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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇路由協議，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
一、動態路由協議OSPF
在計算機網絡中，路由器是一個轉運站，網絡數據的目的是網絡通過路由器進行轉發，轉發是基于路由表。路由協議路由表，路由協議，作為一種重要的TCP / IP協議的，路由過程實現好壞將直接影響到整個網絡的效率。簡單網絡可以通過靜態路由協議之間的網絡路由，如果您正在使用一個靜態路由協議，路由表將會非常大，靜態路由不會考慮網絡負載的現狀，并不能自動適應網絡拓撲的變化和路由效率。所以，在現代計算機網絡，通常使用動態路由協議自動計算最佳路徑。OSPF動態路由協議，使用SPF演算法，用于選擇最佳路徑。基于帶寬更快的收斂速度，支持變長子網掩碼VLSM，路由強大的測量大型網絡（255），大多數人支持OSPF路由器的數量，現在已經成為最廣泛使用的動態路由協議的內部網關協議。
二、動態路由協議分類
（1）根據角色路由協議的范圍可分為：內部和外部網關協議。內部網關協議運行是在一個自治系統中，外部網關協議是自治系統之間的輪換。OSPF是一個最常用的內部網關協議。根據算法和路由協議可以分為鏈路狀態和距離向量協議，距離矢量協議包括RIP和邊界網關協議。鏈路狀態協議與OSPF是基本相同的，主要區別在上述兩個算法和計算發現路由的方法。
（2）根據目的地址的路由協議類型可分為：單播和多播協議。單播協議包括RIP、OSPF和東部，包括PIM SM -多播協議，PIM - DM，等等。根據網絡規模，應增加路由器運行OSPF協議的數量，并將導致LSDB（鏈路狀態數據庫）占用大量的存儲空間，增加SPF（最短路徑優先）算法操作的復雜性，增加CPU的負擔。根據網絡規模增加拓撲變化的概率也將增加，每一個變化可能導致網絡路由器計算“動蕩”，根據網絡往往會導致所傳播的網絡會有很多OSPF協議信息，減少網絡帶寬的利用率。為了解決這個問題，OSPF協議將自治系統分為不同的區域（區域）。邏輯路由器的區域被劃分為不同的群體。每個區域獨立于SPF路由算法的基礎上運行，這意味著每個地區都有自己的LSDB和拓撲的一部分。對于每個區域，區域外的網絡拓撲是不可見的。同樣，每一個區域的路由器也不了解該地區以外的網絡結構。OSPF LSA無線電阻礙該地區邊界，大大減少了OSPF路由信息流動，提高了OSPF運行效率。路由器接口基于區域，而不是劃分基于路由器，路由器可以屬于一個區域，也可以屬于多個領域。屬于多個區域稱為區域邊界路由器，OSPF路由器應注意邊界路由器特征，可以呈現主體與部分之間的關系，也可以是一個邏輯連接。
三、OSPF協議的路由算法
OSPF CO pen最短路徑優先，使用開放最短路徑優先協議，選擇最佳路徑最短路徑算法（SPF），也被稱為Dijkstra算法。SPF演算法是基于OSPF路由協議的，SPF算法將每個路由器作為根（ROOT），計算每個目的地的距離路由器，每個路由器拓撲結構的計算方法是根據一個統一的數據庫，結構類似于一個樹，SPF演算法得到最短路徑樹。OSPF路由協議，根據樹干的最短路徑長度，即每個目的地路由器的OSPF路由器距離，稱為OSPF成本，根據最短路徑通過最小化的成本價值判斷每個路由器基于成本的總和值鏈接。每個路由器使用SPF演算法來計算最短路徑樹的根，樹便給了自治系統路由，路由器從表中每個節點基于最短路徑，最短路徑樹結構是不同的每個路由器的路由表。
四、OSPF協議網絡規劃
1、網絡的規模。當網絡中的路由器的數量小于10，你可以選擇配置靜態路由或運行RIP路由協議。隨著路由器的數量的增加，用戶網絡的變化對于路由收斂和網絡帶寬利用率有更高的要求，比如你應該選擇使用OSPF協議。
2、拓撲結構。如果網絡拓撲結構是樹型（大多數這種結構的特點是一個網絡路由器只有一個出口），可以考慮使用默認路由加靜態路由。如果網格網絡拓撲結構和任意兩個路由器的需求相通，應該使用OSPF動態路由協議。
3、對路由器自身的要求。運行OSPF協議對于CPU處理能力和內存有一定要求，低性能不推薦使用OSPF協議的路由器。為了使網絡通信規劃基于OSPF協議應考慮各種因素，找出IP資源、信道帶寬、網絡流量，如根據實際的網絡環境形成的思維和方法配置和應用程序需求，避免造成不必要的混亂，網絡拓撲結構調整將時消除隱患。通過在實踐中不斷學習，系統、全面地掌握網絡路由設備、工作原理和動態路由協議。通過OSPF網絡設計思想，提高網絡管理水平，確保網絡的安全、可靠、開放。
參 考 文 獻
[1]王達.Cisco/H3C交換機配置與管理完全手冊（第2版）[M].北京：中國水利水電出版社，2012
[2]公凌.路由和動態路由協議介紹及配置分析[fJl.機電信息，2013（9）：85一86
關鍵詞：Ad Hoc網絡； 按需距離矢量路由協議； ns-2
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）26-6002-03
自組網（Ad Hoc Networks）是由一組帶有無線收發裝置的移動節點組成的一個多跳的臨時性自治系統[1]。作為現有網絡的一種補充和擴展，自組網主要應用在沒有網絡基礎設施支持的環境中，或現有網絡不能滿足移動性等要求的場合。例如，軍事作戰前線、救災現場、臨時會議等等。由于Ad Hoc網絡是一種分布的、移動的、無線的、多跳網絡，其運行僅利用節點自身，所以如何快速準確地找到發送數據包的路由并且維護路由，將最終決定Ad Hoc網絡的性能，而AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing）是專門為移動自組網設計的按需路由協議，它在DSDV和DSR路由協議的基礎上改進得到，結合了兩者的特點[1，2]。它由路由發現機制和路由維護機制兩部分組成，同時使用序列號來管理區分路由信息的新舊，相對其它路由來說，是比較成熟、可用的一種協議。
1 AODV簡介
AODV是專為Ad Hoc 網絡設計的按需路由。它使得移動節點能夠動態地、自啟動地、多跳地建立和維護一個ad hoc 網絡。AODV路由基于DSDV和DSR之上，在建立路由的方式上對DSDV進行了改進，利用了DSDV的按跳（hop-by-hop）路由、順序編號和周期更新的機制，借用了DSR的路由發現和路由維持機制，不在源/目的節點間被選路徑上的節點不需要維護路由信息或參加路由表交換[3]。AODV的主要特征是每個路由表項都有一個目的序列號。該目的序列號由每個節點來維護，而且該目的序列號會沿著路由信息發送到請求節點。
2 AODV的機制與改進
2.1 AODV路由發現機制
文章主要介紹AODV協議的路由發現機制。當某一節點試圖給某一未知節點發送分組但其路由表中又沒有去往這個目的節點的路徑，或先前的去往該目的節點的有效路由已經過期或被置為不活動時，該節點啟動路由發現機制，廣播路由請求消息RREQ給它的鄰居節點，該節點為源節點。路由請求消息的格式[4]如下：
其中：Type：表示消息的類型，這里統一為1，表示該包為路由請求包。
D：若此標記被置為true，表示只有目的節點才能初始化路由應答消息；否則，凡是知道去往目的節點的路徑的中間節點都可初始化路由應答消息。
G：若此標記被置為true，當中間節點產生路由應答時，在單播返回源節點的同時，無償地發送到目的節點。只有在雙向鏈路的時候才能置該值。
Hop Count：表示從源節點到該節點的跳數；
RREQ-ID：標識RREQ的序列號；
Path Node：從源節點到目的節點所經過的節點。
每個節點有兩個獨立的計數器：節點的序列號和廣播號。唯一確定一個路由請求。當源節點產生一個新的RREQ，這個RREQ的ID號比上一次RREQ的ID號大1，每個節點只維護一個RREQ-ID。在廣播RREQ之前，源節點緩存RREQ-ID和它自己的地址，在預期的路由發現的時間內一直保存，以避免在接收到路由應答的時候繼續轉發請求包[5]。在一段時間后，如果節點沒有收到路由信息，則應發送另一個路由請求信息，同時RREQ-ID增1。重復發送RREQ的次數應有一個最大值。等待發送的數據包按“先進先出（FIFO）”的原則存在發送隊列中，如果重復發送RREQ的次數達到最大值，則丟棄該包。
2.2 AODV協議的改進
無線網絡的終端可能是筆記本電腦、手機或PDA之類的設備，當筆記本電腦重啟后，原先那些數據可能會丟失（路由表清空，序列號重設），這時，由于序列號的重新設置，很有可能造成暫時性的路由環路。這種暫時性的路由環路會造成不必要的路由和帶寬的浪費，應當盡量防止這種現象的發生。
為了防止這種可能的發生，文章對那些重啟后丟失自己序列號的節點在發送路由消息之前，設置等待時間x。在這段時間x里，如果節點接收到RREQ、RREP或是RERR控制包，則它根據控制包中的相應信息（比如序列號）建立路由表項，但它不進行任何的轉發。如果在x時間段內，節點接收到單播發往某個目的節點的數據包，則該節點應廣播RERR消息通知周圍節點，本節點現在不可用，然后重新等待x時間。在這段時間之后，重啟節點跳出等待狀態，重新開始路由，在這個時候，它的所有鄰居節點將不會再認為該節點是它們的下一跳了，從而避免了路由環路的形成。該節點根據接收到的RREQ來更新自己的序列號；如果沒有接收到RREQ，節點將自行初始化序列號，但不為0，0為保留數字，表示未知節點。
3 路由仿真實現
為了驗證改進的效果，在研究的過程中采用Ns-2（Network Simulator 2）網絡仿真軟件進行模擬實驗[6]。針對上節對AODV的改進方法，在理解ns-2中有關AODV代碼的情況下，對其進行修改完善。定義的重啟后節點等待時間為5s，在這段時間內，節點只能接收路由信息，根據路由消息中的信息填寫自己的路由表信息，如果接收到數據包，則丟棄該包，發送路由出錯消息RERR給發送數據方。實驗場景是在一個500m*500m的范圍內，一共10個節點，節點隨機的靜止時間為0.1s，最大速度為30m/s。
實驗仿真結果如圖1和圖2所示，下面對模擬所得的數據進行簡單的分析。圖1和圖2分別展示了不同網絡場景的增加重啟動作后的網絡性能和沒有增加重啟動作的網絡性能的比較圖。在圖1中，在2s時，節點1啟動cbr流量發生器，這時，節點1廣播路由請求消息RREQ，一直到3.8s，節點1才找到路由，發送數據包，查找路由一共花費了1.8s時間；而在圖2中，節點1也是在2s時啟動cbr流量發生器，但由于增加了重啟動作，所以在前5s內，它沒有廣播RREQ消息，而是通過hello消息包互相知道彼此的信息，填入自己的鄰居節點路由表信息中去。根據實驗數據，在5s時節點1廣播了第一個路由請求消息，5.2s時節點1找到路由，發送了第一個數據包，這在一定程度上表明所改的程序運行的正確性。
在采用是相同的網絡場景、相同的路由協議（只，而得到不同的數據圖，這是因為在5s的時候，圖1中的節點1還在使用它在3.8s找到的路徑，因為這條路徑沒有損壞，而此時可能這條路徑不是節點1到節點0的最短路徑，那些比它更短的路徑會較先返回RREP給節點1。這樣導致了在同樣的網絡場景，使用同樣的AODV的情況下，因時間上的小小差異，而得到不同的結果。
4 結論
本文介紹了Ad Hoc網絡的基本原理、并對影響其性能的關鍵點—路由協議問題進行了研究。路由協議的選擇要根據網絡的具體環境和具體要求決定。在眾多的路由協議中，選擇AODV作為研究的重點，因為它是專門為Ad Hoc網絡設計的按需型路由協議，具有一定的代表性。在對AODV 路由協議的機制和原理進行研究分析的基礎上，提出了一種種改進的AODV協議，用來避免路由環路，降低由路由環路造成的不必要的路由和帶寬的浪費。Ad Hoc無線分組網絡的研究是一項長期而艱巨的工作，依然有許多尚待解決的問題，有待于在今后的工作中做進一步的分析研究。
參考文獻：
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>> 能量高效的WSN分簇路由協議研究 WSN中路由協議的研究 基于WSN的防火裝置路由協議的設計 WSN中基于LEACH的改進路由協議 WSN定向擴散路由協議的改進和實現研究 WSN經典路由協議比較 基于地理信息的WSN的路由協議的比較研究 基于混合型智能算法的WSN路由協議優化 一種基于分層的簇首成鏈WSN路由協議 基于WSN帶狀網絡路由協議研究 基于分簇的WSN路由算法研究及改進 一種WSN中分簇路由算法的改進 基于蟻群算法的WSN路由應用研究 一種改進基于WSN路由安全的研究 基于節點休眠機制的WSN路由優化 基于網絡拓撲優化的WSN最小跳路由算法 基于能耗和距離的WSN分簇路由算法 WSN中基于位置和能量的LEACH協議改進 睡眠調度MAC協議在WSN中的應用 WSN中LEACH協議的研究及改進 常見問題解答 當前所在位置：l.
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關鍵詞:RIP;OSPF;BGP;Netsim;Dynamips;zebra
中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-3878-03
Actual Situation Combining Studying Routing Protocol
LI Wan-gao, HU Yao-dong
(Network Management Center, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191,China)
Abstract: Routing protocols is a important member of the TCP/IP protocol family, Is the cornerstone of the current Internet, First, this paper introduce several going routing protocols for the current Internet applications,analyzes the characteristics of the three most important routing protocols( RIP,OSPF,BGP). Then combine the network teaching and network training, Introduce several virtual or simulation methods, Study, configure, analysis the related routing protocols.We realize to study ,configure, analysis routing protocol and to capture, analysis the protocols at the lower of teaching, training costs.
Key words: RIP; OSPF; BGP; netsim; dynamips; zebra
1 引言
由于當前社會信息化的不斷推進,人們對數據通信的需求日益增加。自TCP/IP協議簇于七十年代中期推出以來,現已發展成為網絡層通信協議的事實標準,基于TCP/IP的互聯網絡也成為了最大、最重要的網絡。路由器作為IP網絡的核心設備已經得到空前廣泛的應用。
2 路由器的概念及工作原理
路由器是工作在OSI參考模型第三層--網絡層的數據包轉發設備,它通過路由表決定數據的轉發,轉發策略稱為路由選擇(routing),這就是路由器名稱的由來(router,轉發者)。路由器通過轉發數據包來實現網絡互連,所以路由器是Internet網絡的主要節點設備。
雖然路由器可以支持多種協議(如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等協議),但大多數路由器運行TCP/IP協議。路由器通常連接兩個或多個由IP子網或點到點協議標識的邏輯端口,至少擁有1個物理端口。路由器根據收到數據包中的網絡層地址以及路由器內部維護的路由表決定輸出端口以及下一跳地址,并且重寫鏈路層數據包頭實現轉發數據包。路由器通過路由表來反映當前的網絡拓撲,并通過與網絡上其他路由器交換路由和鏈路信息來維護路由表。
3 主流路由協議及特點
決定路由器轉發數據的方法可以是人為指定,即采用靜態路由,但人為指定工作量大,而且不能采取靈活的策略,于是動態路由協議應運而生,動態路由協議通過傳播、分析、計算、挑選路由,來實現路由發現、路由選擇、路由切換和負載分擔等功能。
Internet上現在大量運行的路由協議有RIP、OSPF和BGP。RIP、OSPF是內部網關協議(Interior Gateway Protocol,簡稱IGP),適用于單個ISP的網絡。由一個ISP運營和管
理的網絡稱為一個自治系統(AS),BGP是自治系統間的路由協議,是一種外部網關協議。
RIP協議(Routing Information Protocol)是推出時間最長的路由協議,也是最簡單的路由協議。它是“路由信息協議”的縮寫,主要傳遞路由信息(路由表)來廣播路由:每隔30秒,廣播一次路由表,維護相鄰路由器的關系,同時根據收到的路由表計算自己的路由表。RIP運行簡單,適用于小型網絡,Internet上還在部分使用著RIP。
OSPF(Open Shortest Path First)協議是“開放最短路由優先”的縮寫。“開放”是針對當時某些廠家的“私有”路由協議而言,而正是因為協議開放性,才造成OSPF今天強大的生命力和廣泛的用途。它通過傳遞鏈路狀態(連接信息)來得到網絡信息,維護一張網絡有向拓撲圖,利用最小生成樹算法(SPF算法)得到路由表。OSPF是一種相對復雜的路由協議。
總的來說,OSPF、RIP都是自治系統內部的路由協議,適合于單一的ISP使用。一般說來,整個Internet并不適合使用單一的路由協議,因為各ISP有自己的利益,不愿意提供自身網絡詳細的路由信息。為了保證各ISP利益,標準化組織制定了ISP間的路由協議BGP。
BGP(Border Gateway Protocol)是“邊界網關協議”的縮寫,處理各ISP之間的路由傳遞。其特點是有豐富的路由策略,這是RIP、OSPF等協議無法做到的,因為它們需要全局的信息計算路由表。BGP通過ISP邊界的路由器加上一定的策略,選擇過濾路由,把RIP、OSPF、BGP等的路由發送到對方。BGP的出現,引起了Internet的重大變革,它把多個ISP有機的連接起來,真正成為全球范圍內的網絡。
4 學習路由協議的方法
動態、健壯的路由對于 Internet 網絡來說極其重要,因此任何一個初涉此領域的網絡工程師不僅需要理解路由的概念,而且要有能力在復雜的的網絡環境下正確使用各種路由協議。但是,對于大多數人來說,只有在學校或者網絡實驗室環境中才有條件學習路由,而且還要一直受到實踐時間和實踐條件的困擾。如何克服這些不利的條件快速、高效地學習并掌握路由器的配置?掌握動態路由的交互過程?下面結合作者的體會,給出了三種虛實結合的學習路由協議的方法。
4.1 使用模擬軟件
這種方法被網絡培訓機構廣泛的使用,通常培訓機構的做法是購買一到兩臺低端的路由器,讓學員熟悉硬件基本結構及軟件的配置管理后,大量使用模擬軟件來代替真實的實驗。例如,思科的認證大量使用Boson Netsim for CCNA(CCNP)等軟件,華為的認證采用HW-RouteSim等軟件。
這些軟件共同的特征是通過經典的實驗,讓學員快速掌握設備配置的能力,但這些實驗的共同特征是受到設備數量的限制,通常不會多于3臺,很難進行對動態路由的配置及檢驗,即使使用自定義實驗,也很難有改觀,基本無法使用抓包工具進行協議分析。這樣的實驗基本是以單個設備為出發點的,對深入了解路由協議的交互作用不大。
4.2 使用Dynamips加真實的IOS
Dynamips是Christophe Fillot編寫的一個Cisco7200模擬器。它模擬了Cisco7206的硬件平臺,而且運行了標準的7200 IOS文件,目前的版本(0.2.8RC2,20071014)已經可以模擬出Cisco 7200 (NPE-100 to NPE-400),Cisco 3600 (3620, 3640 and 3660),Cisco 2691,Cisco 3725, Cisco 3745,Cisco 2600 (2610 to 2650XM),Cisco 1700 (1710 to 1760)等路由器。在Web站點,這種模擬器作用如下:
1) 作為一個培訓平臺,使用真實環境中的軟件。Cisco作為網絡技術的全球領頭人,這款模擬器會讓大家更熟悉Cisco的設備。
2) 測試和試驗Cisco IOS的特性。
3) 快速檢驗即將在真實環境中部署的配置
當然,這個模擬器不能替代真實的路由器,對于Cisco網絡管理員或者想通過CCNA/CCNP/CCIE考試的人來說,是一個簡單補充真實實驗室的工具。可以在ipflow.utc.fr/blog/ 網站下載原版的Dynamips,提供的有windows和Linux版本,如果不想深入了解Dynamips的機制,僅僅想用其做試驗,推薦使用工大普瑞集成好的軟件試驗包,可以在/ 下載。
Dynamips的優點是它是開放源代碼的系統,并運行了真實的IOS系統,拉近了我們到高端路由的距離。使我們的計算機變成了一臺路由器,在目前的主流配置計算機上,運行5個路由器是沒什么問題的,可以很方便的熟悉Cisco路由器,檢驗即將工作的路由器的配置,可以分析路由的交互。Dynamips的不足是對計算機的CPU占用率有點高(通過對參數的修改,可以改變),另外抓取路由間交互的路由信息的不太方便。
4.3 使用Zebra路由軟件
Zebra 是一個開源的 TCP/IP 路由軟件,同 Cisco Internet 網絡操作系統(IOS)類似。它靈活而且具有強大的功能,可以處理路由信息協議(RIP)、開放式最短路徑優先協議(OSPF)和邊界網關協議(BGP)以及這些協議的所有變體。它的發行遵循 GNU 通用公共許可協議,可以運行于 Linux 以及一些其他的 Unix 變體操作系統上。最新版本的 zebra-0.95a (20050908) 以及文檔可以從 GNU Zebra 網站上下載。
Zebra 的設計獨特,它采用模塊的方法來管理協議。可以根據網絡需要啟用或者禁用協議。Zebra 最為實用的一點是它的配置形式和 Cisco IOS 極其類似。盡管它的配置與 IOS 相比還是有一些不同,但是對于那些已經熟悉 IOS 的網絡工程師來說在這種環境下工作將相當自如。
我們以Fedora Core 4 Linux為例,安裝測試zebra-0.95a的功能,可以采用普通的PC機或Vmware虛擬出的客戶機,安裝兩塊以上能被系統識別的網卡。首先從下載zebra-0.95a.tar.gz,解壓縮后直接按Install文件的過程安裝,./configure,make,make check,make install完成安裝,安裝完成后配置文件位于/usr/local/etc/下,包括bgpd.conf.sample,bgpd.conf.sample2,ospf6d.conf.sample,ospfd.conf.sample,ripd.conf.sample,ripngd.conf.sample,zebra.conf.sample等文件。
基本配置和使用:zebra 守護進程是實際的路由管理者,控制著其他模塊;而且用戶主要通過它進行交互。最先需要配置Zebra 守護進程,將zebra.conf.sample拷貝為zebra.conf,Zebra.conf 配置文件的內容很簡單,除了注釋外有效的為以下三行。
hostname Router
password zebra
enable password zebra
hostname 指定了當您進入交互式配置方式時的路由器名。它可以是任何一個標識,不一定要和機器的主機名相同,password 指定了登錄進入交互式 Zebra 終端時需要的密碼。enable password 指定了當您想要改變配置時以較高級別身份訪問 Zebra 所需要的密碼。
創建了 /etc/zebra/zebra.conf 文件以后,我們現在可以執行下面的命令來啟動 zebra 守護進程:
# zebra Cd
然后通過 telnet 到的機器的 2601 端口,就可以進入 Zebra 交互式會話。
在交互式終端中操作很簡單。要獲得可用命令的提示,您可以在任何時刻按?鍵,然后命令的選項就會出現在屏幕上。如果您正在構建您自己的 Zebra 路由器,而且您有配置 Cisco 路由器的經驗的話,您會覺得這個配置過程非常熟悉。
到這里為止,只有 Zebra 被配置好并且運行起來了,但是還沒有任何其他的協議。接下來將進入配置的實質內容,下面介紹這一過程。
使用 Zebra 安裝配置 RIP 路由,我們已經在Linux上安裝配置了網絡接口,接下來我們再對它進行配置,使之可以與 RIP更新協同工作。正如已經提到過的,Zebra 使用單獨的守護進程來實現路由協議,所以必須首先為 RIP 守護進程在/usr/local/etc/目錄下創建一個簡單的配置文件ripd.conf,可以直接將ripd.conf.sample拷貝而得到。一個基本的 /usr/local/etc/ripd.conf 文件內容如下:
hostname ripd
password zebra
然后我們啟動 ripd 守護進程 :
# ripd -d
完成后,我們可以 telnet 到Zebra 路由器的 2602 端口來配置 RIP 守護進程。
OSPF路由,BGP路由也和RIP路由的配置類似。
Zebra是這三種軟件中最為強大的一個軟件,它可以將一個普通的PC機,變為一個功能強大的路由器,通過和相關的網卡連接,可以和真實的路由器交換路由信息,可以通過Sniffer等工具抓取相應的路由會話,了解動態路由的交互。
5 結束語
Boson Netsim for CCNA(CCNP),HW-RouteSim等軟件,給我們提供了一些經典的網絡配置案例;Dynamips讓我們運行了真實Cisco的IOS;Zebra將普通的PC變為了路由器。通過對真實路由器的了解,結合模擬或仿真的路由環境,可以讓即將步入崗位的網絡工程師快速地了解、掌握動態路由的配置,同時也能給網絡知識的教學或培訓提供一種很好的幫助。
參考文獻:
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關鍵詞：《路由協議與配置》實驗 實驗教學模式 實驗教學實施
《路由協議與配置》是一門實踐性很強的課程，實驗是一個重要的教學環節，通過實驗不但可以強化所學習的理論，而且可以把這些理論知識轉化為實踐技能。使他們畢業后能順利地到中小型企業、公司從事網絡設計、組裝、管理和維護工作。為了實現這一教學目標，構建一個恰當的實驗教學模式極其重要。[1]
一、《路由協議與配置》實驗教學模式簡介
《路由協議與配置》這門課程，主要培養學生對網絡的分析、設計、管理與應用的實驗技能，加深對網絡理論知識的理解與應用，以達到懂、建、管、用的目的。通過《路由協議與配置》實現全過程的教學，即從質疑出的問題開始，經設計、實驗、釋疑或分析該實驗現象和數據，寫出報告的過程中，是學生通過觀察和實驗手段處理《路由協議與配置》問題時的基本程序和技能，具備敢于質疑的習慣，嚴謹、求實的態度和不斷求索的精神，培養學生的觀察能力、思維能力和操作能力，學會思考問題、解決問題，提高學生對《路由協議與配置》學習的動機和興趣，培養一技之長。
《路由協議與配置》從本質上說是一門實驗課程，理論的建立，都必須以嚴格的《路由協議與配置》實驗為基礎。在觀察和實驗中，需要掌握基本程序和技能，要有嚴謹、求實的態度和勤于思考、尋求規律的探索精神，以及較強的觀察能力、思維能力和操作能力。為了更好地實現《路由協議與配置》實驗教學目標，需要恰當可行的實驗教學模式，即“理論，實驗，實訓，設計”四位一體。理論，即課堂中所學的知識“夠用”即可;實驗，即在學到的理論知識指導下，學會檢測某些《路由協議與配置》數據，學會使用基本的網絡設備，能按一定的要求正確完成《路由協議與配置》實驗操作，分析和處理所得結果;實訓，即與就業崗位緊密接軌的各種實驗;設計，即以現有就業崗位為目標，推進高級應用型人才的培養。[2]
二、《路由協議與配置》實驗教學實施
行動導向是一個教學論方案，它將認知過程與職業活動結合在一起，強調“為了行動而學習，在行動中學習”。教師是學的主導者和協調者，而學生則是學習的主體，學生在學習過程遵循“資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估”這一完整的行動過程序列，在自己動手的實踐過程中，掌握職業技能、習得專業知識，構建屬于自己的經驗和知識體系。教學的關鍵在于為學生創建“學習情境”，所以主要的教學場所以實訓室為中心，主要的教學組織形式是分組教學，主要教學方法為“理論，實驗，實訓，設計”四位一體。為了有效開展教學，我們根據計算機網絡技術專業特點加強了網絡實訓環境的建設，我院組建了網絡綜合實訓室，該實訓室由5個網絡實驗工作臺組成。這樣的網絡實驗室可以模擬出各種真實的網絡環境，滿足大多數的學習領域課程教學要求。[3]
《路由協議與配置》實驗的教學應由淺入深、循序漸進，由感性認識到理性認識。在教學中，興趣引導式教學是讓學生獲得對《路由協議與配置》的最直接認識、激發學生學習興趣的方法。比如，在講解靜態路由這一知識點時，選舉現實生活中的例子――交通指示牌，既貼近生活，又易于理解。啟發實驗式教學應以問題為驅動、引導學生思考和理解基本理論知識，并設置相關較容易理解并具有一定靈活性的實驗項目幫助學生們消化理論知識，啟發學生積極開動腦筋把理論知識和實踐相結合起來。其特點是強調學生學習的主體作用，實現教師主導作用與學生積極學習相結合;強調理論與實踐相結合，實現書本知識與直接經驗相結合。一般來說，啟發式教學可分為置問、設置場景、解問、反饋與評價等幾個環節。
《路由協議與配置》實驗項目的設置應以導出問題為出發點、以引導學生學習和思考理論知識為目的;簡單的驗證式的實驗難以引發學生思考，達不到啟發式教學的目的。因此，在制定和選擇合適的實驗項目之前， 應當首先確定教學的理論知識點的相應問題，也就是啟發式教學的第一個關鍵環節―――置問。此外，因為不同層次學生的已有知識和理解能力有一定的差異，所以問題的確定也應當按照學生當前的基礎水平來進行;合適的問題才能激發他們解決問題的動機，釋放出他們的活力。在興趣引導式教學階段從學生的表現可以大致了解他們當前具備的基礎，可以由此進行問題的設置。完成了置問后，接著可以選擇合適的實驗來引導學生進行理論知識的學習。在實驗環節需要注意的是實驗場景的設計應當直觀易懂，并且為問題的提出完成順理成章的鋪墊，即具有目標導向性;另外，也要具有一定的彈性，即實驗應當包含盡量多的因素，以適應較多變化，避免出現限制學生思維的消極影響，有彈性的實驗場景也有助于學生提出創造性、研究性課題。在實驗中，可以采取小組實驗的形式。在一個小組中，不同學生將逐漸承擔不同的角色，如對實驗有深入了解的同學不只是自己正確就可以，還需要幫助其他同學共同完成，讓“小先生”的角色功能最大化。通過互動，提高學生之間探討問題的熱情，使他們變被動為主動的進行學習。實驗進行之前，可適當講述一些基本概念和基本原理，但不宜深入，更不能講述完一個章節或幾個章節之后再做實驗，否則很容易引起學生對課程不感興趣甚至厭學。實驗進行完之后，在課堂上應按預先設置的問題和實驗過程詳細展開分層理論模型的講述，在解釋問題的同時讓學生接受相關理論知識。講述完理論知識之后，學生對知識的掌握會由實驗時的感性認識上升到理性認識，此時教師可根據指導過程中觀察到的情況，請有代表性的小組派代表向全班講述本組實驗體會和根據學習的理論知識作總結。教師鼓勵他們大膽表述自己的意見，發揚教學民主并給出及時評價。最后教師針對各代表的報告情況，做出總結性講評。
三、《路由協議與配置》實驗教學模式評價
在實驗教學模式評價中實行以人為本的整體性評價。評價標準開放化，立足社會需求，做到課程標準與職業資格標準的接軌，實現課程標準與學生職業生涯發展的協調。評價主體多元化，不僅有學校和教師的評價，也有學生自評和互評，以及企業、行業的評價。實驗教學模式評價方式綜合化，采用過程性評價、階段性評價和結果性評價相結合，教師評價、學生評價、社會評價相結合。[4]
四、小結
隨著高等職業教育的跨越式發展，教育市場的競爭將日趨激烈，我院以“外語強，技能硬，綜合素質高”為培養目標，只有不斷更新理念，加強對實驗教學體系的改革與創新， 才能培養出適應不斷調整的產業結構的高級技能應用型人才，才能適應經濟社會的發展， 實現辦學目標。
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關鍵詞：無線傳感網絡；RPL；IP；能量路由
中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0057-03
0 引 言
低功耗有損網絡路由協議 （RPL）是IETF的ROLL（Routing Over Low power and Lossy networks ）工作組，專門針對低功耗有損網絡LLN（Low power and Lossy network）新提出來的路由協議[1]。低功耗有損網絡是由功率、存儲空間、處理能力等資源受限的嵌入式設備所組成的網絡。它們可以通過多種鏈路連接，比如IEEE 802.15.4、藍牙、低功率Wi-Fi，甚至低功耗電力線通信（PLC）等等。ROLL將LLN網絡的應用主要劃分為四個領域[2]：城市網絡（包括智能電網應用）、建筑自動化、工業自動化以及家庭自動化，并且分別制定了針對四個應用領域的路由需求[3-6]。由于LLN的獨特性，傳統的IP路由協議，比如OSPF、IS-IS、AODV、OLSR，無法滿足其獨特的路由需求，因此ROLL工作組制定了RPL協議，其協議標準RFC6550[1]于2012年3月。
本論文首先介紹了RPL的應用場景及基本原理，并在路徑選擇策略中加入了對節點剩余能量的考慮；最后通過仿真驗證了改進后的路由協議的性能。
1 RPL協議工作原理
RPL是一個矢量路由協議，通過構建有向非循環圖（DAG）來形成拓撲結構，加入DAG中的節點自動形成一條指向根節點的路徑。RPL主要為數據匯聚型的場景設計，即數據流量由葉節點指向根節點。當然RPL也擴展支持多點對點（MP2P）和點對點（P2P）的應用場景。
圖1所示為典型的DAG結構。其中的每一個節點至少有一條指向根節點的路徑。
1.1 DODAG的形成
DODAG（Destination Oriented Directed Acyclic Graph）是面向目的地的有向非循環圖的簡稱，可以視為物理網絡上的邏輯路由拓撲。
RPL中定義了由多種ICMPv6消息來控制拓撲的形成。DIO消息用于通告有關DODAG的參數，例如DODAGID、目標函數（OF）、DODAG版本號等[1]。其中OF規定了拓撲建立及最優父節點的選擇方式，規定了節點級別的計算方法，是路徑選擇的首要參考標準。級別決定了節點在DODAG中的相對位置，主要用于避免回路。DAO消息是用來建立從根節點到葉節點的“向下”的路徑。根據節點的存儲能力，RPL協議中將節點類型定義為可存儲型和非存儲型，兩者的區別在于是否存儲有路由表信息。在圖1中，當D節點要和E節點通信時，如果B節點和C節點是非存儲型，那么必須先追溯到根節點A，查找路由，即路徑為D—C—B—A—B—C—E。若C為可存儲型節點，則只需追溯到共同的祖先節點即可找到路由，即路徑為D—C—E。DIS消息用于向鄰居節點請求DODAG信息。當一個孤立的節點沒有收到任何DIO消息的時候，可通過DIS向周圍節點請求DODAG信息。收到DIS消息的節點會反饋DIO消息給DIS源節點。
如圖1所示，首先A節點通過DIO消息廣播自己創建的DODAG信息，收到DIO消息的節點根據OF來決定是否應該加入該DODAG；加入之后然后再向自己周圍的節點繼續廣播DIO消息；這樣一層一層地建立拓撲結構。當節點加入DODAG之后，就自動創建一條“向上”匯聚到根節點的路徑。“向下”的路徑則由DAO消息完成。
1.2 定時器管理
RPL中使用細流算法[7]來控制DIO消息的發送。細流算法是一個適應性的機制，用來限制控制協議的開銷。與傳統IP網絡不同，LLN網絡有著非常有限的資源，必須盡可能的減少控制協議消息所占的比例，但同時又必須要維護好網絡結構。當網絡改變時，節點會以較高的頻率發送控制包；當網絡趨于穩定時，則控制流的速率減少。算法中定義了控制消息發送間隔參數I，當網絡很穩定時，則I成倍的增加；而網絡有動蕩時，則發送間隔迅速降為最小值，高頻率的發送控制消息以修復網絡。
本文借助Contiki系統中的Cooja模擬器，對RPL協議進行了仿真。圖2所示為節點布局圖，并在圖3中以節點5為例展示了DIO消息的發送控制過程。從圖3中可以看到，當網絡剛形成逐步趨于穩定的時候，DIO消息發送間隔成倍增加；圖3中23：00和01：20附近陡峭的轉折點表明此時監測到節點5和網絡存在不一致性，迅速將控制消息發送間隔調至最小值以迅速修復網絡。
1.3 環路避免機制
RPL中規定，在沿著葉節點到根節點的路徑上，節點級別必須是遞減的[1]，即父節點的級別必須小于子節點的級別。當節點在網絡中位置發生改變時，必須根據父節點重新計算自己的級別。假設節點N的最優父節點為P，P的級別為R（P），那么N的級別R（N）計算公式為：
R（N）=R（P）+ rank_increase
rank_increase為子節點和父節點級別的差值，其算法在OF中有定義。
節點的級別在環路避免中有著重要的意義。RPL協議也通過在包頭上設定標志位來附帶路由控制數據，以避免數據包被循環轉發。
2 考慮節點剩余能量的RPL協議
2.1 RPL協議原始路由方案
目標函數決定了RPL協議的路徑選擇方式。目前RPL的官方文件中，只明確定義了零目標函數（OF0）[8]，即以跳數（HC）為最佳路徑選擇的唯一標準，而其他的目標函數則由開發者根據需求靈活定義。比如對鏈路可靠性要求較高的應用，可將鏈路質量作為路由選擇的首要考慮標準；而對能量受限的環境則可以定義在路徑中盡量避開電池供電節點。在文檔RFC6551[9]中，提出了多種可供開發者參考的路由度量。
在選擇路徑時，若只考慮跳數因素，必然會導致Sink周邊節點數據壓力過大，從而使關鍵節點能量過早消耗而死亡。文獻[10]將網絡的生命長度定義為第一個節點死亡的時間。對于能量受限的低功耗有損網絡，如何平衡能量消耗，延長網絡整體壽命，是協議要考慮的重要因素。
2.2 優化之后的RPL路由方案
目前已有多種針對無線傳感網絡能量優化的路由協議，比如分級能量路由協議LEACH和TEEN，以數據為中心的能量有效路由協議DD和SPIN，還有基于地理位置的路由協議GPSR和GEAR等[11]。 但這些協議都很難實現和RPL協議的融合。RPL協議是通過在container metric中，定義路徑選擇時所考慮的參數，然后再以一定的方式將所需要考慮的參數相結合，從而確定一個合理的路徑選擇方案。
本篇論文中采取的是跳數（HC）和節點能量（EN）相結合的方式。結合方式有兩種[12]，一種是Lex，一種是Add。Lex是指優先考慮跳數，只有在跳數相同的情況下，才考慮節點能量；而Add則是采取兩種參數綜合考慮的方式，按照一定的比例相結合，即：
其中：
本文對這兩種不同的結合方式做了仿真對比。
2.3 RPL協議改進前后的仿真對比
仿真工具采用的是美國UIUC大學開發的針對無線傳感網絡研究的J-Sim平臺，該平臺基于Java語言，和NS2相比具有內存消耗小、仿真速度快、有更好的可擴展性等優點。本文仿真了傳感網絡數據收集的場景。在100×100的區域里，規則的布置有100個節點，圖4所示是網絡節點布局圖和OF0的拓撲結構，其中最左上側的0號節點為數據匯聚節點，右下側的49-99和94-98這11個節點為傳感器數據采集節點。數據從右下側的11個源節點發送到左上側的0號節點。由于該網絡具有對稱性，1和10對稱，2和20對稱等，對稱節點的能量消耗基本一致。本文中重點仿真了具有代表性的1、2、11、12、22這幾個關鍵節點的能量消耗情況。
對于OF0，由于跳數是路徑選擇的唯一標準，節點位置固定的網絡，其拓撲結構也相對保持不變。圖4即為這種情況下的拓撲結構。由圖4中可以看到，節點1和節點10承載了大部分的數據量，幾乎任何從下側或者右側源節點發過來的數據都要經過這兩個節點轉發到Sink節點。而節點11，則只有來自源節點99的數據由它轉發。
圖5所示是系統節點能耗圖。其中圖5（a）為OF0方案下部分節點能量消耗圖。從圖中可以看出，最關鍵的節點1和節點10，能量很快就消耗殆盡。而節點11，則能耗相對較少。這對節點位置固定的網絡是很不利的，會使數據量較大的節點在短期內能量迅速消耗完而死亡，而其他非位置關鍵節點，則一直被閑置。造成網絡能耗分布極其不均勻，能量利用率不高。
接下來可以仿真跳數和節點剩余能量相結合的路徑選擇方式，圖5（b）為跳數和能量按照2∶8的比例加權所得到的能耗結果。從圖5（b）可以看出，節點1、10和11的能耗更為均衡，第一個節點死亡的時間大為延長。跳數和節點剩余能量相結合的路徑選擇方式，能一定程度上改善以跳數為唯一度量所造成了能量消耗不均的情況，從而延長關鍵節點的生命長度。仿真中也能看到，最佳路徑的拓撲圖一直處于動態變化，原先經過節點1和節點10到達匯聚節點的數據，有一部分從節點11分流，從而緩解節點1和節點10的壓力。
（a） HC路徑選擇方案節點能耗 （b） HC+EN路徑選擇方案節點能耗
本文也仿真了跳數（HC）和節點能量（EN）按照Lex的結合方式，即優先考慮最小跳數，當跳數相同的時候再考慮節點能量，以及在Add結合方式下按0.8HC+0.2EN和0.2HC+0.8EN的不同比例相結合的情況對比。最后得出的結論是，兩種不同的結合方式對網絡能耗均衡都有一定程度的改善；而Add的結合方式能耗更為均衡，且剩余能量所占的比例越高，改善的效果越為顯著。圖6所示是在不同路由策略下，關鍵節點能耗的對比情況。
4 結 語
本文描述了RPL協議的基本原理，并且對原路由協議的路徑選擇策略進行了改進，在只考慮跳數的基礎上，加入節點剩余能量的考慮，從而平衡了網絡能耗，延長網絡整體壽命。由于RPL是近幾年新提出的協議，隨著實踐的不斷深入，越來越多的新問題被提出，還有很大的研究空間。RPL協議在物聯網領域有著廣闊的應用前景，值得廣大學者進一步深入研究。
5 致 謝
本論文的工作得到了實驗室項目的大力支持。感謝國家自然科學基金（61271257），北京市自然科學基金（4122034）和教育部博士點基金（20120005110007）對本文研究工作的支持。
參 考 文 獻
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關鍵詞：ad hoc網絡；AODV協議；多徑路由
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2012）012-0134-03
1移動ad hoc網絡相關知識
移動ad hoc網絡是一種特殊無線移動通信的網絡。它與一般無線移動通信網絡的不同之處在于，移動ad hoc網絡不需要依賴任何基礎設施，整個網絡是由節點組成。在移動ad hoc網絡中，所有節點地位都是平等的，每一個節點即能夠接受消息，也能夠轉發消息。即每個節點都同時具有移動終端和路由轉發的功能。
移動ad hoc網絡最早起源于美國DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）的分組無線網（PRNET，Packet Radio NETwork）項目，研究分組無線網在戰場環境下數據通信中的應用。因此，移動ad hoc網絡最早也只限于軍事領域中的應用。隨著技術的發展與成熟，移動ad hoc網絡現在應用得越來越廣泛，ad hoc網絡現廣泛應用于軍事、災后重建、個人生活以及將其作為一個無線多跳接入網與其它網絡進行連接的應用。
移動網絡由于其自身的特殊性，具有以下特點：①無中心性，移動ad hoc網絡由于其所有節點地位相等，所以其為一個對等性網絡；②自組性，移動ad hoc網絡中，只要節點的距離在一定范圍內，就能夠自發地通過某種算法組成網絡；③鏈路帶寬及能量有限性，移動ad hoc網絡采用的是無線傳輸，所以其信道帶寬有限，且移動ad hoc中的每個節點都具有轉發信息的能力，所以一般節點都要以電池作為其動力，其節點能量也非常有限；④動態拓撲性，由于移動ad hoc網絡中的節點經常發生變動，所以其網絡拓撲結構也會經常發生變化。
2移動ad hoc網絡中的AODV協議
在移動ad hoc網絡中，一個好的路由協議至關重要。ad hoc網絡中，一般有2種劃分路由協議的方法。一種是分為按需路由和按時間路由，按需路由只在需要路由信息時，才發起路由請求過程，從而達到在路由開銷相對較小的情況下提供路由；而按時間路由中，每個節點都采用周期性發送信息包以達到更新路由表的目的，從而以相對較大的開銷來尋找最優路徑（主要指距離最短，即所經過跳數最少的路徑）。另外一種劃分方法是按通信模型，分為單徑路由和多徑路由。單徑路由在路由發現中只有一條信息通道；而多徑路由中，信息通道最少有兩條或者兩條以上。協議無線自組網是按需平面距離矢量路由協議（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV），是一種典型的按需單徑路由協議。
Aodv協議的傳輸過程為：在ad hoc網絡中，每個節點都會維護一張自己的路由表，當源節點（S節點）需要向目的節點（D節點）發送數據信息時，首先檢查自己的路由表，查看是否有到達目的節點的路由信息。如果有，則直接按照路由表上的路徑發送；如果沒有，則向周圍節點廣播一個RREQ用來請求路由信息。當中間節點收到RREQ后，首先同樣會檢查自己的路由表是否有到達目的節點的路由信息。如果有，則按此路徑進行發送；如果沒有，中間節點將在此RREQ消息中加入自己的信息后，繼續向其周圍節點轉發此RREQ請求包，直到找到有到達目的節點路徑的中間節點或者目的節點D節點本身為止。在有到達目的節點路徑的中間節點或者目的節點本身收到該RREQ后（此RREQ含有源節點到目的節點的反向地址信息），會回復一個與之對應的應答信息包RREP。這樣，RREP沿著對應的RREQ的反向路徑信息到達源節點，從而更新源節點到目的節點的正向路徑。
需要指出的是，為了避免路由環路和網絡負載過重，中間節點和目的節點在收到相同的RREQ信息包時，會立即將其丟棄。這樣在一定程度上避免了路由環路，減輕了網絡負擔。但是也正是由于此種機制，使得網絡傳輸效率不高。特別是在節點不停移動，鏈路容易發生斷裂的移動ad hoc網絡中。因此，提出一種對AODV協議進行改進的路由協議AODV-T（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing-Time，AODV-T），旨在進一步提高ad hoc網絡中的傳輸效率。
3AODV-T的算法數據結構
3.1RREQ消息的數據結構
在RREQ消息中新增加了RREQ第一跳、路由記錄、RREQ時延。其具體格式如表1所示。其中，RREQ第一跳是記錄RREQ消息從源節點到目的節點路徑的第一跳，只要RREQ第一跳不相同，就是鏈路不相交路徑。路由記錄則為記錄經過的多條路徑。RREQ時延則是記錄發出一個RREQ消息后，到接收到對應的RREP消息的時間。
3.2RREP消息的數據結構
同樣，在RREP消息中也增添了相對應的最大時延、路由記錄、RREP時延選項。其中，最大時延是設定一個時延最大值，當等待RREQ的時間超過此最大值時，默認丟棄掉后來的RREQ消息。路由記錄與RREQ相同，從對應的RREQ消息包中拷貝過來。RREP時延則是記錄RREQ到達目的節點的時間，其結構如表2所示。
4對AODV協議的改進
AODV協議雖然能滿足一定要求的ad hoc網絡需求，但其并不是質量很高的一種路由協議。首先，AODV是單徑路由，在帶寬有限的移動ad hoc網絡中，單徑路由往往不能滿足業務傳輸要求；其次，AODV協議的各種路由指標參數并不高。因此，對AODV可以進行適當改進，AODV-T相對于AODV協議，主要在兩方面進行了改善。
一是在路由路徑數目方面，不再只是尋找一條路徑進行路由，而是同時以最短路徑和次短路徑同時進行路由。這里多條路徑記錄方法參考AOMDV協議。不同的是在AOMDV多徑路由協議中，是在一次路由發現中，找到多條路徑（一般不會超過3條）。在這多條傳輸路徑下以一條最短路徑為主路徑，以其它路徑為備份路徑進行傳輸。這樣在實際傳輸中，往往只有一條路徑在進行信息傳輸。而AODV-T協議則是根據時延，同時選擇最短路徑和次短路徑進行傳輸。時延最小的為最短路徑，時延次之的為次短路徑。時延是指從源節點發起路由尋找的RREQ時刻開始，到接收對應目的節點回復的RREP數據包為止所經歷的時間。時延在一定程度上反應了當前網絡狀況的好壞，特別是在網絡負載量較大的情況下，跳數最短的路徑往往不是最優路徑，而用時最少的路徑才是最優路徑，即時延最少的路徑。
二是AODV-T協議同時提供QOS保障，必須在源節點與目的節點之間尋找必要資源以滿足QOS要求的路由。為了找到合適的QOS路徑，選擇以該路徑的時延作為基本判斷參數，來確定該路徑是否滿足QOS要求。根據MSR均衡負載的方法，對源節點搜索的3條（如果存在）路徑按照權值進行業務分配。使用路由過程中RREQ-I的時延，即從源節點發送一個RREQ-I的數據包到接收到該數據包對應的RREP-I回復數據包的時間。這個時間反映出了該條鏈路的狀態，即越穩定越近的鏈路，其RREQ-I時延就越小。所以，該條鏈路的可用帶寬與RREQ時延成反比關系，可以通過Wi=min{dmax/di，A}表示。其中，Wi為路徑權值，dmax為到源節點的多條路徑的RREQ-I的最大時延，di為路徑i的RREQ-I時延，A是設定的一個邊界值，是為了防止一條路徑負載過重。從公式中可以看出，對于時延越小的路徑，其權值越大，即路徑的穩定性就越高，可用帶寬就越大，其分配的負載業務相對其它條路徑就越大。
5仿真結果分析
選擇網絡仿真工具為NS2，操作系統是在Linux環境下進行的。其它仿真的各項參數為：網絡節點數量選取為50個，網絡拓撲范圍設置為長500m、寬500m的正方形區域，網絡中的最大連接數為30個，仿真持續時間設為100s。在相同的仿真環境下，改變節點的移動速度，分別對AODV協議和改進的AODV-T協議的分組投遞率、平均端到端時延、網絡開銷進行分析比較。
圖1分組投遞率隨節點最大移動速度的變化
從圖1可以看出，在節點移動速度較低的情況下，兩種路由協議能較好地將信息傳遞給目的節點，而隨著節點移動速度的增大，分組投遞率出現下降。而AODV-T的分組投遞率比AODV要高，這是因為AODV-T采用雙信道傳輸，當一條路徑傳輸因節點移動速度過快而斷裂時，仍然有一條備份路徑進行傳輸信息。
圖2時延隨節點最大移動速度的變化
從圖2可以看出，隨著節點移動速度的增大，端到端時延明顯增大。而AODV-T協議時延大概比AODV協議低3%左右。這是由于AODV-T選擇以時延作為路徑選擇參數，優先考慮時延較小的路徑作為信息傳輸路徑，從而降低端到端時延。
從圖3可以看出，隨著節點移動速度的增加，路由開銷不斷增大。這是由于節點移動速度增加，使鏈路斷裂幾率增大，從而增加路由尋找次數，增大路由開銷。由于AODV-T采用的是最短路徑和次短路徑兩條路徑進行傳輸，只有兩條路徑同時失效時，才發起路由尋找請求，從而降低路由請求次數，降低路由開銷。
圖3路由開銷隨節點最大移動速度的變化
6結語
本文針對AODV的不足，提出了一種以時延為參數的改進多徑路由協議AODV-T。此路由協議根據網絡當前狀況同時以最短路徑和次短路徑傳輸信息。經過仿真測試表明，該路由協議在分組傳輸率、平均端到端時延、網絡開銷方面較AODV協議而言，均有所改善。
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Research on the Improving of AODV Routing Protocol in
Mobile ad Hoc Networks
關鍵詞：EEUC路由協議；剩余能量；通信代價；路由協議
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）08-0039-03
1概述
近年來，由于物聯網的發展與應用，無線傳感器網絡（Wireless SensorNetwork，WSN）受到了國內外學者的廣泛關注，WSN通過大量分布于不同區域的傳感器節點感知、收集信息并分析處理，進而實現對遠程目標的監控，是集信息采集、傳輸與處理于一體的綜合智能信息系統。傳感器節點體積小，能夠攜帶的能量有限，所以選擇一種合理的路由協議，降低能耗，延長整個WSN的生存時間是當前WSN的主要研究方向之一。
層次路由協議因能量利用率高、網絡拓撲易于控制、數據融合技術應用其中等特點聊，整體性能優于平面路由協議，因而它在WSN網絡中得到廣泛研究與應用。LEACH協議是最早提出的層次路由協議，該協議設定一個閾值，每個節點通過一個0到1間且大于閾值的隨機數決定簇頭并進行分簇，當沒有考慮網絡簇頭的分布均衡和簇頭間路由。李在分析分簇路由基礎上提出了EEUC協議，利用節點與基站的距離不同來決定簇的大小，距離基站近的成簇半徑小，以便騰出更多能量進行路由轉發，當節點剩余能量高于半徑內其他節點則能夠當選簇頭。EEUC協議雖然解決了均勻分簇中擔任路由節點的簇頭能耗過大、全網能耗不均衡等問題，但沒有很好的考慮簇內成員節點數量以及通信代價等問題。
本文針對非均勻分簇協議EEUC的不足，對EEUC協議進行改進。改進協議利用節點與基站的距離、節點相鄰節點數量來決定成簇半徑，綜合考慮節點剩余能量、節c相鄰區域節點數量和成簇通信代價以及到基站的距離等因素進行分簇。在中繼路由節點的選擇上，除了考慮簇頭選擇的因素外，還增加中繼節點數和傳送信息次數作為參考，優化路由節點選擇協議，均衡路由節點通信能耗。
2參數設計與計算方式
2.1非均勻競爭半徑計算方式
半徑的大小決定該簇內節點數量或簇內通信開銷，因而針對EEUC協議在競爭半徑的確定中只考慮節點到基站距離的不足進行改進，加入節點相鄰節點數量因素。改進算法的競爭半徑計算公式如下：
（1）
其中，dmax和dmin分別為網絡節點距離基站的最大和最小距離。di為節點i與基站距離，Nmax為最大節點數量，Ni為節點i相鄰節點數量，為大于0小于1的參數。R0為最大競爭半徑。
2.2簇頭選擇閾值定義
簇頭的選擇不應該僅僅由剩余能量來決定，還應該綜合考慮成簇半徑內節點數量、各節點到簇頭的通信代價以及簇頭與基站的距離等因素，以確保簇內節點不能過多或通信距離過遠而增加能量損耗。所以簇頭選擇閾值Tnew定義如下：
（2）
（3）
其中a+b+e=1，En為節點i當前剩余能量值，EA為網絡平均能量。由公式可知，節點乘0余能量越多當選簇頭概率越大，距離基站越近、節點相鄰區域節點數量越大且簇內通信代價越小越容易成為簇頭。
2.3路由閾值定義
路由節點擔負則中繼信息傳遞的重任，若能量過低或頻繁的承擔中繼任務都會導致該節點過早失效，因而，簇頭在選擇路由節點時除了考慮剩余能量等綜合信息外，還要考慮該路由節點為多少個簇頭傳遞消息給基站，傳遞了多少次消息等。因此，路由閾值的定義為：
（4）
其中，β+γ+ω=1，Nr為中繼節點服務簇頭數量，nr輪數，ni為中繼路由擔任次數。當服務簇頭個數M越大，該節點添加新簇頭的概率越小，傳遞的信息越頻繁，成為中繼路由的概率就越小。以此來降低中繼節點的能量損耗。
3協議設計
在網絡部署開始階段，基站BS首先要向網絡發送廣播信號，每個節點根據接收到的信號強弱計算自己與基站的距離，用于計算節點組網半徑。本節分別對簇頭競選、分簇和簇頭間通信路由選擇兩個部分對改進協議進行描述。
3.1簇的建立
第一步：首輪所有節點根據接收到的基站廣播信息獲取到dmax和dmin信息并計算出自己的成簇半徑Rnew。
第二步：判斷節點剩余能量是否大于平均能量，如果是則根據自己的計算出來的成簇半徑Rnew廣播自己的簇頭競爭閾值Tnew，否則節點進入睡眠等待簇頭節點喚醒成簇。
第三步：所有競爭簇頭的節點根據接收到的Tnew值決策是否成為簇頭。若相鄰的節點Tnew值比自己高，則判斷其是否成簇頭，若成則直接加入該簇，否則自己成為簇頭。
第四步：競爭過程結束后，簇頭節點廣播成簇信息，未參與競爭的節點被喚醒，選擇距離自己最近即通信代價最小的簇加人。并建立簇內時分復用時隙通信機制，所有簇頭收集并進行數據融合才向路由節點或BS發送數據，減少能耗。
在首輪過后并非每輪都進行分簇，也不是全網所有節點都重新分簇，而是簇頭節點能量En小于平均能量匠的簇重新選擇簇頭，需要重新分簇的節點根據上面2到4步重新進行非全局分簇。如此小范圍的重新分簇，即減少需要組網節點數量，較大程度提升了成簇速度，又降低了因全局分簇而導致的能量不必損耗，優化網絡能量。
3.2簇間路由選擇
簇頭節點除了負責本簇內成員信息的收集與融合，還有可能擔任其他簇頭與基站通信的橋梁即中繼節點作用，因而每個簇頭還要設置兩個參數，一個是幾個節點通過自己向基站方向發送消息，另一個是自己發送了幾次消息。引入一個閾值D，若簇頭節點與基站的距離小于D，則直接與基站進行通信，否則通過多跳與基站通信。簇頭節點在選擇基站方向上那個節點作為自己的中繼節點時，根據接收到的Eroute信息中選擇最大的點作為自己的中繼節點。若有信息通過自己發送向基站發送消息，如果是首次接收到該節點的消息，則增加自己的Nr值和ni值，否則只增加ni值。如此，某個簇頭節點的Eroute值越大，表明其剩余能量越多、為其他節點擔任中繼節點的數量越少或中繼發送的消息量少等，被新節點作為中繼節點的概率越大，反正，該節點越不容易增加新中繼信息，從而達到均衡中繼節點信息量，優化節點能量損耗，延長節點壽命的目的。
4實驗與分析
4.1仿真參數設置
本文通過Matlab對改進的分簇協議、經典EEUC協議和LEA CH協議進行模擬仿真。實驗有關參數設置如下表1所示，協議中其他參數的取值均通過多次模擬運行后取較優的值。
4.2實驗與分析
將200個節點隨機分布在200*200的區域中，分別使用LEACH協議、EEUC協議和改進協議進行仿真模擬。圖1給出了改進協議在200輪網絡節點以及簇頭節點分布情況。其中，“0”表示普通節點，“*”表示簇頭節點，sink基站在左下角原點。
由簇頭分布情況可以知道整個網絡簇頭節點分布還算比較均勻，沒有簇頭節點過于集中或某些區域無簇頭節點的情況。
圖2和圖3分別給出了EEUC協議在343輪和改進協議在456輪死亡節點情況，EEUC協議死亡節點分布還是比較均勻，沒有出現集中在某部分區域情況。改進協議在450輪節點死亡數量還是不太大，但在460輪以后節點開始快速死亡，導致整個網絡迅速癱瘓，由圖3看出，改進協議節點死亡會比較集中而且迅速擴散至全網。
圖4給出了LEACH協議、EEUC協議和改進的EEUC協議的仿真比較圖，由于節點能耗不均衡，LEACH協議在120多輪的時候開始有節點死亡，在250輪左右節點死亡過半，到500輪左右節點幾乎全部死亡，節點開始死亡到全部死亡跨度比EEUC協議和改進協議都大。EEUC協議自270輪左右出現節點死亡情況，在360輪到430輪區間節點迅速死亡，網絡癱瘓。而改進的EEUC協議，在430輪左右出現死亡節點，在470輪節點幾近全部死亡，跨度較小，也體現出了網絡能耗相對比較均衡。因而，改進的EEUC協議有效的均衡了網絡能耗，延長整個網絡壽命。
關鍵詞 無線傳感器網路；路由協議；路由分類；路由機制
中圖分類號TN8 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）35-0173-03
0 引言
隨著微電子技術，無線通訊與傳感技術的發展，無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Networks， WSNs）引起了人們廣泛的關注。WSNs是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成，通過無線通訊方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。WSNs不需要固定網絡支持，在軍事國防，生物醫療，環境監測及智能家居等領域具有廣闊的應用前景[2]。
作為一種新型的無線自組網絡，無線傳感器網絡與傳統的移動自組織網絡（mobile Ad Hoc networks，MANET）有著明顯的差異，主要體現在：1）WSNs節點不移動或很少移動，而MANET節點移動性強；2）WSNs絡旨在收集信息，而MANET則傾向于分布式計算和端到端通信；3）WSNs節點的能量、存儲空間和計算能力有限；4）WSNs節點通訊高能耗，數據計算低能耗，節點會因能量耗盡而失效；5）WSNs節點數量更大，分布范圍更廣，節點沒有統一編址，節點之間通過廣播、多跳通信方式進行數據交換；6）WSNs節點產生的數據具有較大的冗余度；這些差異使得MANETs路由協議不適合直接運用到WSNs中，需要結合WSNs的特點對其進行改進，提出新的路由協議。本文對當前較為典型的路由協議進行了分類和總結，指出了路由協議將來發展的趨勢，目的在于為路由協議的進一步研究作參考。
1 傳感器網絡路由協議分類研究
近幾年，人們提出多種基于不同應用目標的路由協議，并根據不同的應用對路由進行了分類研究與比較[3，4]。無線傳感器網絡路由協議的研究最早從Flooding開始，逐漸得到關注。到目前為止，針對WSNs提出的具有代表性的路由協議有MDR、SAR、TBF、TEEN等。
為揭示協議特點，我們根據路由協議采用的路由結構、路由建立時機、數據傳輸模式等不同標準對其進行了分類。由于路由協議的研究人員組合多種策略來實現路由機制，故同一路由協議可分屬不同類別。
1.1平面路由協議和層次路由協議
根據傳感器節點在路由過程中作用是否有差異、是否有層次結構，可以將路由協議分為平面路由協議和層次路由協議。
平面路由協議的優點是網絡中沒有特殊的節點，所有節點的地位是平等的，不存在等級和層次的差異。它們通過局部操作和信息反饋來生成路由，原則上不存在瓶頸問題。網絡流量均勻地分散在網絡中，路由算法易于實現，健壯性好。缺點是建立、維護路由的開銷大，數據傳輸跳數多，可擴展性小，在一定程度上限制了網絡的規模。
層次路由協議采用簇的概念對傳感器節點進行層次劃分。若干個相鄰節點構成一個簇，每一個簇有一個簇首。簇內通信由簇頭結點來完成。簇頭結點進行數據聚集和融合以減少傳輸的信息量，最后簇頭結點把融合的數據傳送給匯聚結點。層次路由擴展性好，適合大規模網絡，但簇的維護開銷大，且簇頭是路由的關鍵節點，其失效將導致路由失敗。
1.2主動路由協議和被動路由協議
根據路由建立時機與數據發送的關系，可分為主動路由協議和被動路由協議。
主動路由協議，又稱表驅動的（table-driven）路由協議，它的路由發現策略與傳統路由協議類似，節點通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動發現路由。這一類的路由協議試圖在所有的網絡移動節點中維護一組到其他所有移動節點的一致的、實時的路由信息表。它的優點是當節點需要發送數據分組時，只要去往目的節點的路由存在，所需的延時很小。缺點是主動路由需要花費較大開銷，盡可能使得路由更新能夠緊隨當前拓撲結構的變化，浪費了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且，動態變化的拓撲結構可能使得這些路由更新變成過時信息，路由協議始終處于不收斂狀態。
被動路由協議也稱為按需（On Demand）路由協議。這種路由協議并不要求移動節點一直維護網絡的路由信息表，只有在節點需要某條路由時才動態的創建它。被動路由協議根據網絡分組的傳輸請求，被動地搜索從源節點到目的節點的路由。當沒有分組傳遞請求時，路由器處于靜默狀態，并不需要交換路由信息。拓撲結構和路由表內容按需建立，它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分。它的優點是不需要周期性的路由信息廣播，節省了一定的網絡資源。缺點是發送數據分組時，如果沒有去往目的節點的路由，數據分組需要等待因路由發現引起的延時。
1.3單路徑路由協議和多路徑路由協議
從路徑的表現形式上角度考慮，可分為單路徑路由協議和多路徑路由協議[5]。 單路徑路由節約存儲空間，數據通信量少；多路徑路由容錯性強，健壯性好，且可從眾多路由中選擇一條最優路由。
1.4基于位置的路由協議和非基于位置的路由協議
根據是否以地理位置來標識目的地、路由計算中是否利用地理位置信息，可分為基于位置的路由協議和非基于位置的路由協議。有大量WSNs應用需要知道突發事件的地理位置，這是基于位置的路由協議的應用基礎，但需要GPS定位系統或者其他定位方法協助節點計算位置信息。
2 無線傳感器網絡路由協議分析
1）Flooding [6]：它是一個經典的傳統網絡路由協議，不要求維護網絡的拓撲結構和進行路由計算。在Flooding協議中，接收到數據的節點以廣播的方式向轉發分組，數據包直到過期或到達目的節點才停止傳播。該協議本身算法簡單，不需要維護路由信息，容易實現，但消息的“內爆”（implosion）和“重疊”（overlap）是其固有的缺陷。對此，S?hedetniemi等人提出了Gossiping策略，節點將產生或收到的數據隨機轉發，避免了內爆，但同時也增加了時延。
2）DD（Directed Diffusion）[7]：它是由加州大學洛杉磯分校計算機科學系的Deborah Estrin等人在DARPA的1997-98ISAT項目完成后提出的。這是一個基于數據的、查詢驅動的路由協議。DD路由機制分為周期性的興趣（Interest）擴散、梯度（gradient）建立和路徑加強三個階段。在興趣擴散階段，sink節點通過廣播興趣消息來尋找數據源。梯度建立階段，網絡中各節點對興趣消息進行緩存與合并，并創建包含上報率、下一條等信息的梯度，從而建立多條指向sink節點的路徑。路徑加強階段，sink節點會對最先收到消息的鄰節點發送路徑加強信息。接收到該信息的節點做路徑加強工作，源節點沿這個較高梯度的路徑發送數據。當主路徑失效時，其他發送梯度較小的路徑作為備用路徑，這種機制增強了路由的穩定性。然而，梯度建立的開銷很大，不適合多sink點網絡；數據聚合過程采用時間同步技術，會帶來較大開銷和時延。
3）MDR（Multi-path on-Demand Routing）：它是一種按需路由的多徑路由協議，僅在源節點和sink節點間有數據包傳輸才進行路由發現，建立新路徑，從而減少了通訊流量和能量損耗。MDR協議的路由機制包括路由請求和路由答復兩個過程。數據源先發送路由請求，向鄰居節點flooding短信息。當sink節點收到該信息后，馬上向轉發該路由請求消息的鄰節點返回路由答復信息，并且在數據包域中增加了一個跳數項，用來指示到目前為止它傳播的跳數。每個節點收到路由答復后增加一跳，繼續轉發給相應鄰節點直至到達數據源。它的建立過程如圖1所示。該協議健壯性好，即使網絡拓撲頻繁發生變化，數據依然能可靠地傳輸到目的地。由于發送端將源數據分裂成有冗余的子數據包后傳輸，這相對于發送相同的數據包副本減少了網絡數據流量，因而平衡了網絡的數據流量和可靠性，相應也提高了網絡的安全性。
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圖 1MDR 路由建立過程
4）SAR（Sequential Assignment Routing）[8]：它是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一個研究中提出的一種保證QoS的路由協議。協議中sink節點的所有一跳鄰節點都以自己為根建立生成樹，其余各節點根據時延、丟包率等QoS參數來反向建立到sink節點的多條路徑。在選擇路徑時， SAR協議充分考慮了功耗和分組優先權等特殊要求，采用局部路徑恢復和多路徑備份策略，避免由于節點或鏈路失敗而引起的重新計算路由的開銷。
5）TinyOS Beaconing[9]：該協議路由算法較為簡單，路由建立前先對網絡中的所有節點進行編址。sink節點對其信號覆蓋范圍內的所有節點周期性廣播路由更新消息，接收到消息的節點將該sink點作為父節點保存到路由表中，然后在物理信道上廣播該消息。該路由機制適合小規模網絡，在較大網絡中將導致節點和sink點間跳數增加；廣播式路由更新消息消耗網絡能量；路徑建立只與接收到beaconing的時序有關，不進行任何優化，擴展性差；sink點周圍的節點由于過多地參與數據傳輸，耗能較多，容易失效。
6）SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）[10]：它是第一個基于數據協商的路由協議。SPIN路由建立基于三次握手過程：ADVREQDATA。路由建立過程如圖2所示。節點產生或收到數據后，為避免盲目傳播，用包含元數據的ADV消息向鄰節點通告，需要數據的鄰節點用REQ消息提出請求，數據通過DATA消息發送到請求節點。該協議通過ADV消息和數據命名機制解決了Flooding協議中的內爆和重疊問題。與Flooding和Gossiping協議相比，該協議有效地節約了能量。但是它也有缺點：當產生或接收數據節點的所有鄰節點均不需要該數據時，將導致數據不能繼續轉發，會使較遠節點無法得到數據。當網絡中大多節點都是潛在sink點時，問題并不嚴重，但當sink點較少時，則是一個很嚴重的問題；而且當某sink點對任何數據都需要時，其周圍節點的能量容易耗盡。
圖2SPIN路由建立過程
7）TBF（Trajectory Based Forwarding）：它是基于源站和位置的路由協議。與通常的源站路由協議不同，TBF協議在數據包頭中指定連續的傳輸軌道參數，中間各節點根據參數按貪心算法，計算出軌道最近的下一跳節點。通過指定不同的軌道參數，很容易實現多路徑傳播和廣播。由于是源站路由協議，數據包頭的路由信息開銷不會隨著網絡變大而增加，從而避免了傳統源站路由協議的缺點。但隨著網絡規模變大，路徑加長，網絡中節點進行計算的開銷也相應增加。
8）LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[11]：它是2000年麻省理工學院電子工程和計算機科學系的Wendi Heizelman等人為無線傳感器網絡專門設計的分簇路由協議。LEACH的基本思想：通過等概率地隨機循環選擇簇頭，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點，從而達到降低網絡能量耗費、延長網絡生命周期的目的。簇頭是周期性按輪隨機選舉的，每輪選舉方法是：在簇的建立階段，每個節點選取一個介于0和1之間的隨機數，如果這個數小于某個閾值，該節點成為簇頭；然后，簇頭向所有節點廣播自己成為簇頭的消息；每個節點根據接收到廣播信號的強弱來決定加入哪個簇，并回復該簇頭。在數據傳輸階段， 簇內的所有節點按照TDMA（時分復用）時隙向簇頭發送數據，簇頭將數據融合之后把結果發給基站。該協議采用隨機選舉簇頭的方式避免簇頭過分消耗能量，提高了網絡生存時間。簇間路由采用一跳通訊，雖然傳輸時延小，但節點的通訊能耗較高且擴展性差。
9）TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）：它利用過濾方式來減少數據傳輸量。該協議采用與LEACH協議相同的聚簇方式，但簇頭根據與sink點距離的不同形成層次結構。TEEN定義了硬、軟兩個門限來過濾發送數據。只有滿足如下兩個條件的時候才能發送數據：當前數據的屬性值大于硬門限；當前數據的屬性值與上一次發送數據的屬性值之間的差距大于軟門限。該協議通過利用軟、硬門限減少了數據傳輸量。其缺點是：如果數據的屬性值一直達不到門限，節點不會發送數據，用戶將接收不到網絡的任何數據，并且不能得知所有節點是否死亡。
3 結論與展望
在無線傳感器網絡路由協議中，單路徑路由協議算法簡單，數據通信量少，有利于節省節點能量，但是其容錯性和健壯性差。多路徑路由協議在路由發現過程中得到多條不相關路徑，減少了路由發現次數，并增強了路由的穩定性。
平面路由協議健壯性好，但建立和維護路由的開銷大，數據傳輸跳數多，適合小規模網絡。層次路由協議擴展性好，其能量消耗比較均衡，但簇的維護開銷大。由于簇頭是路由的關鍵節點，其失效將導致路由失敗。
主動型路由協議需要定期更新路由，而響應性路由協議只有當網絡中有數據傳輸時才會建立和更新路由。如果網絡的數據傳輸量很大，主動型路由協議的路由開銷一般要比響應型路由協議小。
無線傳感器網絡由于能量限制、拓撲變化及帶寬限制，對路由算法要求非常高。目前傳感器網絡路由協議的研究重點主要集中在能量效率上，高效利用能量幾乎是設計的第一策略。設計兼有平面結構和分簇結構優點的新型數據傳輸模式，是目前研究的一個熱點。在某些基于簇的路由協議中，并沒有簇頭的概念，每個節點知道它將轉發的下一個節點，我們把這類協議叫做基于虛擬簇的平面路由協議。這類協議既能有效地管理網絡拓撲結構，又能有效地利用能量傳輸數據。此外，如何在簇內和簇間進行數據融合和處理，也很值得探索。
未來的研究中可能還需要解決由視頻和圖像傳感以及實時應用引起的QoS問題。能量感知的QoS分簇路由越來越受到重視，它將在目標的實時追蹤等方面得到應用，這就對帶寬保證和能量高效路徑的有效利用提出了嚴格要求。
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關鍵詞：移動自組網；路由協議；網絡負載；性能分析
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2012）010-0145-03
作者簡介：王莎莎（1987-），女，西安郵電大學通信與信息系統學院碩士研究生，研究方向為移動互聯網；朱國暉（1969-），男，西安郵電大學通信與信息系統學院副教授、碩士生導師，研究方向為通信網架構、通信網路由算法；王鑫（1986-），男，西安郵電大學通信與信息系統學院碩士研究生，研究方向為移動互聯網。
0引言
移動AdHoc網絡能夠在沒有基礎設施且需要臨時通信的環境下快速組網，可以滿足人們“無論何時無論何地”的通信需要，被廣泛應用于緊急搜索、臨時會議等環境，具有廣闊的應用前景。
由于AdHoc網絡組網的特殊性、通信設備的限制、無線資源的有限性等原因，網絡負載問題一直是AdHoc網絡面臨的一個挑戰，而負載過重導致的擁塞是制約移動AdHoc網絡性能的一個重要的因素之一，它可能導致整個網絡性能的惡化。文獻[1]通過仿真分析了重負載對AdHoc網絡的影響，文獻中設置重負載網絡場景并給出了這種場景在網絡吞吐量和時延方面的仿真結果。結果表明，重負載下網絡的丟包率、時延、網絡開銷都會增加，網絡性能明顯降低。近幾年來，研究人員提出了多種AdHoc網絡的經典路由協議，考慮到網絡負載對AdHoc網絡的影響，本文通過設置網絡場景仿真分析3種代表性的路由協議在不同的網絡負載下的性能及適用性，并通過仿真結果得出結論。
1AdHoc路由協議
Adhoc網絡有很多經典路由協議，常見的分類方法是按照驅動模式的不同分為表驅動路由協議和按需驅動路由協議及混合路由協議。表驅動路由協議與傳統的路由協議類似，需要網絡的每個節點維護一個或多個路由表來儲存路由信息，并周期性更新路由表。按需路由協議僅當有源節點需要向目的節點通信時才建立路由，路由信息不會一直保存。
1.1表驅動路由協議
經典的表驅動路由協議是DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）路由協議，該協議以BellmanFord算法為基礎，加入目的序列號機制避免路由環路，協議中的每個節點都維護一張路由表，路由表中含有到網絡中各節點的路由信息，并定期更新路由表。所以，該協議不適用于大型網絡及拓撲結構頻繁變換的網絡。
1.2按需驅動路由協議
經典的按需驅動路由協議有DSR和AODV。DSR是動態源路由協議，以源路由算法為基礎，每個數據分組的頭部攜帶有到達目的節點所要經過的節點的列表，協議采用緩存技術。AODV引入DSDV的目的序列號機制，與DSR一樣也是按需路由協議，路由發現和路由維護均按需進行。不同的是AODV采用逐跳路由機制，在路由發現過程中，每個節點建立相應的路由表項，數據傳輸時按路由表進行傳輸。按需路由協議一般包括路由建立、路由維護和路由刪除三大部分。
2基于網絡負載的仿真分析
本文采用NS2網絡仿真軟件進行仿真分析，NS2基于事件驅動模型，支持無線移動網絡仿真。
2.1網絡場景設置
網絡場景利用TCL腳本語言設置如下：設定網絡拓撲范圍為1000×1000，共有50個移動節點在網絡中隨機移動，各節點的最大移動速度為30m/s，網絡中有20個連接數，業務類型采用CBR數據流，數據包分組大小為512bytes，MAC層采用IEEE802.11DCF協議，接口隊列最大長度為50，網絡帶寬為2Mbps，仿真時間為400s，每個節點停留預設的停滯時間后，在規定的移動區域內隨機選擇一個目的位置，并向目的位置移動。
本文設置兩種不同網絡負載下的網絡場景，兩種不同網絡負載的網絡場景發包速率分別為1packet/s、5packets/s，分別表示輕負載業務流網絡場景和重負載業務流網絡場景，并分別在兩種不同的網絡負載場景下對DSDV，DSR，AODV3種AdHoc網絡路由協議進行仿真，其中兩種業務流模型通過NS2工具Cbrgen生成，例如，nscbrgen.tcl-typecbr-nn50-seed0-mc20-rate1.0（5.0）>cbr-50n，節點運動場景則通過場景發生器Setdest生成。
2.2仿真結果分析
移動AdHoc網絡中常用的性能指標包括平均端到端時延、分組投遞率、路由負荷。仿真過程中選擇以上3項進行分析比較，各性能指標值從仿真后的Trace文件中獲得，并通過改變節點的停留時間表示節點的移動性，停留時間越短說明節點運動越激烈，拓撲變化越頻繁。
2.2.1端到端平均時延
該性能指標包含所有時延，如接口隊列排隊時延、MAC層重傳時延、傳播時延、傳輸時延。
由圖1和圖2可知，無論表驅動路由協議還是按需路由協議，在重負載網絡下，3種協議的網絡時延都增大，在實時性要求比較高的網絡中3種協議都不適合。DSR最為明顯，其延時大幅增加，因為DSR使用緩存技術，在網絡負載增大的時候，緩存溢出，使鏈路的時延增大，尤其是節點移動性比較大的時候，DSR協議中的路由緩存不能及時更新，導致節點使用無效路由；在輕負載情況下，節點移動性比較小時DSR的時延性能最好，AODV和DSDV性能相似；在重負載情況下，低移動性與較高移動性相比時延性能相似，這是因為高移動性下節點的移動導致鏈路斷開，使源節點重新路由，這樣就避免了因部分節點負載過重發生擁塞而丟棄數據分組造成更大的時延。
2.2.2分組到達率
分組到達率是目的節點接收的數據分組數與源節點發送的數據分組數的比值。這個指標反映了協議的完整性、正確性、可靠性和適應網絡變化的能力。
圖3與圖4對比表明重負載下3種協議分組投遞率均遠遠低于輕負載的情況。圖3表明，輕負載情況下，AODV與DSR具有良好的數據傳輸率，DSDV性能則較差且節點的移動性越強其分組丟失越嚴重，這是因為DSDV是表驅動路由協議，每個節點都維護到全網的路由信息，在節點高速移動的情況下即網絡拓撲頻繁變化的情況下，要頻繁更新路由表項，且在短時間內無法建立新的有效路由，導致分組丟失嚴重。圖4表明，在重負載情況下3種協議分組投遞率性能均不好，且節點移動性的降低并沒有使分組投遞率有太多提高。可見3種協議在重負載情況下分組到達率均不理想。
2.2.3歸一化路由開銷
該性能指標定義為發送和轉發的總路由分組數與接收數據分組數的比值，用于衡量協議的效率。路由分組包括路由請求分組、路由應答分組及錯誤消息。
由圖5和圖6所知，除了DSDV，DSR和AODV在重負載情況下的路由開銷稍高；表驅動路由協議DSDV隨節點移動性的變化，路由負荷基本保持不變；除了在移動性很強的情況下，按需路由協議DSR比AODV在路由開銷方面的性能要好，這取決于DSR采用的緩存技術和混雜接收方式偵聽路由請求分組，大大降低了路由負荷，所以DSR的路由負荷性能比AODV好。
3結語
節點密度、節點移動性、網絡負載等都是影響AdHoc網絡路由性能的因素，而其中網絡的負載是其中最關鍵的因素之一。本文通過無線網絡仿真工具NS2基于兩種負載情況建立網絡場景，并分別在這兩種網絡負載的網絡場景下對AdHoc兩類典型的路由協議進行仿真分析。從以上仿真分析結果可知，在輕負載網絡環境下，各協議時延性能差別不大性能較好，DSDV的分組投遞率即使在輕負載下性能也很差，但路由開銷上隨網絡環境的變化表現了良好的穩定性。在重負載網絡環境下，各協議各性能指標均惡化，3種協議都不太適合重負載網絡環境，尤其是DSR不適用于重負載高速的網絡環境但在輕負載網絡拓撲相對穩定的情況下DSR各性能指標均表現了良好的特性，DSDV也不適應于網絡的高速變化，AODV協議作為DSR與DSDV的綜合，對移動性和業務量的適應能力較強。可見3種協議都有各自的優缺點，具體使用何種路由協議根據網絡的具體要求及各協議的優缺點決定。所以，AdHoc網絡路由協議一直被很多人研究，人們希望能研究出適合各種網絡場景的AdHoc路由協議。近年來也有一些負載均衡路由協議的研究，但都只是就網絡性能的某一方面有所提高，僅適用于特定的網絡場景，結合高層或底層信息設計性能良好的跨層負載均衡路由協議是負載均衡路由協議研究的重要方向之一。
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關鍵詞：自組網; 組播路由協議; 傳輸效率; 按需驅動
中圖分類號：TN915-34文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2011)01-0007-04
An Efficient Multicast Routing Protocol in Small Scale Ad Hoc Network
LIU Xiao-pei, LI Ying, ZHANG Hao, XU Shu
(Chongqing Communication University, Chongqing 400035, China)
Abstract： The multicast routing protocol has a wide application in Ad Hoc network. It is hard to design a multicast routing protocol with high efficient and transmission capability for the change of topology. On considering the mobility, discovery and maintenance of routing in Ad Hoc network, a new efficient routing protocol based on the stateless multicast routing protocol is proposed to improve the transmission efficiency.
Keywords： Ad Hoc; multicast routing protocol; transmission efficiency; on-demand driven routing
0 引 言
Ad Hoc網絡終端具有路由功能，是由一組帶有無線收發裝置的可移動節點組成的一個多跳的臨時性自治系統。因其具有獨立自組網能力以及無中心、動態性、易于鋪設等特點被廣泛應用于緊急救援、道路交通、軍事戰場、偏遠野外和探險等臨時信息系統建設，成為當今的一個研究熱點［1-2］。
基于Ad Hoc的組播路由協議有多種分類方法，┮話悛把它們按組播傳輸結構可分為樹狀組播路由協議、柵格狀組播路由協議、混合性組播路由協議和無狀態組播路由協議。在小規模的Ad Hoc網絡中，無狀態組播路由協議因其獨特的性能和特點得到眾多研究人員的關注和認可。
無狀態組播路由協議是基于這樣一種考慮：基于樹和基于網格的組播路由協議都需要進行路由樹或網格的創建和維護，Ad Hoc網絡頻繁的拓撲變化導致這種過程的開銷非常大。為了減少這種開銷，無狀態的組播路由采用組播發送者集中管理組播成員關系的方法，在分組的報頭中顯式的列出組播的接收者，中間節點不需要維護動態的組播路由信息。無狀態的組播路由主要用于小規模的組播，并由單播路由協議根據分組的報頭轉發到各個接收者。
1 DDM協議
DDM［3］(Differentail Destination Multicast)是┮恢知典型的無狀態組播路由協議，它由組播發送者負責對成員的管理。當節點加入組播組時，利用單播路由，發送JOIN消息到組播發送者，JOIN消息包括組播的ID號，加入節點的ID號，發送者的ID號。組播發送者接收到JOIN后，將加入節點的ID號加入成員列表中，加入節點就成了一個組播發送者的接收成員。
成員列表的更新是發送節點主動完成的。發送成員在數據分組中周期地捎帶一個查詢標志，接收成員通過單播一個JOIN信息來響應發送成員的“查詢”。當一個成員需要退出組播分組時，顯式地發送一個LEAVE消息。
DDM議的關鍵技術是基于組播接收成員的轉發報頭計算與編碼，DDM采用差分編碼。它的控制包有四種類型，即JOIN,ACK,LEAVE和RSYNC。┣叭種控制分組用于成員控制算法，RSYNC用于節點與其上游節點的組播成員列表同步。DDM的包格式如圖1所示。其包格式分數據包和控制包，數據包主要包括DDM報頭和有效負荷。
圖1 DDM的包頭格式
每一個DDM塊對應一個下游鄰居。DDM塊包括有期望的接收者、DDM塊類型、DDM塊序列號。有┤種類型的DDM塊：空(Empty)塊、刷新(Refresh)塊、差分(Difference)塊，簡便記為E,R,D。在無線廣播網絡中，到不同鄰居節點的DDM塊可能匯聚到一個分組中，以減少傳輸次數。
DDM的包頭中需要轉發的信宿節點的集合稱作FS。在組播的源節點，FS和成員列表是一致的。在其他節點，FS是所有上游鄰居節點FS的并集。節點到達FS中的信宿節點的路徑是不同的，根據轉發的┫亂惶，可將FS中的信宿節點劃分為不同的子集，成為方向子集DS。每個DS對應一個下游鄰居節點。┟扛霆DS還包括一個強制刷新標志，用于轉發組的同步。節點在接到數據包以后，首先比較序列號，如果已經處理過，則丟棄該包，并根據DDM快的期望接收節點，定位自己的DDM塊。如果是R塊，則創建新的FS，如果是D塊，則更新FS，FS=∪FS。
當采用差分編碼時，在DDM塊中僅包含節點的差分列表，因此保持上游節點的FS表與下游節點的DS表的一致性是十分重要的，DDM用序列號來維護表的同步。每個DDM塊都有一個序列號，來標記上游節點FS表的序列號為，每發一個分組序列號加1，發E塊時不變。當節點檢測到序列號不連續時，就發送一個RSYNC消息到相應的上游節點，接收到RSYNC的節點根據發RSYNC消息的節點的ID定位將發送DDM相應的分組DSS，并更新列表，從而使列表同步。
2 對DDM的分析和擴展
評價一個協議好壞的標準有很多，其中數據傳輸效率是很重要的一條。在Ad Hoc環境中，能量和帶寬是有限的，怎么樣在一定的時間里用盡可能少的能量傳輸盡可能多的數據，一直是人們努力實現的技術。DDM是一個適用于規模小、移動速度快的Ad Hoc環境，但從DDM的包格式來看，其控制部分在整個包中占了很大比例，這將嚴重影響協議的傳輸效率。一般情況下，按需路由協議的包頭都帶有大量控制信息；表驅動的路由協議則需要大量的控制信息。
表驅動路由協議又稱為主動式的路由協議，該路由協議試圖維護網格中各個節點到其余所有節點的最新路由信息，所有路由信息保持一致。每個節點都維護┮徽弄或幾張到網絡中其他節點的信息表，當網絡拓撲結構發生變化時，節點通過交互信息來實時地維護網絡路由表。在表驅動協議中，由于每個節點需要實時地維護路由信息，這樣在網絡規模較大、拓撲變化較快的環境中，大量拓撲信息更新消息會占用過多的信道資源，使得系統效率下降。按需路由協議是只有在節點有數據要發送時，才激活路由發現機制尋找到達目的地的路由，很多控制信息加在數據包上，減輕了網絡負擔，靈活性、健壯性較好，但其包格式的控制部分占比例太大，影響傳輸效率［4］。
為了保持協議的傳輸效率和健壯性，可以取長補短，使用表驅動和按需驅動兩種方式相結合的協議。即組播路由的發現和維護使用按需驅動的方式，而傳輸組播數據包則用表驅動的方式。這里提出一種同樣適用于規模小，移動速度快的Ad Hoc環境的新的組播路由協議EDDM。
3 EDDM組播路由協議
EDDM(Efficient Differentail Destination Multicast)是一種靠單播鏈路來進行分發的組播協議，它是使用按表驅動和按需驅動混合的一種高傳輸效率的組播協議。它內嵌的單播協議也是DSR協議。
3.1 EDDM的包格式
EDDM主要有JOIN,REQ,ACK,DATA,LEAVE和RSYNC六種包格式，其中，JOIN,REQ,ACK,LEAVE和RSYNC是控制包，它們的包格式是DSR格式，如JOIN的包格式，如圖2所示。JOIN,REQ,LEAVE是用來維護和發現路由的，RSYNC是用來同步數據包的。這些包中含有部分控制信息，包頭相對較長。
圖2 JOIN包的格式
DATA包是數據包，它的格式相對就簡單多了。為了提高傳輸效率，EDDM的數據包不包含控制信息，控制信息都寫在節點內部的表中，其格式如圖3所示。
圖3 DATA包的格式
3.2 組播路由的發現和維護
EDDM的路由維護和管理是由組播的發送者來實施的。其過程如下：
(1) 想加入組播的節點通過向源節點單播一個JOIN消息來加入組播組，源節點收到JOIN消息后，把發送JOIN的節點加入組播組然后單播REQ消息給請求的節點。
(2) 中間節點在收到JOIN消息后，就認為自己是組播的轉發節點，并記下JOIN消息的上一個節點、下一個節點以及JOIN消息的發送節點，從而建立了┮恢華組播鏈路。
(3) 組播源節點周期性的組播確認信息REQ，當成員節點收到REQ后，將回復JOIN消息。
(4) 如果組播成員節點在規定的時間內沒有收到REQ消息，那么它將繼續周期性的發送JOIN消息，直到得到源節點的回應。
(5) 如果某條鏈路在數據轉發的過程中發生斷鏈，那么發現斷鏈的節點將使用單播的形式發送RSYNC消息給與本鏈路相關的各個目的節點。目的節點收到RSYNC消息后將重啟單播尋路機制，然后向源節點發送JOIN消息，從而達到維護路由的目的。
(6) 如果某個目的節點想退出組播組，則發送LEAVE消息給源節點，那么沿途所有收到LEAVE消息的中間節點都會取消針對退出的目的節點的數據轉發。源節點如果在規定的時間內沒有收到某個成員的JOIN消息，也沒收到LEAVE消息，會將該節點從組播成員中刪除。而中間節點如果在一定的時間內（這個時間設定為刷新時間的2倍）沒有收到經過它的JOIN消息，則認為自己不再是中間節點，不再轉發數據。
3.3 EDDM數據包的轉發
當源節點廣播數據包時，源節點和目的節點之間已經通過發送JOIN消息和REQ消息建立起了組播路由。組播路由表是獨立于單播路由表的，它只是從靠JOIN消息中解讀出有用的信息保存在JION所經過的節點的表中。
(1) 當一個中間節點收到一個組播數據包，先檢查是不是收到過同樣的包，如果以前收到過則銷毀。
(2) 如果第一次收到這個包，則檢查這個包經過的上一個節點號和它的組播號并將他們跟自己的組播路由表對比，看其是否與自己相關如果不相關則銷毀。
(3) 如果這個數據包與自己相關，則立即給上游鄰節點發送ACK消息并廣播數據包，然后等待下游鄰節點的ACK消息。
(4) 如果在規定的時間內沒有收到下游鄰節點的ACK消息，則認為該處斷鏈。
4 仿真與分析
為了評測EDDM協議的性能，使用NS2仿真工具對其性能進行模擬研究，并與經典組播協議ODMRP進行比較。網絡中節點通信半徑最大為250 m，信道能力為2 Mb/s，節點的無線傳輸模型選Two-Ray Ground傳輸模型，仿真過程中每個組播組中僅有一個信號源發送數據；仿真時間為400 s，節點移動速度為2~20 m/s。節點在1 000 m×1 000 m的矩形平面空間中進行隨機運動移動。
本實驗針對ODMRP和EDDM的數據包傳輸效率進行了仿真比較，比較結果如圖4所示。從圖中可以看到，組播成員節點相對較少的情況下，EDDM的數據包傳輸效率明顯優于ODMRP。但隨著成員節點個數的增多，其性能逐漸下降,說明EDDM的擴展性不強。在這里沒有從仿真中嚴格比較DDM和EDDM在數據傳輸效率方面的優劣，但給出了EDDM和ODMRP的比較。在成員節點數目較少的情況下，他的數據傳輸效率都優于ODMRP，但這種優勢也都隨著組播成員個數的增多而變小。
圖4 EDDM和ODMRP的數據包傳輸率比較結果
從傳輸單個數據包的角度來看，EDDM的效率與DDM的效率相比差別很大。現在設DDM的源節點周圍有m個下游節點(也就是說第一次轉發的數據包中需要帶m個DS塊)，設每個DS塊中有n個目的節點，m和n的最小值為1，每個段按最小8位，x為數據大小，гDDM的數據部分占總大小比例為
圖5 DDM和EDDM數據部分在數據包中的比例
5 結 語
EDDM是一種使用于小規模的高效組播路由協議。它從無狀態組播路由協議延伸而來，是一種樹狀結構的協議，但其狀態結構的組織非常松散，類似于無狀態的組播結構。該協議充分考慮了表驅動與按需路由驅動的優缺點，是從實際應用出發，使用二者相結合的方式形成的一種高效數據傳輸協議。從各個方面的比較來看，EDDM確實有效地保證了在小規模、高速度Ad Hoc網絡中的高效數據傳輸。
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作者簡介：
劉曉培 男，1981年出生，碩士研究生。主要研究方向為Ad Hoc網絡組播研究。
李 穎 男，博士,副教授,碩士生導師。主要研究方向為 Ad Hoc網絡。
關鍵詞：無線傳感器網絡；RPL路由協議；Cooja仿真工具
中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0211-03
Abstract： In Wireless Sensor Networks，the node’s processing capability，storage capacity and energy are limited by the hardware.The RPL routing protocol is an IPv6 routing protocol proposed by the IETF RoLL working group and specifically designed for Low-power and Lossy Networks.This paper introduces the RPL routing protocol topology，routing construction and security mechanisms. Finally，the routing protocol is simulated by Cooja simulation tool，and the efficiency of the routing protocol in wireless sensor network is verified.
Key words： Wireless Sensor Network； RPL routing protocol； Cooja
傳統上基于現場總線傳輸網絡的監測技術存在著設備搭建復雜度高、拓展性受地域影響較大等缺點。基于6LoWPAN技術搭建的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），借由物聯網的概念以全IP的方式實現傳感器節點與互聯網互聯，具有易于布置、易于維護、易于拓展等優點。
無線傳感器網絡是由許多散布于工作區的節點組成，在監測地域自組織的構成網絡。設備受體積所限，普遍具有處理能力差、傳輸速率低、能量儲備有限等問題，網絡連接也存在高丟包率、低數據傳輸和不穩定等特性。為了減少組網開銷，維護網絡拓撲結構穩定，IETF RoLL工作組提出了RPL路由協議。RPL路由協議通過交換距離矢量構造一個有向無環圖（Directed Acyclic Graph，DAG），節點通過廣播方式與其余節點互相交換信息，計算最優路徑，有效防止路由環路問題。
本文詳述了無線節點通過RPL路由協議組網的拓撲結構，路由的建立過程，安全機制等，最后通過Contiki系統的Cooja工具模擬無線網絡環境，進行了仿真并驗證其性能。
1 簡述
RPL是基于Ipv6而設計的距離矢量路由協議。基于有向無環圖的拓撲概念，通過使用目標函數（Object Function，OF）和度量集合構建以目的節點為導向的有向無環圖（Destination Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG）。最優路徑依賴于目標函數的約束條件和度量。
1.1 無線網絡拓撲結構
與日常有線網絡的點到點傳輸不同的是，無線傳感器網絡受地域環境限制，一般沒有預先設定好的拓撲結構，無線節點必須自己去發現其他的節點并根據RPL規則建立通信。RPL路由把網絡內的所有無線節點向外的信道匯集到一個或者多個指定的出入口，外部的信息也從這些出入口分發到網絡里面的節點。因此，整個無線網絡被視為一個DAG圖，RPL路由協議將這個DAG圖分割為多個DODAG圖，每個DODAG圖含有一個root節點（出入口，可以接收或發送外網信息）。
2.1 DODAG的形成和向上路由的建立
在節點上電開始工作之前，根據實際應用環境指定不同的節點分別作為root節點和node節點。上電之后，root節點會向臨近的所有節點廣播DIO消息，不同的root節點可能同時廣播DIO消息，有時會造成一個節點同時收到多個DIO消息，這時接收節點會根據DIO消息中攜帶的信息，通過比對Rank值、目標函數以及根據路由選擇度量標準量化的ETX值選擇是否加入該DODAG圖。當節點加入該DODAG圖后，root節點隨即成為這個節點的父節點。當父節點確定之后，該節點會對自己DIO消息中的路由方面的信息進行修改，然后將含有新路由消息的DIO消息向臨近自己的其他節點發送。如此循環，其他的節點也會收到許多DIO消息，通過同樣方法確定自己的父節點。在路由建立時，節點的下一跳都為其父節點，至此向上的路由建立起來。
2.2 向下路由的建立
向下路由的構建存在著兩種模式：Storing Mode和Non-Storing Mode。在構建過程中node節點可以保留向下的路由信息的模式為Storing Mode，而只有root節點能保存的模式為Non-Storing Mode。
在Storing Mode下，節點通過比較上一級多個節點發送的DIO消息，確定自己的父節點，會對父節點發送DAO消息進行回復。父節點收到DAO消息，處理其前綴信息，并在路由表上加入一條路由項，從而更新了整個路由表。當這個父節點完成該步驟后，它會向自己上一級的父節點發送DAO消息包，如此循環直至整個向下路由建立起來。
而在Non-Storing Mode下，節點處理DIO消息后向root節點直接回復DAO消息，而其父節點不會接收這些消息，只是這些消息要經父節點轉發。最后當root節點收到所有節點發過來的DAO消息后，就會建立到所有節點的路由表。
3 安全機制
3.1 環路避免和檢測
在傳統網絡中，由于節點位置和拓撲位置不同步，可能導致臨時環路的產生。環路可能導致丟失數據包、堵塞鏈路等問題，因此要求迅速檢測出環路。但在無線傳感器網絡中，環路對整個網絡的影響是有限的，相反如果采取較大的措施避免環路反而會導致節點能量消耗與路由混亂。因此RPL協議允許環路的出現，定義了兩種基于Rank值的策略來盡量避免環路的出現。
1） 不允許節點選擇DODAG圖中Rank值更大的節點作為自己的父節點。
2） 不允許節點在DODAG內向更深方向移動（增加Rank），以便增加父代集規模或改善其他度量。
3.2 修復機制
當無線節點出現能量耗盡或因故障不能繼續工作時，為了數據正常轉發需建立其他路由，RPL路由協議支持兩種修復方式：全局修復和局部修復。當監測到鏈路失效后，節點在向上方向沒有父節點，觸發一個局部修復以尋找另外父節點；當局部修復發生時，有可能會破壞整個DODAG圖的最優模式，或者當root節點失效，該DODAG圖就會重建，從而觸發全局修復，DODAGVersionNumber的值會加1。
3.3 Trickle Algorithm定時器
4 Cooja平臺仿真及分析
Cooja作為Contiki操作系統的自帶插件，能夠對大量節點進行模擬仿真。本文模擬一仿真環境，存在一個root節點，10個普通節點，設置節點以隨機的方式分布在仿真環境中。節點1是root節點，其余節點為普通節點，圓圈表示節點1的通信范圍，通信范圍外的節點只能通過其他節點轉發與節點1通信，仿真環境如圖2所示。
在網絡拓撲結構第一次穩定之后，如圖3所示。但節點不允許選擇DODAG圖中更深的節點作為自己的父節點，通過比對Rank值與ETX值，節點3重新選擇節點5作為自己的父節點，RPL協議發起一個局部修復，根據涓流算法，重置Trickle Timer定時器，提高DIO消息包發送頻率，如圖4所示。節點3在01：05左右重置定時器，重置DIO消息包發送間隔，直至DODAG拓撲結構穩定，新的拓撲結構如圖5所示。
人為挪動節點7、8位置使其相對位置變化導致DODAG拓撲結構發生變化，節點4、6、11重新選擇自己的父節點，新的拓撲結構如圖6所示。RPL路由協議發起一個局部修復，根據涓流算法（Trickle Algorithm），重置Trickle Timer定時器，提高DIO消息發送頻率，待其穩定之后，仍會按照“階梯”式增長。涓流算法對節點DIO消息發送頻率的影響如圖所示，從圖7中可以看出節點到達一個階梯上，原因是涓流算法第四步會檢測當前積累的一致性的數量是否小于冗余常量，只有滿足該條件后才可發送數據包，從而避免了所有節點在檢測到不一致現象后同時反應引起的廣播風暴。圖8為節點4移動后，由于大量的發送DIO消息包導致的功耗急劇上升。
5 結語
RoLL工作組為了解決低功耗有損網絡的路由問題，提出了RPL路由協議。該協議利用ICMPv6的控制消息DIO、DIS和DAO來實現路由過程。本文使用Contiki Cooja模擬器模擬了實際仿真環境中的組網過程，同時在網絡拓撲結構發生變化時，通過修復機制重置Trickle定時器，有效地控制消息包的發送頻率，從而降低路由協議開銷。
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