第七讲：WSN路由协议

第七讲：WSN路由协议中国农业大学工学院王新电话：[phone]E-mail：[e-mail]«无线传感器技术»课程讲义中国农业大学工学院教学目的：掌握WSN路由协议知识学时：4学时本讲重点：路由协议基本概念、定向扩散教学目标数据从一个源端到一个接收器（例如，网关设备）跨越一个或多个传感器而建立的路径的过程成为路由。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：①寻找源节点和目的节点间的优化路径；②将数据分组沿着优化路径正确转发。7.1WSN路由协议概述传感器节点传感器节点汇聚节点汇聚节点多跳单跳中国农业大学工学院7.2WSN路由协议分类路由协议协议的操作基于协商的基于多路径的基于查询的基于服务质量的基于相干式路由协议的分类路由发现反应式先应式混合式网络结构基于平面的基于分层的基于位置的中国农业大学工学院以协议的操作分类：协商式路由协议（negotiation-basedrouting）:在实际数据传输之前，依靠相邻传感器节点之间交换协商消息来减少冗余数据传输。基于多条路径的路由协议：路由协议同时使用多个路由，以达到更好的性能和容错能力。基于查询的路由协议（query-basedrouting）：由接收端启动路由发现的，传感器节点发送数据作为对目的节点路径查询报文的响应。7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院以协议的操作分类：基于服务质量（Qos）的路由协议：以满足某个Qos指标或多个指标的组合（如低延迟、低能耗或者较低的丢包率）的路由协议。基于相干式的路由协议（coherent-basedrouting）：在传感器数据发送到接收器和数据汇聚点之前，只执行少量的数据处理，以节省能耗。7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院从各种实际应用的角度出发，将路由协议分为四类：能量感知路由协议高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征。为了强调高效利用能量的重要性，这里将它们划分为能量感知路由协议。能量感知的路由协议从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。包括：最小能耗路由、最大可有电量路由、最小跳数路由等。7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院基于查询的路由协议在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据。在汇聚节点（查询节点）发出任务查询命令，传感器网络的终端探测节点向监控中心报告采集的数据。在这类监控和检测的应用问题中，通信流量主要是查询节点和传感器探测节点之间的命令和数据传输，同时传感器探测节点的采集信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院地理位置路由协议在诸如目标跟踪的应用问题中，往往需要唤醒距离被跟踪目标最近的传感器节点，以便得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类与坐标位置有关的应用问题中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点的路由选择功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院可靠的路由协议传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，可能在可靠性和实时性等方面有特别要求。例如，采用视频传感器进行战场环境监测时，希望传输的视频图像能够尽可能的流畅些。但传感器网络的无线链路稳定性一般难以保证，通信信道质量比较低，网络拓扑变化频繁，要满足用户的某些方面的服务质量指标，需要考虑可靠的路由协议设计技术。7.2WSN路由协议分类中国农业大学工学院路由评价指标是用来度量路由协议关于这些资源的消耗或应用程序的性能方面的各种目标，常用的指标包括：最小跳数、能量、服务质量（Qos）、鲁棒性等。最小跳数：路由协议试图找到从发送端到目的地所需中继节点（跃点）最少的路径。能量：•每个数据包的最小能量消耗•最长的网络区分时间•最大（平均）能量容量•。。。7.3路由度量中国农业大学工学院服务质量(Qos)：涉及网络的性能评价，端到端延迟尽量低，数据密集型网络需要高的吞吐量，抖动（延迟变化）以及丢包率（或出错率）低。预期传输时间（ExpectedTransmissionTime,ETT)评价延迟ETT=ETX×S/B其中，S是数据包的平均大小，B是链接带宽，ETT表示在MAC层要成功传输数据包所预期的执行时间，预期传输次数（ExpectedTransmissioncount,ETX）为成功传送一个数据包所需要的传送次数。7.3路由度量中国农业大学工学院服务质量(Qos)：涉及网络的性能评价，端到端延迟尽量低，数据密集型网络需要高的吞吐量，抖动（延迟变化）以及丢包率（或出错率）低。预期传输时间（ExpectedTransmissionTime,ETT)评价延迟ETT=ETX×S/B其中，S是数据包的平均大小，B是链接带宽，ETT表示在MAC层要成功传输数据包所预期的执行时间，预期传输次数（ExpectedTransmissioncount,ETX）为成功传送一个数据包所需要的传送次数。7.3路由度量中国农业大学工学院洪泛（Flooding）协议：•将信息传播到网络中或是一个不确定位置的节点上；•发送节点将数据包广播到邻节点，重复此过程，直到所有节点收到数据包。•不要求维护网络的拓扑结构和相关的路由计算，仅要求接收到信息的节点以广播方式转发数据包。7.4洪泛和闲聊7.4洪泛和闲聊中国农业大学工学院7.4.1内爆和数据重叠中国农业大学工学院与传统网络的路由协议相比，WSN路由协议具有以下特点：能量优先：需要首先考虑如何节约能量，延长网络工作周期。拓扑信息受限：节点存储能力有限，只能存储局部路由信息，如何在局部拓扑信息的中建立高效庞大的路由机制成为难点。以数据为中心：与传统网络不同，WSN关心的是数据不是哪个节点产生了此数据，消息是往往从多个传感器节点到少数几个汇聚节点。应用相关：WSN是针对应用的网络，目前尚无统一和标准的协议栈可供使用，针对不同应用，协议不同。7.5WSN路由协议特点7.5.1以数据为中心网络DC，Data-centricAC，Address-centricDC网络可进行数据融合，减少网络中的数据量中国农业大学工学院在根据具体应用设计路由协议时，必须满足如下要求：能量高效：能量路由算法，最小能耗路由可扩展性：WSN中的节点可能随着时间的流逝而失效，或有新的节点加入，改变拓扑结构，因此路由须有良好的可扩展性。稳健性：当网络中出现节点失效和链路失效的情况时，路由协议还能够正常工作。快速收敛性：数据在WSN中能够高效地传输，路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的变化。7.5WSN路由协议设计中国农业大学工学院SPIN（SensorProtocolsforInformationviaNegotiation)是一组基于协商的、以数据为中心和时间驱动的洪泛协议。SPIN为了解决内爆与重叠问题，节点在数据传输之前与邻节点协商，避免不必要的通信。为了解决资源盲目问题，每个SPIN节点使用资源管理器来跟踪实际资源消耗，使其可以根据资源可用性来调整路由和通信行为。7.6SPIN协议中国农业大学工学院通过元数据来完成协商过程•元数据：一种对源数据的映射，比源数据短•元数据描述实数据，元数据与实数据一一对应•避免传输冗余数据3步握手协议(ADV-REQ-DATA)协议消息•消息广播包：Advertise(ADV)•数据请求包：Request(REQ)•数据包：Datatransfer(DATA)7.6SPIN协议节点A有新数据，通过ADV发布新数据信息，使用元数据B节点收到ADV后，发现自己没有该数据，通过REQ向A请求新数据A节点向B节点传送源数据B节点融合新数据，并通过ADV发布新数据消息如果节点ADV中描述的数据有副本就忽略该消息7.6.13步握手协议中国农业大学工学院优点部分解决了内爆和重叠问题不需要进行路由维护对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN缺点本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大7.6.2SPIN协议评价中国农业大学工学院优点部分解决了内爆和重叠问题不需要进行路由维护对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN缺点本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大7.6.2SPIN协议评价中国农业大学工学院定向扩散（DirectedDiffusion，DD）路由协议是一种基于查询的路由机制。Sink节点查询兴趣消息兴趣消息采用泛洪的方法传播到网络有和兴趣匹配数据的节点发送数据兴趣扩散阶段建立节点到Sink的路径7.7定向扩散协议7.7定向扩散协议定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段:源汇聚节点（a)兴趣传播源汇聚节点（b)梯度建立源汇聚节点（c)加强路径中国农业大学工学院7.7定向扩散协议7.7定向扩散——interest传播中国农业大学工学院7.7定向扩散协议中国农业大学工学院7.7定向扩散——兴趣表达中国农业大学工学院7.7定向扩散——兴趣传播7.7定向扩散——梯度建立中国农业大学工学院7.7定向扩散——reinforced路径中国农业大学工学院7.7定向扩散——interest命名7.7定向扩散——interest区分和汇聚7.7定向扩散——interestcache7.7定向扩散——路径加强7.7定向扩散——路径加强7.7定向扩散——路径加强7.7定向扩散——路径加强7.7定向扩散——路径加强7.7定向扩散——路径加强中国农业大学工学院优点数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息；路径加强机制可显著提高数据传输的速率；周期性路由：能量的均衡消耗。缺点周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大；节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大。7.7定向扩散协议评价ToBeContinue