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1第4章路由层协议4.1概述4.2以数据为中心的路由协议4.3分层结构的路由协议4.4地理位置信息路由协议4.5可靠路由协议4.6按需路由协议小结2本章目标了解路由协议的特点及分类。理解路由协议的关键技术。理解以数据为中心的路由协议。理解分层结构的路由协议。掌握地理位置信息的路由协议。了解可靠的路由协议。掌握按需路由协议。3学习导航4无线传感器网络是一种无基础设施的网络，由多个传感器节点以自组织方式构成，其目的是协作感知、采集和处理覆盖区域中感知对象的信息。通常情况下无线传感器网络中所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心。各节点通过分布式算法来相互协调，通过自组织形成一个测量网络。4.1概述5无线传感器网络中的节点一般采用电池供电，节点能量受限。这种情况下要延长网络寿命就必须降低节点的工作能耗。由第3章可知，节点能量的大部分消耗在无线通信模块上。要减少节点能量的消耗就必须减小节点的有效传输半径，而有效传输距离的减小必然导致单节点的覆盖面积减小。因此，为了实现传感器节点大范围的覆盖，必须使用多跳中继的方法来传输数据，这就需要相应的路由协议来支持。64.1.1功能和特点无线传感器网络路由协议从功能上来讲是将数据从源节点传输到目的节点的机制。无线传感器路由协议的主要设计目标是在满足应用需求的同时降低网络开销，取得资源利用的整体有效性，扩大网络容量，提高网络吞吐量。与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：能量受限。传统的路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。7而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。8以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，是以地址为中心的路由协议。无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，所以无线传感器网络是以数据为中心的路由协议。以数据为中心的路由协议通常包含多个传感器节点到汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。应用相关。传感器网络的应用环境千变万化，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。94.1.2关键技术针对无线传感器网络路由协议的基本特点，在设计无线传感器网络中需要满足下列传感器网络路由协议的要求：能量高效。传感器网络节点能量受限使节能成为路由协议最主要的优化目标。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器网络路由协议要能够简单而且高效地实现信息传输。10可扩展性。在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点失败、周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠性要求路由协议具有一定的容错能力。11快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由协议能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。数据融合技术。在传感器网络运行过程中，从传感器节点探测到的数据往往在逐次转发过程中不断被加工处理，以达到降低网络开销、节省能量等目的。也就是说，数据在传输过程中已经被修改，并不是原封不动地从源端传送到目的端，这与传统网络以实现端到端无失真的信息传输的目标是不同的。12在无线传感器网络中，传感器节点没有必要将数据以端到端的形式传送给中心节点处理节点，只要有效数据最终汇集到汇聚节点就达到了目的。因此，为了减少流量和能耗，传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳，这就是数据融合的基本含义。流量分布。传感器网络是一个数据采集网络，绝大部分流量由各个传感器节点流向汇聚节点，因此流量分布极不均匀，以汇聚节点为目的的数据远远超过以它为源的控制流。13这种流量分布特点造成的结果是：越接近汇聚节点，链路的流量越高，相应节点的负载越重，寿命就越短。流量分布不均匀造成功耗分布不均匀，并直接导致网络生存时间的缩短。144.1.3分类路由协议的分类多种多样，针对不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的路由协议，目前还没有一个统一的分类方法。本书根据不同的应用将路由协议分为五类：以数据为中心的路由协议。分层结构的路由协议。地理位置信息的路由协议。可靠的路由协议。按需路由协议。151.以数据为中心的路由协议以数据为中心的路由协议对感知的数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合操作，减少网络中冗余数据传输。这类协议同时集成了网络路由任务和应用层数据管理任务。162.分层结构的路由协议分层结构的路由协议主要特征是将传感器节点按照特定的规则划分为多个簇，通过该簇的头节点汇聚簇内感知数据或者转发其他簇头节点的数据。具体可分为以下两种模式：单层模式：路由协议仅对传感器节点进行一次簇划分，通常假设每个簇头节点都能与汇聚节点通信，如图4-1所示。多层模式：路由协议将对传感器节点进行多次簇划分，即簇头节点将再次进行簇划分，如图4-2所示。17图4-1单层模式18图4-2多层模式193.地理位置信息的路由协议地理位置信息路由协议假定传感器节点能够知道自身地理位置或者通过基于部分标定节点的地理位置信息计算自身的地理位置。节点的地理位置信息可以作为一个辅助条件，用来改善一些已有的路由算法的性能，比如将采集的数据或者查询请求发送到指定方向从而减少数据的无效传输问题，也可以直接使用地理位置信息来实现路由。204.可靠的路由协议无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实时性等。而在无线传感器网络中，链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应可靠的路由协议。215.按需路由协议按需路由协议又称反应式路由协议或被动路由协议，是一种当需要时才进行路由发现的路由选择方式。与主动式路由协议相比，按需路由协议中的节点平时并不实时地维护网络路由，只有在节点有数据要发送时才激活路由发现机制。由源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送分组。224.1.4发展路由协议是无线传感器网络当前研究的热点之一，传感器网络由于其自身资源受限的特点，对路由协议的要求非常高，设计一个通用的路由协议比较困难。一般传感器网络路由协议的设计专门针对特定的应用场景，传感器网络应用场景的专一性为设计高效专用的路由协议带来了可能性。但是还有一些根本性的问题需要进一步解决。231.全局最优路由策略在Internet路由协议中，当节点链路发生变化的时候，其设计思想是以最快的速度将该变化通知网络中的其他节点，并重新调整和计算最短路由。链路变化越快，由此引起的路由开销越大。无线传感器网络不适合这种方法，一方面是因为无线链路的不稳定性，节点间链路发生变化的频率太高，维护起来代价太大；另一方面是因为无线传感器网络中节点的能量有限，处理能力低，无线通信带宽窄，而且存储空间也小，及时获得整个网络拓扑改变的信息几乎是不可能的。24无线传感器网络不适合采用传统的全局中心控制式路由算法精确计算优化路径以达到全局优化，适合无线传感器网络的是一些基于局部优化的分布式算法。这要求网络中的每个节点在只与有限范围内的节点交互的前提下，实现局部优化。252.路由算法的安全性无线传感器网络通过无线链路来传送数据，无线通信的广播特性使其更容易受到窃听、假冒、篡改等攻击。无线传感器网络中的数据通过多跳广播的方式进行传输，没有受到保护的路由信息很容易遭受多种形式的攻击，因此路由算法的安全性也是一个考虑的因素。无线传感器网络中的节点的地位都是平等的，不存在所谓的中心节点，26而且网络的拓扑结构经常变化，这些都是传统的网络安全机制无法解决的问题。同时由于无线传感器网络的节点处理和存储能力的限制，一些比较好的加密算法也无法在无线传感器网络中使用。由于无线传感器网络的这些特点，设计一套可以在无线传感器网络中使用的安全机制是一项具有挑战性的工作。273.能源有效路由策略能源有效性是传感器网络设计中要考虑的重要因素，由于无线传感器网络节点能量有限，所以路由协议设计必须将有效利用能源放在第一位，将服务质量放在第二位。能量有限性是传感器节点最显著的特点，无线传感器节点体积小、价格低，大多采用电池作为能源的供应者。在特定的环境中一旦电池耗尽将无法更换电池，因此设计有效的路由协议来节约节点能源并提高网络的生命周期就成为无线传感器网络的核心问题。28无线传感器网络是一种以数据为中心的网络，以数据为中心的路由协议是无线传感器网络路由协议中最早被讨论的一类路由协议。比较有代表性的以数据为中心的路由协议是：SPIN路由协议和DD路由协议。4.2以数据为中心的路由协议294.2.1SPIN协议SPIN(SensorProtocolforInformationviaNegotiation，协商的路由协议)是最早的一类无线传感器网络路由协议的代表，是一种以数据为中心的自适应路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制解决无线传感器网络中的数据冗余问题。301.基本思想SPIN路由协议通过节点间协商的方式来减少网络中数据的传输数据量。节点只广播其他节点所没有的数据以减少冗余数据，从而有效减少能量消耗。在SPIN协议中提出了元数据(Meta-data，是对节点感知数据的抽象描述)的概念，元数据是原始感知数据的一个映射，可以用来描述原始感知数据，而且元数据所需的数据位比原始感知数据要小，采用这种变相的数据压缩策略可以进一步减少通信过程中的能量消耗。31SPIN协议采用三次握手协议来实现数据的交互，协议运行过程中使用三种报文数据：ADV、REQ和DATA。三种报文的主要功能如下：ADV用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用ADV数据包通知其邻居节点。REQ用于请求发送数据，当某一个节点收到ADV并希望接收DATA数据包时，发送REQ数据包。DATA为原始感知数据包，装载了原始感知数据。32SPIN有两种工作模式：SPIN1和SPIN2。在SPIN1中，当节点A感知到新事件之后，主动给其邻居节点广播描述该事件的元数据ADV报文，如图4-3(a)所示。收到该报文的节点B检查自己是否拥有ADV报文中所描述的数据。如果没有，节点B就向节点A发送REQ报文，在REQ报文中列出需要节点A给出的数据列表，如图4-3(b)所示。当节点A收到了REQ请求的报文后，它就将相关的数据发送给节点B，如图4-3(c)所示。同样节点B发送ADV报文通知其邻居节点(包括节点A)自己有新消息，如图4-3(d)所示。33由于节点A中保存有ADV的内容，节点A不会响应节点B的ADV消息。没有保存ADV消息的节点向节点B回复REQ报文，如图4-3(e)所示。然后节点B向回复REQ报文的节点发送DATA数据包，如图4-3(f)所示。协议按照以上所述的方式进行，实现SPIN1的算法。SPIN2模式考虑了节点剩余能量值，当节点剩余能量值低于某个门限值就不再参与任何报文转发，仅能够接收来自其他邻居节点的报文和发出REQ报文。在SPIN协议下，节点不需要维护邻居节点的信息，一定程度上能适应节点移动的情况。不过该算法不能确保数据一定能到达目的节点，尤其是不适用于高密度节点分布的情况。342.关键技术SPIN协议通过