傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)課程設(shè)計(jì)基于contiki平臺(tái)的路由協(xié)議仿真

1、評定成績： 課程設(shè)計(jì)報(bào)告（傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)）設(shè)計(jì)題目： 基于contiki平臺(tái)的路由協(xié)議及仿真 學(xué) 院 名 稱 ：自動(dòng)化學(xué)院學(xué) 生 姓 名 ：專 業(yè) ：班 級 ：學(xué) 號 ：指 導(dǎo) 教 師 ： 填表時(shí)間： 2016 年 5 月重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 摘要 摘要路由協(xié)議執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋觥⒙酚蛇x擇和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的功能，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和存活時(shí)間。現(xiàn)有的路由協(xié)議需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)包維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以及大量的存?chǔ)空間來存儲(chǔ)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(chǔ)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(wǎng)絡(luò)的ipv6路由協(xié)議，即rpl路由協(xié)議。

2、文中對rpl路由協(xié)議的拓?fù)錁?gòu)建過程進(jìn)行分析，并通過利用cooja仿真工具進(jìn)行仿真，在仿真中顯示出dodag的構(gòu)建過程，并對進(jìn)行仿真出來的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行能耗的分析，在仿真過程中直觀地顯示涓流機(jī)制。關(guān)鍵字：ipv6 rpl路由協(xié)議 仿真 能耗分析重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 目錄目錄摘要i第一章 緒論11.1 設(shè)計(jì)題目：11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)：11.3 設(shè)計(jì)要求：11.4 參考資料：1第二章 總體方案設(shè)計(jì)（或系統(tǒng)建模）22.1 rpl概述22.1.1dodag的構(gòu)建過程22.1.2 環(huán)路避免的機(jī)制22.1.3涓流機(jī)制32.2 基于contiki平臺(tái)的rpl路由協(xié)議仿真3第三章 個(gè)人設(shè)計(jì)工作（或系統(tǒng)仿

3、真分析）53.1dodag圖構(gòu)建分析53.2能耗的分析63.3涓流機(jī)制83.4其他參數(shù)修改：8第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)9參考文獻(xiàn)10附錄11重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第一章 緒論第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)題目：基于contiki平臺(tái)的傳感網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)：基于contiki操作系統(tǒng)和cooja仿真器，運(yùn)用所學(xué)的無線傳感網(wǎng)知識(shí)，選擇一種典型的傳感網(wǎng)路由協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求：1掌握contiki物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)。2. 組網(wǎng)規(guī)模不少于20個(gè)節(jié)點(diǎn)。3. 完成網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行場景

4、分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃和路由協(xié)議設(shè)計(jì)。4. 在contiki平臺(tái)上獨(dú)立編寫符合需求的傳感網(wǎng)程序。5采用contiki自帶的網(wǎng)絡(luò)仿真器，對編寫的程序和網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行仿真，給出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(jìn)行分析。1.4 參考資料：1contiki開發(fā)組. contiki: the open source os for the internet of things. /2. 桂勁松. 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社. 2013.3. 謝希仁. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò). 北京：電子工業(yè)出版社. 2008.4. 李曉維.

5、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：北京理工大學(xué)出版社. 2007.重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第二章 總體設(shè)計(jì)方案（或系統(tǒng)建模）第二章 總體方案設(shè)計(jì)（或系統(tǒng)建模）2.1 rpl概述 rpl是為lln而設(shè)計(jì)的距離矢量路由協(xié)議，通過使用目標(biāo)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(biāo)函數(shù)利用度量和約束條件的集合計(jì)算出最優(yōu)路徑。由于網(wǎng)絡(luò)部署的目的性有異，同一網(wǎng)絡(luò)可能需要不同的鏈路質(zhì)量要求等等。2.1.1 dodag的構(gòu)建過程dodag的構(gòu)造過程由根節(jié)點(diǎn)或lowpan邊界路由器（lbr）發(fā)起。為了實(shí)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

6、。rpl支持三種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式: 多點(diǎn)到點(diǎn)，multipoint-to-point (mp2p)、點(diǎn)到多點(diǎn)，point-to-multipoint (p2mp)、點(diǎn)到點(diǎn)，point-to-point (p2p).。首先來說實(shí)現(xiàn)為mp2p構(gòu)造上行到根節(jié)點(diǎn)的路徑。根節(jié)點(diǎn)利用dio消息廣播dodag的信息；根節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)收到dio后，根據(jù)一定的準(zhǔn)則，決定是否加入這個(gè)dodag，這些準(zhǔn)則包括：目標(biāo)函數(shù)、dag特性、各種自定義的本地策略等，當(dāng)某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)加入所廣播的dodag后，它就建立了一條到達(dá)dodag根節(jié)點(diǎn)的路徑。根節(jié)點(diǎn)被稱為該節(jié)點(diǎn)的“父節(jié)點(diǎn)”。如果新加入圖的節(jié)點(diǎn)類型是路由器，它將向自己的鄰

7、居節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播包含dodag信息的dio消息。如果新加入圖的節(jié)點(diǎn)是“葉子節(jié)點(diǎn)”，則只是完成入網(wǎng)動(dòng)作，不廣播dio消息。鄰居節(jié)點(diǎn)不斷重復(fù)上述廣播和加入動(dòng)作，直至到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的所有葉子節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一條路徑由指向自己的父節(jié)點(diǎn)，通過將數(shù)據(jù)消息發(fā)給父節(jié)點(diǎn)，最終就能到達(dá)根節(jié)點(diǎn)。然后來說實(shí)現(xiàn)為p2mp構(gòu)造的從根節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)加入dodag后，在網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。dao消息中含有前綴、前綴的有效時(shí)間等信息，用于表征節(jié)點(diǎn)所在前綴的可達(dá)性。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到dao消息后，將對前綴信息進(jìn)行處理，并在路由表中添加路由表項(xiàng)。然后將該

8、前綴信息進(jìn)一步通過dao上傳給自己的父節(jié)點(diǎn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以將收到的前綴可達(dá)性信息進(jìn)行匯集后，再發(fā)給自己的父節(jié)點(diǎn)。前綴上傳過程一直進(jìn)行，直至前綴信息到達(dá)父節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完成前綴上傳后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將建立起一個(gè)從根節(jié)點(diǎn)到達(dá)所有葉子節(jié)點(diǎn)的下行路由圖。2.1.2 環(huán)路避免的機(jī)制 rpl采用兩種策略避免環(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(gè)節(jié)點(diǎn)在鄰居中選擇父節(jié)點(diǎn)時(shí)，不能選擇rank值比它自己的rank重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第二章 總體設(shè)計(jì)方案（或系統(tǒng)建模）值大一定程度的節(jié)點(diǎn)，即rank值超過node-rank+max_depth的節(jié)點(diǎn)，不能選擇作為父節(jié)點(diǎn)。至于超過多少深度才

9、不能選擇（max_depth的大?。?，由根節(jié)點(diǎn)確定。這種策略主要是防止選比自己還深的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)。策略2：一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能過度貪婪（greedy），不能為了增加父節(jié)點(diǎn)數(shù)，而移動(dòng)自己在圖中的深度，使深度值加大。2.1.3涓流機(jī)制 大多數(shù)路由協(xié)議，都需要設(shè)計(jì)周期性的keep alive幀，保證路由表的更新和維護(hù)。在lln中，需周期性的發(fā)送dio等消息，而周期性的更新會(huì)導(dǎo)致過多的控制開銷，浪費(fèi)能量。 所以rpl采用了一種自適應(yīng)的定時(shí)器機(jī)制，稱為trickle timer。這種機(jī)制用來控制dio消息發(fā)送的頻率。trickle timer機(jī)制將圖的更新視為一致性問題，使用trickle timer來決定何

10、時(shí)組播dio消息。trickle timer有個(gè)初始值，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定時(shí)， trickle timer的周期會(huì)逐漸變大，相應(yīng)的，網(wǎng)絡(luò)中dio消息發(fā)送的頻率會(huì)減少。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生一些“不一致”事件時(shí)， trickle timer的值又會(huì)恢復(fù)到初始值，dio消息的發(fā)送就會(huì)比較頻繁。這些事件有：節(jié)點(diǎn)檢測到環(huán)路、節(jié)點(diǎn)新入網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)，采用了trickle timer機(jī)制后，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)越來越穩(wěn)定的時(shí)候，rpl控制報(bào)文會(huì)逐漸減少；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時(shí)，控制報(bào)文發(fā)送的頻率又會(huì)顯著增加，保障網(wǎng)絡(luò)及時(shí)通過控制報(bào)文快速修復(fù)問題。2.2 基于contiki平臺(tái)的rpl路由協(xié)議仿真 我利用了contiki平臺(tái)上的cooj

11、a對rpl路由協(xié)議進(jìn)行仿真，下面為仿真過程：（1） 打開cooja，新建一個(gè)模擬器。圖2.1 新建模擬器重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第二章 總體設(shè)計(jì)方案（或系統(tǒng)建模） （2）加入根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)。圖2.2 加入節(jié)點(diǎn) （3）創(chuàng)建成功后，便能出現(xiàn)如下畫面，其中id1為根節(jié)點(diǎn)，其他為葉子節(jié)點(diǎn)，按下simulation control的start鍵，便開始dodag圖的構(gòu)造。圖2.3 開始仿真重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第三章 個(gè)人設(shè)計(jì)工作（或系統(tǒng)仿真分析）第3章 個(gè)人設(shè)計(jì)工作（或系統(tǒng)仿真分析）3.1 dodag圖構(gòu)建分析 我對icmp6.c中的打印函數(shù)進(jìn)行修改，使得整個(gè)dodag圖的構(gòu)建過程能夠

12、清楚地顯示出來。 （1）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(diǎn)利用dio消息廣播dodag的信息；根節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)收到dio后，根據(jù)一定的準(zhǔn)則，決定是否加入這個(gè)dodag，這些準(zhǔn)則包括：目標(biāo)函數(shù)、dag特性、各種自定義的本地策略等，當(dāng)某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)加入所廣播的dodag后，它就建立了一條到達(dá)dodag根節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)加入dodag后，在網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。dao消息中含有前綴、前綴的有效時(shí)間等信息，用于表征節(jié)點(diǎn)所在前綴的可達(dá)性。重慶郵電大學(xué)本科

13、課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第三章 個(gè)人設(shè)計(jì)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(diǎn)分布較分散的情況和節(jié)點(diǎn)較密集的情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)較密集的時(shí)候在拓?fù)浣⒌倪^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(diǎn)都會(huì)消耗更多的能量，結(jié)果如圖所示。重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第三章 個(gè)人設(shè)計(jì)工作（或系統(tǒng)仿真分析）圖3.4 不同節(jié)點(diǎn)分布情況的示意圖圖3.5 情況1的節(jié)點(diǎn)能耗示意圖圖3.6 情況2的節(jié)點(diǎn)能耗示意圖重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第三章 個(gè)人設(shè)計(jì)工作（或系統(tǒng)仿真分析）3.3

14、涓流機(jī)制下圖為節(jié)點(diǎn)的dio消息發(fā)送間隔統(tǒng)計(jì)圖，橫軸代表網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間，縱軸代表dio消息的發(fā)送間隔，從圖中可以看出涓流機(jī)制的工作原理。初始的dio發(fā)送間隔是區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，節(jié)點(diǎn)收到一致的dio消息后，dio發(fā)送間隔在原來的基礎(chǔ)上翻倍，圖中呈現(xiàn)出階梯型增長的趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生一些“不一致”事件時(shí)， trickle timer的值又會(huì)恢復(fù)到初始值，dio消息的發(fā)送就會(huì)比較頻繁。如圖所示就是節(jié)點(diǎn)10發(fā)生了位置的移動(dòng)，導(dǎo)致其dio消息的發(fā)送間隔時(shí)間又回到初始值。圖3.7 涓流機(jī)制示意圖3.4 其他參數(shù)修改： （1） 在collect-commmon.c中

15、line 053:#define period 60改為30,修改過后使用collect-view工具進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時(shí)間提前，可以在開始后30秒的時(shí)候看到收集到的個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。方便我們對rpl的性能進(jìn)行分析。 （2）在rpl-conf.h line 148:#define rpl_dio_interval_min 12 改為10，使dio消息發(fā)送間隔變?yōu)?0秒，加快節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的速度。重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)我進(jìn)行了對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(shè)計(jì)的收獲與感受。前段時(shí)間我們在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課堂上才剛剛學(xué)習(xí)了rp

16、l路由協(xié)議的相關(guān)知識(shí)，而這次則對此進(jìn)行了一次實(shí)踐，進(jìn)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(diǎn)和下行路徑的構(gòu)建。在icmp6.c中有一段代碼直觀地描述了避免環(huán)路的機(jī)制。通過實(shí)際操作了解到了涓流機(jī)制的實(shí)質(zhì)。另外，通過這次課程設(shè)計(jì)，也開拓了我的視野，使我有了第一次的機(jī)會(huì)對windows以外的操作系統(tǒng)進(jìn)行操作，了解到了makefile的一些規(guī)則以及l(fā)inux的一些命令。另外，這次設(shè)計(jì)對我c語言學(xué)習(xí)的幫助是巨大的，在啃代碼，提高看代碼的能力的同時(shí)，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(xué)習(xí)中去補(bǔ)足自己在這次課程設(shè)計(jì)所發(fā)現(xiàn)

17、的一些問題，繼續(xù)提高自己讀寫代碼的能力，為日后學(xué)習(xí)工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 郭梯云，鄔國揚(yáng)，李建東移動(dòng)通信m西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20012 董曉芳，孫巖，陳仁貴等自行研制儀器設(shè)備的規(guī)范化管理j實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，245：1631653 孫利民，李建中. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)m. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.4 李振強(qiáng). ipv6技術(shù)解密m. 北京.人民郵電出版社，2006.重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)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(shí)器*/static struct ctimer backoff_timer;/*定義ctimer 補(bǔ)償定時(shí)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) print

19、f("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_c

20、onnection->lport), uip_htons(leaf_connection->rport);etimer_set(&periodic, send_interval);/*設(shè)置etimer定時(shí)器，定時(shí)時(shí)長為send_interval*/* *etimer:定時(shí)器期滿，發(fā)送事件 *ctimer:定時(shí)器期滿，調(diào)用函數(shù) *rtimer:實(shí)時(shí)時(shí)鐘,在一個(gè)精確的時(shí)間調(diào)用函數(shù)*/while(1) process_yield(); if(ev = tcpip_event) tcpip_handler(); if(etimer_expired(&periodic)eti

21、mer_reset(&periodic);ctimer_set(&backoff_timer, send_time, send_packet, null); 重慶郵電大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)報(bào)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(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_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 * r