基于contiki平臺的路由協(xié)議仿真

1、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月摘要重慶郵電大學本科課程設計報告摘要路由協(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?，F(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，IETFROLLX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RPLM由協(xié)議。文中對RPL路由協(xié)議的拓撲構(gòu)建過程進行分析，并通過利用co

2、oja仿真工具進行仿真，在仿真中顯示出DODA的構(gòu)建過程，并對進行仿真出來的各種拓撲結(jié)構(gòu)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：IPV6RPL路由協(xié)議仿真能耗分析目錄重慶郵電大學本科課程設計報告目錄摘要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(tǒng)建模）22.1 RPL概述22.1.1 DODAG的構(gòu)建過程22.1.2 環(huán)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(xié)議仿真3第三章個人設計工作（或系統(tǒng)仿真分析）53.1 DODAG圖構(gòu)建分析53.2 能耗的分析63.3 涓

3、流機制83.4 其他參數(shù)修改：8第四章設計總結(jié)9參考文獻10附錄11II第一章緒論重慶郵電大學本科課程設計報告第一章緒論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)議進行組網(wǎng)設計和仿真。路由協(xié)議可在AODVRPLRIME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)的基礎知識。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、拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃和路由協(xié)議設計。4 .在Contiki平臺上獨立

4、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)議進行仿真，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)議的性能變化進行分析。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.北京：電子工業(yè)出版社.2013.3 .謝希仁.計算機網(wǎng)絡.北京：電子工業(yè)出版社.2008.4 .李曉維.無線傳感器網(wǎng)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

5、計方案（或系統(tǒng)建模）第二章總體方案設計（或系統(tǒng)建模）2.1 RPL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。2.1.1 DODAG的構(gòu)建過程DODAG構(gòu)造過程由根節(jié)點或LoWPANi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、DAORPL支持三種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：多點到點，Multipoint-to-Point（MP2P、點到多點，Point-

6、to-Multipoint（P2MP）、點到點，Point-to-Point（P2P）.。首先來說實現(xiàn)為MP2刖造上行到根節(jié)點的品&徑。根節(jié)點利用DIO消息廣播DODA信息；根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到DIO后，根據(jù)一定的準則，決定是否加入這個DODAG這些準則包括：目標函數(shù)、DAGtt性、各種自定義的本地策略等，當某個鄰居節(jié)點加入所廣播的DODAG?,它就建立了一條到達DODAG節(jié)點的路徑。根節(jié)點被稱為該節(jié)點的“父節(jié)點”。如果新加入圖的節(jié)點類型是路由器，它將向自己的鄰居節(jié)點繼續(xù)廣播包含DODAG息的DIO消息。如果新加入圖的節(jié)點是“葉子節(jié)點”，則只是完成入網(wǎng)動作，不廣播DIO消息。鄰居節(jié)點不

7、斷重復上述廣播和加入動作，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P2M刖造的從根節(jié)點出發(fā)的下行路徑，下行路由的構(gòu)造通過DAQ肖息來完成。每個節(jié)點加入DODAG?,在網(wǎng)絡發(fā)起上行路徑構(gòu)造指令后，將發(fā)送DAQ肖息到它的父節(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DACffi息后，將對前綴信息進行處理，并在路由表中添加路由表項。然后將該前綴信息進一步通過DAOt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行匯集后，再發(fā)給自己的父節(jié)點。前綴上傳過程一

8、直進行，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)路避免的機制rank值。策略1:最大rank值比它自己的rankRPL采用兩種策略避免環(huán)的出現(xiàn)，這些方法都用到深度策略，一個節(jié)點在鄰居中選擇父節(jié)點時，不能選擇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(tǒng)建模）值大一定程度的節(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?。?，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（g

9、reedy）,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RPLX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

10、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)送就會比較頻繁。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，RPLS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(tǒng)建模

11、)(2)加入根節(jié)點和葉子節(jié)點圖2.2加入節(jié)點(3)創(chuàng)建成功后，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，便開始DODAGI的構(gòu)造。1nMilMViAsCbMi日HIH母,電，“!=白I-hMn>>RmbfiwibMlL*»-_JF&xH：famMuie，jiUw-<Mf«TThiC«4Hr*PMhe«<StaaMw"LnA3WfbMTMilfaFixp1ACKH.JIBE-H"IfrECW*?WntHIL行Whdwi-7T4用"

12、bwuifi(fniJbtjnu1Ubutu13國LAEuHI4tiw："*Tf“timd-“中*7|3|，3|4|二llJiJJIA一HiEIE-HESBmwHEWEBHEm_Ir盤常由二畿葭器方，心L£M，毗茶耳FM所r浮ra+o«VH*IdIsKBLF+riM9HWKILM-flUMIWCLfuL'fWIKHESiSUvHU-F*FK4*«l*|iailIJC-M1|ItMLnil13.MlEkXJHtlinWILiL*1111MbUjL-UIHILfUjikCMCopIlML.-rww-7ilwiff*k.uitanl超iXiUnwwLi

13、旬rw祖f四,9HH1vlrfvuni«|*FLkM-IrilUciiLSMJ1WHh-wHE*-HlvnHl.Lt.1aI22.3-"I.4WpKTVHl.nalL|MxmftiQZ-AHinijIj.149ti.iuoaIJ14M出K-H49Odih1KrHV2HnhIU2<rirklbnTNEjMipir3IB3114I*ftInriMttWKiMHwrl$+n+cMuL'nriF由幻OBF“Lrm.|'*I|>&-Ilin'.ihaHiiwiafHr,rai|Bfkfl，拜MlHrwiJtail4JH131.圖2.3開始仿

14、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(tǒng)仿真分析）第三章個人設計工作（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)進行修改，使得整個DODACE的構(gòu)建過程能夠清楚地顯示出總（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)點利用DIO消息廣播DODAGJ信息；根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到DIO后，根據(jù)一定的準則，決定是否加入這個DODAG這些準則包括：目標函數(shù)、DAGI性、各種自定義的本地策略等，當某個鄰居節(jié)點加入所廣播的DODA修，它就建立了一條到達DODAGI節(jié)點的路徑。抑如ilkmpUe。&南NyGtMlatkfl-E沖TM

15、CutfelNttHEtfkEtaiLrtdr：.一二區(qū):：!二中EhirrUibxy««iIcchSrhrs用電LogLhinisf呼不事闞制網(wǎng)卻Mdl-MnUxuFbl-dKkihiiwiwkra睥mmu*tirone5pbtn1.Veilirufctr-ihMi呼.wtnrajwWFrSMXH.mlhtI：1rtmrrIKM4-Firngniptfirudtfibdtillul«Htrvithf口出ccknws.C國£ZSrKHii0HBCrSOHuXO曰XfiEtOZI露MOBjIKS1期&i珅PWMibFId蜂40員陋隈40通:時WME

16、故通的的電弓rR«H««Trt&-wro8gMbbib仰bmuCErs«H««1xK-MK*®K-.iMf：*IZI£MBME|>UCISWjHif*.H的:皿:的幅花域獨:：M魄劉金罡的3Db»WS檎力m««r由:網(wǎng)物施卸攤004物im.L百Ersc«"rfe0?WW'fflJW第曲皿,TOME-raB比2CISricnii*出近也加：皎般熨E：露陰晚翻毋Q1D止*M$修州1*-（理商Atffj小IX蜂她士mwwULlCI5rwwE«

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19、il；Uplat*Mnif.il回Winii3口圖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DAQ肖息來完成。每個節(jié)點加入DODA場，在網(wǎng)絡發(fā)起上行路徑構(gòu)造指令后，將發(fā)送DAQ肖息到它的父節(jié)點。DAQ肖息中含有前綴、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。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(tǒng)仿真分析）圖3.2下行路徑構(gòu)建最終DODA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)點較密集的情況進行了仿真，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

20、節(jié)點都會消耗更多的能量，結(jié)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(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(tǒng)仿真分析)3.3 涓流機制下圖為節(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)送問隔是區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)，節(jié)點收到一致的DIO消息后，DIO發(fā)送間隔在原來的基礎上翻倍，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

21、”事件時，trickletimer的值又會恢復到初始值，DIO消息的發(fā)送就會比較頻繁。如圖所示就是節(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-commmon.c中Line053:#definePERIOD60改為30,修改過后使用collect-view工具進行數(shù)據(jù)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(jié)點的信息。方便我們對RPL的性能進行分析。(2)在rpl-conf.hLine148:#defineRPL_DIO_INTERVAL_MIN12改為10,使DIO消息發(fā)送間隔變?yōu)?0

22、秒，力口快節(jié)點發(fā)送消息的速度。第四章設計總結(jié)重慶郵電大學本科課程設計報告第四章設計總結(jié)這次課程設計我進行了對RPLM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RPLM由協(xié)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DODA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避免環(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，使我有了第一次的機會對windows以外的操作系統(tǒng)進行操作，了

23、解到了makefile的一些規(guī)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(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基礎。參考文獻重慶郵電大學本科課程設計報告參考文獻1郭梯云，鄒國揚，李建東.移動通信M.西安：西安電子科技大學出版社，2001.2董曉芳，孫巖，陳仁貴等.自行研制儀器設備的規(guī)范化管理J.實驗技術與管理，2007,245：163-1653孫利民，李建中.無線傳感器網(wǎng)絡M.北京：清華大學出版社，200

24、5.4李振強.IPV6技術解密M.北京.人民郵電出版社，2006.10附錄重慶郵電大學本科課程設計報告附錄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_add

25、resses();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_connec

26、tion->ripaddr);PRINTF("local/remoteport%u/%un",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，在一個精確的時間調(diào)用函數(shù)*/while(1)PROCESS_YIELD();if(ev

27、=tcpip_event)tcpip_handler();)if(etimer_expired(&periodic)etimer_reset(&periodic);ctimer_set(&backoff_timer,SEND_TIME,send_packet,NULL);11附錄重慶郵電大學本科課程設計報告PROCESS_END();)Root.c:PROCESS_THREAD(udp_root_precess,ev,data)uip_ipaddr_tipaddr;structuip_ds6_addr*root_if;PROCESS_BEGIN();PROCESS_PA

28、USE();SENSORS_ACTIVATE(button_sensor);PRINTF("UDProotstartedn");#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_r