论文研究-RPL路由协议在突发流量下的性能评估和改善 .pdf

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RPL路由协议在突发流量下的性能评估和改善,吴晗,刘丹谱,RPL(Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks)是IETF的ROLL工作组针对低功耗有损网络提出的路由协议。作为下一代物联网技术的重要组成部
山国武花论文在丝 目标函数() 定义了如何利用一种或多种度量来计算值,以及怎样选择父节点从而得 到最佳路径。通常选择作为度量的因素有跳数、时延、能量、链路质量等。关于的设 计一直是个开放性的研究课题,当前已经提出了不少草案,不过应用最广的分别是 和 这也是木文研究所米用的两种 是最基本的目标函数,节点选择值最小的邻居节点作为父节点,并不考虑在 文献中提到的( 〕等度量。它的主要目标是保证足够 好的连通性。 ,即带有浩回( )作用的与不同的是,它需要结合不同的 度量来计算值。协议中默认的度量是,即成功发送一个包,节点所期望的传输次 数,可由特定的公式求得,例 ),其中表示包被邻居节点接收到 的概率,表示包被成功接收的概率。对于的计算方法,官方并没有明确的规定, 本文采用的仿真平台 利用 函数来计算 公式如下 ETXnew=a· ETXold+(1-a)· ETXpacket 是包成功被发送或接收前传输的总次数,α是取值范围为,的参数,在 中a 的主要目标为:在选择最小路径损耗的路径的同吋,避免网络中过多的抖动 此外,由于是由网络中的流量而决定的,所以基于计算路径的 也能较好 的适应网络中流量的变化 拓扑构建过程 的构建基于邻居发现( )过程,主要可以分成两个部分:() 由 根节点向邻居芍点广播( 消息请求) 控制消息,收到消息的节点根据携带的信息决定是否加入 ,从而建立由 根节点到子节点的下行路由;()加入拓扑的节点向根节点发送包含自己路由信息的 目的地通告)控制消息,从而构建上行路由。 此外,和路由请求消息相似,节点也可以通过发送( 消息,主动请求加入拓扑网络。 在突发流量下的性能评估 无线传感网的主要任务在于收集数据、信息,因此 在不同的数据流量场景下的 表现,便成了值得关注的问题。在无线传感网大力发展的一些应用领域,如交通、智能医疗 等,经常要面对突发状况,如某人或某地出现异常状况,需要上传现场视叛或其他数据等大 量信息,这就使得本来稳定的网终中会产生突发的流量。是否能够很好的应对这样的 突发流量,以及协议本身有无改善的空间,便是本文研宄的重点。 仿真平台和模型 本文采用的仿真工具是开源操作系统 下的 ,原因在于其仿真的结果和真 实场景更相近。考虑到的大规模特征,以及实际应用场景,我们选择了分布在 米范围内的个节点(包含个根节点)进行仿真,节点布局设定为由几条主干所构成的 网络,如图所示。节点之间的迸信范围为,相互之间没有干扰。 山国武技论文在丝 @ 心谚 珍鸡 图节点布局图(节点为根节点) 仿真的目标是评估在突发流量场景下的性能,分别观察和 两种不同 的目标函数的表现。性能评估的主要因素为丢包率( ),因为在大部分应用 场景中,能否准硝、及时的收到信息是评佔网终优劣的主要指标。 仿真结果和性能分析 本次仿頁的场景设定为:根节点()随机的向了节点发送消息,即网络中的正常 数据沇量,了节点收到消息,后,再把消息送回根节点,成功完成两个包的收发视为次成功 的发包。当网络拓扑稳定后,根节点向某特定节点(如 )连续不断的发送消息,视 为突发流量,持续一段时间后恢复正常。根据前期的仿真结果(表) 表两种正常流量下(包)的性能 总发包数量: 10007 10011 根向子节点发包失败 4 子节点向根发包失败: Route l 0 Packet loss rate 0.0002 0.0007 得到两种在正常流量为个包的情况下都表现良好,所以此次仿真的正常流量 也取为个包,突发流量则取 个包这个区间进行观察。仿真结果如图。 山国武技论文在丝 3%00 包 5% % 10202530354 突发流量(^/s) 图两种在不同突发流量下的丢包对比 如图所示,随着突发流量的增加,的丢包率也随之上升,当突发流量为个包 的时候,两种的丢包率都逼近,已经超过一个合理的范围。此外,由仿真结果可以 看出 在大部分情况下都比要表现的好一些,尤其是在突发流量为个包 以及个包附近。 因此,在实际应用场景中,如果涉及到突发流量,则可通过限制突发流量上限的方法, 如:将突发流量上限设为个包,来满足较低的丢包。或者选用 作为日标函数, 也可以得到优于的性能。 存在的问题 那么在这样的仿真场景下,是否有改进的空间进而改善在应对突发流量下的性 能呢? 绎过对仿真过程的进一步研宄发现,因为网络中的节点位置是保持不变的,并不具有移 动性,所以对于基于跳数来计算值的来说,稳定的拓扑网络中产生的突发流量并 不会引起拓扑的变化,即络中的抖动。而基于计算值的 则有所不同, 突发流量会引起的变化,从而使得子节点会不断根据更新的来计算自己的 值,从丽选择更好的父节点。这个重选的过程就会引起拓扑的震涝和抖动,甚至岀现路由环 ()。经观察,大部分的出现都是因为原本作为父节点的节点,经过对的 重新比较后,选自己的子节点作为新的父节点而产生的,这样便会导致其下行的节点在一段 时间内不可达,如图所示,节点集 在一定的时间内都是不可达的。这样一来,这些节点便无法正常的收发消息,造成大量的云 山国武技论文在丝 图突发流量下拓扑的变化导致出现 以突发流量为个包的场景为例,在突发流量存在期间,节点附近先后产生了 个基于以上原因产生的,使得相关节点个可达,造成大量的丢包。而的恢复通常 需要 不等的时间,在实际应用中,的断线时间对于需要实时监测的系统可以说是 不可忍受的。那么下一节,我们将针对这种情冼提出改善的方案。 突发流量场景中进免的 工作组最初在定义的时候,也考虑过由于低速率流量和网络不稳定问题会 导致路由环的存在。因此定义了两条基本的避免环路的原则 最大深度原则:不允许节点选择深度史大(值吏大)的节点作为自己的父节点。 拒绝贪婪原则:不允许节点贪婪的移动到 中更深的位置,以增加潜在父节 点的选择 表不同大小的突发流量下的数量 突发流量大小 个 数量 而这两种原则并没有对突发流量场景中的产生避免作用,由表可以看出。因此 本文提出了一种新的方法来改善突发流量中的,从而提升的性能 根据观察,突发流量场景下产生的,大部分都是由于原本作为父节点的节点在 发生变化后,选择自己的」节点去作为新的父节点而引发的。因此,在原 的基础上, 我们提出了一个新的来避免的产生,即环路避久的 ),其主要思想就是:节点在选择新的父节点时,不把自凵的子节点考虐其中。 这一步在 比较完值后,决定是否切换成新的父节点之前进行。具体方法的流 程图如下: 山国武技论文在丝 处理DO消息 根摭更新的ETX 计算新Rank值 原Rank新an否」保持原来的拓扑 规定门艰 父节点不变 是 各选父节点 是 是原 父节节 节点点 的 子 更新位置 选择Rank更小的 父节点 图 工作流程图 高亮的部分就是 算法改进的重点,主要通过查询原节点下一跳的地址,判 断即将切换的备选父节点的地址是否在路由表中,如果是,说明该节点是原节点的子节点, 那么则不选择该节点作为新的父节点,维持原来的拓扑结构,从而避免的产生以及拓 扑的抖动,确保节氐正常通信。 改进后的仿真结果 将新的目标函数 应用在突发流量场景中,并和原来的两和进行 对比,得到的结果如下: 30% CFO -MRHOF 25% LA-MRHOF 去 10% 5% 0% 10 2025 30 35 45 5 突发流量(个/5) 图改喜后的与原在不同突发流量下的丢包对比 从新的仿真结果可以看出,改进后的 的性能比和 的表现都要 好,尤其是在突发流量为个包和个包的时侯,改善更突出。这是因为在之前的仿 山国武花论文在丝 真中,这两个场景卜由突发流量造成的比较多,大量的包由于节点的不可达而丢掉。 所以 对的改善进而降低了丢包率。图所示为改善前后的数量变 化 ■ⅣRHCF ■Loop- Avoid mrhoF 15 路 由环数量 0 0 10 突发流量(个/s) 图 和 的路由坏数量对比 可见, 人人避免了由突发流量引起的 尤其是在个包及个包 的场景下,改善非常明显 因此,在实际应用场景中,当网络需要经常面对突发流量时,可以选用 这 个目标函数来达到更好的性能。它可以有效避免的出现,在保证网络拓扑稳定的同时, 也确保了节点的可达性。相信这对于需要实吋监测有无突发状况的应用场景来说,是具有 定实际意义的。此外,几种在突发沇量为和个包的场景下优于其他情况的表现, 也为应用部署时对突发流量的取值设置提供了一定的参考 结论 木文首先对在突发流量下的性能进行了评估,比较了和 两种目标哟 数的表现。仿真结果表明,大部分情况卜 的表现会优于。同时,也得到了突 发流量的合理取值区间,即·般低于个包可以保证较好的通信质量,如果需要更扃的 流量,则取值在个包附近会更好。此外,考虑到表现更优的 存在路由环,会 造成一些节点的断线不可达等问题,本文又提出了一种改进的目标函数,即回路避免的 )。这种在突发流量的场景下,不仅很大程度上避免了 的 出现,更是对丢包情况有所改善,所表现出的性能比和 都要好。相信这对于 智能医疗、交通等需要实时监控突发状况的无线传感网络的硏究,将提供很大的参考价偵和 实际意义。 参考文献 宋菲侯乐青浅析智能物件网络中的路由技术电信网技术 山国武技论文在丝

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