基于RPL的无线传感器网络层次型路由研究与实现

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由大量低成本、低功耗的传感器节点构成。传感器节点具有计算、感知和通信能力，能够协作地实时监测和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息以自组多跳的无线网络方式传送到用户终端。随着无线传感器网络的应用场景日趋复杂及网络规模不断扩大，节点的存储能力、能量受限严重制约了无线传感网的大规模扩展。针对无线传感器网络低功耗、有损等特点，IETF的ROLL(Routing Over Low power and Lossynetworks)工作组提出了一种基于IPv6的距离矢量路由协议——RPL(IPv6 RoutingProtocol for Low-power and lossy networks)路由协议。RPL路由协议对节点的处理和存储能力要求不高，在资源受限的环境中可以支持节点进行大规模组网。本文在研究无线传感器网络特点和RPL路由协议基础上，依托于国家重大科技专项“基于IPv6的无线传感器网的网络协议研发及验证”，提出了一种基于RPL的无线传感器网络层次型路由协议，并对其进行实现和验证。
　　论文首先分析了无线传感器网络特点及其典型路由协议，深入研究了低功耗有损网络路由协议RPL，对其路由构建过程、路由策略及环路避免、路由修复等关键机制进行详细介绍。
　　然后，在分析RPL的不足及节点大规模组网需求的基础上，提出了一种新的路由协议，即基于RPL的层次型路由协议。首先节点按照RPL路由协议组网，接着对网络拓扑进行分层，在各层中按照期望重传次数和节点剩余能量选择若干层内汇聚节点，由能力较强的汇聚节点完成各层数据融合等处理。然后，借助RPL控制报文建立层内路由，节点将未融合处理的数据发至层内汇聚节点，由其完成层内数据融合后发至汇聚节点的父节点;将已融合处理的数据按原路径发至上层父节点。同时设计了层内汇聚节点的轮换机制，有效均衡各节点的能耗，减少数据通信量，延长网络生命周期。本文详细阐述了该路由协议的设计思想、路由建立过程、数据路由过程、路由修复机制及涉及到的报文格式和信息表。
　　随后，本文在北京交通大学下一代互联网设备国家工程实验室自主研发的IPv6微型传感器节点MSN-213和高性能节点MSHPN-06上对基于RPL的层次型路由协议进行工程实现，并搭建了实际测试环境，对该路由协议进行功能验证。通过分析无线嗅探器捕获的数据包，我们对节点的组网过程、数据包路由转发过程及节点失效后的路由修复进行了功能验证。测试表明，该路由协议在节点上正常而稳定的运行。
　　最后，对本文的工作进行总结，并对下一步研究工作进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 无线传感器网络路由技术研究现状

1．2．1 无线传感器网络路由协议分类

1．2．2 无线传感器网络典型路由协议分析与比较

1．3 选题意义

1．4 论文主要工作及组织结构

2 RPL路由协议研究

2．1 RPL路由协议概述

2．2 RPL控制报文

2．3 RPL路由过程

2．3．1 RPL路由建立过程

2．3．2 RPL数据路由方式

2．4 目标函数

2．4．1 路由度量和约束

2．4．2 目标函数的实现

2．5 RPL环路避免和路由修复

2．5．1 环路避免机制

2．5．2 路由修复机制

2．6 本章小结

3 基于RPL的层次型路由协议设计

3．1 网络系统架构

3．2 基于RPL的层次型路由协议的详细设计

3．2．1 设计思想

3．2．2 路由建立过程

3．2．3 数据包路由机制

3．2．4 路由维护与修复

3．3 报文格式和信息表设计

3．3．1 数据报文格式设计

3．3．2 信息表设计

3．4 本章小结

4 基于RPL的层次型路由协议实现

4．1 硬件设备平台介绍

4．1．1 微型传感器节点

4．1．2 ARM高性能节点

4．2 Contiki操作系统简介

4．3 数据结构

4．4 控制报文功能模块实现

4．4．1 DIO模块

4．4．2 DAO模块

4．4．3 DAO-ACK模块

4．4．4 DIS模块

4．5 数据路由模块实现

4．5．1 微型传感器节点数据路由

4．5．2 高性能节点数据路由

4．6 路由维护与修复模块实现

4．6．1 Csink轮换模块实现

4．6．2 路由修复模块实现

4．7 本章小结

5 基于RPL的层次型路由协议测试

5．1 测试环境及测试工具

5．1．1 测试环境

5．1．2 编译和测试工具介绍

5．2 基于RPL的层次型路由协议功能测试

5．2．1 路由建立测试

5．2．2 数据路由测试

5．2．3 路由维护与修复测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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