面向移动物联网环境的基于多路由指标的RPL改进路由.pdf

Multi-Routing Metrics-based Improved RPL in Mobile Internet ofThings EnvironmentYU Tong（Department of Electronic Information Engineering，Yongcheng Vocational College，Yongcheng 476600，China）Abstract：In order to improve packet delivery ration in mobile internet of things environment，multi-routing metrics-based improved RPL（MRPL）is proposed.MRPL protocol focuses on the durationof link，and selects a link with a long duration to transmit data so as to improve the delivery rate of data.Three routing indexes，such as the residual energy factor，duration of link and stability of routing areused to construct compound objective function，which avoids the single routing metric problem oftraditional RPL.The weight of three routing indexes in the compound objective function is set withentropy method，so that the next hop node selected by MRPL route can provide longer link duration.Theperformance analysis shows that the proposed MRPL routing improves the delivery rate of data package.Key words：internet of things；RPL；routing metrics；duration of link；entropy methodCitation format：YU T.Multi-routing metrics-based improved RPL in mobile internet of thingsenvironment J.Fire Control&Command Control，2023，48（6）：108-113.收稿日期：2022-04-12修回日期：2022-05-30基金项目：河北省高等学校科学技术研究青年基金（QN2019172）作者简介：于童（1982），女，河南永城人，本科，讲师。研究方向：计算机网络。*摘要：为提高移动物联网环境的数据包传递率，提出基于多路由指标的 RPL 改进路由（MRPL）。MRPL 路由侧重链路的持续时间，选择链路持续时间长的链路传输数据，进而提高数据包传递率。MRPL 路由采用剩余能量因子、链路持续时间和路由稳定性 3 个路由指标构建复合目标函数，避免传统的 RPL 路由指标单一问题。并引用熵值法设定复合目标函数中 3 个路由指标的权重，使 MRPL 路由所选择的下一跳节点能够提供更长的链路持续时间。性能分析表明，提出的 MRPL 路由提高了数据包传递率。关键词：物联网；RPL；路由指标；链路持续时间；熵值法中图分类号：TP393文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-0640.2023.06.017引用格式：于童.面向移动物联网环境的基于多路由指标的 RPL 改进路由 J.火力与指挥控制，2023，48（6）：108-113.面向移动物联网环境的基于多路由指标的 RPL 改进路由*于童（永城职业学院电子信息工程系，河南永城476600）0引言随着微控制器以及传感技术的发展，物联网（internet of things，IoT）1-2已在智能交通、智慧农业、康复医疗等领域广泛应用。预期到 2025 年，在物联网平台平均每人拥有不止一个智能设备。这些智能设备可能是静态的，也可能是移动的。然而，既有静态又有移动的智能设备组成的物联网通信可靠性和设备能耗面临着较大的挑战。由IETF 标准化的低功率低损耗网络路由协议（routingprotocol for low power and lossy network，RPL）是面向静态物联网2-5。移动设备的加入，降低了 RPL 路由文章编号：1002-0640（2023）06-0108-06Vol.48，No.6Jun，2023火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 48 卷第 6 期2023 年 6 月108（总第 48-）的稳定性。因此，若将传统的 RPL 路由直接应用到移动物联网应用环境，路由可靠性以及数据包传递率得不到保证。为此，研究者对传统的 RPL 路由进行改进，使其更适用于移动环境。例如，文献 6 提出基于接收信号强度（received signal strength index，RSSI）的改进RPL 路由。该路由引用移动检测机制，进而提高设备的能效。类似地，文献 7 采用了定位算法，估计移动节点的位置，进而调整路由，提高了路由的可靠性。文献 8 采用增强学习算法估计链路的有效时间，使其适用于移动环境，提高了路由的可靠性。然而，这些改进路由只采用单一路由指标构建目标函数。由单一路由指标所选择的最优路径无法满足物联网的多类应用需求。此外，由移动和静态设备组成的物联网，对路由的稳定性提出了更高的要求。为此，提出基于多路由指标的 RPL 改进路由MRPL。MRPL 路由先从节点剩余能量以及链路持续时间两方面计算路由指标，再引用熵值法设定路由指标的权重系数。本文的主要工作如下：1）提出剩余能量因子、链路持续时间和链路稳定性 3 个路由指标，并对它们进行归一化处理，它们均是 01 间的参数；2）利用上述 3 个路由指标构建复合的目标函数；3）采用熵值法设定复合目标函数中 3 个路由指标的权重值；4）仿真结果表明，提出的 MRPL 算法增强了路由稳定性，提高了数据包传递率。1RPL 概述及存在问题RPL 属距离矢量路由协议9-10。在基于 RPL 的物联网架构中，网络内的节点呈树状型结构。每棵树至少存在一个 sink 节点，其作为树的根节点。这些节点构成一个有向无环路（directed acyclic graph，DAG）。通常将只含有一个 sink 的 DAG 称为定向DAG（DODAG）。利用目标函数（object function，OF），构建并更新DODAG。OF 通过路由指标构建 DODAG 内节点间的路径。一般依据物联网应用要求定义路由指标，如节点的能耗、传输数据包的可靠性，路由的稳定性。依据 OF 选择偏好的父节点（简称偏好父节点）作为下一跳节点，进而将数据包传输至根节点。此外，DODAG 中的每个节点依据离根节点的近似距离设置节点的秩值（Rank）。RPL 路由阶段有四类控制消息：1）DODAG 信息对象（DIO）。节点通过邻居分发 DIO 消息，获取网络参数；2）DODAG 信息征集（DIS）。通过传输 DIS，实现向 RPL 节点请求 DIO 消息；3）目标广播对象（DAO）。通过传输 DAO，建立上行路由；4）DAO-确认（DAO-ACK）。通过传输 DAO-ACK，告知 DAO 消息发送节点已收到 DAO 消息。传统的 RPL 路由只考虑单一路由指标，这无法满足物联网各类应用要求。特别是在移动应用环境中，若只考虑期望传输次数（ETX）指标11，所构建路由无法满足应用对数据包传递率的要求。为此，本文针对移动环境，选择链路质量、链路稳定性以及节点能耗构建复合目标函数。即采用多路由指标，综合估计父节点，使所选择的最佳父节点所构建的路由能够有效地传输数据包，进而提高应对移动环境的强健性。2MRPL 路由假定网络内有 n 个节点，它们构成节点集。每个节点有唯一的 IPv6 地址。BR 为根节点。此外，每个节点维持邻居列表，其中，c 表示邻居节点数。列表存储了邻居节点的属性。2.1路由指标本文采用 3 个路由指标：剩余能量因子、链路持续时间和链路的稳定性。假定节点 sj携带数据包，其需要从候选父节点中选择一个节点作为下一跳节点，即选择最佳父节点。令 Nj表示节点 sj的候选父节点集。2.1.1候选父节点的剩余能量因子计算候选父节点的剩余能量因子，其考虑父节点的能量变化速度。在计算候选父节点的剩余能量因子时，考虑两种情况：1）候选父节点为 BR；2）候选父节点不是 BR。当候选父节点为 BR 时，直接利用候选父节点的能量变化速度作为其剩余能量因子：（1）式中，表示候选父节点 si的剩余能量因子；、分别表示节点 si的初始能量、当前能量（剩余能量）。若候选父节点不是 BR 时，就考虑候选父节点的偏好父节点的剩余能量因子。在这种情况下，候选父节点的剩余能量因子的定义如式（2）所示：（2）式中，表示节点 si的偏好父节点的剩余能量于童：面向移动物联网环境的基于多路由指标的 RPL 改进路由1091063（总第 48-）火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 6 期因子；茁 为调整偏好父节点对剩余能量因子的影响因子，在仿真过程中 茁=0.2。2.1.2链路持续时间链路持续时间等于链路两端节点在彼此通信范围内的持续时间。引用链路持续时间，可提高链路稳定性。以图 1 为例，阐述计算链路持续时间的可能性。节点 A 向其邻居节点（C，D，E，B）广播 DIO 消息，其包含节点 A 的移动速度和当前的位置。邻居节点接收后，结合自己的位置和移动速度便可计算与节点 A 间链路的持续时间。若节点速度为零，则表示节点为静态节点。例如，节点 C 的移动速度为零，其属静态节点。图 1基于 DIO 消息计算链路可持续时间Fig.1Calculating the duration of link based on DIO information基于上述讨论，节点 sj可计算其与候选父节点间链路的持续时间。令（xj，yj）表示节点 sj的位置；令谆j表示节点 sj的移动速度。节点 sj将包含（xj，yj）和谆j信息的 DIO 消息向候选父节点广播，候选父节点接收后，就计算离节点 sj的相对距离：（3）式中，。由于节点移动，在经时间 t 后，可用式（4）更新节点的位置：（4）式中，分别表示节点 si，节点 sj的初始位置；谆i，谆j分别表示节点 si，节点 sj移动速度；，表示 谆i在 x 轴，y 轴上分量；，表示在 x轴，y 轴上分量。令 Tj，i表示节点 sj与候选父节点 si间链路的可持续时间；令 R 表示节点的最大通信范围。用 R 替换式（3）中，用 Tj，i替换式（4）中 t，可构建等式（5）：（5）通常，节点的最大通信范围是固定的，即 R 已知。因此，通过求解式（5）可估算链路持续时间。考虑到，对链路持续时间进行归一化：，其中，表示期望的链路持续时间。2.1.3路由稳定性因子Tj，i只反映了节点 sj与候选父节点 si间的一跳链路的持续时间，并没有考虑了 si与它的候选父节点的间链路的稳定性。令 Ti，p表示节点 si与它的偏好父节点间链路持续时间。若 Tj，i与 Ti，p越相近，则由节点 si作为下一跳节点所构建的路由越稳定。因此，将路由稳定性（RSE）定义为式（6）：（6）2.2复合目标函数的构建节点 sj有 n=Nj个候选父节点。令 rik表示第 i个候选父节点的第 k 个路由指标，其中，i=1，2，n，k=1，2，m。本文考虑了 3 个路由指标，则 m=3。用样本空间表示每个候选父节点的路由指标，则形成矩阵 专：（7）用 G（i）表示考量第 i 个候选父节点是否为最佳父节点的评估值：（8）式中，。棕k表示权重系数，且，m=3。因此，可构建如式（9）所示的复合目标函数 OF：（9）由于路由指标，和反映了不同的路由指标，它们权重系数对 OFcom有重要影响。因此，如何设定这些权重系数是评估候选父节点的关键，是构建稳定路由的基础。为此，采用熵值法设定权重系数。2.3基于熵值法设定权重系数作为客观赋值法的一种，熵值法通过获取指标变化的信息熵值而设定指标的权重值12，其赋值原则：给信息熵小的指标赋予较大的权重，给信息熵大的指标赋予小的权重。1101064（总第 48-）算法 1 给出基于熵值法估算权重系数的过程。先设定决策矩阵 D，用于解决 n 个方案、m 个属性的多属性决策问题。将矩阵 专 赋予 D。这作为算法 1 的输入，输出为各指标的权重系数。将算法 1 输出的指标权重值代入式（9），生成最终的：（10）最终根据式（10），选择具有最小 OFcom的候选父节点作为最佳父节点。图 2 给出产生最佳父节点的主要过程。图 2产生最佳父节点的主要过程Fig.2Main process of generating the optimal parent node3性能分析3.1仿真环境采用硬件开发平台 Zolertia Z1 和仿真软件Cooja 建立仿真平台。引用 CC2420 射频模式建立无线通信13。Z1 的主板为 MSP430 微处理器。在区域内部署一个 sink 和多个静态节点和多个移动节点，其中，sink 位于区域的左顶点。考虑两个仿真场景（Caseone 和 Casetwo），具体的仿真参数如表 1 所示。Case one 与 Case two 的主要差别：静态节点和移动节点所占的比例不同。在 Case one 中：移动节点和静态节点各占 50%，总的节点数从 2040 变化；节点传输数据间隔（TI）服从 30 s，60 s，90 s，120s 区间的随机分布；在 Case two 中：固定节点数为12 个，移动节点数从 2040 变化；所有节点采用相同的 TI。此外，为了更好地分析 MRPL 路由性能，选择传统的 RPL 路由（ORPL）和文献 14 提出的基于移动感知的 RPL 路由（MA-RPL）。MA-RPL 路由引用了 ETX 和 RSSI 路由指标构建目标函数。3.2数据包传递率分析 Case one 中的数据包传递率。图 3 给出了MRPL 路由、ORPL 路由和 MA-RPL 路由的数据包传递率，其中，图 3（a）中节点数为 20 个，图 3（b）中节点数为 40 个。考虑了两个移动模型：RandomWalk 和 Manhattan。对比图 3（a）和图 3（b），网络内节点数的增加对数据包传递率的影响较小。原因在于：固定节点和移动节点的比例相同。此外，从图 3 可知，相比于Manhattan 模型，移动节点采用 Random Walk 模型下的数据包传递率更高。相比于 ORPL 和 MA-RPL 路由，MRPL 路由提高了数据包传递率。原因在于：MRPL 路由在构建路由时，考虑到节点移动问题。目标函数关联到路由的稳定性以及节点能效，提高了路由的稳定性。而ORPL 和 MA-RPL 路由没有考虑到节点移动特性，所构建的路由不稳定，降低了数据包传递率。下页图 4 显示 ORPL 路由，MA-RPL 路由和MRPL 路由在 Case two 中的数据包传递率。从图 4 可知，相比于 ORPL 和 ML-RPL 路由，MRPL 路由提高数据包传递率。在所有情况中，比ORPL 和 ML-RPL 路由，MRPL 路由的数据包传递率最低也分别提高了 16%和 15%，最高分别提高了表 1仿真参数Table 1Simulation parameters（a）共 20 个节点（b）共 40 个节点图 3数据包传递率（case one）Fig.3Delivery rate of data package（case one）于童：面向移动物联网环境的基于多路由指标的 RPL 改进路由1111065（总第 48-）火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 6 期图 4数据包传递率（case two）Fig.4Delivery rate of data package（case two）约 64%和 58%。MRPL 路由在构建目标函数时，考虑了链路的持续时间以及稳定性，并避免选择剩余能量低的候选父节点作为最佳父节点，提高了路由的稳定性。而 ORPL 路由和 MA-RPL 路由考虑了期望传输跳数 ETX，接收信号强度 RSSI 和欧式距离 3 个路由指标。这些路由指标并没有考虑到节点的移动性，无法在节点移动环境中建立稳定路由。3.3控制包开销率控制包开销率是衡量路由性能的重要指标。在构建路由时，控制包数越多，节点获取更多的网络拓扑信息，提升路由的稳定性，但也增加了节点能量消耗。图 5 给出了 Case one 场景下控制包开销率。从图可知，MRPL 路由的控制包开销率分别比 ORPL路由和 MA-RPL 路由提升了约 21%和 30%。原因在于：MRPL 路由需要发送额外的 DIO 消息，进而使移动节点能够快速地识别周围的静态节点，从而构建稳定的路由。图 6 显示了 ORPL 路由，MA-RPL 路由和 MR-PL 路由在 Case two 中的控制包开销率。与 Case one情况类似，在 Case two 场景下，MRPL 路由的控制包开销率仍高于 ORPL 路由和 MA-RPL 路由。但是，从图 3 和图 4 可知，MRPL 路由具有高的数据包传递率。换而言之，MRPL 路由以增加控制包开销换取高的数据包传递率。4结论针对传统 RPL 以及相关改进路由在移动物联网环境中的数据包传递率低的问题，提出多路由指标的改进路由 MRPL。MRPL 路由采用多个路由指标，综合地评估候选父节点，使所选择的下一跳节点能够维持更长的链路连通时间。性能分析表明，相比于传统的 RPL，MRPL 路由提升了数据包传递率。在后续研究中，将考虑 6G 网络与 RPL 的结合，进一步提升网络性能，这将是后期的研究工作。参考文献：1 张光华，杨耀红，张冬雯.物联网中基于信任抗丢包攻击的安全路由机制 J.计算机科学，2019，46（6）：153-161.ZHANG G H，YANG Y H，ZHANG D W.Secure routingmechanism based on trust against packet loss attack ininternet of things J.Computer Science，2019，46（6）：153-161.2 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