在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中，4G工業(yè)路由器如何布點(diǎn)才能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和高性價(jià)比的雙重目標(biāo)呢?通過(guò)了解物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通訊數(shù)據(jù)原理和整體網(wǎng)絡(luò)IP通訊布局，可以解決這個(gè)問(wèn)題。
從數(shù)據(jù)源源到接收器的數(shù)據(jù)路由是任何大規(guī)模無(wú)線傳感和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案不可或缺的一部分。在此類低功率有損網(wǎng)絡(luò)(LLN)應(yīng)用中使用的未插拔和/或移動(dòng)嵌入式設(shè)備始終在可用功率方面受到嚴(yán)格限制。因此，高效的數(shù)據(jù)路由對(duì)于任何長(zhǎng)期的可持續(xù)解決方案都至關(guān)重要。
許多大型無(wú)線數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用程序都使用低功耗的嵌入式設(shè)備。這些應(yīng)用包括精密農(nóng)業(yè)，樓宇管理/工業(yè)自動(dòng)化，車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)以及城市網(wǎng)絡(luò)/能源和水網(wǎng)，以建設(shè)更智能的城市。在這些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，嵌入式設(shè)備在嚴(yán)格的能量約束下運(yùn)行，從而導(dǎo)致計(jì)算，存儲(chǔ)和與無(wú)線電傳輸相關(guān)的約束。他們還通過(guò)有損渠道進(jìn)行交流。
此類應(yīng)用中的低功耗嵌入式設(shè)備并非孤立運(yùn)行，通常是較大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一部分，通常涉及數(shù)百或數(shù)千個(gè)其他類似設(shè)備(或現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn))。這些現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)間進(jìn)入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。因此，無(wú)線路由解決方案應(yīng)具有高能效，可擴(kuò)展性和自主性。
低功率有損網(wǎng)絡(luò)(LLN)通常由彼此無(wú)線通信的傳感器，執(zhí)行器和路由器組成。但是，與傳感器和執(zhí)行器不同，路由器通常不受(長(zhǎng)期)資源限制。將LLN連接到更廣泛的Internet基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的路由器稱為L(zhǎng)LN邊界路由器(LBR)。
LLN內(nèi)的流量模式和數(shù)據(jù)流是高度定向的。可以將模式定義為多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量(MP2P)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)流量(P2MP)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量(P2P)。例如，在MP2P流量中，來(lái)自多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的傳感信息通過(guò)LBR路由到Internet應(yīng)用程序。當(dāng)從Internet(LLN外部)發(fā)出查詢請(qǐng)求并通過(guò)LBR和LLN路由器將其路由到多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)觀察到P2MP流量。當(dāng)需要將控制信息發(fā)送到特定的執(zhí)行器或從特定的傳感器接收到警報(bào)信息時(shí)，就會(huì)發(fā)生P2P通信。
互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)成立了工作組(WG)，以更好地了解應(yīng)用場(chǎng)景的節(jié)能路由協(xié)議要求，例如城市/城市范圍的網(wǎng)絡(luò)，樓宇自動(dòng)化/管理系統(tǒng)，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和家庭自動(dòng)化。
城市無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
許多與城市感知有關(guān)的項(xiàng)目都希望監(jiān)視和跟蹤我們?cè)S多城市資源和環(huán)境狀況。麻省理工學(xué)院“感性城市”實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行多個(gè)項(xiàng)目，以了解“實(shí)時(shí)城市”以監(jiān)控“清除鏈”，這與產(chǎn)品供應(yīng)鏈相反，例如“垃圾演講”和“實(shí)時(shí)羅馬”。1
IBM一直在全球100多個(gè)城市中實(shí)施其智能城市技術(shù)。
像這樣的城市聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序代表了一種特殊的LLN，它們具有一組獨(dú)特的無(wú)線路由要求。羅馬實(shí)時(shí)項(xiàng)目使用匯總的來(lái)自移動(dòng)電信運(yùn)營(yíng)商的人員密度數(shù)據(jù)和通過(guò)蜂窩塔連接通信的公共巴士的GPS位置數(shù)據(jù)。
但是，要構(gòu)建一個(gè)可持續(xù)的解決方案以允許數(shù)據(jù)收集，匯總和顯示，就需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以在無(wú)線連接并使用低能耗電源供電的設(shè)備之間路由數(shù)據(jù)。RFC文檔描述了城市LLN的關(guān)鍵功能和路由要求：
? 節(jié)點(diǎn)部署：在典型的城市網(wǎng)絡(luò)部署中，會(huì)部署成百上千個(gè)具有預(yù)編程功能的節(jié)點(diǎn)。在推出之前或之后，網(wǎng)絡(luò)初始化階段可以包括地址的分配，網(wǎng)絡(luò)中的(分層)角色，同步以及日程安排的確定。推出后，在最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，可能會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)多個(gè)(冗余)路徑進(jìn)行連接，而其他一些節(jié)點(diǎn)則可能依賴關(guān)鍵鏈接來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。路由協(xié)議應(yīng)考慮這些因素，并以盡可能低的能源成本支持自組織和自配置。
? 節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)和解除關(guān)聯(lián)：在初始化階段之后，節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)間加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。路由協(xié)議還應(yīng)該能夠處理故障節(jié)點(diǎn)可能影響或危及整體路由效率的情況。
? 定期測(cè)量報(bào)告：大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)均配置為定期(每小時(shí)，每天一次等)報(bào)告其讀數(shù)。數(shù)據(jù)路由的計(jì)算和選擇可以取決于感測(cè)到的數(shù)據(jù)，報(bào)告的頻率，節(jié)點(diǎn)中剩余的能量數(shù)量，能量清除節(jié)點(diǎn)的充電模式或其他因素。
? 查詢的測(cè)量報(bào)告：外部應(yīng)用程序可以在城市網(wǎng)絡(luò)上啟動(dòng)查詢。例如，可能需要知道特定點(diǎn)或沿給定道路的污染水平。往返時(shí)間很重要，即從從節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)查詢到將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞到節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。(延遲不是很嚴(yán)格，但是應(yīng)小于報(bào)告間隔。)
? 警報(bào)報(bào)告：通常，感測(cè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)測(cè)量被分類為警報(bào)的事件，通常是在感測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)。報(bào)告警報(bào)的路由必須是單播(向LBR)或多播(向多個(gè)LBR)。
? 可伸縮性：路由協(xié)議必須能夠支持?jǐn)?shù)百至數(shù)萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)部署，而不會(huì)使選定的性能參數(shù)惡化到可配置閾值以下。
? 參數(shù)約束路由：協(xié)議必須能夠播發(fā)可用于路由決策的節(jié)點(diǎn)功能(CPU，內(nèi)存大小，可用電池電量)。需要現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算，選擇和安裝指向同一目的地的不同路徑，具體取決于流量的性質(zhì)。
? 支持自主和外來(lái)配置：鑒于節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，手動(dòng)配置每個(gè)節(jié)點(diǎn)是不可行的。規(guī)模和可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)量要求網(wǎng)絡(luò)根據(jù)一些先前定義的規(guī)則和協(xié)議進(jìn)行自組織和自配置，并允許外部觸發(fā)的配置。
? 支持高度定向的信息流：城市網(wǎng)絡(luò)通常通過(guò)LBR將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)路由到基于Internet的應(yīng)用程序。隨著節(jié)點(diǎn)在空間上的分散以及數(shù)據(jù)越來(lái)越接近LBR，最靠近LBR的節(jié)點(diǎn)中的流量集中度增加，從而導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)中的負(fù)載不平衡。路由協(xié)議必須能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算并選擇通往同一目的地的多條路徑來(lái)容納流量突發(fā)。
? 支持多播和任意播：路由協(xié)議必須具有一種尋址方案，該方案可以支持到單個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的路由(單播)，到訂閱同一組的一組節(jié)點(diǎn)的集合(多播)，以及路由到多個(gè)所有這些都可以通過(guò)相同的Internet協(xié)議(IP)地址(任意播)進(jìn)行尋址。
?
網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性：現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)地關(guān)聯(lián)，分離或從城市網(wǎng)絡(luò)中消失。現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)不應(yīng)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路由，因此路由協(xié)議應(yīng)具有適當(dāng)?shù)母聶C(jī)制，以通知現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化。協(xié)議應(yīng)使用此信息來(lái)執(zhí)行所需的路由級(jí)別重組和重新配置，以維持總體路由效率。
? 延遲：路由協(xié)議應(yīng)支持根據(jù)不同的延遲/延遲要求進(jìn)行路由的能力。只要信息到達(dá)時(shí)間與報(bào)告時(shí)間成比例，城市網(wǎng)絡(luò)就可以容忍延遲。(如果時(shí)間是每隔幾個(gè)小時(shí)，則延遲可能會(huì)是幾秒鐘。)
RPL的基本構(gòu)建基塊
RPL的核心是將其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織為一個(gè)有向非循環(huán)圖(DAG)，該圖被分為一個(gè)或多個(gè)面向目的地的DAG(DODAG)，每個(gè)接收器一個(gè)DODAG
(見(jiàn)圖)。DODAG中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)(類似于IoT解決方案中的路由設(shè)備)具有一個(gè)節(jié)點(diǎn)等級(jí)，該等級(jí)定義了該節(jié)點(diǎn)相對(duì)于DODAG根相對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)的位置。
計(jì)算RPL節(jié)點(diǎn)等級(jí)的確切方法取決于DAG的目標(biāo)函數(shù)(OF)。OF定義了如何使用路由指標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)和相關(guān)功能來(lái)計(jì)算排名。從本質(zhì)上講，OF決定了DODAG的形成。使用作為ICMPv6消息傳輸?shù)目刂葡?lái)構(gòu)建RPL拓?fù)?。三個(gè)關(guān)鍵的RPL控制消息是：
?DODAG信息請(qǐng)求(DIS)：DIS從RPL節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求DODAG信息對(duì)象(DIO)。
?DODAG信息對(duì)象(DIO)：DIO包含允許節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)RPL實(shí)例，了解其配置參數(shù)，選擇DODAG父集并維護(hù)DODAG的信息。
?目標(biāo)廣告對(duì)象(DAO)：DAO用于沿DODAG向上傳播目標(biāo)信息。
為了構(gòu)建DODAG拓?fù)?，?jié)點(diǎn)可以使用DIS消息來(lái)請(qǐng)求DIO，或者節(jié)點(diǎn)可以定期發(fā)送鏈路本地多播DIO消息。然后，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)DIO，并使用其信息加入新的DODAG或維護(hù)現(xiàn)有的DODAG。根據(jù)DIO中的信息，節(jié)點(diǎn)選擇父節(jié)點(diǎn)，以最小化到DODAG根的路徑開(kāi)銷。
結(jié)論
RPL的成功實(shí)施可以使IoT解決方案實(shí)現(xiàn)其既定的目標(biāo)功能和目標(biāo)。在RPL的范圍內(nèi)，一個(gè)典型的目標(biāo)是根據(jù)特定的OF構(gòu)造DODAG，并保持與一組主機(jī)的連接。RPL特別針對(duì)MP2P和P2MP流量模式進(jìn)行了優(yōu)化。節(jié)點(diǎn)是無(wú)狀態(tài)的，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的路由狀態(tài)信息最少。在選擇路徑時(shí)，RPL還考慮了鏈接和節(jié)點(diǎn)屬性。而且，鏈接故障不會(huì)觸發(fā)全局網(wǎng)絡(luò)重新優(yōu)化。
對(duì)于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署(涉及數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)并分布在較大的地理區(qū)域)，當(dāng)路由設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)考慮到RPL中可用的各種功能、功能和屬性時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)解決方案的電池壽命為年。
使用基于IP的網(wǎng)絡(luò)的可能性可以大大降低與無(wú)線IoT通信相關(guān)的能源和成本，否則將需要昂貴的移動(dòng)塔式連接和基于GSM /
EDGE的通信。這種RPL實(shí)施可能會(huì)極大地改變IoT解決方案在城市傳感網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中的部署。
RPL拓?fù)浒ň哂卸鄠€(gè)根且沒(méi)有循環(huán)的DAG和DODAG，或以單個(gè)目標(biāo)為根的DAG(無(wú)輸出邊緣)。
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