RPL

RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) [14]路由協定，

如 Figure 3.1 所示，以 IPv6 為基礎所發展出的 RPL 網路架構。一個 Instance 下可 包含許多 DAG (Directed Acyclic Graph)樹狀結構的架構，DAG 為具有方向性非循 環圖，其中 DODAG (Destination-Oriented DAG)為具有目的導向的非循環圖，即 為網路中的目的地節點。特別的是，RPL 以分層的方式來進行拓樸的管理，稱為 Rank 值。Rank 值用來降低管理的複雜度，其節點的 Rank 值在樹狀圖中，越靠近 DODAG 的節點，Rank 值越小；越往 Leaf 處的節點，Rank 值越大。所支援的傳 輸訊息類型可分為點對點(Point-to-Point，P2P)、點對多點(Point-to-MultiPoint，

P2MP)、多點對點 (MultiPoint-to-Point，MP2P)三種類型。

RPL 的控制訊息有三種[14]，包括 DIO、DIS、DAO，來建立路由表(Routing

Table)。以下說明之:

 DIO (DODAG Information Object)：當 RPL 網路啟動時，各節點開始發送 DIO 訊息，幫助各節點加入至 DODAG 跟選擇條件較佳的父節點，其中條件包括

OF (Objective Function)、Metric、Rank 等。

 DIS (DODAG Information Solicitations)：當節點收到 DIO 的訊息，會由 DIS 來對鄰居(Neighbor)節點來發出請求(Solicit)訊息，接收到 DIS 的訊息節點，

便可加入此樹狀架構。

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 DAO (DODAG Destination Advertisement Object)：選擇父節點之後，子節點 即可開始發送 DAO 訊息給路徑中的父節點，目的在於隨時更新路由表 量消耗(Energy Consumption)、網路的延展性 (Network Scalability)、容錯 (Fault Tolerance)、連接性(Connectivity)及品質服務(Quality of Service)等。[19]更進一步 說明為解決物聯網的省電路由及 QoS 能力的保證，在挑選路徑的方面需考量，包 括延遲(Latency)、可靠性(Reliability)及頻寬(Bandwidth)等。省電更為無線感測網

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路(Wireless Sensor Network)的重要核心問題，初步的解決設計，包括以資料為中 心(Data-centric)、階層式路由(Hierarchical Routing)及網路流量(Network-flow)等。

現存的省電路由方法，包括 EAQoS (Energy-aware QoS)[20]是隨著網路流量 (Network Traffic)改變的省電路油方式，目的是查覺(Aware)最大能源的消耗處，挑

本節介紹本文所採用的核心技術，稱為 Trickle Timer。Trickle Timer 起源於[22]

2004 年，在 2011 年時被 RPL 路由協定所採用。Trickle Timer 廣泛應用於路由維 護(Route Maintenance)、鄰居找尋(Neighbor Discovery)、控制傳輸流量(Control Traffic)及群播傳輸(Multicast Propagation)等方面。

Trickle Timer 是用來控制 DIO 的發送速率，減少節點的能源消耗、加速建構 DAG 拓 樸 時 間 。 採 用 Trickle Timer 的 優 點 [9] 包 括 (1) 低 維 護 成 本 (Low Maintenance)：當網路狀態穩定時(所有節點加入 RPL 的樹狀結構，建構完 DAG)，

節點之間的交換訊息次數會逐漸變少。(2)快速傳播 (Rapid Propagation)：Trickle

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Timer 演算法可以讓無線感測節點快速傳播訊息，找尋鄰居節點並對節點做更新 資訊的動作。當物聯網的感測節點數量變多時，可以加快 RPL 樹狀結構的收斂時 間。(3)可延展性 (Scalability)：結合(1)及(2)優點，可得知當大量的無線感測節點，

Trickle Timer 的設計可以讓網路整個的延展性快速進行收斂，加快建構 DAG 的 速度。(4)減少能源消耗 (Reduce Power Consumption)：Trickle Timer 可以控制傳 輸的速率，讓節點可以一致性 (Consistency)。當節點要廣播時，鄰居節點才醒過 來進行資料的接收，其餘節點不廣播的時候，鄰居節點皆在睡眠模式。

Trickle Timer 用來控制 DIO 控制訊息的發送速率，是以設定三種參數[9]來控 制 DIO 的發送頻率，包括：

 Imin ( 最 小 間 隔 時 間 ， Minimum Interval Size) 為 時 間 的 單 位 ， 分 為 毫 秒

(Millisecond)或秒(Second)為單位，預設值為 12(即 2¹² = 4096 毫秒 = 4 秒)。 Imin

參數定義為兩個 DIO 之間的最小傳輸間隔時間。DIO 定時的發送控訊息，利 用 Redundancy constant k 減少發送多餘的 DIO 訊息，使限制的資源能夠進行 優化，包括減少控制訊息、減少能源消耗。

 Imax (最大間隔時間，Maximum Interval Size)為 Imin的倍數(Interval Doubling)

關係，Idoubling預設值為 8 (即 2⁸)；Imax預設值為 20 (即 2²⁰)。這參數是用在穩

定的網路情況下，兩個 DIO 傳輸的最大傳輸間隔時間。計算方式由(2.1)公式 [9]所示，舉例說明: Imin = 2¹²；Idoubling = 2⁸，代入公式可得 Imax = Imin * Idoubling = 2¹²

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* 2⁸ = 2²⁰ = 1048576 毫秒 = 17.5 分鐘。

Imax = Imin * Idoubling (2.1)

 K (Redundancy Constant): 非負值整數(即 K≥0)，用來壓抑(Suppress) DIO 發送，

減少發送多餘的 DIO 訊息。

舉例說明 Trickle Timer 演算法發送 DIO 的流程，如 Figure 2.1 所示，假設網 路使用的 Trickle Timer 參數為 Imin=2¹²、Idounbling=2⁸及 Imax=2¹⁸，DIO 將於 4 秒到

17 分鐘的間隔之間進行發送 DIO 控制訊息的動作。

本文所提出的方法，是利用 Trickle Timer 的參數，根據網路的情況進行參數 的動態調整，達到減少控制訊息成本、延長網路壽命的效果。

Figure 2.1：DIO 傳輸時間軸 [15]

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2.3.2 Energy Scheme

為了突顯本系統延長網路壽命的效果，特別與 2013 年所提出的方法進行效能 的比較，以下稱此方法為 Energy Scheme [23]。本節將介紹 Energy Scheme 的運作 流程。

Energy Scheme 是挑選周圍節點中剩餘電量最大的作為父節點，這種方法的好 處包括可以負載平衡及增加網路壽命的時間。根據此評估項目(Metric)，感測節點 將考量可能的父節點路徑後，目標函數的最佳路徑取其中一條剩餘電量值為最大 值當此目標函數之最佳路徑的評估項目。

透過(2.2)公式[23]算出各個節點的 Rank。假如該節點 Rank 越小代表越高層、

越容易當選為父節點；Rank 越大代表越低層、越不容易當選為父節點。Energy Scheme 挑選的父節點為剩餘電量越大越好。此方法所帶來的好處，包括負載平 衡，即各個節點的消耗電量會較為平均，達到延長網路壽命的效果。

Rank (N) = Rank (P) + Rankincrease

where Rankincrease = step (Sinkenergy - Nenergy) + MinHopRankIncrease

(2.2)

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第三章 研究方法

本章節內容說明本論文所提出的研究方法，針對低功耗有損網路的網路壽命 及延展性問題的進行探討並提出具體的改善辦法。本章將詳述本論文所提出架構，

包括面臨到三種網路情況時，應如何動態調整 Trickle Timer 的參數。

3.1 系統概觀

假設感測節點是能力受到資源限制(Resource-constrained)，處於低功耗有損網 路(LLN)中，每一個感測節點皆具有一個獨立的 IP 位址，採用的路由協定為 RPL。

一般而言，一個 Instance 代表一個應用，一個 Instance 底下允許包含多個 DAG

(Directed Acyclic Graph)，其中 DODAG (Destination-oriented DAG)為具有目的導 向的非循環圖。

本系統的節點角色包括 LBR (Low Power and Lossy Border Router)及來源節 點兩種角色。(1) LBR 節點具有建造 DAG 的能力，為一個 DODAG 的收集點 (Collection Point)，負責收集資料以及轉發訊息封包的功能，在 LLN 網路中扮演 連接至 IPv6 網路的角色。(2) 來源節點不具轉發訊息封包的功能，負責收集資料 並傳送訊息給 LBR，功能較為簡易。

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3.2 可應變式路由機制

本節說明可應變式路由機制選擇路徑的基本流程，分成三個階段。第一為樹 建造階段；第二為網路情況偵測階段；第三為動態調整參數階段。

3.2.1 樹建造階段

如 Figure 3.1 所示，以一顆 LBR 節點及四顆來源節點(Source Node)舉例說明。

樹建造階段中，如 Figure 3.1(a)所示，A 節點(系統中的 LBR 收集節點)廣播 DIO 訊息給來源節點，DIO 的訊息封包包含 DODAG 的相關資訊，提供來源節點做為 父節點挑選的評估項目，評估項目包括 DODAG 的編號、Objective Function、Rank 值等[24]。本文提出的方法使用節點剩餘電量(Residual Energy)做為父節點挑選的 Discovery)，檢查附近是否還有節點未加入到 RPL 的樹狀架構。Figure 3.1(d)當 E 節點收到 B、C 及 D 節點的 DIO 訊息後，E 節點開始加入此架構。完成整個建造 DAG 工作。Figure 3.1(e)當樹狀結構建造後，本系統會透過 DIO 控制訊息，得知 鄰居節點的剩餘電量權重(Weight)值，在本文提出的方法中，挑選最大剩餘電量 的路徑(Wenergy)進行感測資料的傳遞。Figure 3.1(f)計算所有可能路徑(A→B→E、

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A→C→E、A→D→E)的 Wenergy後，A→B→E 路徑 W2=85%、A→C→E 路徑 W3=83%、

A→D→E 路徑 W4=81%。因此我們挑選傳送至 LBR 的路徑為 A→B→E，完成第 一階段。

3.2.2 網路情況偵測階段

網路情況偵測階段，如 Figure 3.1(g)所示，本文提出的可應變式路由機制開始 偵測網路情況，目前本系統考量處理三種網路情況，包括電量等級(Energy Level)、

網路收斂(Network Convergence)及傳輸流量(Traffic Load)情況。具體來說，情況 1 與 3 是以來源節點來進行網路情況的偵測，情況 1 的來源節點會自動判剩餘電量 是否低於門檻值(目前考慮三種設定，包括 70%、50%、30%)。情況 3 的來源節 點會自動判斷每分鐘是否傳輸流量大於門檻值(目前系統設定為 20 packet/min)。

值得一提的是，情況 2 是由 LBR 來進行判斷，本系統 LBR 會進行來源節點選擇 父節點次數的記錄。例如網路佈署 1 顆 LBR 及 19 顆來源節點，當 LBR 紀錄來 源節點已選擇 19 次父節點，代表網路已經進行收斂，由此方式來偵測情況 2。

3.2.3 動態參數設定階段

動態調整參數階段中，如 Figure 3.1(h)所示，當偵測到三種網路情況的其中一 種時，可應變式路由機制將會進行網路介入的動作。具體來說，(1)本系統將電量 等級分成節點剩餘電量低於預設的門檻值時(目前考慮三種門檻值，包括 70%、

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50%及 30%)以下時，代表網路壽命時間將至，為了延長網路壽命，可應變式路由 機制會介入讓控制訊息發送的速度減緩，達到延展網路壽命的效果。(2)當網路收 斂時，代表節點已經找到路徑後，代表網路拓樸已經為穩定狀況，為了減少不必 要的控制訊息的浪費，可應變式路由機制會介入讓控制訊息發送的速度減緩，達 到省電的效果。(3)最後考量的網路情況為傳輸流量時，當傳輸流量(Traffic Load) 為重負載(Heavy)時，本機制會進行參數的動態調整，讓傳輸流量大的來源節點控 制訊息發送的速度減緩，達到延長網路壽命的效果。

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(a).DIO 廣播 (b) 加入 LBR

(c) 鄰居找尋 (d) DAG 建構

(e) 計算 Wenergy (f) 比較 Wenergy

(g) 網路情況偵測 (h) 可應變式路由機制介入 Figure 3.1：可應變式路由機制運作流程

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3.2.4 方法虛擬碼

如 Figure 3.2 所示，為可應變式路由機制的運作流程，分成三個階段進行說 明，包括樹建造階段(欄位設定，01~11 行程式碼、計算 Rank，12~25 行程式碼、

計算出新的 Rank，26~33 行程式碼及初始參數設定，34~39 行程式碼)、網路情況 偵測階段(網路偵測，40~60 行程式碼)及動態參數設定階段(動態調整參數，40~60 行程式碼) 。

 01~11 行程式碼：Adaptive 目標函數的設定欄位，旗標(Flag)設定 P，代表記 錄 Metric。A 欄位設定為 0，代表 Aggregated Routing Metric 規則為 Additive。

Precedence 欄位設定為 0，代表此應用當中的目標函數為最高優先等級。

Routing Metric/Constraint Type 欄位設定為 Adaptive，代表此目標函數類型為 可應變式目標函數。

 12~25 行程式碼：計算 Rank 的部分，MinHopRankIncrease = 256 [14]，假如 沒有父節點，代表來源節點的 Rank 值為最高階級；假如有父節點，代表要 計 算 來 源 節 點 的 Rank 值 ， Rankincrese = (REmax - REnow) +

MinHopRankIncrease。REmax為 100，代表節點剩餘電量 100%之意思。

 26~33 行程式碼：計算完 Rank 值之後，配予來源節點新的 Rank 值部分。

 34~39 行程式碼：初始參數設定，假如需求為網路快速收斂，參數為 Imin=2⁸， K=10；若沒有，則參數為 Imin=2¹²，K=10。

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 40~60 行程式碼：偵測網路情況及動態調整 Trickle Timer 的參數部分，可應 變式路由機制將開始偵測網路情況分為電量等級(Energy Level) 、網路收斂 及延展性三種情況。假設偵測到的是第一種電量等級情況就執行 Figure 3.3 流程圖、偵測到的是第二種網路收斂情況就執行 Figure 3.4 流程圖及第三種 傳輸流量情況就執行 Figure 3.5 流程圖。第一種電量等級情況：僅考慮 Imin

時，初始的參數 Imin為預設的 2¹²，當節點低於 30%、50%、70%剩餘電量時，

可應變式路由機制將準備介入，改變 Imin為 2¹⁴的網路壽命變化。另一方面，

若僅考慮 K 時，初始的參數 K 為預設的 10，當節點低於 30%、50%、70%剩 餘電量時，代表網路壽命開始萎縮，可應變式路由機制將準備介入，改變 K 為 1 的網路壽命變化。第二種網路收斂情況：初始的參數 Imin選用 2⁸快速發

若僅考慮 K 時，初始的參數 K 為預設的 10，當節點低於 30%、50%、70%剩 餘電量時，代表網路壽命開始萎縮，可應變式路由機制將準備介入，改變 K 為 1 的網路壽命變化。第二種網路收斂情況：初始的參數 Imin選用 2⁸快速發