基于contiki平臺的路由協(xié)議仿真

..評定成績：課程設計報告〔傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)〕設計題目：基于contiki平臺的路由協(xié)議及仿真學院名稱：自動化學院學生姓名：專業(yè)：班級：學號：指導教師：填表時間：2016年5月..郵電大學本科課程設計報告摘要摘要路由協(xié)議執(zhí)行網(wǎng)絡拓撲描述、路由選擇和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的功能，影響整個網(wǎng)絡的性能和存活時間。現(xiàn)有的路由協(xié)議需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)包維護網(wǎng)絡拓撲，以及大量的存儲空間來存儲路由條目。由于硬件的限制，無線傳感器無論是能量還是處理能力，存儲能力都受到了極大的限制。因此，IETFROLL工作組提出了一種針對低功耗有損網(wǎng)絡的IPV6路由協(xié)議，即RPL路由協(xié)議。文中對RPL路由協(xié)議的拓撲構(gòu)建過程進展分析，并通過利用cooja仿真工具進展仿真，在仿真中顯示出DODAG的構(gòu)建過程，并對進展仿真出來的各種拓撲構(gòu)造進展能耗的分析，在仿真過程中直觀地顯示涓流機制。關(guān)鍵字：IPV6RPL路由協(xié)議仿真能耗分析..郵電大學本科課程設計報告目錄目錄TOC\o"1-3"\h\u2177摘要I1619第一章緒論133891.1設計題目：1189041.2設計任務：1321101.3設計要求：1200111.4參考資料：125195第二章總體方案設計〔或系統(tǒng)建?！?305812.1RPL概述2213552.1.1DODAG的構(gòu)建過程2319972.1.2環(huán)路防止的機制2235132.1.3涓流機制3124742.2基于Contiki平臺的RPL路由協(xié)議仿真34389第三章個人設計工作〔或系統(tǒng)仿真分析〕5308293.1DODAG圖構(gòu)建分析5307023.2能耗的分析6114023.3涓流機制8153073.4其他參數(shù)修改：829565第四章設計總結(jié)95620參考文獻 109235附錄 11..郵電大學本科課程設計報告第一章緒論第一章緒論1.1設計題目：基于Contiki平臺的傳感網(wǎng)路由協(xié)議設計與仿真1.2設計任務：基于Contiki操作系統(tǒng)和Cooja仿真器，運用所學的無線傳感網(wǎng)知識，選擇一種典型的傳感網(wǎng)路由協(xié)議進展組網(wǎng)設計和仿真。路由協(xié)議可在AODV、RPL、RIME等協(xié)議中任選一種，也可選擇其它典型的傳感網(wǎng)路由協(xié)議。1.3設計要求：1．掌握Contiki物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)的根底知識。2.組網(wǎng)規(guī)模不少于20個節(jié)點。3.完成網(wǎng)絡的運行場景分析、拓撲構(gòu)造規(guī)劃和路由協(xié)議設計。4.在Contiki平臺上獨立編寫符合需求的傳感網(wǎng)程序。5．采用Contiki自帶的網(wǎng)絡仿真器，對編寫的程序和網(wǎng)絡路由協(xié)議進展仿真，給出網(wǎng)絡運行效果圖。6.調(diào)節(jié)路由協(xié)議的一些參數(shù)，對路由協(xié)議的性能變化進展分析。1.4參考資料：1．Contiki開發(fā)組.Contiki:TheOpenSourceOSfortheInternetofThings../2.桂勁松."物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計".：電子工業(yè).2013.3.希仁."計算機網(wǎng)絡".：電子工業(yè).2008.4.曉維."無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)".：理工大學.2007.郵電大學本科課程設計報告第二章總體設計方案〔或系統(tǒng)建?！车诙驴傮w方案設計〔或系統(tǒng)建?！?.1RPL概述RPL是為LLN而設計的距離矢量路由協(xié)議，通過使用目標函數(shù)和度量集合構(gòu)建具有目的地的有向無環(huán)圖〔DODAG〕。目標函數(shù)利用度量和約束條件的集合計算出最優(yōu)路徑。由于網(wǎng)絡部署的目的性有異，同一網(wǎng)絡可能需要不同的鏈路質(zhì)量要求等等。2.1.1DODAG的構(gòu)建過程DODAG的構(gòu)造過程由根節(jié)點或LoWPAN邊界路由器〔LBR〕發(fā)起。為了實現(xiàn)DODAG的構(gòu)造，RPL基于ICMPv6，新增加了如下三條控制消息：DIS、DIO、DAO。RPL支持三種根本的數(shù)據(jù)傳輸模式:多點到點，Multipoint-to-Point(MP2P)、點到多點，Point-to-Multipoint(P2MP)、點到點，Point-to-Point(P2P).。首先來說實現(xiàn)為MP2P構(gòu)造上行到根節(jié)點的路徑。根節(jié)點利用DIO消息播送DODAG的信息；根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到DIO后，根據(jù)一定的準那么，決定是否參加這個DODAG，這些準那么包括：目標函數(shù)、DAG特性、各種自定義的本地策略等，當某個鄰居節(jié)點參加所播送的DODAG后，它就建立了一條到達DODAG根節(jié)點的路徑。根節(jié)點被稱為該節(jié)點的"父節(jié)點〞。如果新參加圖的節(jié)點類型是路由器，它將向自己的鄰居節(jié)點繼續(xù)播送包含DODAG信息的DIO消息。如果新參加圖的節(jié)點是"葉子節(jié)點〞，那么只是完成入網(wǎng)動作，不播送DIO消息。鄰居節(jié)點不斷重復上述播送和參加動作，直至到達網(wǎng)絡的所有葉子節(jié)點。每個節(jié)點都有一條路徑由指向自己的父節(jié)點，通過將數(shù)據(jù)消息發(fā)給父節(jié)點，最終就能到達根節(jié)點。然后來說實現(xiàn)為P2MP構(gòu)造的從根節(jié)點出發(fā)的下行路徑，下行路由的構(gòu)造通過DAO消息來完成。每個節(jié)點參加DODAG后，在網(wǎng)絡發(fā)起上行路徑構(gòu)造指令后，將發(fā)送DAO消息到它的父節(jié)點。DAO消息中含有前綴、前綴的有效時間等信息，用于表征節(jié)點所在前綴的可達性。當一個節(jié)點收到DAO消息后，將對前綴信息進展處理，并在路由表中添加路由表項。然后將該前綴信息進一步通過DAO上傳給自己的父節(jié)點。一個節(jié)點也可以將收到的前綴可達性信息進展聚集后，再發(fā)給自己的父節(jié)點。前綴上傳過程一直進展，直至前綴信息到達父節(jié)點。每個節(jié)點都完成前綴上傳后，整個網(wǎng)絡將建立起一個從根節(jié)點到達所有葉子節(jié)點的下行路由圖。2.1.2環(huán)路防止的機制RPL采用兩種策略防止環(huán)的出現(xiàn)，這些方法都用到rank值。策略1：最大深度策略，一個節(jié)點在鄰居中選擇父節(jié)點時，不能選擇rank值比它自己的rank郵電大學本科課程設計報告第二章總體設計方案〔或系統(tǒng)建?！持荡笠欢ǔ潭鹊墓?jié)點，即rank值超過node-rank+max_depth的節(jié)點，不能選擇作為父節(jié)點。至于超過多少深度才不能選擇〔max_depth的大小〕，由根節(jié)點確定。這種策略主要是防止選比自己還深的節(jié)點作為父節(jié)點。策略2：一個節(jié)點不能過度貪婪〔greedy〕，不能為了增加父節(jié)點數(shù)，而移動自己在圖中的深度，使深度值加大。2.1.3涓流機制大多數(shù)路由協(xié)議，都需要設計周期性的keepalive幀，保證路由表的更新和維護。在LLN中，需周期性的發(fā)送DIO等消息，而周期性的更新會導致過多的控制開銷，浪費能量。所以RPL采用了一種自適應的定時器機制，稱為trickletimer。這種機制用來控制DIO消息發(fā)送的頻率。trickletimer機制將圖的更新視為一致性問題，使用trickletimer來決定何時組播DIO消息。trickletimer有個初始值，當網(wǎng)絡趨于穩(wěn)定時，trickletimer的周期會逐漸變大，相應的，網(wǎng)絡中DIO消息發(fā)送的頻率會減少。當網(wǎng)絡發(fā)生一些"不一致〞事件時，trickletimer的值又會恢復到初始值，DIO消息的發(fā)送就會比擬頻繁。這些事件有：節(jié)點檢測到環(huán)路、節(jié)點新入網(wǎng)、節(jié)點發(fā)生了移動，采用了trickletimer機制后，當網(wǎng)絡越來越穩(wěn)定的時候，RPL控制報文會逐漸減少；而當網(wǎng)絡出現(xiàn)問題時，控制報文發(fā)送的頻率又會顯著增加，保障網(wǎng)絡及時通過控制報文快速修復問題。2.2基于Contiki平臺的RPL路由協(xié)議仿真我利用了Contiki平臺上的cooja對RPL路由協(xié)議進展仿真，下面為仿真過程：翻開cooja，新建一個模擬器。圖2.1新建模擬器郵電大學本科課程設計報告第二章總體設計方案〔或系統(tǒng)建?！场?〕參加根節(jié)點和葉子節(jié)點。圖2.2參加節(jié)點〔3〕創(chuàng)立成功后，便能出現(xiàn)如下畫面，其中ID1為根節(jié)點，其他為葉子節(jié)點，按下simulationcontrol的start鍵，便開場DODAG圖的構(gòu)造。圖2.3開場仿真郵電大學本科課程設計報告第三章個人設計工作〔或系統(tǒng)仿真分析〕個人設計工作〔或系統(tǒng)仿真分析〕3.1DODAG圖構(gòu)建分析我對icmp6.c中的打印函數(shù)進展修改，使得整個DODAG圖的構(gòu)建過程能夠清楚地顯示出來?！?〕上行路徑的構(gòu)建:從打印信息可清楚地看出構(gòu)建上行路徑的過程，根節(jié)點利用DIO消息播送DODAG的信息；根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到DIO后，根據(jù)一定的準那么，決定是否參加這個DODAG，這些準那么包括：目標函數(shù)、DAG特性、各種自定義的本地策略等，當某個鄰居節(jié)點參加所播送的DODAG后，它就建立了一條到達DODAG根節(jié)點的路徑。圖3.1上行路徑構(gòu)建〔2〕下行路徑的構(gòu)建:下行路由的構(gòu)造通過DAO消息來完成。每個節(jié)點參加DODAG后，在網(wǎng)絡發(fā)起上行路徑構(gòu)造指令后，將發(fā)送DAO消息到它的父節(jié)點。DAO消息中含有前綴、前綴的有效時間等信息，用于表征節(jié)點所在前綴的可達性。郵電大學本科課程設計報告第三章個人設計工作〔或系統(tǒng)仿真分析〕圖3.2下行路徑構(gòu)建(3)最終DODAG圖的建立圖3.3建立DODAG圖3.2能耗的分析我對節(jié)點分布較分散的情況和節(jié)點較密集的情況進展了仿真，結(jié)果顯示，節(jié)點較密集的時候在拓撲建立的過程中能耗較高且較為均衡。另外，我發(fā)現(xiàn)在第一種情況的仿真過程中，連接多條路徑的節(jié)點都會消耗更多的能量，結(jié)果如下圖。郵電大學本科課程設計報告第三章個人設計工作〔或系統(tǒng)仿真分析〕圖3.4不同節(jié)點分布情況的示意圖圖3.5情況1的節(jié)點能耗示意圖圖3.6情況2的節(jié)點能耗示意圖郵電大學本科課程設計報告第三章個人設計工作〔或系統(tǒng)仿真分析〕3.3涓流機制下列圖為節(jié)點的DIO消息發(fā)送間隔統(tǒng)計圖，橫軸代表網(wǎng)絡運行時間，縱軸代表DIO消息的發(fā)送間隔，從圖中可以看出涓流機制的工作原理。初始的DIO發(fā)送間隔是區(qū)間的隨機數(shù)，節(jié)點收到一致的DIO消息后，DIO發(fā)送間隔在原來的根底上翻倍，圖中呈現(xiàn)出階梯型增長的趨勢。隨著網(wǎng)絡的穩(wěn)定,信道中的控制消息數(shù)據(jù)包數(shù)量大大減少。當網(wǎng)絡發(fā)生一些"不一致〞事件時，trickletimer的值又會恢復到初始值，DIO消息的發(fā)送就會比擬頻繁。如下圖就是節(jié)點10發(fā)生了位置的移動，導致其DIO消息的發(fā)送間隔時間又回到初始值。圖3.7涓流機制示意圖3.4其他參數(shù)修改：〔1〕在collect-mmon.c中Line053:#definePERIOD60改為30,修改正后使用collect-view工具進展數(shù)據(jù)收集的時間提前，可以在開場后30秒的時候看到收集到的個節(jié)點的信息。方便我們對RPL的性能進展分析?！?〕在rpl-conf.hLine148:#defineRPL_DIO_INTERVAL_MIN12改為10，使DIO消息發(fā)送間隔變?yōu)?0秒，加快節(jié)點發(fā)送消息的速度。郵電大學本科課程設計報告第四章設計總結(jié)第四章設計總結(jié)這次課程設計我進展了對RPL路由協(xié)議的仿真，感覺獲益良多，在這里總結(jié)一下這次課程設計的收獲與感受。前段時間我們在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計的課堂上才剛剛學習了RPL路由協(xié)議的相關(guān)知識，而這次那么對此進展了一次實踐，進一步加深了對此的理解。從仿真的過程中，可以直觀地看到DODAG的構(gòu)建過程，直觀地看到上行路徑到根節(jié)點和下行路徑的構(gòu)建。在icmp6.c中有一段代碼直觀地描述了防止環(huán)路的機制。通過實際操作了解到了涓流機制的實質(zhì)。另外，通過這次課程設計，也開拓了我的視野，使我有了第一次的時機對windows以外的操作系統(tǒng)進展操作，了解到了makefile的一些規(guī)那么以及Linux的一些命令。另外，這次設計對我C語言學習的幫助是巨大的，在啃代碼，提高看代碼的能力的同時，還能加深對RPL協(xié)議的理解，可謂是一舉兩得。我也希望自己在后續(xù)學習中去補足自己在這次課程設計所發(fā)現(xiàn)的一些問題，繼續(xù)提高自己讀寫代碼的能力，為日后學習工作打下一個良好的根底。郵電大學本科課程設計報告參考文獻參考文獻郭梯云，鄔國揚，建東．移動通信［M］．：電子科技大學，2001．董曉芳，巖，仁貴等．自行研制儀器設備的規(guī)化管理〔J〕．實驗技術(shù)與管理，2007，24﹝5﹞：163－165利民，建中.無線傳感器網(wǎng)絡[M].：清華大學，2005.[4]振強.IPV6技術(shù)解密[M]..人民郵電，2006.郵電大學本科課程設計報告附錄附錄Leaf.c：PROCESS_THREAD(rpl_leaf_process,ev,data){ staticstructetimerperiodic; /*定義etimer周期性定時器*/ staticstructctimerbackoff_timer; /*定義ctimer補償定時器*/PROCESS_BEGIN(); PROCESS_PAUSE(); set_global_address(); printf("UDPLEAFIPADDRESS:"); print_local_addresses(); leaf_connection=udp_new(NULL,UIP_HTONS(UDP_LEAF_PORT),NULL); if(leaf_connection==NULL){PRINTF("FailtomakeUDPconnection,exitingtheprocess!\n");PROCESS_EXIT();} udp_bind(leaf_connection,UIP_HTONS(UDP_LEAF_PORT));PRINTF("Createdaconnectionwiththeroot");PRINT6ADDR(&leaf_connection->ripaddr);PRINTF("local/remoteport%u/%u\n",UIP_HTONS(leaf_connection->lport),UIP_HTONS(leaf_connection->rport)); etimer_set(&periodic,SEND_INTERVAL); /*設置etimer定時器，定時時長為SEND_INTERVAL*/ /* *etimer:定時器期滿，發(fā)送事件 *ctimer:定時器期滿，調(diào)用函數(shù) *rtimer:實時時鐘,在一個準確的時間調(diào)用函數(shù) */ while(1){PROCESS_YIELD();if(ev==tcpip_event){tcpip_handler();}if(etimer_expired(&periodic)){ etimer_reset(&periodic); ctimer_set(&backoff_timer,SEND_TIME,send_packet,NULL); }郵電大學本科課程設計報告附錄 PROCESS_END();}}Root.c：PROCESS_THREAD(udp_root_precess,ev,data){ uip_ipaddr_tipaddr; structuip_ds6_addr*root_if; PROCESS_BEGIN();PROCESS_PAUSE();SENSORS_ACTIVATE(button_sensor);PRINTF("UDProotstarted\n");#ifUIP_CONF_ROUTERuip_ip6addr(&ipaddr,0xaaaa,0,0,0,0,0,0,0xbbbb); /*構(gòu)造ipv6地址*/ /*uip_ds6_set_addr_iid(&ipaddr,&uip_lladdr);*/uip_ds6_addr_add(&ipaddr,0,ADDR_MANUAL);root_if=uip_ds6_addr_lookup(&ipaddr);if(root_if!=NULL){rpl_dag_t*dag; /* *rpl_set_root(uint8_tinstance_id,uip_ipaddr_t*dag_id) *0x2a,42 */ dag=rpl_set_root(0x2a,(uip_ip6addr_t*)&ipaddr);uip_ip6addr(&ipaddr,0xaaaa,0,0,0,0,0,0,0xbbbb);print_local_addresses();NETSTACK_RDC.off(1);/* *udp_new(constuip_ipadd