1、評定成績： 課程設計報告（傳感器網絡組網）設計題目： 基于contiki平臺的路由協議及仿真 學 院 名 稱 ：自動化學院學 生 姓 名 ：專 業 ：班 級 ：學 號 ：指 導 教 師 ： 填表時間： 2016 年 5 月重慶郵電大學本科課程設計報告 摘要 摘要路由協議執行網絡拓撲描述、路由選擇和數據包轉發的功能，影響整個網絡的性能和存活時間。現有的路由協議需要發送大量數據包維護網絡拓撲，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，IETF ROLL工作組提出了一種針對低功耗有損網絡的IPV6路由協議，即RPL路由協議。

2、文中對RPL路由協議的拓撲構建過程進行分析，并通過利用cooja仿真工具進行仿真，在仿真中顯示出DODAG的構建過程，并對進行仿真出來的各種拓撲結構進行能耗的分析，在仿真過程中直觀地顯示涓流機制。關鍵字：IPV6 RPL路由協議 仿真 能耗分析重慶郵電大學本科課程設計報告 目錄目錄摘要I第一章 緒論11.1 設計題目：11.2 設計任務：11.3 設計要求：11.4 參考資料：1第二章 總體方案設計（或系統建模）22.1 RPL概述22.1.1DODAG的構建過程22.1.2 環路避免的機制22.1.3涓流機制32.2 基于Contiki平臺的RPL路由協議仿真3第三章 個人設計工作（或系統仿

3、真分析）53.1DODAG圖構建分析53.2能耗的分析63.3涓流機制83.4其他參數修改：8第四章 設計總結9參考文獻10附錄11I重慶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平臺的傳感網路由協議設計與仿真1.2 設計任務：基于Contiki操作系統和Cooja仿真器，運用所學的無線傳感網知識，選擇一種典型的傳感網路由協議進行組網設計和仿真。路由協議可在AODV、RPL、RIME等協議中任選一種，也可選擇其它典型的傳感網路由協議。1.3 設計要求：1掌握Contiki物聯網平臺開發的基礎知識。2. 組網規模不少于20個節點。3. 完成網絡的運行場

4、景分析、拓撲結構規劃和路由協議設計。4. 在Contiki平臺上獨立編寫符合需求的傳感網程序。5采用Contiki自帶的網絡仿真器，對編寫的程序和網絡路由協議進行仿真，給出網絡運行效果圖。6. 調節路由協議的一些參數，對路由協議的性能變化進行分析。1.4 參考資料：1Contiki開發組. Contiki: The Open Source OS for the Internet of Things. /2. 桂勁松. 物聯網系統設計. 北京：電子工業出版社. 2013.3. 謝希仁. 計算機網絡. 北京：電子工業出版社. 2008.4. 李曉維.

5、 無線傳感器網絡技術. 北京：北京理工大學出版社. 2007.重慶郵電大學本科課程設計報告 第二章 總體設計方案（或系統建模）第二章 總體方案設計（或系統建模）2.1 RPL概述 RPL是為LLN而設計的距離矢量路由協議，通過使用目標函數和度量集合構建具有目的地的有向無環圖（DODAG）。目標函數利用度量和約束條件的集合計算出最優路徑。由于網絡部署的目的性有異，同一網絡可能需要不同的鏈路質量要求等等。2.1.1 DODAG的構建過程DODAG的構造過程由根節點或LoWPAN邊界路由器（LBR）發起。為了實現DODAG的構造，RPL基于ICMPv6，新增加了如下三條控制消息：DIS、DIO、DA

6、O。RPL支持三種基本的數據傳輸模式: 多點到點，Multipoint-to-Point (MP2P)、點到多點，Point-to-Multipoint (P2MP)、點到點，Point-to-Point (P2P).。首先來說實現為MP2P構造上行到根節點的路徑。根節點利用DIO消息廣播DODAG的信息；根節點的鄰居節點收到DIO后，根據一定的準則，決定是否加入這個DODAG，這些準則包括：目標函數、DAG特性、各種自定義的本地策略等，當某個鄰居節點加入所廣播的DODAG后，它就建立了一條到達DODAG根節點的路徑。根節點被稱為該節點的“父節點”。如果新加入圖的節點類型是路由器，它將向自己的

7、鄰居節點繼續廣播包含DODAG信息的DIO消息。如果新加入圖的節點是“葉子節點”，則只是完成入網動作，不廣播DIO消息。鄰居節點不斷重復上述廣播和加入動作，直至到達網絡的所有葉子節點。每個節點都有一條路徑由指向自己的父節點，通過將數據消息發給父節點，最終就能到達根節點。然后來說實現為P2MP構造的從根節點出發的下行路徑，下行路由的構造通過DAO消息來完成。每個節點加入DODAG后，在網絡發起上行路徑構造指令后，將發送DAO消息到它的父節點。DAO消息中含有前綴、前綴的有效時間等信息，用于表征節點所在前綴的可達性。當一個節點收到DAO消息后，將對前綴信息進行處理，并在路由表中添加路由表項。然后將

8、該前綴信息進一步通過DAO上傳給自己的父節點。一個節點也可以將收到的前綴可達性信息進行匯集后，再發給自己的父節點。前綴上傳過程一直進行，直至前綴信息到達父節點。每個節點都完成前綴上傳后，整個網絡將建立起一個從根節點到達所有葉子節點的下行路由圖。2.1.2 環路避免的機制 RPL采用兩種策略避免環的出現，這些方法都用到rank值。策略1：最大深度策略，一個節點在鄰居中選擇父節點時，不能選擇rank值比它自己的rank重慶郵電大學本科課程設計報告 第二章 總體設計方案（或系統建模）值大一定程度的節點，即rank值超過node-rank+max_depth的節點，不能選擇作為父節點。至于超過多少深度

9、才不能選擇（max_depth的大小），由根節點確定。這種策略主要是防止選比自己還深的節點作為父節點。策略2：一個節點不能過度貪婪（greedy），不能為了增加父節點數，而移動自己在圖中的深度，使深度值加大。2.1.3涓流機制 大多數路由協議，都需要設計周期性的keep alive幀，保證路由表的更新和維護。在LLN中，需周期性的發送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trickle timer。這種機制用來控制DIO消息發送的頻率。trickle timer機制將圖的更新視為一致性問題，使用trickle timer來決定

10、何時組播DIO消息。trickle timer有個初始值，當網絡趨于穩定時， trickle timer的周期會逐漸變大，相應的，網絡中DIO消息發送的頻率會減少。當網絡發生一些“不一致”事件時， trickle timer的值又會恢復到初始值，DIO消息的發送就會比較頻繁。這些事件有：節點檢測到環路、節點新入網、節點發生了移動，采用了trickle timer機制后，當網絡越來越穩定的時候，RPL控制報文會逐漸減少；而當網絡出現問題時，控制報文發送的頻率又會顯著增加，保障網絡及時通過控制報文快速修復問題。2.2 基于Contiki平臺的RPL路由協議仿真 我利用了Contiki平臺上的coo

11、ja對RPL路由協議進行仿真，下面為仿真過程：（1） 打開cooja，新建一個模擬器。圖2.1 新建模擬器重慶郵電大學本科課程設計報告 第二章 總體設計方案（或系統建模） （2）加入根節點和葉子節點。圖2.2 加入節點 （3）創建成功后，便能出現如下畫面，其中ID1為根節點，其他為葉子節點，按下simulation control的start鍵，便開始DODAG圖的構造。圖2.3 開始仿真重慶郵電大學本科課程設計報告 第三章 個人設計工作（或系統仿真分析）第3章 個人設計工作（或系統仿真分析）3.1 DODAG圖構建分析 我對icmp6.c中的打印函數進行修改，使得整個DODAG圖的構建過程能

12、夠清楚地顯示出來。 （1）上行路徑的構建:從打印信息可清楚地看出構建上行路徑的過程，根節點利用DIO消息廣播DODAG的信息；根節點的鄰居節點收到DIO后，根據一定的準則，決定是否加入這個DODAG，這些準則包括：目標函數、DAG特性、各種自定義的本地策略等，當某個鄰居節點加入所廣播的DODAG后，它就建立了一條到達DODAG根節點的路徑。圖3.1 上行路徑構建 （2）下行路徑的構建: 下行路由的構造通過DAO消息來完成。每個節點加入DODAG后，在網絡發起上行路徑構造指令后，將發送DAO消息到它的父節點。DAO消息中含有前綴、前綴的有效時間等信息，用于表征節點所在前綴的可達性。重慶郵電大學本

13、科課程設計報告 第三章 個人設計工作（或系統仿真分析）圖3.2 下行路徑構建 (3)最終DODAG圖的建立圖3.3 建立DODAG圖3.2 能耗的分析 我對節點分布較分散的情況和節點較密集的情況進行了仿真，結果顯示，節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，我發現在第一種情況的仿真過程中，連接多條路徑的節點都會消耗更多的能量，結果如圖所示。重慶郵電大學本科課程設計報告 第三章 個人設計工作（或系統仿真分析）圖3.4 不同節點分布情況的示意圖圖3.5 情況1的節點能耗示意圖圖3.6 情況2的節點能耗示意圖重慶郵電大學本科課程設計報告 第三章 個人設計工作（或系統仿真分析）3.3

14、 涓流機制下圖為節點的DIO消息發送間隔統計圖，橫軸代表網絡運行時間，縱軸代表DIO消息的發送間隔，從圖中可以看出涓流機制的工作原理。初始的DIO發送間隔是區間內的隨機數，節點收到一致的DIO消息后，DIO發送間隔在原來的基礎上翻倍，圖中呈現出階梯型增長的趨勢。隨著網絡的穩定,信道中的控制消息數據包數量大大減少。當網絡發生一些“不一致”事件時， trickle timer的值又會恢復到初始值，DIO消息的發送就會比較頻繁。如圖所示就是節點10發生了位置的移動，導致其DIO消息的發送間隔時間又回到初始值。圖3.7 涓流機制示意圖3.4 其他參數修改： （1） 在collect-commmon.c

15、中Line 053:#define PERIOD 60改為30,修改過后使用collect-view工具進行數據收集的時間提前，可以在開始后30秒的時候看到收集到的個節點的信息。方便我們對RPL的性能進行分析。 （2）在rpl-conf.h Line 148:#define RPL_DIO_INTERVAL_MIN 12 改為10，使DIO消息發送間隔變為10秒，加快節點發送消息的速度。重慶郵電大學本科課程設計報告 第四章 設計總結第四章 設計總結這次課程設計我進行了對RPL路由協議的仿真，感覺獲益良多，在這里總結一下這次課程設計的收獲與感受。前段時間我們在物聯網系統設計的課堂上才剛剛學習了R

16、PL路由協議的相關知識，而這次則對此進行了一次實踐，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的構建過程，直觀地看到上行路徑到根節點和下行路徑的構建。在icmp6.c中有一段代碼直觀地描述了避免環路的機制。通過實際操作了解到了涓流機制的實質。另外，通過這次課程設計，也開拓了我的視野，使我有了第一次的機會對windows以外的操作系統進行操作，了解到了makefile的一些規則以及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協議的理解，可謂是一舉兩得。我也希望自己在后續學習中去補足自己在這次課程設計所發

17、現的一些問題，繼續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基礎。重慶郵電大學本科課程設計報告 參考文獻參考文獻1 郭梯云，鄔國揚，李建東移動通信M西安：西安電子科技大學出版社，20012 董曉芳，孫巖，陳仁貴等自行研制儀器設備的規范化管理J實驗技術與管理，2007，245：1631653 孫利民，李建中. 無線傳感器網絡M. 北京：清華大學出版社，2005.4 李振強. IPV6技術解密M. 北京.人民郵電出版社，2006.重慶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) static struct

18、 etimer periodic;/*定義etimer 周期性定時器*/static struct ctimer backoff_timer;/*定義ctimer 補償定時器*/ PROCESS_BEGIN();PROCESS_PAUSE();set_global_address();printf("UDP LEAF IP ADDRESS:");print_local_addresses();leaf_connection =udp_new(NULL,UIP_HTONS(UDP_LEAF_PORT),NULL);if(leaf_connection = NULL) PRIN

19、TF("Fail to make UDP connection, exiting the process!n"); PROCESS_EXIT(); udp_bind(leaf_connection, UIP_HTONS(UDP_LEAF_PORT); PRINTF("Created a connection with the root "); PRINT6ADDR(&leaf_connection->ripaddr); PRINTF(" local/remote port %u/%un", UIP_HTONS(leaf_

20、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，發送事件 *ctimer:定時器期滿，調用函數 *rtimer:實時時鐘,在一個精確的時間調用函數*/while(1) PROCESS_YIELD(); if(ev = tcpip_event) tcpip_handler(); if(etimer_expired(&periodic)et

21、imer_reset(&periodic);ctimer_set(&backoff_timer, SEND_TIME, send_packet, NULL); 重慶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_t ipaddr;struct uip_ds6_addr *root_if;PROCESS_BEGIN(); PROCESS_PAUSE(); SENSORS_ACTIVATE(button_sensor); PRINTF("UDP

22、 root startedn");#if UIP_CONF_ROUTER uip_ip6addr(&ipaddr, 0xaaaa, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0xbbbb);/*構造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_t instance_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(const uip_ipaddr_t * rip