无线传感网络中RPL路由协议研究及性能分析
胡亚杰+高天初+李轩
【摘要】 文章通过下文对具体环境中，RPL路由协议的性能进行了分析和测。首先介绍了相关的测试环境的软件和硬件参数；然后通过这些软件和硬件，将路由公平性、路由协议、交付率和吞吐率四个性能指标确定了出来，并且，详细的进行了分析，之后，通过这四个指标开展了相应的性能评估活动。
【关键词】 真实环境 RPL路由协议 性能评估
在无线局域网中，RPL路由协议发挥着重要作用，当前，RPL协议还处在草案阶段，只是一个工作组文稿，还需要进一步的完善与改进。因此 ，为了能够更好的了解和掌握RPL路由协议，文章通过下文对真实环境下RPL路由协议性能评估的相关内容进行了分析。
一、RPL应用规范分析
距离矢量的路由协议即为EPL，RPL利用根节点能够将无环有向图构建起来，并且都有一根能够到达根节点的路径被设置到了网络中。通过层级可以表示出根节点和节点的的相对距离。并且，顺着根节点到叶子节点的方向，会逐渐递增节点的各个层级。并且，RPL会通过目标函数将根节点到节点的路径成本确定出来，进而将最合理的路径选择出来。因为RPL协议把路由处理、路由路径和转发分开进行处理。这样在不同场合内都可以灵活的应用RPL。
1.1构建DODAG节点
因为在定义RPL主要围绕三个节点开展的，主要是路由节点、叶子节点和边缘路由器。
在构建DODAG时，首先通过根节点广播控制相关传播消息。构建从叶子节点到各个根节点的路由信息。在根节点接收到DIO以后，这样就会按照DIO内的目标函数，将自身的rank值计算出来，然后按照相关的规则将属于自己的父节点选择出来。然后向DIO消息中更新了自己的rank值后，再次转发DIO信息。
1.2构建通信方案
对于点对多点、点对点、多点对点的通信模式，RPL都能够给予支持。
首先，点对多点。它指的是从跟点到叶子节点或者到路由节点的下行路由策略。为了保护下行路由，各个节点要求对1个路由表进行维护。进而便于对自身的DODAG内的节点地址进行存储。
其次，点对点。DODAG内的任何两点之间的点对点路由都可以通过RPL提供出来，并且，可以从这样两个方面认识理解点对点的路由：其一，如果在源节点的射频范围内控制着节点，这样就会向目的点直接发送源节点。其二，通过节点的村存储模式能够判断出点对点的机制。
再次，点对多点，在这种模式中，一般会通过上行路由的方式从多个节点入手发送信息数据。先路经每个节点的父节点，之后向边缘路由器中进入，这样，RPL网络到Internt的连接接口就可以通过边缘路由器提供出来。
二、真实环境下PRL路由协议的性能评估对策
2.1测试步骤及方法
首先利用USB接口将基本的测试程序拷贝到Telosb节点内，将网关和节点连接，作为根节点，剩余节点当作非根节点。然后在实验楼中随机布置这些节点，将一个以楼宇自动化应用场景为背景的中级规模测试网络构建起来，由40个节点构成该网络。待向网络中成功的加入了这些节点后，并将根节点路由建立起来后，将数据发送速率、测试持续时间T和数据包大小等参数设置在网关中，利用网关把有关参数与测试命令发送给根节点，按照节点相全网广播相关参数与命令，非根节点在得到有关命令后，就设置的参数将测试流程打开。在完成一轮测试后，将测试结果收集好，之后对有关测试参数进行调整，再开始全新的一轮测试，直到所有测试都完成后，分析最终收集的数据。
2.2相关数据分析
如果测试参数不同，吞吐率也会存在差异，如下图，通过这个图能够发现，当在1-16个/秒的时维持数据包发送速率时，节点的发送率和吞吐率之前就会呈现出一种线性关系；如果在16个/秒以上控制发送速率时，尽管吞吐率还在不断变化，然而并非以线性关系出现；如果在20个/秒左右控制发送速率后，就会有非常小的吞吐率，在将数据包的发送速率进一步加大以后，所得到的测试数据表明，会在631.56个/秒左右控制路由协议的最大吞吐率。然后在条件相同的情况下，对RPL路由协议通过相同的数据进行了测试，最后得出路由协议的最大吞吐率是663.32个/秒。作为RPL路由协议的经典，ContikiRPL的应用量在不断增加。相对来讲，TinyRPL路由协议在吞吐率方面会差一点，还有提升和改进的空间。
2.3数据包交付情况
通过实践调查得知，如果在1-16个/秒控制数据包发送速率时，就会在0.9011左右控制数据包交付率，如果有50个左右的发送速率时，只有0.3138的数据包发送成功率；在持续增大了发送速率后，就会不断降低数据包交付率，一直到接近0。测试结果表明，在较低的网络负载情况下，TinyRPL路由协议的包交付率最高才达到0.95，这就表明，在包交付方面，TinyRPL还较为欠缺，為了能够投入应用，还有很多地方需要完善。相对来讲，ContikiRPL的包交付率会好很多，0.9654是它最大的包交付率。
2.4分析路由协调性
通过相应的测试表明，不但数据包的发送速率会影响到路由公平性，最大的网络跳数也会影响到路由协议的公平性。如果在1处控制网络的最大的跳数，这样，通过一跳将各个节点发送的数据向节点内转发，在0.015左右控制路由公平性，表现比较优越。如果在3处控制网路的最大跳数，这样在相应的提升了数据包发送速率后，路由公平性也会逐渐降低。这就说明，有较大的节点跳数存在于根节点中，这样就很难向根节点出发送数据。
2.5路由协议开销
网络内各个节点路由协议开销的随时间变化情况可以用下图来表示，通过下图分析得知，起初的时候，路由协议有着较大的开销，这是由于各个节点要多次交换相应的控制信息构建路由。最高会在250字节/秒控制一跳类节点的路由协议。再次测试证明，随着网络规模的增加，这个最大值也会发生变化，大概在过了50秒后，就会完全建成全网的路由，也可以稳定的运行网络拓扑结构，进而开始渐渐降低路由协议开销，最后控制在26字节/秒左右。
三、技术应用展望
同现阶段的研究成果相结合，需要进一步研究以下几个方面：
1、对多跳网络环境下生成路径的算法进行研究，科学的选择路由设备，从而将数据包的达到率提升，将多跳网络环境内的路由公平性增强。
2、完善与改进测试系统，降低由于测试系统引入的误差和干扰，将测试结果的精度提升。对国外最新的Program in Air 成果进行参考，将远程更新模块添加到测试系统中，通过无线信道更新节点，将节点部署速度提升，从而将实验成本降低。
3、文章主要在單一的网络环境下对Tiny RPL路由协议的性能进行的测试，所得到了结果只有参考价值，所以，应该在一定的规模下完成更深层次的研究，在各种网络覆盖的真是场景下完成。
4、更加深入的对比分析和测试Contiki RPL与Tiny RPL协议，对它们在多种应用场景下的实际表现情况进行研究，找出其中的优点和不足，将商用级RPL路由协议设计出来。
四、结语
文章通下文对路由协议数据包交付率、路由协议开销、路由协议吞吐率和路由公平性的一些性能进行了评价与分析。在吞吐率方面，Tiny RPL 路由协议还是能够满足需求的，再者就是数据包交付率，通过分析得知，在0.9021控制着Tiny RPL 路由协议最高数据包交付率，对比其他路由协议，它的性能较差，然后就是公平性，在发送速率较低的情况下，Tiny RPL 路由协议有着比较优越的公平性。那么，路由协议开销中，在开始运行网络时，路由协议会有较大的开销，然而，在稳定了整个网络后，就会降低路由协议开销。总的来讲，在路由协议开销、吞吐率方面，Tiny RPL 路由协议性能是非常优越的。但是，在路由公平性与数据包交付率方面，还有待于进一步完善和改进。
参 考 文 献
[1]李树军. 真实环境下RPL路由协议性能评估[J].长春理工大学学报（自然科学版）：897-898.
[2]张西红，角阳飞，高彦彦.基于Tinyos的传感器网络程序实例开发[J].无线电通信技术.2009（01）：632-633.
[3]李建，周颢，赵保华.路由协议一致性测试系统研究及实现[J]. 计算机工程与应用.2015（16）：666-667.
[4]倪淑燕，李春月，廖育荣，陈帅.一种适用于高空平台通信网的抗毁路由协议[J].装备学院学报.2017（01）：321-322.
[5]刘峰.Ad Hoc典型路由协议仿真实现与性能分析[J].软件导刊. 2017（01）：369-371.
[6]李楠，宋科，陈佃军.一种自组织网络DSR路由协议改进方法的研究[J].电子技术应用.2013（07）：952-953.
[7]孙志.无线Mesh网络中基于分簇的多约束QoS路由协议[J].计算机应用.2011（03）：412-413.
[8]胡芹艳，尹长川.无线传感网络中的RPL路由协议研究[J] 物联网技术.2014（01）：521-522.
[9]朱琳，高德云，罗洪斌.无线传感器网络的RPL路由协议研究[J]. 计算机技术与发展.2012（08）：987-988.
[10]王祖良，张婷，田川，郑林华.基于码分多址接入的无线移动自组网吞吐量性能分析[J].计算机应用研究.2017（11）：231-232.
