无线传感器网络课件第4章_无线传感器网络的路由协议.

第4章无线传感器网络的路由协议1路由协议路由协议是WSN的关键技术之一，它负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点的优化路径将数据分组沿着优化路径正确转发与有线网络和蜂窝式无线网络不同，WSN中没有基础设施和全网统一的控制中心在这种无中心的环境下，路由可以看成分布式地获取网络拓扑信息，以一定准则计算路径并对路径进行维护的过程。WSN的特点及对路由设计的影响WSN的网络特点是路由设计的主要依据，对网络特点的分析是进行协议设计的前提无线传感网络中，网络业务的最大特点是具有明显的方向性。为了实现信息采集的目的，WSN的网络业务大都发生在数据汇聚节点（sink）和普通的传感器节点之间，包括sink节点到传感器节点的下行业务（如查询指令下达）和传感器节点到sink的上行业务（如采集信息的回传）传感器节点之间的横向业务所占比例较小，主要是网络的控制信息和网内信息处理所需要的信息。无线传感器网络的一个基本理念是以大量低成本节点组网，通过节点之间的协作获得比单一的高精度、高可靠性和高成本的传感器更好的信息采集效果。单个传感器低能量和不可靠是无线传感器网络固有的，将对协议设计产生较大影响。从对路由协议设计影响的角度，归纳WSN的特点1.形式多样的信息报告模式WSN中信息报告模式分三类：a.事件触发：节点采集信息后判断，若超过一定的阈值，则认为发生了某种事件，需要立即上报，如用于预警的WSNb.周期的：节点定期把采集到的信息报告给sink。如野生动植物和环境监测WSNc.基于查询：node不主动向sink上报采集到的信息，而是等待用户查询，根据用户需要反馈信息。d.混合模式：前三种的综合。如智能交通的WSN不同的信息报告模式影响路由的触发机制a.事件触发模式：从节能的角度，按需建立路由更恰当b.周期报告模式：采用先应式的方法建立路由更加合适c.基于查询模式：查询信息的本身就可以辅助建立路由2.多对一和一对多为主的业务模式WSN的主要业务是传感器节点把采集到的信息传给sink和sink向WSN下达查询命令，这是典型的多对一和一对多的模式。为了支持这种通信模式，WSN中很多路由协议建立具有树状结构的路由3.数据为中心的设计理念把WSN看成是一个大型的数据库，用户关心的是从这里得到什么信息，而不关心数据库中的哪个元素（node）提供了该信息该理念对网络层的一个重要影响是节点的地址分配一般情况下没必要为每个node分配全局唯一地址，node描述信息产生时间，地点和内容即可，统一编址，对大规模WSN开销过大特定情况，节点ID和位置具有一定绑定关系，可用ID代替位置。如工业检测WSN从实现多跳通信的角度，需要在局部标识不同的节点。该理念还影响分组转发的过程WSN中，原始数据可能存在一定的冗余，在满足信息采集的要求前提下，可以在数据转发过程中对其进行修改，甚至把多个分组合并成一个分组，从而降低能耗4.动态变化的网络拓扑大部分的WSN中节点并不移动，造成网络拓扑变化的主要原因是节点的失效和存在不可靠性、非对称链路。为了节能和延长网络寿命，需要对网络进行休眠调度，会在一定程度上增加网络拓扑的动态性。在有些WSN中为了弥补节点失效造成的性能损失，进行再布设（re-deployment），也会使网络拓扑发生变化。有些WSN中的节点是可移动的，如医疗监测WSN，候鸟迁徙WSN，网络拓扑变化比较快5.能量受限、结构简单的节点Node大都由电池供电，电池体积小，能量有限且难以更换许多场合需要WSN连续工作数年甚至更长。Node结构简单，存储、处理、通信能力低，单个节点可靠性差。要求协议尽可能简单，具有容错性6.密集布设的大规模网络WSN通常密集布设大量节点，节点数量达到成千甚至上万。同时节点的密度也很高，有的情况下可以达到20个/m³这些使得协议的可扩展性变得十分重要1.能量有效性提高能量有效性是WSN从硬件设计到软件开发都必须考虑的问题。从路由协议设计的角度有两种思路提高能量有效性：a.节能：寻找节能路由，减少路由建立和维护的控制开销，提高路由可靠性b.能耗均衡：从空间上调度能量资源，使网络中节点能量均衡消耗路由协议的关键问题分析2.可扩展性可扩展性是指网络的性能不随着网络中节点的数量增加而有明显的下降两类重要策略：a.分层路由：网络分成若干层，低一层的群首构成高一层的网络。节点地位不同，首为局部控制中心，负责群内路由、信道接入、休眠调度等；大多数节点作为群成员其操作相对简单，控制开销较低b.地理路由：地理位置信息实际上体现节点间相对拓扑关系，利用这一信息路由能很大程度上降低用于收集拓扑信息付出的开销，提高协议的可扩展性地理路由使用的前提是节点能获得自己和目的节点的地理位置信息对于节点有移动性，任意两个节点之间都可能进行通信的网络，为获得目的节点位置信息需不断更新位置信息，开销较大，地理路由的优势就不明显3.数据传输可靠性数据传输的可靠性直接关系到WSN是否能给用户提供准确、全面和可靠的信息，而WSN中节点无线通信能力弱，应用环境复杂，实际的链路质量比较低。如何保证数据传输的可靠性是WSN路由设计中的一个关键问题影响WSN数据传输可靠性原因：a.无线信道上的碰撞导致分组无法正确接收b.节点故障使路由不可用，导致分组丢失c.链路不可靠，导致分组传输出错或丢失路由协议的解决策略：a.建立多路径路由：①建立信源节点到目标节点的多条路径，选择最优路径作为主路径，其他路径为备份②使用多条路径发送原始分组的多个副本，即使其中一些传输丢失也不会影响端到端的可靠性b.选择可靠链路几十种WSN路由协议，未统一分类标准一种分类方法（5类）：路由协议的分类1.基于聚簇的路由协议LEACH,PEGASIS,TEEN等2.基于地理位置的路由协议基于地理位置的距离贪心路由协议，基于地理位置的角度贪心路由协议，GEM,MAP,LCR等3.以数据为中心的路由协议Flooding，SPIN，DD，Rumor-routing，TTDD，支持查询的近似路由算法等4.能量感知路由协议Energyawarerouting，GEAR,等5.容错路由协议建立多条路径，重复传输数据包，基于编码的机会路由协议（MORE）等以数据为中心泛洪路由(Flooding)扩散法(Flooding)是一种传统的网络路由协议，不需要知道网络拓扑结构和使用任何路由算法协议内容：一节点S希望发送一块数据给节点D，节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限（在传感器网络里面通常定义为最大跳数）变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。洪泛路由（Flooding）的优点：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。洪泛路由（Flooding）的不足：①存在信息爆炸(Implosion)问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象②出现部分重叠(Overlap)现象，如果处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件作出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，那么，这两个节点的邻居节点将收到双份数据副本③盲目使用资源，即扩散法不考虑各节点能量可用状况因而无法作出相应的自适应路由选择。洪泛路由（Flooding）的应用情况：①网络资源过于浪费，实际很少直接采用②具有极好的健壮性，可用于军事应用③作为衡量标准评价其它路由算法SPIN协议（sensorprotocolforinformationvianegotiation）SPIN是最早的以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决洪泛算法中的“内爆”和“重叠”问题，节省了能量的消耗。a.为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据b.节点间通过发送元数据(即描述传感器节点采集的数据属性的数据，meta-data)，而不是采集的整个数据进行协商。由于元数据大小小于采集的数据，所以，传输元数据消耗的能量相对较少。为避免盲目使用资源，所有传感器节点必须监控各自的能量变化情况。c.在传输或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况，如果处于低能量水平，必须中断一些操作，比如充当路由器的角色，停止对其他节点的一些数据转发操作d.SPIN有3种数据包类型，即ADV、REQ和DATA.节点用ADV宣布有数据发送，用REQ请求希望接收数据，用DATA封装数据ADV：用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它可用ADV数据包(包含元数据)对外广播REQ：用于请求发送数据。当一个节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数据包DATA：包含附上元数据头(meta-dataheader)的传感器采集的数据的数据包SPIN-PP采用点到点的通信模式，并假定两节点间的通信不受其他节点的干扰，分组不会丢失，功率没有任何限制1.在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对向邻居节点广播ADV数据包；2.如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包，接着节点向该邻居节点发送DATA数据包。3.类似地进行下去，DATA数据包可被传输到远方汇节点或基站。SPIN协议的优点：1.小ADV消息减轻了内爆问题;2.通过数据命名解决了交叠问题；3.节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题，有效地节约了能量。SPIN协议的不足：在传输新数据的过程中，直接向邻居节点广播ADV数据包，而没有考虑其所有邻居节点由于自身能量的原因，不愿承担起转发新数据的功能，则新数据无法传输，将会出现“数据盲点”，进而影响整个网络信息的收集DD（DirectedDiffusion）定向扩散路由协议：DirectedDiffusion是一种以数据为中心的路由协议，与已有的路由协议有着截然不同的实现机制，其突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性。DD协议内容：节点用一组属性，值来命名它所生成的数据。1.建立路由时，sink节点flooding包含属性列表、上报间隔、持续时间、地理区域等信息的查询请求Interest（该过程本质上是设置一个监测任务，通过分配不同属性值来表示不同任务的描述符）。2.每个传感器节点在收到嗜好（Interest）后保存在各自的Cache中。每个嗜好项(interestentry)包含一个时间标签域(timestampfield)和若干个梯度域(gradientfield，按成本最小化和能量自适应原则引导数据扩散的方向)。3.当一个嗜好传遍整个网络后，从源节点(即嗜好所在区域的传感器节点)到sink节点或基站之间的梯度就建立起来了。4.一旦源节点采集到嗜好所需的数据，那么源节点沿着该嗜好的梯度路径传输数据到sink节点或基站。其中，源节点采集的数据首先在本地采用数据融合技术进行整合，然后在网上传输。右图描述DD路由协议的工作原理在DirectedDiffusion中，可以对路径进行修复。在建立多条数据源到Sink节点的路径之后，Sink节点可以选择增强其中的一条路径用于数据的传输，而同时保持另外一条低速数据传输的路径。当高速路径，也就是经过增强的路径出现故障时，Sink节点可以增强低速路径，保证源节点到Sink节点的数据传输。虽然保持低速路径的过程需要消耗一些能量，但是在故障时，可以节省很多能量开销。对于故障比较频繁的网络，保持一条低速路径是很有好处的。DD与SPIN的最大区别：DD采用基于需求的数据查询机制。在DD中，由Sink节点发出数据查询请求，而在SPIN中，节点广播自己的数据，以允许其他节点来查询。DD路由协议的优点：1.采用多路径,健壮性好;2.节点只需要和邻居节点通信，因而不需要全局的地址机制，使用查询驱动机制按需建立路由,避免