CN117119550A - 一种rpl涓流定时器优化方法、装置及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种RPL涓流定时器优化方法、装置及介质，该方法初始化时间间隔长度、冗余计数器和抑制计数器后，比较当前时间间隔长度与最小时间间隔后确定随机时间常数的选择区间；侦听到一致控制信息时，增加冗余计数值，否则等间隔结束重新初始化；若冗余计数值满足抑制条件，则增加抑制计数值，否则发送控制信息；间隔结束，将两个计数器数值均设为0，并将时间间隔增加一倍，若增加后超过最大时间间隔，则将最大时间间隔作为下一时间间隔，否则直接将增加后的作为下一时间间隔；最大和最小时间间隔是预先设置的。与现有技术相比，本发明具有有效减少传输延迟和控制信息负载、提高涓流定时器的可靠性等优点。

Description

一种RPL涓流定时器优化方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其是涉及一种RPL涓流定时器优化方法、装置及介质。
背景技术
由于无线传感器网络的快速发展，出现了许多对延迟敏感的应用。无线传感器网络是一个由专用传感器组成的网络，它们分布在特定区域，用于监测和收集有关环境物理条件的数据。然后将收集到的数据传输到一个中心位置，以进行进一步的处理和分析。无线传感器网络架构利用控制包构建网络形成。这些控制数据包对于在节点之间建立通信链路和配置网络设置至关重要。RPL(Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks)是一种为低功耗和有损网络设计的路由协议，利用目标函数构建一条指向根节点或边界路由器的路由，该协议生成一个面向目的地的有向非循环图(DODAG，Destination-OrientedDirected Acyclic Graph)来确定节点之间的最优路径。RPL中定义了由多种ICMPv6消息来控制拓扑的形成，包括DIO消息、DAO消息等。下行路线使用DIO消息构建，而上行路线使用DAO消息构建。要加入网络，一个新的节点发送DIS，DODAG中的排名表示使用目标函数计算的一个节点的级别。为了维护稳定的路由拓扑，节点会定期广播DIO消息。DIO消息携带有关可用父节点的信息，然后使用这些父节点形成路由树。传感器在每个TSCH帧上的一个单元中传输控制包，称为最小单元。这就导致了RPL在DIO控制数据包与其他控制消息的传输中遇到拥塞的问题，特别是在密集网络中。此外，高流量传输也会导致高队列使用率，从而降低DIO控制数据包。DIO传输失败会增加网络形成时间和能源消耗。在DODAG生成的初始阶段运行RPL需要将DIO控制消息传播到网络中的子节点，用于计算操作的参数包括间隔I、最大间隔Imax、最小间隔Imin、冗余常数k、间隔中的随机时间t和计数器编号c，在一段时间内，将会有一个随机选择的时间。然后，它会找到相应的节点，并开始计算计数器的增量。最优值由节点之间距离所使用的能量、节点的剩余功率、节点的未来剩余功率以及最优值将随时间变化的工作负载决定。为了减少节点的功耗，子节点必须减少DIO消息。
传统RPL控制信息定时器有一些缺点，比如功耗高、吞吐量低、延迟高、数据包传递率低等。为了建立上行和向下路由并保持稳定的路由拓扑，RPL网络协议利用涓流定时器(Trickle Timer)算法定期广播DIO包，被用来控制保持能源效率的传输。然而，标准的涓流定时器有一些问题，高DIO传输频率设置可能与其他DIO和控制数据包发生碰撞，同时消耗更多的能量。否则，较低的传输频率可能会导致更长的网络形成，并抑制网络性能的改进，如寻找最优路由。高流量传输网络也导致高队列使用，可能丢弃DIO控制包。由于涓流定时器参数是在网络部署之前是静态的和定义的，这种情况限制了节点适应动态网络条件，一些节点可能比其他节点传输更多报文。传统涓流定时器有局限性，例如一个不能适应网络条件的固定参数。这种分布是不公平的，因为一些节点可能比其他节点传输更多，并增加了密集网络上共享单元的拥塞。繁忙的数据传输还会增加DIO控制数据包在数据包队列中被丢弃的机会。涓流定时器间隔会影响网络的收敛性。如果收敛时间太长，就会导致网络的收敛性变强。如果太小，就无法收集到足够的一致性传输信息，并总是不必要的频繁地发送DIO。涓流定时器算法定义了DIO传输的频率，但当频繁传输时，DIO包阻塞共享单元，会导致更高的节点连接时间。因此，如何使各节点在RPL网络中更高效地交换数据包，成为本领域需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的RPL数据包交换效率低、涓流算法可靠性差的缺陷而提供一种RPL涓流定时器优化方法、装置及介质。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供一种RPL涓流定时器优化方法，该方法包括以下步骤：
S1，初始化时间间隔长度、冗余计数器和抑制计数器；
S2，根据当前时间间隔长度确定随机时间常数的选择区间，以确定涓流定时器的定时期限，并侦听来自邻居节点的控制信息，其中，随机时间常数的选择区间是由当前时间间隔长度与最小时间间隔的比较结果确定；
S3，当侦听到一致的控制信息时，增加冗余计数器数值；当侦听到不一致的控制信息时，等待时间间隔结束并返回S1；
S4，当到达定时期限时，若冗余计数器的当前值满足抑制条件，则增加抑制计数器数值，否则发送当前节点的控制信息；
S5，当时间间隔结束时，将冗余计数器和抑制计数器数值均设置为0，并将当前时间间隔长度增加一倍，若增加后的时间间隔长度超过最大时间间隔，则将最大时间间隔作为下一时间间隔长度，并返回S2；若未超过最大时间间隔，则将增加后的时间间隔长度作为下一时间间隔长度，并返回S2；
其中，所述最小时间间隔、最大时间间隔是预先配置的。
作为优选的技术方案，所述确定随机时间常数的选择区间的过程为，判断当前时间间隔长度是否等于最小时间间隔，若为是，则将随机时间常数设置为第一区间内的值，否则将随机时间常数设置为第二区间内的值；所述第一区间的最小值与最大值由当前时间间隔长度确定；所述第二区间的最小值与最大值均由当前时间间隔长度与抑制计数器的当前值共同确定。
作为优选的技术方案，所述第一区间的最小值为当前时间间隔的四分之一，最大值为当前时间间隔的二分之一。
作为优选的技术方案，所述第二区间的最小值与最大值均为当前时间间隔的2的指数次幂分之一；对于第二区间的最小值，指数为抑制计数器的当前值加一；对于第二区间的最大值，指数为抑制计数器的当前值。
作为优选的技术方案，所述初始化时间间隔长度、冗余计数器和抑制计数器的过程包括：将初始时间间隔长度设置为最小时间间隔，所述时间间隔长度大于或等于最小时间间隔，且小于或等于最大时间间隔的两倍与最小时间间隔之积；将冗余计数器和抑制计数器的初始值均设置为0。
作为优选的技术方案，所述抑制条件包括，当冗余计数器的当前值大于冗余常数时，抑制当前节点的控制信息发送，抑制计数器的数值加一；其中，冗余常数是预先设置的。
作为优选的技术方案，若节点侦听到不一致的控制信息，则以更高的概率间隔发送控制信息，以设置自适应冗余常数。
作为优选的技术方案，每当一个新的间隔开始时，各节点之间的时间间隔相等。
根据本发明的第二方面，提供一种RPL涓流定时器优化装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
根据本发明的第三方面，提供一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过建立随机时间常数与时间间隔的关系，根据时间间隔长度选择随机时间常数所在区间，同时基于选定的随机时间常数影响时间间隔的周期，能够有效减少传输延迟和控制信息负载，解决在侦听到不一致的控制信息后，RPL涓流定时器快速启动过程中只听周期较长的问题，进而提高RPL网络中节点之间数据包的交换效率；
2、本发明通过建立随机时间常数与控制信息抑制次数的关系，使随机时间常数大小与控制信息抑制次数呈反相关，得到更快的收敛时间，且不影响抑制机制，能够有效解决各节点负载平衡和公平的问题，进一步提高涓流定时器的可靠性和RPL网络的能源效率。
附图说明
图1为本发明中RPL控制信息流动方向示意图；
图2为本发明实施例1中RPL涓流定时器优化方法的流程示意图；
图3为本发明实施例2中DIO控制信息传输和抑制区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为了建立上下行路由，保持稳定的路由拓扑结构，RPL利用涓流定时器算法定期广播DIO报文，控制传输以保持能源效率。RPL控制信息流动方向如图1所示，包含目标信息的DAO消息从“子”节点发送到DAG/DODAG节点，以通知节点的可用性，并允许“向下”路径。此外，DODAG信息征集(DIS)是另一个从“父”节点请求DIO的关键控制信息，以便RPL可以用于维护连通性。RPL提供了一条从网络中的探测器到DODAG源的“向上”路径，从根广播DIO(DODAG信息对象)控制信息开始，向其他节点提供加入DODAG的提议。在收到此信息后，任何节点都可以通过将DIO发送方添加到其父列表中来选择加入DODAG，并根据目标函数计算其秩或能量消耗。DIS(DODAG信息请求)这是一个新节点在没有收到来自根节点的任何通知时发送的消息。DAO(DODAG传播对象)是网络中的节点响应DIO消息向根传输关于目标的信息。最后一条消息是DAO-ACK(DODAG确认)，它是由根节点发送的响应消息，以提供对DAO消息的响应。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种RPL涓流定时器优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，初始化时间间隔长度I、冗余计数器c和抑制计数器s。当算法开始执行时，从时间间隔区间[Imin，(2Imax)*Imin]中选择时间间隔长度I。将最大时间间隔Imax参数定为一个8位无符号整数，用于配置DIO涓流定时器，实现DIO间隔加倍(DIO Interval Doubling)，默认值为default_dio_interval_doublings；将最小时间间隔Imin参数定为一个8位无符号整数，用于配置DIO涓流定时器最小时间间隔(DIO Interval Min)，默认值为“DEFAULT_DIO_INTERVAL_MIN”。将时间间隔长度I的初始值设置为Imin，将冗余计数器c的初始值设置为0，并且将抑制计数器s的初始值设置为0。其中，抑制计数器s的数值表示连续的DIO抑制的数量。
步骤S2，根据当前时间间隔长度I确定随机时间常数t的选择区间，以确定涓流定时器的定时期限，并侦听来自邻居节点的控制信息。每当一个新的间隔开始时，必须先判断当前时间间隔长度I是否等于Imin，如果当前时间间隔长度I等于Imin，则在[I/4，I/2]中选择一个随机时间常数t；如果间隔I不等于Imin，则在[I/2s+1，I/2s]中选择一个随机时间常数t。根据随机时间常数t确定涓流定时器的定时期限，在定时期限内侦听来自邻居节点的控制信息，并根据单个周期内的只听周期是否结束的判断结果执行后续操作。从随机时间常数t与连续的DIO抑制数量的关系可以看出，一个s值越大的节点，即连续DIO抑制次数越多的节点，就有机会在下一轮发送DIO消息，因为随机时间常数t与抑制计数器s的数值呈反相关。每当一个新的间隔开始时，节点之间的时间间隔相等，以有效地运行计算随机化时间和下一个间隔的开始时间之间的延迟，计算公式如下：
ticks＝ticks/4+(double)rand()*ticks/4。
步骤S3，在定时期限内，即侦听时长不等于随机时间常数t，当侦听到一致的控制信息时，增加冗余计数器c的数值；当侦听到不一致的控制信息时，等待时间间隔结束并返回S1。
步骤S4，当到达定时期限时，即侦听时长等于随机时间常数t，比较冗余常数k和冗余计数器c的数值；将冗余常数k参数定为一个8位无符号整数，用于配置DIO涓流定时器冗余常数(DIO Redundancy Constant)，默认值为DEFAULT_DIO_REDUNDANCY_CONSTANT。
当冗余计数器c的数值小于或等于冗余常数k的值时，只发送DIO控制信息，抑制计数器s的数值仍然为0；当冗余计数器c的数值大于冗余常数k的值时，抑制当前节点的控制信息发送，抑制DIO控制信息传输，并使抑制计数器s的数值加1，增大抑制计数器s的数值以在下一时间间隔减少周期，以使各结点负载均衡；计算公式如下：
ticks＝ticks*(1+(double)rand())/pow(2,s+1)。
对于冗余常数k的设置，若某一节点在过去侦听到了不一致的控制信息，则后续信息传输过程中，将以更高的概率间隔发送控制信息，以选择一个自适应冗余常数k，进而防止不必要的控制报文传输。
DIO涓流定时器的工作原理为基于不一致状态下的传输抑制机制和激励机制两种机制进行节点间的信息传输。当网络是稳定状态，将增加定时器的间隔，以减少开销传输，另一方面，在存在不一致状态时减少间隔，然后经常交换控制消息，以稳定网络。优化前的定时器存在长时间的只听周期问题，这将限制移动节点传输DIO消息，并导致一些路由路径失去方向。本实施例提供的优化方法，基于选定的随机时间常数影响时间间隔的周期，能够有效减少传输延迟和控制信息负载，解决只听周期较长的问题，进而提高RPL网络中节点之间数据包的交换效率。
步骤S5，当时间间隔结束时，即当前时间间隔长度I已经到期，将冗余计数器c的数值设置为0，当没有听到不一致的消息，那么将抑制计数器s的数值设为0，减少下一轮发送DIO消息的机会，并将当前时间间隔长度增加一倍，若增加后的时间间隔长度超过最大时间间隔Imax，则将最大时间间隔Imax作为下一时间间隔长度，并返回S2；若未超过最大时间间隔Imax，则直接将增加后的时间间隔长度作为下一时间间隔长度，并返回S2。但是当听到了不一致的消息，就将下一时间间隔长度设置为Imin，并将抑制计数器s的数值设置为0。动态选择侦听周期，节点利用侦听时间检查状态一致性；节点接收到具有未知ID的消息，节点处于不一致状态；节点将保持这种不一致的状态，直到间隔结束。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，将冗余常数k设置为2，按照顺序执行实施例1中的步骤S1～S5，以实现RPL涓流定时器的优化，有效提高数据传输效率。冗余常数k＝2时，DIO消息的传输和抑制区域如图3所示。从图中可以看出，如果一个DIO消息在前一个子间隔中被抑制，那么它就提供了一个在下一个子间隔中的DIO传输继续DODAG构建过程的机会。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，具体工作过程可以参考实施例1中的对应过程，在此不再赘述。
实施例3
本实施例提供一种RPL涓流定时器优化装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中的程序，该处理器执行程序时实现前述任一实施例中的方法。该装置包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元。例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S1～S5。例如，在一些实施例中，方法S1～S5可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S1～S5的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S5。
以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等.
实施例4
本实施例提供一种存储介质，其上存储有程序，该程序被执行时实现前述实施例中的方法。用于实施前述方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，计算机可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，初始化时间间隔长度、冗余计数器和抑制计数器；
S2，根据当前时间间隔长度确定随机时间常数的选择区间，以确定涓流定时器的定时期限，并侦听来自邻居节点的控制信息，其中，随机时间常数的选择区间是由当前时间间隔长度与最小时间间隔的比较结果确定；
S3，当侦听到一致的控制信息时，增加冗余计数器数值；当侦听到不一致的控制信息时，等待时间间隔结束并返回S1；
S4，当到达定时期限时，若冗余计数器的当前值满足抑制条件，则增加抑制计数器数值，否则发送当前节点的控制信息；
S5，当时间间隔结束时，将冗余计数器和抑制计数器数值均设置为0，并将当前时间间隔长度增加一倍，若增加后的时间间隔长度超过最大时间间隔，则将最大时间间隔作为下一时间间隔长度，并返回S2；若未超过最大时间间隔，则将增加后的时间间隔长度作为下一时间间隔长度，并返回S2；
其中，所述最小时间间隔、最大时间间隔是预先配置的。
2.根据权利要求1所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，所述确定随机时间常数的选择区间的过程为，判断当前时间间隔长度是否等于最小时间间隔，若为是，则将随机时间常数设置为第一区间内的值，否则将随机时间常数设置为第二区间内的值；所述第一区间的最小值与最大值由当前时间间隔长度确定；所述第二区间的最小值与最大值均由当前时间间隔长度与抑制计数器的当前值共同确定。
3.根据权利要求2所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，所述第一区间的最小值为当前时间间隔的四分之一，最大值为当前时间间隔的二分之一。
4.根据权利要求2所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，所述第二区间的最小值与最大值均为当前时间间隔的2的指数次幂分之一；对于第二区间的最小值，指数为抑制计数器的当前值加一；对于第二区间的最大值，指数为抑制计数器的当前值。
5.根据权利要求1所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，所述初始化时间间隔长度、冗余计数器和抑制计数器的过程包括：
将初始时间间隔长度设置为最小时间间隔，所述时间间隔长度大于或等于最小时间间隔，且小于或等于最大时间间隔的两倍与最小时间间隔之积；
将冗余计数器和抑制计数器的初始值均设置为0。
6.根据权利要求1所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，所述抑制条件包括，当冗余计数器的当前值大于冗余常数时，抑制当前节点的控制信息发送，抑制计数器的数值加一；其中，冗余常数是预先设置的。
7.根据权利要求6所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，若节点侦听到不一致的控制信息，则以更高的概率间隔发送控制信息，以设置自适应冗余常数。
8.根据权利要求1所述的RPL涓流定时器优化方法，其特征在于，每当一个新的间隔开始时，各节点之间的时间间隔相等。
9.一种RPL涓流定时器优化装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
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