??? 設(shè)計(jì)思想來(lái)源：AODV提出“擴(kuò)展環(huán)搜索”技術(shù)，以避免路由請(qǐng)求包整網(wǎng)擴(kuò)散。需要注意的是，AODV允許中間節(jié)點(diǎn)回復(fù)路由請(qǐng)求，即中間節(jié)點(diǎn)有到目的節(jié)點(diǎn)路由時(shí)會(huì)回復(fù)RREP，而LR-WPAN使用的各種AODV簡(jiǎn)化協(xié)議，由于沒有采用序列號(hào)機(jī)制，均規(guī)定只有目地節(jié)點(diǎn)可以回復(fù)路由，如果依然采用AODV中“擴(kuò)展環(huán)搜索”策略，將存在以下問(wèn)題：當(dāng)發(fā)起RREQ的節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)，即使中間節(jié)點(diǎn)有到達(dá)目的地的路由，也不能回復(fù)RREP，這樣需要多次搜索，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬占用造成很大壓力，可能得不償失。
??? (4)上游節(jié)點(diǎn)參與本地鏈路修復(fù)，增加了路由修復(fù)成功率，提高了網(wǎng)絡(luò)自愈能力。
??? 修復(fù)算法描述如下
??? 收到路由修復(fù)RREQ；
　???? IF有到RREQ目的節(jié)點(diǎn)的路由 THEN
　?????? IF 此路由下一跳是RREQ源節(jié)點(diǎn) THEN
　????????? 刪除此路由表項(xiàng)；
　　　　????? IF ?廣播包限制字段非零 THEN
??????????? ????? 廣播RREQ；
　　　　????? ELSE
????????????? ??? 丟棄RREQ包；
???????? ???? END IF
　　　　????? ELSE
????????? ??????? 單播RREQ到下一跳；
??????????? END IF
　???? ELSE
　　???? IF ?廣播包限制字段非零 THEN
???????? ??? 廣播RREQ；
　　???? ELSE
???????? 丟棄RREQ包；
?????????END IF
??? END IF
??? 上游節(jié)點(diǎn)參與路由如圖2所示，其中，A節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)目的為Sink的數(shù)據(jù)包時(shí)沒有得到下一跳節(jié)點(diǎn)B的確認(rèn)（B節(jié)點(diǎn)死亡），廣播源為A目的為Sink的路由請(qǐng)求。A的上游鄰居D 收到該RREQ之后，判斷出自己到Sink的路由下一跳為A，于是刪除到Sink路由并繼續(xù)廣播該RREQ報(bào)文，最后A到Sink通過(guò)D、C建立路由。

?

1.2? 路由協(xié)議模型
??? IEEE 802.15.4^[7,8]是低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制層和物理層標(biāo)準(zhǔn)，LWRP運(yùn)行在這一標(biāo)準(zhǔn)之上并直接使用IEEE 802.15.4規(guī)定的EUI-64 地址作為路由依據(jù)。為了在IEEE 802.15.4上同時(shí)運(yùn)行LWRP和TCP/IP等協(xié)議，需要一個(gè)中間適配層。LWRP協(xié)議所處層次如圖3所示。

?

1.3? 報(bào)文格式
??? LWRP規(guī)定兩種報(bào)文RREQ、RREP幀格式分別見圖4(a)、(b)。

?

??? 字段說(shuō)明如下：
??? （1）類型：0x00表示RREQ報(bào)文；0x01表示RREP報(bào)文。
??? （2）反饋控制標(biāo)志：值為１表示RREQ源和目地需要雙向通信，否則為單向通信。
??? （3）弱鏈路條數(shù)：從RREQ源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的鏈路質(zhì)量低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的鏈路條數(shù)。
??? （4）能量告警節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)：從RREQ源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的電量不足的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
??? （5）跳數(shù)：報(bào)文從出發(fā)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的跳數(shù)。
??? （6）廣播跳數(shù)限制：RREQ廣播范圍限制。
??? （7）路由請(qǐng)求ID：與源節(jié)點(diǎn)一起，唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)RREQ消息。
??? （8）源地址：RREQ源節(jié)點(diǎn)的IEEE802.15.4定義的64bit接口標(biāo)識(shí)符。
??? （9）目的地址：RREQ目的地址的IEEE802.15.4定義的64bit接口標(biāo)識(shí)符。
2 路由算法的實(shí)現(xiàn)
??? LWRP是按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過(guò)程，協(xié)議開銷小，符合低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)節(jié)能要求。
2.1 路由建立過(guò)程
??? （1）發(fā)送RREQ
??? 當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先查找本地路由表，如果發(fā)現(xiàn)到目的地址的路由不存在，則緩存當(dāng)前數(shù)據(jù)包，封裝RREQ報(bào)文，廣播發(fā)送RREQ消息。
??? （2）中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ
??? 如圖5所示，接收RREQ報(bào)文的節(jié)點(diǎn)首先判斷RREQ報(bào)文目的地址是否是自己，如果不是，則查詢自己的入口表。

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??? 如果已經(jīng)存在入口表項(xiàng)，表明已經(jīng)接收過(guò)與該RREQ源地址發(fā)送ID號(hào)相同的RREQ報(bào)文。為防止廣播風(fēng)暴，該節(jié)點(diǎn)拋棄RREQ報(bào)文。
??? 如果不存在該入口表項(xiàng)，則在路由表中查詢能夠到達(dá)RREQ源地址的路由。如果已經(jīng)存在該路由，則比較這兩條路由，選擇較好的路由進(jìn)行存儲(chǔ)；如果不存在該路由，則臨時(shí)建立一條到RREQ源地址的逆向路由。然后，節(jié)點(diǎn)查詢路由表中到RREQ報(bào)文中目的地址的路由，如果存在，則向目的節(jié)點(diǎn)單播RREQ消息，否則繼續(xù)廣播RREQ報(bào)文。
??? （3）目的節(jié)點(diǎn)接收RREQ和發(fā)送RREP
??? RREQ的目的節(jié)點(diǎn)首先緩存RREQ報(bào)文消息，由于廣播RREQ尋路過(guò)程，節(jié)點(diǎn)接收多條路由到達(dá)的報(bào)文消息，所以需要等待合理時(shí)間T，進(jìn)行多路由的優(yōu)劣判斷。協(xié)議構(gòu)造路由優(yōu)選函數(shù)f(m,h,n)：
??? ?f(m,h,n)=Am+Bh+Cn
其中,m為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的電量不足節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，ｈ為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，ｎ為從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)弱鏈路的條數(shù)。考慮到節(jié)能是其中最主要的因素，結(jié)合實(shí)際測(cè)量情況，在開闊地帶室外環(huán)境下，可取A= 256，B=1，C=2。目的節(jié)點(diǎn)為每個(gè)到達(dá)的RREQ計(jì)算其f值，選擇f值最小的路由進(jìn)行回復(fù)。
??? （4）接收RREP
??? 接收RREP的過(guò)程如圖6所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到RREP報(bào)文，首先建立到RREP源地址的路由表項(xiàng)，然后判斷RREP目的地址是不是自己。如果是，則發(fā)送緩存隊(duì)列中的緩存數(shù)據(jù)；如果不是，則建立或者更新到RREP源地址的路由表項(xiàng)，并找出到RREP目的地址的路由，判斷RREP中的反饋控制位是否為1，是則將此路由修改為正式路由，繼續(xù)單播RREP報(bào)文。

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2.2? 路由維護(hù)過(guò)程
??? 節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后，在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀，則認(rèn)為該鄰居節(jié)點(diǎn)失效。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)緩存當(dāng)前數(shù)據(jù)，并發(fā)起本地修復(fù)過(guò)程，廣播RREQ尋找到該數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的路由。
??? 節(jié)點(diǎn)本地修復(fù)RREQ的“廣播跳數(shù)限制”取值比較小，一般小于3，以避免RREQ報(bào)文引起網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴。廣播跳數(shù)限制不會(huì)影響單播RREQ所能到達(dá)的網(wǎng)絡(luò)范圍，因此這種設(shè)計(jì)既能避免廣播包擴(kuò)散又能很好地修復(fù)路由。
3? LWRP的性能分析
??? 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)采用圖7所示拓?fù)洌渲兄挥蠧需要反饋控制，各節(jié)點(diǎn)只與周圍鄰居通信。圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)字是節(jié)點(diǎn)EUI-64地址最后一個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制表示值。讓節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含自己內(nèi)部路由表情況的數(shù)據(jù)包，通過(guò)Chipcon Packet Sniffer^[9]抓包并進(jìn)行分析。

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??? （1）對(duì)存儲(chǔ)和計(jì)算資源的占用
??? 圖8對(duì)比了運(yùn)行LWRP和LOAD協(xié)議后各節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)數(shù)目。

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??? 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為n，Sink單跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m，反饋控制節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)比例k%，每條路由表占用存儲(chǔ)資源為s。由于Sink周圍節(jié)點(diǎn)路由表?xiàng)l數(shù)比其他節(jié)點(diǎn)多，用Sink單跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)路由表占用內(nèi)存的平均值來(lái)衡量協(xié)議對(duì)存儲(chǔ)資源的要求。
??? 運(yùn)行LOAD后該平均值為：
??? ?s*[1+(n-m-1)/m]
??? 而運(yùn)行LWRP后，該值為:
??? ?s*[1+nk%/m]
??? 在一般數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，n>>m，而k%很小，LWRP路由表占用存儲(chǔ)資源優(yōu)勢(shì)很明顯。
??? 計(jì)算資源方面，LWRP只進(jìn)行簡(jiǎn)單比較和線性查找運(yùn)算，其優(yōu)選函數(shù)以2的非負(fù)指數(shù)次方作為加權(quán)系數(shù)，能夠利用MCU的移位運(yùn)算快速得到結(jié)果。
??? （2）自愈性
??? 圖7顯示拓?fù)錀l件下，F(xiàn)點(diǎn)向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)。某時(shí)刻將B節(jié)點(diǎn)斷電模擬實(shí)際環(huán)境中節(jié)點(diǎn)死亡，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察G點(diǎn)流量。結(jié)果顯示A點(diǎn)檢測(cè)到AB之間鏈路斷開，緩存了來(lái)自F的數(shù)據(jù)包，開始本地修復(fù)過(guò)程。
??? 運(yùn)行LOAD協(xié)議時(shí)，A節(jié)點(diǎn)的本地修復(fù)失敗，造成數(shù)據(jù)包丟失。而運(yùn)行LWRP時(shí)，上游節(jié)點(diǎn)D參與尋找路由過(guò)程，將來(lái)自A的RREQ又廣播了一次，成功完成本地修復(fù)過(guò)程，緩存的數(shù)據(jù)包通過(guò)A->D->G->Sink到達(dá)目的地。
??? （3）網(wǎng)絡(luò)帶寬占用
??? 在更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)將節(jié)點(diǎn)斷電模擬實(shí)際環(huán)境中節(jié)點(diǎn)失效，抓包分析不同路由協(xié)議廣播包數(shù)量得出結(jié)論，相比AODVjr和LOAD，LWRP能夠有效控制RREQ廣播包數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，優(yōu)勢(shì)越明顯。
??? 表1給出了LWRP和其他基于AODV的同類路由協(xié)議的對(duì)比。

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