基于反向路由的Zigbee网络本地修复机制改进

何智勇

(1.南京工业职业技术学院电气工程学院, 江苏 南京 210046；2. 南京工业职业技术学院江苏风力发电工程技术中心, 江苏 南京 210046)

Zigbee是一种低功耗、低成本、可靠性好的无线网络技术，具有延时小和网络容量大的特点[1-2]，目前主要应用于医疗、矿井、环境检测等，无线传感器网络物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，网络层采用Cluster-Tree路由算法[3]和AODVjr路由算法[4-5]，Cluster-Tree路由算法只需要根据网络节点之间的父子关系进行转发，路由方式简单，不需要存储路由表。AODVjr路由算法[5]可以在源节点与目的节点之间寻找最优路径，节点路由发现过程通过广播形式发送RREQ报文建立路由，节点能量消耗大，节点依靠电池供电，节点的电量绝大部分用于节点之间的分组转发的通信消耗，由于网络总体能量有限，特别是在协调器附近的高层节点，随着网络运行时间不断增长，节点能量耗尽，导致网络链路出现中断，AODVjr路由算法采用本地修复机制，当网络中出现链路中断，故障链路的上游节点重新启动路由发现过程，通过向网络中广播RREQ数据分组来启动路由发现过程，寻找一条新的可达路由，在发现路由的过程中，链路上传送的数据分组直接被丢失，网络出现拥塞，延长了数据端到端时间，因此，局部链路的快速修复显得非常重要。

Zigbee网络国内外学者的研究热点主要集中在路由局部修改过程中RREQ报文的处理方法和链路选择方面。Shang等[6-7]研究协议运行机制，提出给每个局部修复进程分配优先级，来提高链路修复过程中网络性能，但该算法只是在故障修复过程中对进程的优先级进行分类，没有减少网络链路中断出现和对链路数据分组进行保护。肖雳[8]提出在网络链路启动本地修复过程中，首先对链路中断位置上一处节点进行分析，由上游节点发送有限跳数的发现报文RREQ进行局部路由修复，但该算法路由发现过程是在链路中断后启动修复机制，不能减少因重建路由而产生的数据分组端到端时延。李子璇等[9]提出根据网络链路最大剩余能量来选择最佳路由，避免局部节点死亡导致的网络分割，根据链路能量选择路径，延长网络生命周期，但是该算法没有考虑在节点能量耗尽出现死亡，网络出现链路故障的情况。针对以上研究的不足，结合空闲路由节点反向路由机制，本文提出一种改进的Zigbee网络本地修复机制ILRA-AODVjr(improved local repair algorithm-AODVjr)，通过向邻居节点定期广播一个具有两跳生命周期反向路由构建报文S-RREQ，为ZigBee网络产生多个备用局部路由，增加网络中节点可达路由数量，提高网络发现路由过程的效率，缩短网络局部故障修复时间，减少数据分组丢失。

2 ZigBee故障机制存在的问题

图1 AODVjr本地算法修复过程Fig.1 AODVjr local algorithm repair process

如图1所示，在AODVjr路由算法建立路径的过程中，源节点S要发送数据分组到目的节点D，S首先查找本身路由表，寻找源节点到目的节点的路径，如果节点路由表不能找到目的节点的路由，由源节点S启动路由发现过程，通过广播RREQ 报文进行建立路由，路由建立成功后，发送数据分组到目的节点。在AODVjr路由算法中，节点选择下一跳路由的原则是选择先返回RREP报文的节点，随着网络运行时间增长，节点能量耗尽失效，导致链路中断，特别是网络中高层节点数据转发频繁，节点能量损耗快，网络会提前出现分割现象。如图1所示的网络结构中，节点1是网络关键节点，数据分组转发频繁，节点能量耗尽死亡，网络出现链路中断，{7，1}、{8，1}、{13，1}变成中断链路不能发送数据分组，AODVjr启动局部修复机制，由中断链路的上游节点7重新启动路由发现过程，向网络中广播发送RREQ报文再次寻找到目的节点的路由{S,6,7,2,8,12,13,14,D},由于RREQ是广播发送，增加网络节点的负担，网络中传送的数据分组被直接丢弃，直接影响网络传输效率，增大了网络数据分组端到端时延。

3 ILRA-AODVjr算法提出

本文提出的改进的Zigbee网络本地修复算法ILRA-AODVjr的基本思想是网络节点处于空闲状态时，即节点在一个时间段内除了与向邻居节点发送KEEP_ALIVE报文进行路由维护之外，不进行任何其他数据分组的发送、转发和接收，充分利用网络节点空闲时间，通过空闲路由节点反向路由机制，向邻居节点广播一个具有两跳生命周期反向路由构建报文S-RREQ，节点产生多个备用局部路由，减少路由发现等待过程，缩短网络局部故障修复时间。

源节点通过路由发现过程建立链路之后，路由进入路由维护阶段。在链路有效时间内，目的节点定期向源节点发送KEEP_ALIVE数据分组来维持链路信息，如果源节点成功收到KEEP_ALIVE数据分组，链路可达，否则认为链路失效，重新进行路由发现过程，KEEP_ALIVE路由维护报文发送如图2所示。

图2 ILRA-AODVjr算法产生备用路由过程Fig.2 Generation of a standby routing process by ILRA-AODVjr algorithm

在网络运行过程中，路径{S,6,7,2,8,12,13,14,D}的节点有数据分组发送，不属于空闲链路。网络中节点在一定周期Tidle内，系统设置的空闲超时时间为T，节点没有任何数据分组、RREQ报文或RREP报文发送或者转发，该节点处于空闲状态。在整个Zigbee网络中，同一时间内有很多的节点处于没有数据分组转发的状态，以节点2为例，当节点2的Tidle>T，为了节省网络资源，节点2向网络发送生命周期为2的路由发现报文S-RREQ建立备用路由，算法具体执行步骤如下：

(1)空闲节点Tidle>T时，向邻居节点发送TTL=2的路由发现报文S-RREQ，对2跳范围内能到达的节点建立备用路由，收到S-RREQ数据分组的节点回复RREP报文进行路径建立确认。

(2)备用路由建立成功后，节点定期对已建立的路由进行维护，让已存在的备用路由不会因为超时被删除，如图2所示，节点2建立的备用路由{2，3，9}，{2，3，19}，{2，8，9}，{2，8，12}，{2，8，1}在链路时间到期，目的节点发送KEEP_ALIVE数据分组到节点2确定路由存在，刷新路由信息。

(3)节点发起新的路由过程后，节点向网络中发送RREQ报文，空闲节点维护的路由表中有备用路由信息，节点19要发送数据分组到目的节点D，向网络中广播RREQ报文启动路由发现过程，节点3收到RREQ报文，对比本身存储的路由信息，由于节点有备用路由，节点3直接给节点19回复响应RREP报文确定链路的建立，大大提高了路由发现过程的效率。

(4)节点能量耗尽链路出现断裂，网络出现中断，如节点1能量耗尽死亡，路径{1，7}、{1，8}、{1，13}中断，上游节点7发起局部路由修复机制，向全网发送RREQ报文，等待目的节点D回复RREP数据分组确定路由的建立，由于节点7到目的节点的跳多，响应时间慢。通过空闲路由节点反向路由信息，节点2收到节点7发起的路由发现报文后，查看自身的路由表，节点2维护的路由表中有到过目的节点的路由信息，节点2直接回复RREP报文给节点7，路由本地修复完毕，节点2到节点D的新路径重新构建完毕，大大减少了网络节点故障本地修复时间。

整个算法的流程如图3 所示。

图3 改进的路由算法处理过程Fig.3 Improved routing algorithm process

4 仿真分析

通过NS2平台验证本文提出的ILRA-AODVjr算法，仿真实验中，网络覆盖面积为100×100，节点120个，信道数据传输率为200 kbit/s，节点初始能量为5 J，仿真时间为200 s，数据包长度为128 bit，本仿真实验中，节点能量低于初始能量2%，节点被认为是死亡节点，系统设置空闲超时时间为T=0.01 s。仿真实验从平均节点故障修复时间、数据分组端到端延时和网络剩余能量比率三方面与AODVjr算法进行了比较。

4.1 节点故障平均修复时间

网络运行后，改进ILRA-AODVjr路由算法与AODVjr算法节点故障平均修复时间对比图见图4，由于改进算法在网络节点处于空闲状态时，通过空闲路由节点反向路由机制，建立备用链路信息，在网络中构建多条备用路由信息，网络中节点能量耗尽死亡，网络中出现链路中断，由于ILRA-AODVjr路由算法中有备用链路存在，减少路由发现过程，缩短网络局部故障修复时间，ILRA-AODVjr路由算法优于AODVjr路由算法。

4.2 数据分组端到端延时

数据分组端到端延时仿真结果见图5，随时间的增长，网络中有节点能量耗尽死亡，节点数据分组端到端延时不断增加，由于改进ILRA-AODVjr路由算法采用备用路由机制，提高了节点故障修复时间，避免了数据分组的丢失，ILRA-AODVjr路由算法优于AODVjr路由算法。

4.3 网络剩余能量比率

网络剩余能量比率仿真结果见图6，随网络运行时间的增长，网络中数据分组不断发送需要消耗能量，AODVjr算法在网络出现链路中断后，AODVjr上游节点启动路由发现过程，广播RREQ报文，节点能量消耗快，改进的ILRA-AODVjr路由算法采用空闲路由节点反向路由机制，避免了RREQ报文泛洪，有效保护了节点剩余能量，网络剩余能量比率ILRA-AODVjr路由算法优于AODVjr路由算法。

图4 节点故障平均修复时间对比图Fig.4 Comparison graph of the average repair time for node failure

图5 数据分组端到端延时对比图Fig.5 Comparison graph of data packet end-to-end delay

图6 网络剩余能量比率对比图Fig.6 Comparison graph of Network Residual Energy Ratio

5 结语

本文在对Zigbee路由协议进行深入研究的基础上，提出了改进ILRA-AODVjr路由算法，通过空闲路由节点反向路由机制，向邻居节点发送TTL=2反向路由构建报文S-RREQ，在网络中产生多个备用局部路由，当网络高层节点能量耗尽，链路出现中断后，减少路由发现等待过程，缩短网络局部故障修复时间，减轻了网络拥塞和延迟现象。通过仿真实验，将改进ILRA-AODVjr路由算法与AODVjr路由算法进行比较，ILRA-AODVjr算法在节点故障平均修复时间和数据分组端到端延时方面有优势，延长了网络生命周期。

参考文献：

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[2]赵博,吴静. 基于ZigBee无线网络的Cluster-Tree路由算法研究[J].电子技术应用,2016,42(4):116-119.

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[8]肖雳. AODV路由协议路由修复研究和改进[D].北京：北京邮电大学,2010.

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