无线传感器网络：网络层和路由协议

在Directed Diffusion中，可以对路径进行修复。在建 中 可以对路径进行修复。 立多条数据源到Sink节点的路径之后，Sink节点可以 节点的路径之后， 立多条数据源到 节点的路径之后 节点可以 选择增强其中的一条路径用于数据的传输， 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， 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， 是经过增强的路径出现故障时，Sink节点可以增强低 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 节点的数据传输。 速路径，保证源节点到 节点的数据传输 持低速路径的过程需要消耗一些能量，但是在故障时， 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， 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。 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 的最大区别： 采用基于需求的数据查询 与 的最大区别 机制。 节点发出数据查询请求， 机制。在DD中，由Sink节点发出数据查询请求，而在 中 节点发出数据查询请求 SPIN中，节点广播自己的数据，以允许其他节点来查 中 节点广播自己的数据， 询。
DD路由协议的缺点： 路由协议的缺点： 路由协议的缺点
1.基于查询驱动模型的，不适用于环境监测的WSN； 2.Gradient的建立开销很大,不适合多sink点网络； 3.数据聚合过程采用时间同步技术,会带来较大开销和时延； 4.不同的应用中需要定义不同的命名方案，也就是<属性，值>对， 从而限制了它的应用。
SPIN-EC在SPIN-PP的基础上考虑了节点的功耗，只有能够顺利 在 的基础上考虑了节点的功耗， 的基础上考虑了节点的功耗 完成所有任务且能量不低于设定阈值的节点才可参与数据交换 SPIN-BC设计了广播信道，使所有在有效半径内的节点可以同时 设计了广播信道， 设计了广播信道 完成数据交换。 完成数据交换。 为了防止产生重复的REQ请求，节点在听到 请求， 消息以后， 为了防止产生重复的 请求 节点在听到ADV消息以后，设定 消息以后 一个随机定时器来控制REQ请求的发送，其他节点听到该请求， 请求的发送， 一个随机定时器来控制 请求的发送 其他节点听到该请求， 主动放弃请求权利 SPIN-RL它是对 它是对SPIN-BC的完善，主要考虑如何恢复无线链路引 的完善， 它是对 的完善 入的分组差错与丢失。记录ADV消息的相关状态，如果在确定时 消息的相关状态， 入的分组差错与丢失。记录 消息的相关状态 间间隔内接收不到请求数据，则发送重传请求， 间间隔内接收不到请求数据，则发送重传请求，重传请求的次数 有一定的限制 SPIN协议的优点： 协议的优点： 协议的优点
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 采用点到点的通信模式， 采用点到点的通信模式 他节点的干扰，分组不会丢失， 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 在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对向邻居 数据包之前， 在发送一个 数据包之前 节点广播ADV数据包； 数据包； 节点广播 数据包 2.如果一个邻居节点在收到 如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该 后有意愿接收该DATA数据包， 数据包， 如果一个邻居节点在收到 后有意愿接收该 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 数据包， 那么它向该节点发送一个 数据包 数据包。 送DATA数据包。 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。 类似地进行下去， 数据包可被传输到远方汇节点或基站。 类似地进行下去 数据包可被传输到远方汇节点或基站
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-data header)的传感器采集的数据的数据包
洪泛路由（ 洪泛路由（Flooding）的应用情况： ）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
Gossiping路由协议： 路由协议： 路由协议
Gossiping协议是对Flooding协议的改进,节点将产生或收到的 数据随机转发给一个或者若干个相邻节点,避免了内爆,但增加 了时延，且无法避免重叠问题。
洪泛路由（ 洪泛路由（Flooding）的优点： ）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（ 洪泛路由（Flooding）的不足： ）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。
Rumor Routing核心思想： 核心思想： 核心思想
1.借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大 的思想 2.当节点监测到事件后将其保存，并创建称为Agent 的生命周期较长的包括事件和源节点信息的数据包， 将其按一条或多条随机路径在网络中转发 3.收到Agent的节点根据事件和源节点信息建立反向 路径，并将Agent再次随机发送到相邻节点，并可 在再次发送前在Agent中增加其已知的事件信息 4.sink点的查询请求也沿着一条随机路径转发,当两 路径交叉时则路由建立 5.如不交叉,sink点可flooding查询请求
Rumor 路由协议（谣传路由Leabharlann Baidu： 路由协议（谣传路由）：
Rumor Routing是在Directed Diffusion的基础上演 化而来的。通常情况下，Directed Diffusion协议需 要向整个网络广播兴趣，而在某些应用中，只有少 量的 数据需要从源节点传递到Sink节点。在这种情况下， 没有必要向整个网络广播兴趣。当WSN中的事件 （对应着数据的传递）数量很少，而查询（对应着 兴趣的广播）数量很多的时候，可以采用广播事件 的方法，以节省能量的消耗。Rumor Routing是一 个介于事件广播（向整个网络广播事件）和兴趣广 播（向整个网络广播兴趣）之间的一种路由协议
MTE(Minimum Transmission Energy)路由协议： 路由协议： 路由协议
在MTE协议中，节点选择离自己平面距离最近的节点进行路 由中转 当且仅当如下公式满足时，节点A将会选择B转发自己的数据 到节点C
右图为MTE协议示意图 协议示意图 右图为 MTE路由协议的优点： 路由协议的优点： 路由协议的优点
DD协议内容：节点用一组<属性，值>来命名它所生成的 协议内容：节点用一组 属性 属性， 协议内容 来命名它所生成的 数据。 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 (interest entry)包含一个时间标签域(timestamp field)和若干个梯度域(gradient field，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。
简单、开销小，每个节点只需要找到通往Si nk节点的下一跳节点，然后把数据发给它
MTE路由协议的不足： 路由协议的不足： 路由协议的不足
靠近Sink节点的传感器节点会一直承担路由 器的角色，节点之间负载不平衡，靠近Sink 节点的传感器节点可能很快就耗尽自己的能 源而死亡，缩短整个网络的生命周期
DD（Directed Diffusion）定向扩散路由协议是一种以 （ ） 数据为中心的路由协议， 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 梯度(Gradient)来 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。 能性。 右图描述DD路由协议的工作原理 右图描述 路由协议的工作原理
路由协议
典型的路由协议分析
泛洪路由(Flooding) 泛洪路由
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： 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。
SPIN协议（sensor protocol for information via ne 协议（ 协议 gotiation） ）
SPIN 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。
DD路由协议的优点： 路由协议的优点： 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,避免了保存全网信息； 3.每个节点都可以进行数据融合操作，能减少数据通信量，节省 能量消耗； 4.sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量； 5.节点不需要维护网络的拓扑结构，数据的发送是基于需求的， 因此它是一个非常节能的路由协议。
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： 协议的不足： 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
SPIN协议簇有 种不同的形式： 协议簇有4种不同的形式 协议簇有 种不同的形式：
SPIN-PP（A 3-Stage Handshake Protocol for Point-to-Point Media）：适合 点对点信道 SPIN-EC（SPIN-PP with a Low-Energy Threshold）：在SPIN-PP基础上增 加了能量限制 SPIN-BC（A 3-Stage Handshake Protocol for Broadcast Media）：适合于 广播信道 SPIN-RL（SPIN-BC for Lossy Network）：考虑信道上存在分组丢失