基于反向路由的Zigbee網(wǎng)絡(luò)本地修復(fù)機(jī)制改進(jìn)

何智勇

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院, 江蘇 南京 210046；2. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)中心, 江蘇 南京 210046)

Zigbee是一種低功耗、低成本、可靠性好的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有延時(shí)小和網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)[1-2]，目前主要應(yīng)用于醫(yī)療、礦井、環(huán)境檢測等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層采用Cluster-Tree路由算法[3]和AODVjr路由算法[4-5]，Cluster-Tree路由算法只需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路由方式簡單，不需要存儲路由表。AODVjr路由算法[5]可以在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間尋找最優(yōu)路徑，節(jié)點(diǎn)路由發(fā)現(xiàn)過程通過廣播形式發(fā)送RREQ報(bào)文建立路由，節(jié)點(diǎn)能量消耗大，節(jié)點(diǎn)依靠電池供電，節(jié)點(diǎn)的電量絕大部分用于節(jié)點(diǎn)之間的分組轉(zhuǎn)發(fā)的通信消耗，由于網(wǎng)絡(luò)總體能量有限，特別是在協(xié)調(diào)器附近的高層節(jié)點(diǎn)，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間不斷增長，節(jié)點(diǎn)能量耗盡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)中斷，AODVjr路由算法采用本地修復(fù)機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路中斷，故障鏈路的上游節(jié)點(diǎn)重新啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，通過向網(wǎng)絡(luò)中廣播RREQ數(shù)據(jù)分組來啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，尋找一條新的可達(dá)路由，在發(fā)現(xiàn)路由的過程中，鏈路上傳送的數(shù)據(jù)分組直接被丟失，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，延長了數(shù)據(jù)端到端時(shí)間，因此，局部鏈路的快速修復(fù)顯得非常重要。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)主要集中在路由局部修改過程中RREQ報(bào)文的處理方法和鏈路選擇方面。Shang等[6-7]研究協(xié)議運(yùn)行機(jī)制，提出給每個(gè)局部修復(fù)進(jìn)程分配優(yōu)先級，來提高鏈路修復(fù)過程中網(wǎng)絡(luò)性能，但該算法只是在故障修復(fù)過程中對進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行分類，沒有減少網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷出現(xiàn)和對鏈路數(shù)據(jù)分組進(jìn)行保護(hù)。肖靂[8]提出在網(wǎng)絡(luò)鏈路啟動本地修復(fù)過程中，首先對鏈路中斷位置上一處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，由上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送有限跳數(shù)的發(fā)現(xiàn)報(bào)文RREQ進(jìn)行局部路由修復(fù)，但該算法路由發(fā)現(xiàn)過程是在鏈路中斷后啟動修復(fù)機(jī)制，不能減少因重建路由而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組端到端時(shí)延。李子璇等[9]提出根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路最大剩余能量來選擇最佳路由，避免局部節(jié)點(diǎn)死亡導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)分割，根據(jù)鏈路能量選擇路徑，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，但是該算法沒有考慮在節(jié)點(diǎn)能量耗盡出現(xiàn)死亡，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)鏈路故障的情況。針對以上研究的不足，結(jié)合空閑路由節(jié)點(diǎn)反向路由機(jī)制，本文提出一種改進(jìn)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)本地修復(fù)機(jī)制ILRA-AODVjr(improved local repair algorithm-AODVjr)，通過向鄰居節(jié)點(diǎn)定期廣播一個(gè)具有兩跳生命周期反向路由構(gòu)建報(bào)文S-RREQ，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多個(gè)備用局部路由，增加網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可達(dá)路由數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)路由過程的效率，縮短網(wǎng)絡(luò)局部故障修復(fù)時(shí)間，減少數(shù)據(jù)分組丟失。

2 ZigBee故障機(jī)制存在的問題

圖1 AODVjr本地算法修復(fù)過程Fig.1 AODVjr local algorithm repair process

如圖1所示，在AODVjr路由算法建立路徑的過程中，源節(jié)點(diǎn)S要發(fā)送數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點(diǎn)D，S首先查找本身路由表，尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，如果節(jié)點(diǎn)路由表不能找到目的節(jié)點(diǎn)的路由，由源節(jié)點(diǎn)S啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，通過廣播RREQ 報(bào)文進(jìn)行建立路由，路由建立成功后，發(fā)送數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點(diǎn)。在AODVjr路由算法中，節(jié)點(diǎn)選擇下一跳路由的原則是選擇先返回RREP報(bào)文的節(jié)點(diǎn)，隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間增長，節(jié)點(diǎn)能量耗盡失效，導(dǎo)致鏈路中斷，特別是網(wǎng)絡(luò)中高層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)頻繁，節(jié)點(diǎn)能量損耗快，網(wǎng)絡(luò)會提前出現(xiàn)分割現(xiàn)象。如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)1是網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)頻繁，節(jié)點(diǎn)能量耗盡死亡，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)鏈路中斷，{7，1}、{8，1}、{13，1}變成中斷鏈路不能發(fā)送數(shù)據(jù)分組，AODVjr啟動局部修復(fù)機(jī)制，由中斷鏈路的上游節(jié)點(diǎn)7重新啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，向網(wǎng)絡(luò)中廣播發(fā)送RREQ報(bào)文再次尋找到目的節(jié)點(diǎn)的路由{S,6,7,2,8,12,13,14,D},由于RREQ是廣播發(fā)送，增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)分組被直接丟棄，直接影響網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，增大了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組端到端時(shí)延。

3 ILRA-AODVjr算法提出

本文提出的改進(jìn)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)本地修復(fù)算法ILRA-AODVjr的基本思想是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，即節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)除了與向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送KEEP_ALIVE報(bào)文進(jìn)行路由維護(hù)之外，不進(jìn)行任何其他數(shù)據(jù)分組的發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和接收，充分利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間，通過空閑路由節(jié)點(diǎn)反向路由機(jī)制，向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)具有兩跳生命周期反向路由構(gòu)建報(bào)文S-RREQ，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生多個(gè)備用局部路由，減少路由發(fā)現(xiàn)等待過程，縮短網(wǎng)絡(luò)局部故障修復(fù)時(shí)間。

源節(jié)點(diǎn)通過路由發(fā)現(xiàn)過程建立鏈路之后，路由進(jìn)入路由維護(hù)階段。在鏈路有效時(shí)間內(nèi)，目的節(jié)點(diǎn)定期向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送KEEP_ALIVE數(shù)據(jù)分組來維持鏈路信息，如果源節(jié)點(diǎn)成功收到KEEP_ALIVE數(shù)據(jù)分組，鏈路可達(dá)，否則認(rèn)為鏈路失效，重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程，KEEP_ALIVE路由維護(hù)報(bào)文發(fā)送如圖2所示。

圖2 ILRA-AODVjr算法產(chǎn)生備用路由過程Fig.2 Generation of a standby routing process by ILRA-AODVjr algorithm

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，路徑{S,6,7,2,8,12,13,14,D}的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組發(fā)送，不屬于空閑鏈路。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在一定周期Tidle內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)置的空閑超時(shí)時(shí)間為T，節(jié)點(diǎn)沒有任何數(shù)據(jù)分組、RREQ報(bào)文或RREP報(bào)文發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)，該節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)。在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，同一時(shí)間內(nèi)有很多的節(jié)點(diǎn)處于沒有數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)的狀態(tài)，以節(jié)點(diǎn)2為例，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2的Tidle>T，為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)點(diǎn)2向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送生命周期為2的路由發(fā)現(xiàn)報(bào)文S-RREQ建立備用路由，算法具體執(zhí)行步驟如下：

(1)空閑節(jié)點(diǎn)Tidle>T時(shí)，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送TTL=2的路由發(fā)現(xiàn)報(bào)文S-RREQ，對2跳范圍內(nèi)能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)建立備用路由，收到S-RREQ數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP報(bào)文進(jìn)行路徑建立確認(rèn)。

(2)備用路由建立成功后，節(jié)點(diǎn)定期對已建立的路由進(jìn)行維護(hù)，讓已存在的備用路由不會因?yàn)槌瑫r(shí)被刪除，如圖2所示，節(jié)點(diǎn)2建立的備用路由{2，3，9}，{2，3，19}，{2，8，9}，{2，8，12}，{2，8，1}在鏈路時(shí)間到期，目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送KEEP_ALIVE數(shù)據(jù)分組到節(jié)點(diǎn)2確定路由存在，刷新路由信息。

(3)節(jié)點(diǎn)發(fā)起新的路由過程后，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送RREQ報(bào)文，空閑節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由表中有備用路由信息，節(jié)點(diǎn)19要發(fā)送數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點(diǎn)D，向網(wǎng)絡(luò)中廣播RREQ報(bào)文啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，節(jié)點(diǎn)3收到RREQ報(bào)文，對比本身存儲的路由信息，由于節(jié)點(diǎn)有備用路由，節(jié)點(diǎn)3直接給節(jié)點(diǎn)19回復(fù)響應(yīng)RREP報(bào)文確定鏈路的建立，大大提高了路由發(fā)現(xiàn)過程的效率。

(4)節(jié)點(diǎn)能量耗盡鏈路出現(xiàn)斷裂，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷，如節(jié)點(diǎn)1能量耗盡死亡，路徑{1，7}、{1，8}、{1，13}中斷，上游節(jié)點(diǎn)7發(fā)起局部路由修復(fù)機(jī)制，向全網(wǎng)發(fā)送RREQ報(bào)文，等待目的節(jié)點(diǎn)D回復(fù)RREP數(shù)據(jù)分組確定路由的建立，由于節(jié)點(diǎn)7到目的節(jié)點(diǎn)的跳多，響應(yīng)時(shí)間慢。通過空閑路由節(jié)點(diǎn)反向路由信息，節(jié)點(diǎn)2收到節(jié)點(diǎn)7發(fā)起的路由發(fā)現(xiàn)報(bào)文后，查看自身的路由表，節(jié)點(diǎn)2維護(hù)的路由表中有到過目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，節(jié)點(diǎn)2直接回復(fù)RREP報(bào)文給節(jié)點(diǎn)7，路由本地修復(fù)完畢，節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)D的新路徑重新構(gòu)建完畢，大大減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障本地修復(fù)時(shí)間。

整個(gè)算法的流程如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)的路由算法處理過程Fig.3 Improved routing algorithm process

4 仿真分析

通過NS2平臺驗(yàn)證本文提出的ILRA-AODVjr算法，仿真實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為100×100，節(jié)點(diǎn)120個(gè)，信道數(shù)據(jù)傳輸率為200 kbit/s，節(jié)點(diǎn)初始能量為5 J，仿真時(shí)間為200 s，數(shù)據(jù)包長度為128 bit，本仿真實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)能量低于初始能量2%，節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為是死亡節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)置空閑超時(shí)時(shí)間為T=0.01 s。仿真實(shí)驗(yàn)從平均節(jié)點(diǎn)故障修復(fù)時(shí)間、數(shù)據(jù)分組端到端延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)剩余能量比率三方面與AODVjr算法進(jìn)行了比較。

4.1 節(jié)點(diǎn)故障平均修復(fù)時(shí)間

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后，改進(jìn)ILRA-AODVjr路由算法與AODVjr算法節(jié)點(diǎn)故障平均修復(fù)時(shí)間對比圖見圖4，由于改進(jìn)算法在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，通過空閑路由節(jié)點(diǎn)反向路由機(jī)制，建立備用鏈路信息，在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建多條備用路由信息，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量耗盡死亡，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路中斷，由于ILRA-AODVjr路由算法中有備用鏈路存在，減少路由發(fā)現(xiàn)過程，縮短網(wǎng)絡(luò)局部故障修復(fù)時(shí)間，ILRA-AODVjr路由算法優(yōu)于AODVjr路由算法。

4.2 數(shù)據(jù)分組端到端延時(shí)

數(shù)據(jù)分組端到端延時(shí)仿真結(jié)果見圖5，隨時(shí)間的增長，網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)能量耗盡死亡，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組端到端延時(shí)不斷增加，由于改進(jìn)ILRA-AODVjr路由算法采用備用路由機(jī)制，提高了節(jié)點(diǎn)故障修復(fù)時(shí)間，避免了數(shù)據(jù)分組的丟失，ILRA-AODVjr路由算法優(yōu)于AODVjr路由算法。

4.3 網(wǎng)絡(luò)剩余能量比率

網(wǎng)絡(luò)剩余能量比率仿真結(jié)果見圖6，隨網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的增長，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分組不斷發(fā)送需要消耗能量，AODVjr算法在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)鏈路中斷后，AODVjr上游節(jié)點(diǎn)啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，廣播RREQ報(bào)文，節(jié)點(diǎn)能量消耗快，改進(jìn)的ILRA-AODVjr路由算法采用空閑路由節(jié)點(diǎn)反向路由機(jī)制，避免了RREQ報(bào)文泛洪，有效保護(hù)了節(jié)點(diǎn)剩余能量，網(wǎng)絡(luò)剩余能量比率ILRA-AODVjr路由算法優(yōu)于AODVjr路由算法。

圖4 節(jié)點(diǎn)故障平均修復(fù)時(shí)間對比圖Fig.4 Comparison graph of the average repair time for node failure

圖5 數(shù)據(jù)分組端到端延時(shí)對比圖Fig.5 Comparison graph of data packet end-to-end delay

圖6 網(wǎng)絡(luò)剩余能量比率對比圖Fig.6 Comparison graph of Network Residual Energy Ratio

5 結(jié)語

本文在對Zigbee路由協(xié)議進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)ILRA-AODVjr路由算法，通過空閑路由節(jié)點(diǎn)反向路由機(jī)制，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送TTL=2反向路由構(gòu)建報(bào)文S-RREQ，在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生多個(gè)備用局部路由，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)高層節(jié)點(diǎn)能量耗盡，鏈路出現(xiàn)中斷后，減少路由發(fā)現(xiàn)等待過程，縮短網(wǎng)絡(luò)局部故障修復(fù)時(shí)間，減輕了網(wǎng)絡(luò)擁塞和延遲現(xiàn)象。通過仿真實(shí)驗(yàn)，將改進(jìn)ILRA-AODVjr路由算法與AODVjr路由算法進(jìn)行比較，ILRA-AODVjr算法在節(jié)點(diǎn)故障平均修復(fù)時(shí)間和數(shù)據(jù)分組端到端延時(shí)方面有優(yōu)勢，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

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