无线传感网络的路由协议综述

无线传感网络的路由协议综述学号：班级：姓名：学院：信息工程学院教师：2017年6月无线传感网络的路由协议综述（南昌航空大学信息工程学院南昌330063）SummaryofroutingprotocolsforwirelesssensornetworksAbstractWirelesssensornetworksaredifferentfromtraditionalnetworksandhighlydependentonapplications,RoutingProtocolforwirelesssensornetworksarethemainconsidertodifferentapplicationsandnetworktechnologies,withoutprejudicetothepremiseofeffectivedatatransmissionroutingalgorithm,thewholenetworklifetimemaximum.sotraditionalnetworkandmobileadhocnetworkroutingprotocolscannotbeappliedefficientlytothem,Thereforemanyroutingprotocolsforwirelesssensornetworksarestudied.Afterdescribingthecharacteristicsandkeyclassificationmethodofwirelesssensornetworks,theclassificationstandardsforroutingprotocolsaresummarizedandanalyzed.thenlistedhascurrentsomemoreimportantofroutingagreementofcoreroutingmechanismandpointedoutthathastheseroutingagreementofcategory,andfeaturesandmainapplicationrange.Finally,thehotspotsandtendenciesforwirelesssensornetworksarepointedout.Keywordswirelesssensornetworkroutingprotocol;thesinknode;node;routingmechanism摘要无线传感器网络具有与传统网络不同的特点,且与应用高度相关。无线传感器网络路由协议主要考虑如何针对不同的应用和网络技术，在不损害数据传输的前提下采用有效的路由算法，实现整个网络的生命周期最大化。传统路由协议不能有效地用于无线传感器网络，因而人们研究了众多的无线传感器网络路由协议，在介绍无线传感器网络的特点后提出了路由协议的分类方法，然后列举了当前一些较为重要的路由协议的核心路由机制并指出了这些路由协议的类别、特点和主要应用范围，最后总结了好的路由协议应具有的特点以及未来的研究策略与发展趋势。关键词：无线传感器网络[9]；路由协议；汇聚节点；传感器节点；路由机制引言无线传感器网络与传统网络有很大区别，这主要体现在几个方面，一是无线传感器网络中节点数量庞大，所以不可能为每个节点都建立一个ID；二是无线传感器网络中很多节点传输的数据相关性较大，存在相当程度的冗余信息，而这些冗余信息是完全可以剔除的：三是无线传感器网络的数据包更小，因而数据传输开销更大：四是无线传感器网络节点的计算、存储、通信、传输和处理能力均十分有限，需要高效的网络资源管理手段：五是无线传感器网络节点通信高能耗，数据计算低能耗。无线传感器网络的上述特点使得其不能直接采用众多传统网络的路由协议，因此产生了许多专门为无线传感器网络量身打造的路由协议。本文分析了无线传感器网络路由协议的设计原则，对无线传感器网络路由协议进行了分类，总结了当前典型的无线传感器网络路由协议的机制与特点，指出了未来无线传感器网络路由协议的研究策略与发展趋势。1无线传感器网络概述1.1无线传感器网络的概念无线传感器网络就是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察者。由于微型传感器的体积小、重量轻，有的甚至可以像灰尘一样在空气中浮动，因此又称无线传感器网络为“智能尘埃（SmartDust）[9]”，将它散布于四周时以实时感知物理世界的变化。无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信单元，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人与自然界的交互方式。1.2无线传感器网络的特征。传统无线网络首要的目标是提供高性能的服务质量和更高的带宽；无线传感网络存在能量约束问题，有效的节能是路由设计的首要目标;传统网络中断大多由网络设备的故障或者网络节点的移动引起；对于无线传感网络，能量耗尽是影响网络性能网络运行周期的主要因素.和传统无线网络相比，传感网络有以下特点[9]：(1)电源容量有限：无线传感器节点靠电池供电，能源有限，所以无线传感器网络的设计要从节能出发，最大限度地延长整个网络的生存期。(2)硬件资源受限：传感节点硬件资源受限，计算能力和数据处理能力有限。(3)传感节点数量巨大：无线传感器网络中的节点数目比传统网络更为巨大，分布密度更高。(4)自组织网络：传感器节点以自组织方式构成网络，无需预设的网络设施。(5)动态网络：传感器节点会随时因为能源耗尽而离开网络，也可能因为某种需要而随时进入网络。(6)多跳路由：传感节点覆盖范围一般在一百米以内,覆盖范围外的通信，需中间节点路由。(7)以数据为中心：无线传感器网络通常只关心区域内某个观测指标的值，而不具体关心单个节点的观测数据；它不依赖于全网唯一的标识，通常包含多个节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向，以数据为中心形成消息的转发路径。2WSN的路由协议2.1WSN的特点及对路由设计的影响在无线传感器网络中，由于受能量限制，节点之间往往无法直接通信，通常需要借助中间节点以多跳路由的方式将源数据传送至目的节点。无线传感器网络的网络层主要负责路由的发现和维护，其路由协议包括了两个方面的基本功能：一个是路径优化，即寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是数据转发，即要将数据沿优化路径正确转发。传统无线网络的路由协议设计是以避免网络拥塞、保持网络的连通性和提供高质量的网络服务为主要目标。其主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，平衡网络流量，能耗问题不是所要考虑的重点。在具体设计无线传感器网络路由时，需要满足下面的一些要求[9]：(1)能量高效。为节能起见，路由协议应尽可能简单，并且能够高效传输信息。(2)减少冗余信息。为尽可能减少数据发送，路由协议设计需要以数据为中心考虑，通过数据融合来有效减少信息冗余。(3)可扩展。为适应网络拓扑的动态变化，路由协议应采用分布式的运行方式，使其易于扩展。(4)鲁棒性。为保证传感器节点的随时加入或退出不会影响到全局任务的正常执行，路由协议的设计应具有鲁棒性，使其有较强的容错性。(5)快速收敛。路由算法要求简单，并且能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信开销，提高消息传输的效率。(6)安全。为防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息，路由协议应具有良好的安全性能，降低遭受攻击的可能性。2.2WSN的路由协议的分类无线传感器网络的应用背景各不相同，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而研究人员设计了众多的路由协议。为揭示无线传感器网络路由协议的特点，可以根据路由协议采用的通信模式、路由建立时机、状态维护、节点标识和传递方式等策略，运用多种方法对齐进行分类[9]：(1)根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协议。(2)根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异。可分为平面路由协议和层次路由协议。(3)根据路由建立时机和数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。(4)根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。(5)节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。(6)根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议。(7)根据数据在传输过程中是否进行融合处理，可分为数据融合的路由协议和非数据融合的路由协议。(8)根据是否以节点的可用能量或传输路径上的能量需求作为选择路由的依据，可分为能量感知路由协议和非能量感知路由协议。(9)根据路由建立是否与查询有关，可分为查询驱动和非查询驱动的路由协议。2.3路由协议设计特点路由协议不仅要考虑节能，更要从整个网络系统的角度，根据具体的应用背景，考虑网络能量的均衡使用，最终延长整个网络的寿命。好的网络协议具有以下特点[9]：(1)针对能量高度受限的特点，高效利用能量几乎是设计的第一策略。(2)针对包头开销大、通信耗能、节点有合作关系、数据有相关性和节点能量有限等特点，采用数据聚合、过滤等技术。(3)针对流量特征、通信耗能等特点，采用通信量负载平衡技术。(4)针对节点少移动的特点，不维护其移动特性。(5)针对网络相对封闭性、不提供计算等特点，只在汇聚节点考虑与其他网络互联。(6)针对网络节点不编址的特点，采用基于数据或基于位置的通信机制。(7)针对节点易失效的特点，采用多路径机制。2.4路由协议的关键问题分析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，使网络中能量均衡消耗。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。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、全面和可靠的消息，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。2.5路由协议的设计目标与设计原则路由协议的设计应该遵循以下原则：（1）为节能起见，路由协议应该尽量简单,要求满足网络开销低,需求带宽小,对路由节点存储信息的影响小的要求。（2）路由协议应该具有很好的网络适应性、健壮性和稳定性,在通常或者不可预知的环境下均能很好的运行,能快速和准确的适应各种网络环境。（3）路由协议的设计要避免路由环路的产生。（4）无线传感网络是计算资源和能源有限的,因此其通信协议不可能是通用的,必须针对具体应用的需求进行设计。（5）设计路由协议时还要考虑到如何使所设计的路由协议具有可扩展性。3无线传感网络路由协议分析3.1路由算法研究为了满足不同的应用需求，研究者已经研究出了大量的路由协议目前存在的无线传感网络路由协议，主要侧重于尽可能延长传感网络的生存时间，对路由安全方面的考虑很少。现存传感网络路由算法的研究主要基于以下思路：（1通信量。由于无线传感器网络中的数据通信最为耗能，因此应在协议中尽量减少数据通信量。（2）构建能量有效的全局最优路由策略。由于能量的约束，无线传感器网络无法采用传统的全局控制中心控制式路由算法精确计算优化路由，而是依据本地拓扑信息实现路由的局部优化。如何将路由的局部优化拓展到实现全局