物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第四章

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第4章

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

第4章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)4.1網(wǎng)絡(luò)層的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2基于網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)4.3基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)4.4網(wǎng)絡(luò)層的安全設(shè)計(jì)4.1網(wǎng)絡(luò)層的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.1.1網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述4.1.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型與使用選擇4.1.3網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制4.1.1網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，通常包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)從整體上看，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層可看成層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即最下層的末梢網(wǎng)（如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、中間的接入網(wǎng)以及上層的核心網(wǎng)（如專用通信網(wǎng)絡(luò)、公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)）4.1.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型與使用選擇按照物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)形態(tài)和組網(wǎng)方式，有集中式、分布式、混合式、網(wǎng)狀式等結(jié)構(gòu)按照節(jié)點(diǎn)功能及結(jié)構(gòu)層次，物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通?？煞譃槠矫婢W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器的特點(diǎn)由無(wú)線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署支持多跳路由功耗限制和移動(dòng)性取決于節(jié)點(diǎn)類型及應(yīng)用存在多種網(wǎng)絡(luò)接入方式

4.1.3網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制拓?fù)淇刂茖?duì)于延長(zhǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間、減小通信干擾、提高M(jìn)AC協(xié)議和路由協(xié)議的效率等具有重要意義拓?fù)淇刂频脑O(shè)計(jì)目標(biāo)在保證一定的網(wǎng)絡(luò)連通質(zhì)量和覆蓋質(zhì)量的前提下，一般以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命期為主要目標(biāo)，兼顧通信干擾、網(wǎng)絡(luò)延遲、負(fù)載均衡、簡(jiǎn)單性、可靠性、可擴(kuò)展性等其他性能，形成一個(gè)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)淇刂浦锌紤]的設(shè)計(jì)目標(biāo)和相關(guān)概念覆蓋連通網(wǎng)絡(luò)生命期吞吐能力干擾和競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)延遲拓?fù)湫再|(zhì)

拓?fù)淇刂品椒ǎ汗β士刂坪退哒{(diào)度在功率控制方面，常見(jiàn)的有結(jié)合路由的功率控制方法（如COMPOW）、基于節(jié)點(diǎn)度的功率控制（如LMA和LMN）、基于方向的功率控制（如CBTC）、基于鄰近圖的功率控制（如DRNG和DLMST）在睡眠調(diào)度方面，常見(jiàn)的有非層次型網(wǎng)絡(luò)睡眠調(diào)度算法（如CCP和SPAN）、層次型網(wǎng)絡(luò)睡眠調(diào)度算法（如Leach和Heed）

DRNG和DLMST等基于鄰近圖的功率控制算法的基本思想設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都使用最大發(fā)射功率發(fā)射時(shí)形成的拓?fù)鋱D是G，按照一定的鄰居判別條件求出該圖的鄰近圖G′，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以自己所鄰接的最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)來(lái)確定發(fā)射功率經(jīng)典的鄰近圖模型有RNG（RelativeNeighborhoodGraph）、GG（GabrielGraph）、DG（DelaunayGraph）、YG（YaoGraph）和MST（MinimumSpanningTree）等DRNG是基于有向RNG的，DLMST是基于有向局部MST的。DRNG和DLMST能夠保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，在平均功率和節(jié)點(diǎn)度等方面具有較好的性能基于鄰近圖的功率控制一般需要精確的位置信息

非層次型網(wǎng)絡(luò)睡眠調(diào)度的基本思想每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己所能獲得的信息，獨(dú)立地控制自己在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換與層次型睡眠調(diào)度的主要區(qū)別在于：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不隸屬于某個(gè)簇，因而不受簇頭節(jié)點(diǎn)的控制和影響層次型網(wǎng)絡(luò)睡眠調(diào)度的基本思想由簇頭節(jié)點(diǎn)組成骨干網(wǎng)絡(luò)，則其他節(jié)點(diǎn)就可以（當(dāng)然未必）進(jìn)入睡眠狀態(tài)層次型網(wǎng)絡(luò)睡眠調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)是分簇4.2基于網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)4.2.1網(wǎng)絡(luò)層分層設(shè)計(jì)模型4.2.2網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的路由與尋址4.2.3具體場(chǎng)景下路由與尋址的性能4.2.1網(wǎng)絡(luò)層分層設(shè)計(jì)模型網(wǎng)絡(luò)層涉及的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有電信網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)專網(wǎng)等無(wú)線自組網(wǎng)（WirelessAdHocNetworks）或MANET網(wǎng)絡(luò)是IoT組建末梢網(wǎng)絡(luò)的一種好的選擇，因?yàn)檫@樣的網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.11及變種、IEEE802.15.1、IEEE802.15.4a、IEEE802.15.4等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議組網(wǎng)，不依賴事先存在的基礎(chǔ)設(shè)施，具有最小的配置要求和低成本的快速部署特征上述其他網(wǎng)絡(luò)可作為末梢網(wǎng)絡(luò)連通因特網(wǎng)骨干的中間層，即接入網(wǎng)絡(luò)在這樣的分層模型中，網(wǎng)關(guān)在各層次間起著協(xié)議格式轉(zhuǎn)換的作用，路由和尋址是基本的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層問(wèn)題

混合AdHoc網(wǎng)絡(luò)（HybridAdHocNetworks）

混合AdHoc網(wǎng)絡(luò)由以下三個(gè)不同部分組成固定網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)總是保持在同樣的子網(wǎng)中，不會(huì)改變地址前綴，傳統(tǒng)的因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議（InternalGatewayProtocol，IGP）被用來(lái)尋找可用路由MANET網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)物體可能移動(dòng)并改變它們關(guān)聯(lián)的子網(wǎng)和地址，使用MANET路由協(xié)議尋找可用路由網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是將MANET網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)互連的專門路由器。不僅允許數(shù)據(jù)分組跨越不同類型網(wǎng)絡(luò)，而且允許每個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的路由協(xié)議共享路由信息。這意味著網(wǎng)關(guān)必須至少具有一個(gè)屬于固定網(wǎng)絡(luò)的接口和一個(gè)屬于MANET網(wǎng)絡(luò)的接口4.2.2網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的路由與尋址在物聯(lián)網(wǎng)中，希望移動(dòng)物體參與信息網(wǎng)絡(luò)而沒(méi)有位置通信的限制若MANET網(wǎng)絡(luò)被用于支撐基礎(chǔ)的一部分，應(yīng)該考慮到，當(dāng)這些物體從一個(gè)子網(wǎng)移動(dòng)到一個(gè)子網(wǎng)后對(duì)正在進(jìn)行的通信的影響，特別是這些物體涉及地址重分配、動(dòng)態(tài)網(wǎng)關(guān)的改變、路由協(xié)議的收斂等時(shí)

地址分配與因特網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)通信的MANET物體的地址分配適合使用的是基于由一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通告的網(wǎng)絡(luò)前綴的無(wú)狀態(tài)自動(dòng)分配機(jī)制采用這方案的理由是它能較好地處理MANET的網(wǎng)絡(luò)分割問(wèn)題。有了無(wú)狀態(tài)自動(dòng)分配機(jī)制，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)依據(jù)最鄰近網(wǎng)關(guān)通告的網(wǎng)絡(luò)前綴設(shè)置它的IP地址。具有相同網(wǎng)絡(luò)前綴的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)當(dāng)主機(jī)知道它與一個(gè)網(wǎng)關(guān)間的距離（由路由跳數(shù)度量）小于與它獲得當(dāng)前地址的網(wǎng)關(guān)間的距離時(shí)，此主機(jī)將意識(shí)到自己處在一個(gè)不同的子網(wǎng)中依據(jù)物體移動(dòng)性，地址分配自動(dòng)進(jìn)行，因此，MANET節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的路由表將必須調(diào)整。這可能導(dǎo)致連接中斷、包丟失、包轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)增大

網(wǎng)關(guān)用于在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)發(fā)分組的路徑可能也會(huì)影響通信性能在設(shè)置地址前，MANET節(jié)點(diǎn)必須用一個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)中轉(zhuǎn)其與固定網(wǎng)絡(luò)上通信對(duì)端之間的通信流量網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)與使用的MANET路由協(xié)議有關(guān)，并通過(guò)反應(yīng)機(jī)制（ReactiveMechanism）和先驗(yàn)機(jī)制（ProactiveMechanism）兩種機(jī)制之一完成

MANET路由協(xié)議當(dāng)物體在不同的子網(wǎng)中移動(dòng)時(shí)，用于混合AdHoc網(wǎng)絡(luò)的MANET路由協(xié)議也將極大地影響網(wǎng)絡(luò)性能。標(biāo)準(zhǔn)MANET路由協(xié)議可以分成兩類：反應(yīng)式MANET路由協(xié)議和先驗(yàn)式MANET路由協(xié)議反應(yīng)式MANET路由協(xié)議僅在需要時(shí)進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路由改變時(shí)，需要在更長(zhǎng)的包傳輸延時(shí)和更低的路由協(xié)議開(kāi)銷間進(jìn)行權(quán)衡。AODV屬于反應(yīng)式MANET路由協(xié)議先驗(yàn)式MANET路由協(xié)議維持和規(guī)則性地更新全部路由信息集，需要在更高的路由協(xié)議開(kāi)銷和更長(zhǎng)收斂時(shí)間與更小的包傳輸延時(shí)之間進(jìn)行權(quán)衡。OSLR屬于先驗(yàn)式MANET路由協(xié)議。4.2.3具體場(chǎng)景下路由與尋址的性能評(píng)估的性能指標(biāo)包遞交率（PacketDeliveryRatio，PDR）：接收到的包數(shù)量與被發(fā)送的包數(shù)量之比端到端延時(shí)（End-to-EndDelay）：包從發(fā)送源到接收端所經(jīng)歷的時(shí)間抖動(dòng)（Jitter）：端到端延時(shí)的可變性

每類路由協(xié)議的期望行為MANET路由協(xié)議協(xié)議特征物體移動(dòng)性影響AODV需等待2s才能宣告路由失效僅需重尋所需

丟失路由路由包導(dǎo)致的擁塞較小不需要路由概括不需要網(wǎng)關(guān)INTERLINKPDR更小端到端延時(shí)更大抖動(dòng)更小OLSR需等待6s才能宣告路由失效需重尋所有路由路由包導(dǎo)致的擁塞較大需要路由概括需要網(wǎng)關(guān)INTERLINKPDR更大端到端延時(shí)更小抖動(dòng)更大4.3基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)4.3.1引入6LoWPAN的原因4.3.26LoWPAN協(xié)議棧概述4.3.3LoWPAN適配層協(xié)議4.3.4RPL路由協(xié)議4.3.1引入6LoWPAN的原因物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)“一物一地址，萬(wàn)物皆在線”的目標(biāo)，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源來(lái)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足感知智能終端的連網(wǎng)需求從目前可用的技術(shù)來(lái)看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求，同時(shí)提供地址自動(dòng)配置功能和移動(dòng)性管理機(jī)制，便于端節(jié)點(diǎn)的部署和提供永久在線業(yè)務(wù)由于感知層節(jié)點(diǎn)低功耗、低存儲(chǔ)容量、低運(yùn)算能力的特性，以及受限于MAC層技術(shù)（IEEE802.15.4）特性，不能直接將IPv6標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議直接架構(gòu)在IEEE802.15.4MAC層之上，需要在IPv6協(xié)議層和MAC層之間引入適配層來(lái)彌補(bǔ)兩者之間的差異

將IPv6技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡(luò)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題IPv6報(bào)文過(guò)大，頭部負(fù)載過(guò)重地址轉(zhuǎn)換報(bào)文泛濫輕量化IPv6協(xié)議路由機(jī)制組播支持網(wǎng)絡(luò)配置和管理

IETF的6LoWPAN工作組的研究重點(diǎn)是適配層、路由、報(bào)頭壓縮、分片、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)目前已制定了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)框架和適配層格式的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在重點(diǎn)關(guān)注的是報(bào)頭壓縮技術(shù)，以及針對(duì)感知設(shè)備特點(diǎn)對(duì)IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化4.3.26LoWPAN協(xié)議棧概述6LoWPAN協(xié)議使得在低功率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下資源受限（通常電池供電）的嵌入式設(shè)備能夠通過(guò)簡(jiǎn)化的IPv6協(xié)議（IPv6分組頭部字段域進(jìn)行了壓縮）與因特網(wǎng)互連并充分考慮了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特性6LoWPAN協(xié)議棧如下：4.3.3LoWPAN適配層協(xié)議IPv6分組不能直接在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)上傳輸，因此，需要LoWPAN來(lái)進(jìn)行適配在IEEE802.15.4之上的IPv6分組的MTU大小是1280B一個(gè)完整的IPv6分組不適合放入一個(gè)IEEE802.15.4幀中。最大物理層包大小127B，最大幀開(kāi)銷25B，因此，MAC層的最大幀大小為102B

LoWPAN適配層和幀格式這里定義的封裝格式（后面稱為L(zhǎng)oWPAN封裝）是IEEE802.15.4MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的有效載荷。LoWPAN有效載荷（如IPv6分組）遵循這個(gè)封裝頭格式LoWPAN封裝的IPv6數(shù)據(jù)包示例如下:LoWPAN封裝的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：

LoWPAN封裝的需要網(wǎng)格尋址的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：LoWPAN封裝的需要分片的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：LoWPAN封裝的、既需要網(wǎng)格尋址又需要分片的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：LoWPAN封裝的、既需要網(wǎng)格尋找又需要廣播頭來(lái)支持網(wǎng)格廣播/多播的LOWPAN_HC1壓縮IPv6數(shù)據(jù)包示例如下：

分派類型（DispatchType）和頭部（Header）頭2比特分別為0和1指出是分派類型分派類型（DispatchType）：6比特長(zhǎng)的選擇器。識(shí)別分派頭部后面的頭部類型特定類型的頭部（Type-SpecificHeader）：由分派頭部確定的頭部

分派值比特模式

IPv6：指出下面的協(xié)議頭是一個(gè)非壓縮IPv6頭[RFC2460]。LOWPAN_HC1：指出下面的頭是LOWPAN_HC1壓縮IPv6頭LOWPAN_BC0：指出下面的頭是為支持網(wǎng)格廣播/多播的LOWPAN_BC0頭。ESC：指出下面的頭是一個(gè)分派值的單字節(jié)域（8bit）。支持大于127的分派值。

網(wǎng)格尋址類型和頭部頭2比特分別為1和0，指出的是網(wǎng)格類型V：若創(chuàng)建者地址是IEEE擴(kuò)展64比特地址（EUI-64），這個(gè)1比特域應(yīng)該是0，若為短16比特地址，則取值為1。F：若最后目的地址是IEEE擴(kuò)展64比特地址（EUI-64），這個(gè)1比特域應(yīng)該是0，若為短16比特地址，則取值為1。剩余跳數(shù)（HopsLeft）：這個(gè)4比特域的值應(yīng)該由每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送分組到它的下一跳前減少一個(gè)額定值。若此域的值被減到0，則分組不再被轉(zhuǎn)發(fā)。值0xF被保留并表示一個(gè)8比特域DeepHopsLeft緊跟其后，允許源節(jié)點(diǎn)指定大于14的跳限制。創(chuàng)建者地址（OriginatorAddress）：這是創(chuàng)建者的鏈路層地址。最后目的地址（FinalDestinationAddress）：這是最后目的地的鏈路層地址。

分片類型（FragmentationType）和頭部若數(shù)據(jù)包不適合放入單一802.15.4幀中，則應(yīng)該分成適應(yīng)鏈路的片斷。由于片偏差僅能表示成8B的倍數(shù)，因此，數(shù)據(jù)包的所有鏈路片段除最后一片外都必須是8B的倍數(shù)。第一個(gè)鏈路片段應(yīng)該含有首個(gè)分片頭第二個(gè)和隨后的鏈路片段應(yīng)該包含一個(gè)符合如下格式的分片頭

IPv6鏈路局部地址用于IEEE802.15.4接口的IPv6鏈路局部地址[RFC4291]由添加接口標(biāo)識(shí)符到前綴FE80::/64上而形成

單播地址變換（映射）類型Type=1：針對(duì)源鏈路層地址。類型Type=2：針對(duì)目標(biāo)鏈路層地址。長(zhǎng)度（Length）：這是此選項(xiàng)的長(zhǎng)度（包括類型域和長(zhǎng)度域），以8B為單位。若使用EUI-64地址，則此域的值為2；若使用16比特短地址，則此域的值為1。IEEE802.15.4地址：64比特的IEEE802.15.4地址或16比特的短地址。這是接口當(dāng)前響應(yīng)的地址。

多播地址變換（映射）此功能僅用在激活網(wǎng)格功能的LoWPAN上。具有多播目的地址的IPv6分組被發(fā)送到如下圖所示格式的IEEE802.15.4的16比特多播地址上

DST[15]*引用DST[15]中的最后5比特，也就是說(shuō)，引用DST[15]中的3～7比特最初3比特模式（即100）表示遵循多播地址的16比特地址格式

頭部壓縮IPv6頭部域的編碼

UDP頭部域的編碼

鏈路層網(wǎng)格上的幀傳遞在網(wǎng)格場(chǎng)景下，兩個(gè)設(shè)備不需要直接可達(dá)來(lái)通信在這些設(shè)備中，發(fā)送者是周知的創(chuàng)建者，而接收者是周知的最終目的地創(chuàng)建者可以使用其他中間設(shè)備來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到最終接收者為了使用單播完成這樣的幀傳遞，除了逐跳源和目的地外，在消息包中包含創(chuàng)建者和最終目的地的鏈路層地址是必要的

在網(wǎng)格中的第二層傳遞幀的實(shí)現(xiàn)過(guò)程若節(jié)點(diǎn)希望使用默認(rèn)網(wǎng)格轉(zhuǎn)發(fā)者來(lái)傳遞分組（因?yàn)樗c目的地不是直接可達(dá)的），它必須包含網(wǎng)格尋址頭（帶有創(chuàng)建者的鏈路層地址和最終目的地的鏈路層地址），然后設(shè)置802.15.4頭部的源地址為它自己的鏈路層地址，并將轉(zhuǎn)發(fā)者的鏈路層地址放在802.15.4頭部的目的地址域，最后發(fā)送此分組若節(jié)點(diǎn)收到帶有網(wǎng)格尋址頭的幀，它必須查看網(wǎng)格尋址頭的最終目的地域來(lái)決定幀的目的地若節(jié)點(diǎn)本身是最終目的地，則銷毀此分組；若它不是最終目的地，設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)）減少剩余跳數(shù)域的值后，如果結(jié)果為0，則丟棄此分組；否則，節(jié)點(diǎn)查詢它的鏈路層路由表，決定通向最終目的地的下一跳節(jié)點(diǎn)，并將哪個(gè)節(jié)點(diǎn)地址放在802.15.4頭部的目的地址域最后，節(jié)點(diǎn)將802.15.4頭部的源地址改變?yōu)樗约旱逆溌穼拥刂凡l(fā)送此分組4.3.4RPL路由協(xié)議RPL（IPv6RoutingProtocolforLLN）

是IETF為低功率和有損耗網(wǎng)絡(luò)(LLN)開(kāi)發(fā)的一個(gè)IPv6路由協(xié)議適合物聯(lián)網(wǎng)部署，因?yàn)樗苓m應(yīng)低速設(shè)備與因特網(wǎng)間的流量轉(zhuǎn)發(fā)可以在各種鏈路層上操作（如IEEE802.15.4），是一個(gè)應(yīng)用于LLN的距離矢量IPv6路由協(xié)議RPL協(xié)議的拓?fù)錁?gòu)建拓?fù)浣M織拓?fù)錇橐粋€(gè)有向無(wú)環(huán)圖（DAG），此圖被劃分為一個(gè)或多個(gè)目的地導(dǎo)向的DAG（DODAG），每個(gè)DODAG都有一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)RPL標(biāo)識(shí)符：RPL使用四個(gè)值來(lái)識(shí)別和維持拓?fù)?/p>

RPLInstanceID、DODAGID、DODAGVersionNumber

、RankRPL實(shí)例和DODAGRPL實(shí)例包含一個(gè)或多個(gè)DODAG根RPL實(shí)例可以提供通向某目的地前綴的路由，在DODAG內(nèi)通過(guò)DODAG根或替代路徑可達(dá)此目的地DODAG版本為了適應(yīng)拓?fù)涞母淖?，需要新的DODAG版本號(hào)上行路由（UpwardRouter）和DODAG構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)（ObjectiveFunction，OF）定義了RPL節(jié)點(diǎn)如何在RPL實(shí)例中選擇和優(yōu)化路由由DODAG信息目標(biāo)（DIO）配置選項(xiàng)中的目標(biāo)代碼點(diǎn)（OCP）識(shí)別定義了節(jié)點(diǎn)如何將一個(gè)或多個(gè)度量和約束轉(zhuǎn)化為被稱為等級(jí)（Rank）的值（此值近似于從DODAG根到擁有該值的節(jié)點(diǎn)的距離）定義了節(jié)點(diǎn)如何選擇父節(jié)點(diǎn)DODAG修復(fù)DODAG根通過(guò)增加DODAG版本號(hào)開(kāi)始一個(gè)全局修復(fù)操作新DODAG版本中的節(jié)點(diǎn)能夠選擇一個(gè)新位置，此位置的等級(jí)（Rank）值不受舊版本中的等級(jí)（Rank）值約束

接地的（Grounded）和浮動(dòng)的（Floating）DODAG接地的DODAG提供到主機(jī)的連接，可用來(lái)滿足定義的應(yīng)用目標(biāo)浮動(dòng)的DODAG不需要滿足此目標(biāo)，在大多數(shù)情況下僅提供到DODAG中節(jié)點(diǎn)的路由局部DODAGRPL節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)形成局部DODAG（它的DODAG根是希望的目的地）優(yōu)化到目的地的路由數(shù)據(jù)路徑驗(yàn)證和循環(huán)檢測(cè)在有數(shù)據(jù)發(fā)送之前，RPL不必處理連接性上的短暫和低頻率的變化分組（上行或下行）路由決定的兩節(jié)點(diǎn)間等級(jí)（Rank）關(guān)系之間的不一致性將指出可能存在的環(huán)

分布式算法操作一些節(jié)點(diǎn)被配置成DODAG根，具有相關(guān)聯(lián)DODAG配置通過(guò)向所有RPL節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路局部多播DIO消息，節(jié)點(diǎn)通告它們的存在、與DODAG的從屬關(guān)系、路由代價(jià)、相關(guān)度量根據(jù)指定的目標(biāo)函數(shù)和其鄰居的等級(jí)，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)DIO并使用它們的信息來(lái)加入新的DODAG（因而選擇DODAG父節(jié)點(diǎn)），或維持存在的DODAG對(duì)DIO消息指定目的地，通過(guò)在DODAG版本中的DODAG父節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)提供路由表?xiàng)l目。決定加入DODAG的節(jié)點(diǎn)能夠提供一個(gè)或多個(gè)DODAG父節(jié)點(diǎn)作為默認(rèn)路由的下一跳以及關(guān)聯(lián)實(shí)例的其他大量的外部路由下行路由和目的地通告RPL使用目的地通告對(duì)象（DAO）消息來(lái)建立下行路由DAO消息是應(yīng)用的一個(gè)選擇功能，這些應(yīng)用需要P2MP或P2P流量RPL支持下行流量的兩種模式儲(chǔ)存（完全有狀態(tài)）非儲(chǔ)存（完全源路由）任何給定的RPL實(shí)例均是儲(chǔ)存的或非儲(chǔ)存的在兩種情況中，P2P包向上傳輸?shù)紻ODAG根，然后向下到最終目的地（除非目的地在上行路由上）在非儲(chǔ)存的情形下，在向下傳輸前，包將一路傳輸?shù)紻ODAG根在儲(chǔ)存的情形下，通過(guò)源和目的地（比到DODAG根要早到達(dá)）的共同祖先，包可以下行發(fā)送到目的地局部DODAG路由發(fā)現(xiàn)RPL網(wǎng)絡(luò)能選擇性地支持LLN網(wǎng)絡(luò)中到特定目的地的DODAG按需發(fā)現(xiàn)這樣的局部DODAG的行為表現(xiàn)與全局DODAG稍有差別它們被DODAGID和RPLInstanceID的結(jié)合唯一定義RPLInstanceID指示DODAG是不是局部的等級(jí)（Rank）特性節(jié)點(diǎn)的等級(jí)是其在DODAG版本中位置的分等級(jí)表示等級(jí)被用來(lái)避免環(huán)或檢測(cè)環(huán)，同樣也必須展示某些特性類型：等級(jí)是一個(gè)抽象的數(shù)字值功能：等級(jí)是一個(gè)DODAG版本中關(guān)于其鄰居的相對(duì)位置的表達(dá)穩(wěn)定性：等級(jí)的穩(wěn)定性決定了路由拓?fù)涞姆€(wěn)定性特性：等級(jí)按嚴(yán)格單調(diào)模式增加，可用于確認(rèn)到根去或從根來(lái)的級(jí)數(shù)抽象：等級(jí)沒(méi)有物理單位，但是每跳增加的一個(gè)范圍，增加值由目標(biāo)函數(shù)確認(rèn)等級(jí)比較函數(shù)DAGRank()：等級(jí)可以看做一個(gè)固定的帶小數(shù)點(diǎn)的數(shù)，整數(shù)部分和小數(shù)部分間的小數(shù)點(diǎn)的位置由MinHopRankIncrease決定等級(jí)關(guān)系：等級(jí)計(jì)算可以為L(zhǎng)LN網(wǎng)絡(luò)上的鄰居節(jié)點(diǎn)M和N維持一些屬性RPL所使用的路由度量和約束LLN既需要靜態(tài)也需要?jiǎng)討B(tài)度量的支持，而且，鏈路和節(jié)點(diǎn)度量都需要。在RPL中，事實(shí)上不可能只定義一個(gè)度量或甚至一個(gè)組合度量就能滿足所有用例RPL支持