问题，所有SSSP算法都基于迭代方法，本质上依赖于同样重要的距离标签概念，由于Dijkstra算法是在具有非负权的有向拓扑图上使用的，这使得它对本发明所研究的拓扑是一个完美的解决方案。
S22、Dijkstra算法：该算法由贪心思想实现，首先把源节点到所有节点的距离存下来找到距离源节点最短的邻居节点，然后松弛一次再找出剩余最短的，所谓的松弛操作就是，遍历一遍看通过刚刚找到的距离最短的点作为中间节点会不会更近，如果更近就更新距离，这样把所有的点找遍之后就存下源节点到其他所有节点的最短距离。
作为优选，在Contiki3.0上与原RPL进行仿真对比，其内置的Cooja模拟器用于在仿真物联网设备上运行代码。
作为优选，Cooja通过模拟特定节点的精确指令集处理来建模细粒度节点行为。
在Contiki中实现了HRPL，并在不同的网络条件下使用Cooja模拟器提供了全面的性能评估。本发明所具有的有益效果是：
(1)HRPL利用可用的RPL协议控制消息来避免冗余传输，减少MAC重传次数，提高数据传输可靠性，HRPL具有较高的数据包投递率；
(2)在根节点上实现的单源最短路径机制，构造网络中任意两个节点之间的最短路径。随后，通过使用RPL路由中构造的路径的方法将数据包路由到其目标，HRPL只需要较少的跳数交付N2N流量；
(3)利用在非根节点上实现的自适应报告机制，向根节点提供邻居信息，HRPL有助于降低能量消耗，从而提高网络的总体寿命。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于HRPL的高效节点间通信方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1)、初始化阶段：混合路由机制HRPL在RPL的基础上操作，DODAG构建过程中预先建立上行和下行路由；每个混合路由机制HRPL节点向BR报告其邻居信息及其链路质量；节点利用RPL的DAO消息来承载它们的邻居信息；然后BR构建节点互连的完整链路，以便构建网络中任意两个节点之间的最短路径；
S2)、路由发现阶段：在发现阶段，想要发送N2N数据包的源节点应该从本地缓存中获取到预定目的节点的路由路径；如果需要的路由路径没有被缓存，源节点应该通过向BR发送混合路由机制HRPL路由请求HRREQ消息发起路由发现过程，询问到目标目的节点的路径；
HRREQ通过基于RPL的上行路由转发到BR，在接收到HRREQ后，BR构造到HRREQ消息中声明的目的节点的最短路径；然后，通过基于RPL的下行路由，通过混合路由机制HRPL路由应答消息HRREP将构建的路径发送回源节点；
步骤S1的具体操作如下：
S11）、邻居信息报告：每个节点n∈N使用DAO消息的目标和传输选项周期性地将其可达性信息，即前缀单播向上到BR；HRPL利用节点在传输所提交的DAO中装载它们的邻居信息；也就是说，在周期报告时间，每个节点n∈N附加它的邻居信息；
S12）、自适应报告机制：自适应确定是否应该在报告时根据将特定的邻居节点信息附加到传输的DAO中，设计滞后报告函数实现；
S13）、携带HRPL邻居选项的DAO：为了保证与RPL的兼容性，HRPL使用RPL已有的控制消息类型。
2.根据权利要求1所述的基于HRPL的高效节点间通信方法，其特征在于：HRPL引入了一个添加到原始DAO基对象中的新的标准ICMP选项，命名为HRPL邻居方案HNO，HNO 选项的有效负载有一个由 option length field指定的可变长度，它对应于报告时隙的的大小，表示t时刻节点n的所有单跳邻居节点集合。
3.根据权利要求1所述的基于HRPL的高效节点间通信方法，其特征在于：步骤S2的具体操作为：
S21）、由于BR具有网络连接的全局视图，它总是可以提供最短路径，根据任何源节点和目标节点之间的附加判断是否存在这样的路径，/> t时刻节点n到m的链路质量指标；
S22）、Dijkstra算法：首先把源节点到所有节点的距离存下来找到距离源节点最短的邻居节点，然后松弛一次再找出剩余最短的，所述的松弛操作就是，遍历一遍看通过刚刚找到的距离最短的点作为中间节点会不会更近，如果更近就更新距离，这样把所有的点找遍之后就存下源节点到其他所有节点的最短距离 。
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