无线传感网络路由协议技术的分析

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无线传感网络路由协议技术的分析

无线传感器网络的协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

) `, n: @9 g" k3 j4 i0 B6 n; M! B, T  D9 D网络层负责路由的发现和维护,一个网络设计的成功与否,路由协议非常关键。从图中的架构可看出无线传感器路由协议的分类,我们择其中的一部分进行分析。

  
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传统路由协议

扩散法(Flooding)
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/ i$ a: Y- y% C/ W: J8 _扩散法是一种传统的最基本的网络路由协议,不需要知道网络拓朴结构和使用任何路由算法。节点将数据副本广播给每个邻居节点,邻居节点又将其传输给各自的每个邻居节点,直到将数据传输到目标节点为止。

优点：①实现简单;②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源;③适用于健壮性要求高的场合。
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缺点：①存在信息爆炸(Implosion)问题;②出现部分重叠(Overlap)现象;③盲目使用资源。

闲聊法
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Hedeniemi S等人提出的Gossiping闲聊法是扩散法的改进版本。节点随机选择某一个邻居节点转发分组,而不是用广播,如果一个节点第二次收到它的邻居节点的数据副本,则将此数据发回邻居节点。
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0 G1 j3 A( k$ I/ e/ ~优点：节约能量, 避免了“内爆”问题。
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% \& ?# n+ a; M# d+ e) p6 S! s缺点：仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资源问题,而且数据传输平均时延拉长,传输速度变慢。

以数据为中心的路由协议
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/ K& p4 B/ i5 o( R以数据为中心的路由协议是基于查询和对目标数据的命名之上的,通过数据聚合减少重复的数据传送。以数据为中心路由还可分为：事件驱动模式和查询驱动模式。
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" u# Z% W0 i2 o& B+ f1 X# qSPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)
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SPIN是由Kaulik等提出的一种以数据为中心的自适应通信路由协议。节点仅广播采集数据的属性描述信息（元数据meta-data）而不是数据本身,当有相应的请求时,才有目的地发送数据信息。
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1 U0 V: Q: w  u: A优点：①元数据的传输耗能相对较少;②只广播其它节点没有的数据,减少了能耗;③不维护邻居节点信息,适应节点移动的情况。
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2 _3 r' Z$ r1 T) y6 {* M3 f2 E" D缺点：健壮性差。会出现“数据盲点”,进而影响整个网络信息的收集。不适用于高密度节点分布的情况。
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! O& O+ }. B7 y% O, V% ~谣传路由(rumor routing)
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! g: ^" Z5 Y. T/ H4 j' sBoulis等人提出的谣传路由是DD的一个改进。节点的代理消息、汇聚节点的查询消息各自沿随机路径传播。当两条路径交叉在一起时,形成一条完整路径。
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优点：避免了大量扩散过程,显著节省能量。适用于数据传输量较小的情况。

缺点：如果网络拓朴结构频繁变动,性能大幅下降。
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MTE（Minimum Transmission Energy）
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当节点经中转到目的节点的传输能量小于它的最短路径的传输能量时,选择该中转节点转发数据。
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优点：简单、开销小,每个节点只需要找到通往Sink节点的下一跳节点,然后把数据发给它。
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8 j4 d+ m$ ^4 n3 _- G缺点：节点之间负载不平衡,靠近汇聚节点的节点因路由任务过重很快耗尽能量而死亡,缩短了整个网络的生命。
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) {" y2 e5 E+ V) }5 `7 D! {" m; @基于地理位置的路由协议

基于地理位置的路由协议利用位置信息传送数据到指定区域而不是整个网络,来降低能耗。这方面的协议主要是来源于移动Ad-hoc网络,设计时考虑了节点的移动性。但是它们在节点移动很少或者根本不移动的情况下也非常适用。
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GEAR (Geographic and Energy Aware Routing)
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GEAR也可以认为是Directed Diffusion方法的一种改进。利用位置信息向某一个特定的区域广播查询请求,根据位置信息和节点能量剩余情况,将数据发回到汇聚节点。  
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4 ?: f' ?4 D! r优点：避免了扩散传播,节省能源,网络寿命延长。
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" ?. b3 V6 c  ~" `& v缺点：由于缺乏足够的拓朴信息,路由过程中可能遇到路由空洞,反而降低了路由效率。只适用于节点移动性不强的应用环境。

基于服务质量的路由协议
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4 M0 s4 P! R5 O8 E' G基于服务质量的路由协议的目标是在实现路由功能的同时满足一些网络QoS要求。这类路由协议在建立传感器网络的路由路径的同时,考虑端对端的时延要求。

SPEED

/ I) O( v8 `/ c1 O7 i8 jSPEED提供了端对端的软实时(soft real-time)保证。交换节点的传输延迟,得到网络负载情况;利用局部地理信息和传输速率信息做出路由决定。邻居反馈机制保证网络传输速率在一个阈值之上,反向重路由变更机制避开了延迟大的链路和路由空洞。
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优点：实现了端到端的传输率保证、网络拥塞控制以及负载平衡机制。该算法和AODV与DSR比较,性能有一定提高,能满足end-to-end delay和预定传输速度,消耗的总传输能量较少。
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8 A: S: g( d5 E% s  s缺点：没有考虑在多条路径上传输以提高平均寿命,传输的报文也没有优先级机制。

单层路由协议
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' R4 t; G0 o$ c1 f7 f  o# {7 z; i- z低能自适应聚类体系（LEACH）
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# H5 {$ @6 o1 M& q8 m7 CLEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法,是一个基于多簇结构的分层路由协议,它是主动网络的路由算法。该协议分为两个阶段操作,即簇形成阶段和稳定工作阶段,两个阶段所持续的时间总和称为一轮。在簇形成阶段,随机选择一个节点作为簇头,簇形成后进入稳定工作阶段,簇头开始接收簇内各节点采集的数据,然后采用数据融合技术进行处理,将整合后的数据传输给Sink。
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优点：随机选择簇头,平均分担路由业务,减小了能耗。
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缺点：①不适合大范围的应用;
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②集群分组方式带来了额外开销以及覆盖问题;

6 Y& h* r- C  }" X③仅适用于每个节点在单位时间内需要发送的数据量基本相同的情况,而不适合突发数据通信。

! w) D. U- O! M. N- F( E) n) O# Q1 g多层路由协议

门限敏感的节能型网络协议（TEEN）
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" j; T7 s1 f7 e! _( tTEEN(Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)算法在LEACH算法的基础上,针对检测突发事件的场景,对sensor节点进行两次集群分组。定义硬、软两个门限值,以确定是否需要发送测数据。当监测数据一次超过硬门限时,节点用它作为新的硬门限,并发送它。如果监测数据的变化幅度大于软门限,则节点传送较新的数据,并将它设定为新的硬门限。

优点：数据传送量比主动网络少,节省大量能源。适用于响应型(Reactive)应用。
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缺点：如果某个节点的检测数据始终达不到硬门限,用户将无法得到任何数据,也无法知道这个节点是否失效,因此这个方法不适用于需周期性采样的网络。
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; Y$ y' r. U: e0 A两层分簇协议（Hierarchical Clustering Protocol）

Estrin等提出了一种两层的分簇算法。处于某一层的节点同其广播半径及跳数有关,所处层次越高,所覆盖面积越大。此算法可以扩展成一个多层的簇体系。
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% e( E( S$ N( k优点：适合大型网络。
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% D* ~1 r. ?2 F  N' z$ d缺点：在形成多层簇类的过程中会额外消耗一些能源,而且,网络需要形成多少层,按照什么策略形成层次等都是值得继续探讨的课题。

Younis(三层体系结构的路由协议)
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Younis等人提出了基于三层体系结构的路由协议。用户划分簇,并将簇头ID和簇内节点位置通知每个簇头。簇头监控节点的能量变化,决定并维护节点的状态（感知、转发、感知并转发、休眠）,评价节点间传输链路的成本,选择最小成本路径作为较优路径。

0 U0 i. N1 x8 B* K9 y3 x+ r优点：具有很好的节能性能、较高的吞吐量和较低的通信延迟。

' Z' U& z" Q) V/ h+ z缺点：健壮性不好。

" }6 a, Z3 d: A无线传感器网络（wireless sensor network,WSN）是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络,它集成了传感器、微机电系统和网络三大技术,目的是感知、采集和处理网络覆盖围内感知对象的信息,并转发给观察者,是以数据处理为中心的系统。它是信息技术的新领域,军事和民用领域均有非常广阔的应用前景。


自适应的数据管理网络
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  O$ G& V* |! |; F; W无线传感器网络除了具有传统无线网络的共同特征以外,还具有很多其它特点。

  

网络具有大规模、自组织、动态性、可靠性
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传感器节点的数量可能达到几百万个。网络经常有新节点加入或已有节点失效,网络拓朴结构变化快,人很少干预其运行。传感器必须具有相应的通信协议必须具有可重构和自适应性、高健壮性和容错性。
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传感节点电源能量、通信能力、计算存储能力有限

  

传感器采用电池供电,能量有限,因此节能设计非常关键。无线传感器网络以 “多跳”方式传输数据,通信范围只有几十米。传感节点由于体积、成本以及能量的限制,处理器和存储器的能力和容量有限,因此计算能力十分有限。

  
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6 n8 s* {% L) D/ g( I+ S3 F" |7 i以数据为中心

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传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心,把数据库技术和网络技术紧密结合,实现一个高性能的网络系统,使用户自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
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0 @/ H# Y" J( g$ a  _2 F- H* `应用相关性强
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不同的传感器网络应用关心不同的物理量,对系统的要求也不同,其硬件平台、软件系统和网络协议有很大差别。

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; B. z# ]+ u3 `  Q9 V, v* I建立安全路由已成研究热点
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: \" C% H* [, Q0 o% [9 B. ]无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术。在特殊领域有着传统技术不可比拟的优势,必将开辟出不少新颖而有价值的商业应用。
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但是,在这方面的研究中,目前尚存在几个值得思考的问题：比如,如何实现精简协议族、如何实现节点的自组织和重配置、如何设计异构的网络路由协议、如何设计适用于移动的网络路由协议以及网络安全问题。

  
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对于无线传感器网络,大多数路由协议都没有考虑安全的需求,都易于遭到攻击,从而使整个网络崩溃。无线传感器网络的主要攻击有：虚假路由信息（通过欺骗,分割网络,增加端到端的时延）、选择性的转发（导致数据包不能到达目的地）、Sinkhole攻击（攻击节点声称自己电源充足、性能可靠而且高效,所有的数据包都发向它）、Sybil攻击（攻击节点以多个身份出现,和其他攻击方法结合使用）、Wormholes攻击（两个恶意节点合谋进行攻击,吸引数据包发向离基站较远恶意节点）、HELLO flood攻击（恶意节点用足够大的功率广播HELLO包,以声明自己是其他节点的邻居节点）。
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由于传感器节点本身的处理能力、电源以及通信能力方面的限制,因此,如何建立节能、高效、健壮、安全的路由协议将是无线传感器网络研究中富于挑战的课题之一。

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