一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制制造技术

本发明专利技术涉及一种负载均衡的多路径数据传输机制，属于无线传感器网络领域，该机制包含步骤：(1)依据数据传输代价选出每个节点的最优多父节点集，完成网络拓扑的初始化构建；(2)设计一种多路径数据流量分配度量标准，其有效地结合了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率以及中继节点的子节点数量等多种度量，在考虑多种度量的情况下，可以有效地反映各种度量对权重的影响，可以准确地评价各个路径的具体的性能情况；(3)基于流量分配度量标准，设计一种能够最大化均衡网络负载的流量分配策略，以获得最优数据传输方案。该机制能够最大化地实现负载均衡，有效地均衡了节点能耗、延长了网络生存时间和提高了路由可靠性。 1

A load balancing RPL multipath data transmission mechanism

The invention relates to a load balanced multi-path data transmission mechanism, which belongs to the field of wireless sensor networks. The mechanism includes steps: (1) selecting the optimal multi parent node of each node according to the cost of data transmission, completing the initialization construction of the network topology, and (2) designing a multi-path data traffic distribution measurement standard, It effectively combines the quality of wireless link, the residual energy of the node, the occupancy of the node caching and the number of the sub nodes of the relay node. In the case of considering a variety of measures, it can effectively reflect the influence of various measures on the weight, and can accurately evaluate the specific performance of each path; (3) flow based on the flow. A new traffic assignment strategy that maximizes the network load is designed to obtain the optimal data transmission scheme. This mechanism can maximize load balancing, effectively balance the energy consumption of nodes, prolong the network lifetime and improve the reliability of routing. One

【技术实现步骤摘要】
一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制
本专利技术涉及无线传感器网络领域，特别涉及了一种基于多种度量的多路径数据传输机制。
技术介绍
近年来，随着物联网技术的快速发展，低功耗有损网络(LowPowerandLossyNetworks,LLN)成为备受人们关注的研究热点。LLN具有广泛的应用场景，譬如军事侦查、环境监测、工业控制、智能家居、医疗保健、城市交通和楼宇智能化等领域。LLN是由大量的无线传感器节点组成，这些节点的存储能力、处理能力和能量均受限，且节点之间的无线链路具有有损特性和不稳定性，因此基于LLN的上述特征及其广泛的应用前景，国际互联网工程任务组(theInternetEngineeringTaskForce,IETF)提出了一种基于IPv6的低功耗有损网络路由协议(IPv6RoutingProtocolforLLN,RPL)。RPL路由协议是一种单路径路由协议，节点只能选择备选父节点中一个最优父节点进行数据的转发，这将导致构建的路径过于单一，在传输数据的过程中不能有效地均衡网络负载，从而不利于数据的传输且严重影响网络各方面的性能。当路径遭遇故障后，RPL使用本地修复算法进行修复，但过程需要重新运行程序监测和建立路径，效率不高，能量损失严重。为了应对单路径路由协议的局限性，研究人员提出了多路径路由策略。多路径路由策略允许节点同时选择多个父节点将数据并行传输，提高了网络的可靠性，并减少了拥塞。Lodhi等提出了一种临时多路径的RPL数据传输机制，主要用于缓解网络拥塞。当中继节点检测到其最优父节点发生网络拥塞后，选择一个备选父节点进行数据分流，但通过备选父节点进行数据分流，但只能暂时解决网络拥塞，并且会增加控制包的数量，影响网络性能。张宗杰等在多路径的基础上提出了一种对数据流量进行按路径权重的并行传输方案，其核心思想为根据链路质量的不同和节点在单位时间内接收到的数据包数量动态的调整链路上的数据流量分配，但是考虑的路径过于单一，不能有效地均衡负载。Iova等提出以节点期望寿命作为路由度量标准的多路径RPL路由协议，并结合流量分配策略旨在使每个节点的能耗相同，使得每条路径上的瓶颈节点的能耗降低，从而达到延长网络生存时间的目的，但是使得每个节点的能耗相同，不符合实际的场景。朱立才等提出了一种能量有效的RPL多路径数据分发机制，建立了一种符合实际场景的节点能量消耗模型，根据能量离散程度度量判定网路中节点的能量均衡程度，从而有效地均衡了网络中节点的能耗，但只考虑能量的离散程度度量，没有考虑其他因素，不有利于数据包的有效传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有的不足，提出了一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制。本专利技术的技术方案如下：一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制，包括以下步骤：S1：依据数据传输代价选出每个节点的最优多父节点集完成网络拓扑的初始化构建；S2：设计一种数据流量分配度量标准，其有效地结合了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率以及中继节点的子节点数量等多种度量；S3：基于流量分配度量标准，提出一种能够最大化均衡网络负载的流量分配策略，以获得最优数据传输方案。进一步，在步骤S1中，选择节点的最优父节点集的具体方法为：最优多父节点集的选择是指在网络拓扑构建过程中，分别计算源节点的数据包经由各个多父节点集成功传输到根节点的传输代价。传输代价越小，则多父节点集的优先级就越高，将优先级最高的多父节点集作为源节点的最优多父节点集。(1)计算节点i的一个数据包成功传输到其各个多父节点集的传输代价。(2)计算节点i的各多父节点集的一个数据包成功传输到根节点的传输代价，其中C1≤C2≤···≤C|MPS(i)|。(3)计算源节点的一个数据包经由各个父节点集成功传输到根节点的端到端总传输代价。CMPSi,MPS(i)＝Ci,MPS(i)+RCi,MPS(i)(10)节点i最终选择端到端总传输代价最小值所对应的多父节点集作为其最优多父节点集。至此，节点i的最优多父节点集选择过程结束。进一步，在步骤S2中，建立流量分配标准的具体方法为：首先根据S1中得到的最优父节点集完成网络拓扑的初始化构建，然后根据流量分配标准计算出源节点和中继节点与其最优父节点集中每个节点之间的数据流量分配度量标准值。数据流量分配度量标准有效地结合了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率以及中继节点的子节点数量等多种度量。S11在网络拓扑构建过程中，节点i的最优父节点集中的每个节点根据当前剩余能量计算出其期望寿命。S12在网络拓扑构建过程中，节点i的最优父节点集中的每个节点分别根据各自的缓存占用大小计算缓存占用率，从而有利于避免节点i为高负载的备选父节点分配较多的数据流量。式中，current_buffer_occupancyjmax_buffer分别表示节点的当前缓存占用大小，最大缓存空间，网络中每个节点的最大缓存空间相同。S13在网络拓扑构建过程中，节点i的最优父节点集中的每个节点分别统计其子节点发回的目的地通告消息(DestinationAdvertisementObject,DAO)的数量，即可获得当前处于连接状态的子节点数量，从而有利于避免节点i为子节点数量较多的父节点分配较多的数据流量。S14在网络拓初始化过后，最优多父节点集CPS(i)中的每个节点将其期望寿命、缓存占用率以及其子节点的数量等相关信息添加到DIO消息的选项部分中，并将携带上述信息的DIO信息广播出去。S15节点i根据接收到其最优多父节点集中CPS(i)所有节点广播的DIO消息后计算与最优多父节点集中每个节点之间的数据流量分配标准值。式中，CNj表示节点j的子节点个数，Rank表示节点j的网络深度值。进一步，在步骤S3中，所述的基于流量分配标准进行流量分配的具体方法为：网络拓扑构建完成后，依据数据流量分配度量标准值的大小进行多路径数据流量的分配，根据步骤S1和S2完成网络拓扑构建和得到每条路径的路由分配标准值，依据数据流量分配度量标准值的大小得到每条路径的权重大小，最后进行多路径数据流量的分配。此数据流量的分配策略具体方法如下：P(l(i,j))＝W(l(i,j))N(14)式中，l(i,j)表示节点i与其最优多父节点集中的节点j之间的无线链路，l(i,Pk)表示节点i与最优父节点集中节点Pk之间的无线链路。另外，式中metric(l(i,j))表示节点i与节点j之间的路由度量值，|OMPS(i)|表示节点i的最优多父节点集中的节点个数。P(l(i.j))为i和j的链路之间分配的数据包的数量，N为节点i需要转发的数据包。由于采用以上技术方案，本专利技术具有以下优点：在本专利技术中，所述的节点的最优父节点集的选择的过程中，计算的数据传输代价考虑了节点的无线链路质量和因缓存而导致的丢包率的因素，从而可以有效地增加节点的接收包的成功率；所提出的流量分配标准中考虑了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率以及中继节点的子节点数量等多种度量，在考虑多种度量的情况下，可以有效地反映各种度量对权重的影响，可以准确地评价各个路径的具体的性能情况，然后，根据不同的权重对流量进行分配，达到了均衡节点能耗，延长网络生命时间和提高路由可靠性。附图说明图1为低功耗有损本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制，其特征在于：该方法包括以下步骤：

【技术特征摘要】
1.一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：依据数据传输代价选出每个节点的最优多父节点集，完成网络拓扑的初始化构建；S2：设计一种数据流量分配度量标准，其有效地结合了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率以及中继节点的子节点数量等多种度量；S3：基于流量分配度量标准，提出一种能够最大化均衡网络负载的流量分配策略，以获得最优数据传输方案。2.根据权利要求1所述的一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制，其特征在于：所述步骤S1的具体方法为：最优多父节点集的选择是指在网络拓扑构建过程中，分别计算源节点的数据包经由各个多父节点集成功传输到根节点的传输代价；传输代价越小，则多父节点集的优先级就越高，将优先级最高的多父节点集作为源节点的最优多父节点集，具体步骤如下：S11：计算节点i的一个数据包成功传输到其各个多父节点集的传输代价；S12：计算节点i的各多父节点集的一个数据包成功传输到根节点的传输代价，C1≤C2≤···≤C|MPS(i)|；S13：计算源节点的一个数据包经由各个父节点集成功传输到根节点的端到端传输代价；CMPSi,MPS(i)＝Ci,MPS(i)+RCi,MPS(i)(3)节点i最终选择端到端总传输代价最小值所对应的多父节点集作为其最优多父节点集，至此，节点i的最优多父节点集选择过程结束。3.根据权利要求2所述的一种负载均衡的RPL多路径数据传输机制，其特征在于：所述步骤S2的具体方法为：首先根据S1中得到的最优父节点集完成网络拓扑的初始化构建，然后根据流量分配标准计算出源节点和中继节点与其最优父节点集中每个节点之间的数据流量分配度量标准值；数据流量分配度量标准有效地结合了无线链路质量、节点剩余能量、节点缓存占用率以及中继节点的子节点数量等多种度量；具体步骤如下：S21：在网络拓扑构建过程中，节点i的最优父节点集中的每个节点根据当前剩余能量计算出其期望寿命；S22：在网络拓扑构...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宏，刘东东，徐栋，阮持光，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50