9.姚兰,桂勋,王保强,无线传感器网络路由协议的研究与仿真

?@ 引@ 言
传感器节点的能量支持和通信带宽都是受限的， 而且网络 中部署的节点数量巨大， 这给传感器网络的设计和管理提出了 许多重大的挑战， 而路由协议的设计是其重中之重。 本文首先介绍现有无线传感器网络路由协议的现状， 对定 向扩散协议进行了详细的分析和研究， 并用 );! 建立了仿真模 型， 从网络性能评价指标验证了定向扩散协议的优越性。
&4567896$ $ JK2 /03/&92 &< 3&0158G /3&1&6&’9 <&3 F;) 59 1& L05’: 32’57L’2 /71K9 L21=228 958M 78: 9&0362， 78: 289032 13789.5995&8 &< :717* H792: &8 1K2 787’NO58G &< 6033281 3&0158G /3&1&6&’ <&3 F;)， 1K2 /7/23 91329929 1K2 =&3M58G /35865/’2 78: /3&/7G715&8 .26K7859. &< :532612: :5<<095&8， 78: :295G89 7 95.0’715&8 .&:2’* HN 787’NO58G 1K2 3290’19 &< 1K2 95.0’715&8 L792: &8 1K59 .&:2’， 1K59 /7/23 /&5819 &01 1K71 6&./732: =51K &1K23 1N/567’ 3&0158G /3&1&6&’9 :532612: :5<<095&8 59 1K2 5:27’ 3&0158G /3&1&6&’ <&3 F;)* 3:;<=7>5$ $ F;) （ =532’299 9289&3 821=&3M） $ P&0158G /3&1&6&’$ Q532612: :5<<095&8$ ;5.0’715&8
! % $" 仿真过程
运行仿真脚 本 程 序 45667859:% ;<,， 可以得到仿真跟踪文件 45667859:% :>= 和 45667859:% ;* （ 即 ;*><) 文件） 。 ./$ 支持 .FE 工 具用于将仿真过程可视化， 45667859:% :>= 文件包括拓扑模型的
图 K! 能量随网络规模的变化
万方数据
图 $! 协议动画演示
图 L! 能量随数据源和接收点的变化图
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计算机应用与软件
%$$& 年
通过运行命令： ’()*+, -.’/(01,,23456 ()* 76 89 可得到不同 传播方式的延时。提取每个数据包的发送时间和接收时间， 处 理后可得到与延时的相关数据， 用 ’:;<=18 绘制成图形， 就可对 网络延时性能指标进行分析。图 > 显示延时随网络规模的变化 过程。可见， 定向扩散的平均延时和组播相当。
摘$ 要$ $ 在分析现有无线传感器网络路由协议的基础上， 重点阐述了定向扩散协议的工作原理和传播机制， 并建立了仿真模型。 仿真结果表明， 与其它路由协议相比较， 定向扩散是一种较为理想的路由协议。 关键词$ $ 无线传感器网络$ 路由协议$ 定向扩散$ 仿真
!"#$% &’$ !()#*&"(+’ +, -+#"(’. /-+"+0+* ,+1(-2*2!! !2’!+- ’2"1+-3!
［>］ CU4-V、 JUU)、 SUD4;T; 和多层聚类等层次路由协议 。
在诸多平面路由协议中， ;ST) 和 QQ 是最典型、 最基础的路 由协议， 其它的路由协议都是对这两个协议的某些方面进行改 进而衍生的。本文重点研究定向扩散协议， 分析它的基本原理， 并通过仿 真 证 明 它 在 能 量 消 耗 和 网 络 延 时 性 能 指 标 上 的 优 越性。
B7& C78> $ D05 E08! $ F78G H7&I578G>
! （ "#$%&’(#)’ *+ ,*)’&*- .)/0)##&0)/， ,1#)/23 4)05#&60’7 *+ 8)+*&(%’0*) 9#:1)*-*/7， ,1#)/23 ;0:13%) <!=>>? ， ,10)%） > （ ;:1**- *+ .-#:’&0:%- .)/0)##&0)/， ;*3’1@#6’ A0%*’*)/ 4)05#&60’7， ,1#)/23 ;0:13%) <!==B! ， ,10)%）
万方数据
化仪表。
! 第 " 期! ! !
姚兰等： 无线传感器网络路由协议的研究和仿真
!#$"
径上的节点过早死亡。定向扩散的整个过程如图 # 所示。
信息如节点、 链路、 位置等。在提示 符 状 态 下 使 用 如 下 命 令： :>= 45667859:% :>=， 系统自动打开 :>= 的画面。如图 $ 是本文仿 真的动画演示， 包含 @A 个节点的传感器网络， 红色圆圈代表发 送数据， 蓝色圆圈代表发送兴趣。 在对协议性能信息进行分析时， 不能直接使用 ;*><) 文件。
收稿日期： !++, @ +" @ +A 。姚兰， 硕士， 主研领域： 检测技术与自动
A@ 无线传感器网络的路由协议
针对 F;) 的特点与通信需求， 国内外科研人员设计了多种 路由协议。从网络拓扑结构的角度分为两类： R’&&:58G、 ;ST)、 ;4P （ 92I028157’ 7995G8.281 3&0158G） 和定向扩散等平面路由协议；
B@ 定向扩散
定向扩散是专门为无线传感器网络设计的。它是由加州大 学洛杉矶分校计算机科学系的 Q2L&37KU91358 等人在 Q4PS4 的 >##A @ #WT;4J 项目完成后提出的。对于如 “ 给我一个特定区域 的温度” 这样的询问为大多数通信形式的网络， 定向扩散是优 秀的。在这个协议中， 节点用一组属性值来命名它生成的数据， 比如将地震波传感器生成的数据命名为： JN/2 X 9259.56， 5: X >! ， 15.29 @ 17./ X +!* +>* !! Y !> ： >+ ： !" ， ’&6715&8 X A? Z W+; Y >++ Z >!+U。在定向扩散中路由的建立由接收器节点发起， 958M 节点 通过广播 “ 兴趣” 来寻找数据源。网络中的每个节点只了解给 它发送请求的相邻节点， 节点通过建立一个梯度来转发 “ 询问” 给它的相邻节点， 梯度越大则在这个方向上找到源节点的可能 性就越大。在这个过程中， “ 兴趣” 到达了源节点， 一个临时的 梯度场建立了。源节点沿着梯度最大的方向传输数据到 958M 节点。梯度最大路径也就是功耗最低路径， 也就是说定向扩散 每次都寻找功耗最低的路径传输数据。这样节省了能耗， 但同 时也会导致整个网络的节点能耗不均衡， 使得这条功耗最低路
［K， L］ 命令的 8J),, 脚本程序和 FMN （ 一种强有力的 需要使用 8J),,
图 #! 定向扩散
模式匹配和过程语言） 程序对 ;*><) 文件进行处理， 提取和归纳 我们所需要的协议性能信息。本文首先使用 O*)B 命令对 ;*><) 文件中的 “ 数据行” 进行过滤处理， 从而得到我们需要的记录， 再使用 FMN 程序从记录中查找和提取我们需要数据信息， 才 能协议性能进行分析。 对 ;*><) 文件格式进行分析， 可知记录中第 $ 项表示时间信 息， 第 #L 项 表 示 能 量 信 息， 因 此， 本 文 的 FMN 命 令 如 下： ! O>P+ ?6 Q｛B*5:; ! $， #L ｝ Q45667859:% ;* R 45667859:% 4>;>， 表示从原始 ! ;*><) 文件中提取第 $ 项和第 #L 项的数据重定向到文件 45667? 859:% 4>;>。最后使用 ./$ 自带的绘图工具 O:7B,9;， 将提取出来 的数据绘制成的图形。
! % !" 仿真结果
本文分别对定向扩散、 泛洪和组播三种典型协议在不同的 节点规模、 不同的数据源和接收点不同条件下进行了仿真。图 K 为在 @A 个节点、 #AA 和 $@A 个节点网络中， 三种协议能量的变 化过程， 可以看出， 定向扩散协议无论在小规模或大规模的网络 中， 它的能量消耗都是最少的。图 L 为数据源和接收点的增加 时， 能耗的变化过程， 可知， 在一个数据源和一个接收点的情况 下， 定向扩散的能量消耗和组播是相当的， 随着数据源和接收点 的增多， 定向扩散的优势更加明显。
身份验证是由应用代理来实现的。用户发出访问请求时， 向应用代理发送自己的公钥证书 RAK， 应用代理需要验证证书 的有效性和验证用户是证书的持有者。 在对策略服务器进行初始化时， 通过策略证书中指定的存 放使用条件证书的 /L-R 服务器地址， 搜索策略证书中指定的 每个资源管理者所颁发的使用条件证书， 并对这些证书进行验 证。证书的有效性验证包括证书的签名是否有效， 证书是否过 期以及证书是否由可信任的资源管理者签发。 用户身份认证通过后， 发出请求操作。应用代理获取用户 的请求， 把请求组合成策略服务器需要的参数， 参数包括用户的 L@、 请求的对象和请求的操作， 也可以传递环境参数， 把这些参 数传递给策略服务器。策略服务器获得应用代理传递过来的访 问请求后， 根据用户的 L@ 到指定的 /L-R 服务器提取用户所 有的角色分配证书， 然后对角色分配证书进行有效Байду номын сангаас验证。证 书的有效性验证包括证书的签名是否有效， 证书是否过期。如 果证书有效， 则提取证书包含的角色。然后策略服务器根据用 户所拥有的角色和使用条件证书中的策略， 确定角色所对应的