無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析

◆李蘭鳳 馬佳榮

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析

◆李蘭鳳 馬佳榮

（西安文理學(xué)院 陜西 710065）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是WSN的重點(diǎn)研究方向之一。本文對(duì)目前存在的幾種路由協(xié)議進(jìn)行了分類，以影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的關(guān)鍵因素作為比較要點(diǎn)，重點(diǎn)分析研究了平面路由和分層路由的工作原理和性能，發(fā)現(xiàn)不同的路由協(xié)議都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的特殊需求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；平面路由；分層路由

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量具有信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線通信等功能的傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN一般應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)預(yù)警等空曠、復(fù)雜的環(huán)境中，由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和能量資源有限，這些成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，也使得路由協(xié)議的設(shè)計(jì)成為WSN研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議概述

路由協(xié)議主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組沿最優(yōu)路徑從源地址安全可靠的轉(zhuǎn)發(fā)至目的地址，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是將源節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)高效、可靠的傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)原則

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源局限性較強(qiáng)，數(shù)量也較為龐大，位置放置較為隨機(jī)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫芄?jié)點(diǎn)能量影響易發(fā)生變化、數(shù)據(jù)冗余程度高。所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾個(gè)原則[2]。

（1）能量高效性：WSN節(jié)點(diǎn)的能量資源有限，因此其路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能以便能夠解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間能量的負(fù)載均衡問(wèn)題，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

（2）可擴(kuò)展性：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)死亡、新的節(jié)點(diǎn)加入或者網(wǎng)絡(luò)規(guī)模發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，依然能夠保持網(wǎng)絡(luò)良好的連通性和可靠性，快速應(yīng)對(duì)發(fā)生的變化。

（3）快速收斂性。由于WSN節(jié)點(diǎn)的能量資源有限，因此當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，要求路由機(jī)制能夠快速收斂，以減少通信開(kāi)銷，提高消息傳輸效率。

（4）數(shù)據(jù)融合：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)冗余度高，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以便降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量，進(jìn)而減少能量消耗。

圖1 路由協(xié)議分類

（5）可靠性：傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)在無(wú)線信道中傳輸時(shí)易出錯(cuò)，必須設(shè)計(jì)可靠的路由機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)能夠正確交付。

（6）魯棒性：WSN的應(yīng)用環(huán)境通常較為惡劣、復(fù)雜，容易受到外界的干擾。因此路由協(xié)議需要具備一定的容錯(cuò)能力，可以及時(shí)進(jìn)行自我修復(fù)。

（7）應(yīng)用相關(guān)性：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍廣泛，所處環(huán)境各不相同，沒(méi)有一種路由協(xié)議能夠滿足所有條件，適用于所有環(huán)境，這就要求在設(shè)計(jì)路由時(shí)能夠根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)和需求來(lái)設(shè)計(jì)。

1.2 路由協(xié)議分類

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征和具體的應(yīng)用場(chǎng)景，目前已經(jīng)提出了很多路由協(xié)議，這些路由協(xié)議各自具有其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)[3]。本文從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制和路由實(shí)現(xiàn)方法這三個(gè)角度對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行了分類[4]。具體分類詳細(xì)情況如圖1所示。

2 平面路由與分層路由的分析比較

上文提到了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由發(fā)現(xiàn)策略、路由實(shí)現(xiàn)方法這三種分類方法，本文按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類方法進(jìn)行分類，主要分析比較平面路由和分層路由中的幾種路由協(xié)議。

2.1 平面路由協(xié)議

平面型路由協(xié)議中所有節(jié)點(diǎn)的地位和功能相同，不進(jìn)行分級(jí)，彼此以對(duì)等的方式協(xié)同的完成數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性和魯棒性好；但其對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化反應(yīng)較慢，建立、維護(hù)路由能耗較大，比較適合小規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（1）Flooding協(xié)議

Flooding協(xié)議即洪泛路由協(xié)議，協(xié)議中節(jié)點(diǎn)以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包達(dá)到最大跳數(shù)或到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)停止轉(zhuǎn)發(fā)，F(xiàn)looding協(xié)議不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，算法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳播速度快，但存在內(nèi)爆、數(shù)據(jù)重疊以及資源盲目利用等問(wèn)題。

（2）SPIN協(xié)議

SPIN是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送感知數(shù)據(jù)之前先發(fā)送元數(shù)據(jù)至鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商，在有需求時(shí)對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)并發(fā)送感知數(shù)據(jù)。SPIN消除了數(shù)據(jù)冗余、有效解決了內(nèi)爆問(wèn)題，減少了資源的浪費(fèi)，提高了網(wǎng)絡(luò)中能量的利用效率。但同樣SPIN也存在數(shù)據(jù)傳輸可靠性低的缺陷，當(dāng)某個(gè)接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都不需要數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)就會(huì)終止，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

（3）DD協(xié)議

DD(DirectedDiffusion)路由是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。其工作原理是匯聚節(jié)點(diǎn)以廣播的方式向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布包含興趣消息的查詢?nèi)蝿?wù)，收到興趣消息的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)興趣消息進(jìn)行緩存與合并，并將采集數(shù)據(jù)與興趣消息的屬性值進(jìn)行匹配，建立與數(shù)據(jù)傳播反向的興趣梯度。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)與興趣消息的屬性值匹配時(shí)，在本地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后沿梯度方向向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸。DD協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)融合后傳輸，減少了傳輸過(guò)程中的能量消耗，但是在進(jìn)行興趣消息匹配過(guò)程中會(huì)增加額外的開(kāi)銷，特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較大。

（4）SAR協(xié)議

SAR是一種基于QoS的路由協(xié)議，WSN中匯聚節(jié)點(diǎn)的所有第一鄰節(jié)點(diǎn)以自身為根建立生成樹(shù)，從而反向建立從各節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的多條數(shù)據(jù)傳輸路線，生成樹(shù)的建立過(guò)程中考慮節(jié)點(diǎn)的丟包率、時(shí)延、能量等QoS因素。SAR協(xié)議維護(hù)路由、QoS等信息，具有容錯(cuò)能力，能夠提供QoS保證，但是其在維護(hù)路由等信息時(shí)增加了額外的開(kāi)銷，尤其網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，不能快速的應(yīng)對(duì)，收斂速度較慢。

2.2 分層路由協(xié)議

分層路由也叫分簇路由，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)被分成多個(gè)簇，每個(gè)簇都有一個(gè)族首和若干簇成員，所有簇首形成的高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次分簇，直至最高級(jí)網(wǎng)絡(luò)。最高級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的簇首和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并負(fù)責(zé)本簇內(nèi)簇成員數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。分層路由協(xié)議可擴(kuò)展性好，能夠高效、均衡的利用能量。缺點(diǎn)是當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)失效時(shí)會(huì)造成部分節(jié)點(diǎn)路由失效。其代表性協(xié)議主要有以下幾種：

（1）LEACH協(xié)議

LEACH是一種典型的分簇路由算法，它周期性的按輪隨機(jī)選舉簇首，簇首向周?chē)?jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息，其他節(jié)點(diǎn)按照接收到的信號(hào)強(qiáng)弱選擇加入該簇，一輪結(jié)束后重新選舉簇首。簇首隨機(jī)選擇可以避免簇首因頻繁通信和數(shù)據(jù)處理所造成的能量過(guò)度消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，但簇首與匯聚節(jié)點(diǎn)采用單跳通信，離匯聚越遠(yuǎn)的簇首能量消耗越大，易形成“熱區(qū)”和“非熱區(qū)”，不適合大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）PEGASIS協(xié)議

PEGASIS協(xié)議是對(duì)LEACH協(xié)議的改進(jìn)，與LEACH一樣采用輪流選舉簇首的思想，不同的是PEGASIS協(xié)議的簇首在選舉過(guò)程中不與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而是基于節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行選擇，在網(wǎng)絡(luò)中也只產(chǎn)生一個(gè)簇，稱之為鏈。鏈中的節(jié)點(diǎn)只與離它最近的鄰居節(jié)點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)采用多跳的方式通過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。PEGASIS協(xié)議減少了簇首選舉過(guò)程中的通信量，提高了能量利用率，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期。但網(wǎng)絡(luò)中唯一的簇首一旦失效會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由失敗，此外當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí)，會(huì)使傳輸時(shí)延增加，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）TEEN協(xié)議

TEEN是一種響應(yīng)型的路由協(xié)議，它也是對(duì)LEACH協(xié)議的改進(jìn)，將簇分為兩個(gè)等級(jí)，建立過(guò)程與LEACH協(xié)議基本相同。不同的是TEEN協(xié)議設(shè)置了軟、硬兩個(gè)閾值，硬閾值是當(dāng)前數(shù)據(jù)的最小屬性值，軟閾值是當(dāng)前數(shù)據(jù)與上一次數(shù)據(jù)屬性值的變化幅度最小值，節(jié)點(diǎn)只在數(shù)據(jù)屬性值超過(guò)這兩個(gè)閾值時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。TEEN協(xié)議通過(guò)設(shè)置軟硬閾值極大地減少了數(shù)據(jù)量的傳輸，節(jié)省了能量。但如果節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)始終不能激發(fā)軟硬閾值，節(jié)點(diǎn)不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)法判斷節(jié)點(diǎn)的活性。

（4）GAF協(xié)議

GAF是基于位置的感知路由協(xié)議，它使用了一種新的分簇方法，即虛擬網(wǎng)格。GAF協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分成固定的區(qū)域，形成虛擬單元格，每個(gè)虛擬單元格輪流選取簇首保持活動(dòng)，負(fù)責(zé)監(jiān)視和傳輸數(shù)據(jù)，其余節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入休眠。GAF協(xié)議關(guān)閉了沒(méi)有任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，極大節(jié)省了能量，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)被關(guān)閉時(shí)，恰好處于路由數(shù)據(jù)包的激活狀態(tài)時(shí)，GAF只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議自身的機(jī)制進(jìn)行重路由，這可能會(huì)出現(xiàn)丟包問(wèn)題。

2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能比較

表1從生命周期、實(shí)時(shí)性、可靠性、魯棒性、數(shù)據(jù)融合、擴(kuò)展性這六個(gè)方面對(duì)上文中提到的路由協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比。

表1 路由協(xié)議性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議種類繁雜，每種路由協(xié)議都是在不同的應(yīng)用場(chǎng)景的需求下被設(shè)計(jì)出來(lái)，它們?cè)谛阅苌细髯跃哂衅鋬?yōu)缺點(diǎn)。而每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景都有其獨(dú)特的要求，不存在適用于任何場(chǎng)景的通用路由協(xié)議。因此針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的路由協(xié)議，以發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。

[1]孫利民.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[2]唐勇，周明天，張欣.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2006，17(3)：410?421

[3]付曉陽(yáng).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議概述[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013(11).

[4]畢俊蕾，任新會(huì)，郭拯危.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與發(fā)展，2008(05).

[5]譚松鶴，覃琪.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14(17).