2021-03-08
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在物联网项目中，4G工业路由器如何布点才能达到网络稳定和高性价比的双重目标呢?通过了解物联网网络的通讯数据原理和整体网络IP通讯布局，可以解决这个问题。
从数据源源到接收器的数据路由是任何大规模无线传感和物联网(IoT)解决方案不可或缺的一部分。在此类低功率有损网络(LLN)应用中使用的未插拔和/或移动嵌入式设备始终在可用功率方面受到严格限制。因此，高效的数据路由对于任何长期的可持续解决方案都至关重要。
许多大型无线数据采集和驱动相关的应用程序都使用低功耗的嵌入式设备。这些应用包括精密农业，楼宇管理/工业自动化，车辆自组织网络(VANET)以及城市网络/能源和水网，以建设更智能的城市。在这些无线传感器网络中，嵌入式设备在严格的能量约束下运行，从而导致计算，存储和与无线电传输相关的约束。他们还通过有损渠道进行交流。
此类应用中的低功耗嵌入式设备并非孤立运行，通常是较大的无线网络的一部分，通常涉及数百或数千个其他类似设备(或现场节点)。这些现场节点可以在任意时间进入或离开网络。因此，无线路由解决方案应具有高能效，可扩展性和自主性。
低功率有损网络(LLN)通常由彼此无线通信的传感器，执行器和路由器组成。但是，与传感器和执行器不同，路由器通常不受(长期)资源限制。将LLN连接到更广泛的Internet基础结构的路由器称为LLN边界路由器(LBR)。
LLN内的流量模式和数据流是高度定向的。可以将模式定义为多点对点流量(MP2P)，点对多点流量(P2MP)或点对点流量(P2P)。例如，在MP2P流量中，来自多个传感节点的传感信息通过LBR路由到Internet应用程序。当从Internet(LLN外部)发出查询请求并通过LBR和LLN路由器将其路由到多个现场节点时，会观察到P2MP流量。当需要将控制信息发送到特定的执行器或从特定的传感器接收到警报信息时，就会发生P2P通信。
互联网工程任务组(IETF)成立了工作组(WG)，以更好地了解应用场景的节能路由协议要求，例如城市/城市范围的网络，楼宇自动化/管理系统，工业自动化系统和家庭自动化。
许多与城市感知有关的项目都希望监视和跟踪我们许多城市资源和环境状况。麻省理工学院“感性城市”实验室正在运行多个项目，以了解“实时城市”以监控“清除链”，这与产品供应链相反，例如“垃圾演讲”和“实时罗马”。1 IBM一直在全球100多个城市中实施其智能城市技术。
像这样的城市联网应用程序代表了一种特殊的LLN，它们具有一组独特的无线路由要求。罗马实时项目使用汇总的来自移动电信运营商的人员密度数据和通过蜂窝塔连接通信的公共巴士的GPS位置数据。
但是，要构建一个可持续的解决方案以允许数据收集，汇总和显示，就需要实现一个低功耗的网状网络，该网络可以在无线连接并使用低能耗电源供电的设备之间路由数据。RFC文档描述了城市LLN的关键功能和路由要求：
• 节点部署：在典型的城市网络部署中，会部署成百上千个具有预编程功能的节点。在推出之前或之后，网络初始化阶段可以包括地址的分配，网络中的(分层)角色，同步以及日程安排的确定。推出后，在最终的拓扑结构中，可能会有一些节点可以通过多个(冗余)路径进行连接，而其他一些节点则可能依赖关键链接来实现连接。路由协议应考虑这些因素，并以尽可能低的能源成本支持自组织和自配置。
• 节点的关联和解除关联：在初始化阶段之后，节点可以在任意时间加入或离开网络。路由协议还应该能够处理故障节点可能影响或危及整体路由效率的情况。
• 定期测量报告：大多数现场节点均配置为定期(每小时，每天一次等)报告其读数。数据路由的计算和选择可以取决于感测到的数据，报告的频率，节点中剩余的能量数量，能量清除节点的充电模式或其他因素。
• 查询的测量报告：外部应用程序可以在城市网络上启动查询。例如，可能需要知道特定点或沿给定道路的污染水平。往返时间很重要，即从从节点启动查询到将测量数据传递到节点的时间。(延迟不是很严格，但是应小于报告间隔。)
• 警报报告：通常，感测节点可能会测量被分类为警报的事件，通常是在感测到的数据超过阈值时。报告警报的路由必须是单播(向LBR)或多播(向多个LBR)。
• 可伸缩性：路由协议必须能够支持数百至数万个传感器节点的现场部署，而不会使选定的性能参数恶化到可配置阈值以下。
• 参数约束路由：协议必须能够播发可用于路由决策的节点功能(CPU，内存大小，可用电池电量)。需要现场节点来动态计算，选择和安装指向同一目的地的不同路径，具体取决于流量的性质。
• 支持自主和外来配置：鉴于节点数量众多，手动配置每个节点是不可行的。规模和可能的拓扑结构的数量要求网络根据一些先前定义的规则和协议进行自组织和自配置，并允许外部触发的配置。
• 支持高度定向的信息流：城市网络通常通过LBR将检测到的数据从现场节点路由到基于Internet的应用程序。随着节点在空间上的分散以及数据越来越接近LBR，最靠近LBR的节点中的流量集中度增加，从而导致这些节点中的负载不平衡。路由协议必须能够通过动态计算并选择通往同一目的地的多条路径来容纳流量突发。
• 支持多播和任意播：路由协议必须具有一种寻址方案，该方案可以支持到单个现场设备的路由(单播)，到订阅同一组的一组节点的集合(多播)，以及路由到多个所有这些都可以通过相同的Internet协议(IP)地址(任意播)进行寻址。
• 网络动态性：现场节点可以动态地关联，分离或从城市网络中消失。现场节点动态不应影响整个网络中的路由，因此路由协议应具有适当的更新机制，以通知现场节点状态的变化。协议应使用此信息来执行所需的路由级别重组和重新配置，以维持总体路由效率。
• 延迟：路由协议应支持根据不同的延迟/延迟要求进行路由的能力。只要信息到达时间与报告时间成比例，城市网络就可以容忍延迟。(如果时间是每隔几个小时，则延迟可能会是几秒钟。)
RPL的核心是将其拓扑结构组织为一个有向非循环图(DAG)，该图被分为一个或多个面向目的地的DAG(DODAG)，每个接收器一个DODAG (见图)。DODAG中的每个节点(类似于IoT解决方案中的路由设备)具有一个节点等级，该等级定义了该节点相对于DODAG根相对于其他节点的位置。
计算RPL节点等级的确切方法取决于DAG的目标函数(OF)。OF定义了如何使用路由指标，优化目标和相关功能来计算排名。从本质上讲，OF决定了DODAG的形成。使用作为ICMPv6消息传输的控制消息来构建RPL拓扑。三个关键的RPL控制消息是：
•DODAG信息请求(DIS)：DIS从RPL节点请求DODAG信息对象(DIO)。
•DODAG信息对象(DIO)：DIO包含允许节点发现RPL实例，了解其配置参数，选择DODAG父集并维护DODAG的信息。
•目标广告对象(DAO)：DAO用于沿DODAG向上传播目标信息。
为了构建DODAG拓扑，节点可以使用DIS消息来请求DIO，或者节点可以定期发送链路本地多播DIO消息。然后，节点侦听DIO，并使用其信息加入新的DODAG或维护现有的DODAG。根据DIO中的信息，节点选择父节点，以最小化到DODAG根的路径开销。
RPL的成功实施可以使IoT解决方案实现其既定的目标功能和目标。在RPL的范围内，一个典型的目标是根据特定的OF构造DODAG，并保持与一组主机的连接。RPL特别针对MP2P和P2MP流量模式进行了优化。节点是无状态的，并且每个节点中存储的路由状态信息最少。在选择路径时，RPL还考虑了链接和节点属性。而且，链接故障不会触发全局网络重新优化。
对于大规模物联网部署(涉及数千个节点并分布在较大的地理区域)，当路由设计和实现考虑到RPL中可用的各种功能、功能和属性时，物联网解决方案的电池寿命为年。
使用基于IP的网络的可能性可以大大降低与无线IoT通信相关的能源和成本，否则将需要昂贵的移动塔式连接和基于GSM / EDGE的通信。这种RPL实施可能会极大地改变IoT解决方案在城市传感网络等应用中的部署。
RPL拓扑包括具有多个根且没有循环的DAG和DODAG，或以单个目标为根的DAG(无输出边缘)。
