无线传感器网络路由协议研究报告

无线传感器网络路由协议的研究
摘
要：对无线传感器网络及其特点进行了学习归纳，指出了无线传感网络<WSN）与传感网络及
无线自组网的差别及其需要解决的关键问题。

对当今流行的几种WSN分层路由协议进行的分析
和总结。

在是否以数据为中心、是否支持数据融合、是否基于节点定位，服务质量<QoS），可
扩展性、鲁棒性和安全性等方面对其进行比较，并指出其优缺点。

最后指出当前WSN路由协议
致力于在满足基本性能上的QoS的提高。

关键词：无线传感器网络；路由协议；分层；性能比较
Abstract:Inductive learning on the characteristics of wireless sensor networks,. Pointed out that the wireless sensor network (WSN> and sensor networks and wireless ad hoc networks and their differences on key issues to be resolved. Several of today's popular WSN routing protocols layered analysis and summary.
Compare them on whether data-centric, whether to support data fusion, whether based on node location, and the Quality of Service (QoS>, scalability, robustness, security, and point their advantages and disadvantages. Last, point that the current WSN is committed to meet the basic performance of routing protocols on the improvement of QoS.
Key words:wireless sensor network 。

routing protocol 。

Stratified。

Performance Comparison
0前言
传感器是数据采集、信息处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。

传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础[1]。

随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展[2]。

无线传感网络<WSN）由具有传感、数据处理和短距离无线通信功能的传感器组成，在军事国防、环境监测、生物医疗、抢险救灾以及商业应用等领域具有广阔的应用前景[3]。

只有网络化的智能传感器技术才能适应各种控制系统对自动化水平、复杂性以及环境适应性<如高温、高速、野外、地下、高空等）越来越高的要求[1]。

近些年来，随着传感器越来越广泛的应用，对无线传感器网络路由技术要求越来越高。

如今又很多工作者致力于WSN路由协议的研究，并取得很好进展。

本文主要对这些路由协议进行总结和比较。

1无线传感器网络的特点
WSN是一种分布式、自组织传感网络，具有覆盖面广、自适应强、布局方便灵活等特点。

它与传统固定网络有很大的不同，主要有以下两大特征[4]：
以数据为中心。

环境感知数据的处理和传送时整个无线传感器网络的核心，无线传感器网络中所有的功能都是围绕数据的接收、处理、发送和应用进行的。

用户在使用无线传感器网络时是将想要知道的事情告诉传感器网络，传感器网络在获取指定目标事件的信息后汇聚并汇报给用户，用户无需知道数据到底是来自于哪个传感器节点。

高度面向应用系统。

传感器的任务是感知客观环境，不同的应用背景所处的环境不同，所关心的物理量和不同，因此对传感器网络的要求也各不相同。

与WSN最为相似的是移动自组织网络(mobile ad hoc networks，简称MANET>，尽管二者都是无线自组织多跳网络，但差异很大[5]：WSNs节点因能量耗尽而易失效。

WSNs节点通信高能耗，数据计算低能耗，而这种差异在MANET中并不重要。

WSNs节点的计算、存储、通信能力也有限。

WSNs节点不移动或很少移动，而MANET节点移动性强。

WSNs的数据包更小，因而数据传输开销更大。

WSNs一般独立成网，主要用于监测功能，是以数据为中心的网络，MANET则能为分布式应用提供互联、计算能力。

WSNs节点可达上千，远大于MANET的几十个节点。

WSNs网络流量具有many-to-one和one-to-many的特点。

WSNs面向特定的应用。

WSNs邻居节点数据很相似。

WSNs节点一般没有统一编址(在某些应用中可对节点编址>.
WSNs的上述特点使得传统固定网络和移动自组织网络的路由协议在直接应用于WSN 时效率很低。

近些年来很多研究人员涉足于这个领域的研究。

2无线传感器网络路由协议需要解决的问题
由于无线传感网络与传统网络的不同，在设计WSN路由协议时应根据其特点设计合适的路由协议。

一个好的WSN网络层路由协议设计应该满足以下条件[1]：
简单性和节能性。

为了高效地利用有限的网络资源，尽可能压缩不必要的开销，以最大限度地延长网络生存时间，路由协议的设计必须具备简单性和节能性。

为了尽可能地减少无线传感器网络内冗余信息的发送，节约有限的工作能源。

路由协议的设计需要以数据为中心，具备数据融合能力。

（3）路由协议应该采用分布式运行方式，以适应拓扑动态变化的网络结构，提高系统的鲁棒性。

可扩展性。

这是为了适应WSN节点数量多、网络规模大和网络易受损的特点，保证传感器节点的随时加入和退出不会影响到全局任务的正常执行。

（5）路由协议尽可能具有安全性，降低遭受攻击的可能性。

3无线传感器网络路由协议的分类
目前，已有很多路由协议，这些路由协议大都具有以下特征：
（1）传感器节点按照数据属性寻址，而不是IP寻址。

（2）传感器节点检测到的数据往往被发送到Sink节点。

（3）原始检测数据中有大量的冗余信息，路由协议可以合并数据、减少冗余性。

（4）节约传感器节点的处理能力、存储空间、发射功率、电源能量等有限资源。

由于无线传感器技术面向应用，不同应用背景下对传感器路由协议的要求就不同，这就使人们不断设计出各种类型的路由协议。

这里采用唐勇等的划分方法[5]，按照通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式等策略对众多的路由协议进行分类：
(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。

单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好，且可从众多路由中选择一条最优路由。

(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。

平面路由简单，健壮性好，但建立、维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络。

层次路由扩展性好，适合大规模网络，但簇的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。

(3>
根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。

主动路由建立、维护路由的开销大，资源要求高。

按需路由在传输前需计算路由，时延大；混合路由则综合利用这两种方式。

(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。

有大量WSNs应用需要知道突发事件的地理位置，这是基于位置的路由协议的应用基础，但需要GPS定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。

(5>
根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据的路由协议。

有大量WSNs应用要求查询或上报具有某种类型的数据，这是基于数据的路由协议的应用基础，但需要分类机制对数据类型进行命名。

(6>
根据节点是否编址、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。

基于地址的路由在传统路由协议中较常见，而在WSNs中一般不单独使用而与其他策略结合使用。

(7>
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。

保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从众多可行路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由。

(8>
根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路
由协议。

数据聚合能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并使传输时延增加。

(9>
根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议。

源站路由协议节点无须建立、维护路由信息，从而节约存储空间，减少通信开销。

但如果网络规模较大，数据包头的路由信息开销也大，而且如果网络拓扑变化频繁，将导致路由失败。

(10>
根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。

查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间，但数据时延较大，且不适合环境监测等需紧急上报的应用。

4分层路由协议分析
在平面路由协议中,所有网络节点的地位是平等的,不存在等级和层次差异.它们通过相
互之间的局部操作和信息反馈来生成路由.在这类协议中,目的节点(sink>向监测区域的节点( source>发出查询命令,监测区域内的节点收到查询命令后,向目的节点发送监测数据.平面路
由的优点是简单、易扩展,无须进行任何结构维护工作,所有网络节点的地位平等,不易产生
瓶颈效应,因此具有较好的健壮性.典型的平面路由算法有DD(directed diffusion>[6], SAR (sequential assignment routing>[7],SPIN(sensor protocols for information via
negotiation>[8],Romor
Routing[9]等.平面路由的最大缺点在于:网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理,自组织协同工作算法复杂,对网络动态变化的反应速度较慢等[10].
在无线传感器网络体系结构中,网络层的路由技术至关重要.分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点,成为当前重点研究的路由技术.层次路由协议的基本思想是选取一些节点负责某个区域的路由，相对于其他节点具有更大的责任，而节点之间不是完全平等的关系。

簇类协议具有良好的节能效果和可扩展性。

具有代表性的、成熟的路由协议主要有：LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy>、TEEN(Thresholdsensitive Energy Efficient sensor Network protocol>、PE-GASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor InformationSystems>，以及在此基础上改进的协议。

4.1LEACH协议[11]
LEACH的基本思想是将整个网络划分为不同的簇，簇类节点的数据发送和接收由簇头负责，簇头节点以循环的方式随机选择，这样把网络的负载均匀地分布在整个网络上，很大程度上节约了通信过程中的能量损耗。

文献[1]126页仿真表明与一般的平面多跳路由协
议和静态分层算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。

LEACH定义了"轮"或者"
回合<round）"的概念，LEACH的运行过程就是轮不断循环的过程。

每个轮分成两个阶段
：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。

在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合后把结果发送给基站。

其中，簇的建立过程又可以分成4个阶段：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。

关于簇头选择的算法，LEACH采用分布式。

选择簇头的具体做法是：在每一个回合即
轮的第1阶段，传感器节点随机的选择0～1之间的一个数值，如果这个数值小于某一个阈值T(n>，那么这个节点就被选为簇头节点。

节点n的阈值T(n>的计算公式如下：
式中：N为网络中传感器节点的总数；k为一轮网络中的簇头节点数；r为已完成的轮数；G为在剩余的r轮中未成为簇头节点的传感器节点的集合。

选定簇首节点后，通过广播告知整个网络。

网络中的其他节点根据结合信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇首节点，完成簇的建立。

最后簇首节点采用TDMA的方法为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。

LEACH协议的特点有[1]：
为了减少传送到汇聚点的信息数量，簇首节点负责融合来自于簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点。

（2）LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少簇内和簇间的冲突。

（3）由于数据采集是集中的和周期的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统。

对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性地传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的。

（5）在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取统一的能量分布。

LEACH协议的缺点[1]：
由于LEACH假定所有节点能够与汇聚点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。

协议没有说明簇首节点的数目怎样分布才能遍及到整个网络。

因此，很可能出现被选的簇首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇首。

由于LEACH假定在最初的簇首选择回合中，所有节点都携带相同的能量，并且每个成为簇首的节点都消耗大致相同的能量。

因此，协议不合适节点能量不均衡的网络。

4.2TEEN协议[12]
LEACH是主动型传感器网络，而TEEN是响应型传感器网络。

所谓主动型传感器网络，它持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据。

所谓响应型传感器网络，只在被观测变量发生突变时才传送数据。

后者更适合应用在对时问敏感的场合中。

TEEN的基本思想是设置硬、软阈值以减少数据的传输量。

硬、软阈值在每次簇头轮换时广播出去，节点监测到的数据第1次超过设置的硬阈值时，就把这次数据设为新的硬阈值，并在下一个时隙发送给簇头。

然后在下面的过程中，只有当监测到的数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬阈值。

TEEN根据硬、软两个阈值来确定是否传送数据，传送的数据量要比主动网络少得多，所以节点因传送数据消耗的能量也减少。

仿真结果也表明，TEEN在平均能量消耗和存活的总节点数这两个性能方面要优于LEACH。

TEEN协议的优点汇总如下：
（1）协议适合于需要实时感知的应用环境中。

（2）通过设置硬阈值和软阈值两个参数，TEEN能够大大地减少数据传送的次数，比LEACH算法更节能。

（3）由于软阈值可以改变，监控者通过设置不同的软阈值可以方便地平衡监测准确性与系统节能性两项指标。

TEEN存在的问题是：一方面，如果节点监测的数据一直不能超过设定的硬阈值，节
点就不会传送数据，用户将无法得到任何数据，也不知道这个节点是否失效了；另一方面，节点监测到合适的数据会实时传送数据，采用TDMA的机制会造成数据延迟。

4.3APTEEN协议[13,14]
APTEEN(adaptive periodic threshold sensitive energy efficient sensor network protocol>是LEACH和TEEN两者的结合,兼有主动和响应两种类型的数据传输模式,是一种混合型数据传输模式的WSN.APTEEN基于邻近节点监测同一对象的假设,由基站采用模拟退
火算法将簇内节点分成sleeping-
idle节点对,idle节点负责响应查询,sleeping节点进入睡眠状态以节省能量,两个节点在簇头轮换时转换角色.APTEEN修改了LEACH的TDMA(如图1[14]所示>,每对sleeping-
idle节点所属时隙相隔TDMA帧长的一半,如果有紧急数据,sleeping-
idle节点对可以相互占用对方时隙,提高数据响应速度.
图1 APTEEN 的TDMA帧格式
4.4PEGASIS协议[14,15]
PEGASIS实在LEACH协议的基础上改进设计的，并不是非常严格的簇类协议，却延用了簇的思想。

PEGASIS的基本思想是：节点通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点，然后从距基站最远的节点开始，采用贪婪算法来构造一条链，这条基于地理位置的链就是PEGASIS中的簇。

链上的相邻节点是地理位置上距离最短的两个邻居节点，前提是假设这些节点都是静止的。

PEGASIS中的数据传输使用令牌(To ken>机制：簇头产生一个令牌，发送到链的一端，通知末梢节点开始传输数据，簇头与末梢之间的每个节点接收到数据之后，先与自己采集的数据进行融合处理，再向下一个节点转发，直至数据传输到簇头，簇头受到一侧的数据后再将令牌发送到链的另一端，开始同样的过程。

簇接收到两侧传送来的数据后再发送给BS。

PEGASIS中的数据在距离最短的相邻节点之间传输，因而节点只以最小功率发送数据分组，在每个中间节点还进行了数据融合，这样减少了业务流量，整个网络的功耗也就减少了。

而事实上，参考文献[15]研究结果也表明，使用PEGASIS的传感器网络的生命周期是使用LEACH的网络的近2倍。

PEGASIS协议的缺点是[1]：
协议假定每个传感器节点都能够直接与汇聚点通信，而在实际情况中，传感器节点一般需要采用多跳方式到达汇聚点。

（5）PEGASIS假定所有的传感器节点都具有相同级别的能量，因此节点很可能在同
一时间内全部死亡。

尽管协议避免了构建簇的开销，但由于传感器节点需要知道其邻居节点的能量状态信息以便传送数据，协议仍需要动态调整拓扑结构。

对那些利用率较高的网络而言，拓扑的调整会带来更大的能源开销。

（7）协议所构建的节点链路中，远距离的节点会引起过多的数据延迟，而且链首节点的唯一性使得链首会成为瓶颈。

4.5 HEED[14,16]
HEED(hybrid energy-efficient distributed clustering>指出:延长生命周期、可扩展性和负载平衡是WSN中3个最重要的需求,并通过将能量消耗平均分布到整个网络来延长网络的生命周期.
簇头的选择主要依据主、次两个参数.主参数依赖于剩余能量,用于随机选取初始簇头集合.具有较多剩余能量的节点将有较大的概率暂时成为簇头,而最终该节点是否一定是簇头取决于剩余能量是否比周围节点多得多,即迭代过程是否比周围节点收敛得快。

次参数依赖于簇内通信代价,用于确定落在多个簇范围内的节点最终属于哪个簇,以及平衡簇头之间的负载.考虑到分簇后簇内的通信开销,HEED以AMRP(簇内平均可达能量>作为衡量簇内通信代价的标准.
HEED的簇头选择算法具有以下特点:完全分布式的簇头产生方式。

簇头产生在有限次迭代内完成。

最小化控制报文开销。

簇头分布均衡.HEED的主要改进是:在簇头选择中考虑了节点的剩余能量,并以主从关系引入了多个约束条件作用于簇头的选择过程.HEED在簇头选择标准以及簇头竞争机制上都与LEACH不同.实验结果表明,HEED分簇速度更快,能产生更加分布均匀的簇头、更合理的网络拓扑.
4.6ACE协议[14,17]
ACE(algorithm for cluster establishment>是一种具有良好反馈机制的自适应分布式成簇算法.簇的形成包括簇的产生和簇的迁移两个逻辑部分.基于相邻节点之间的信息反馈,每个节点独立运行ACE算法,最终由两个逻辑部分交叉迭代形成簇.
算法运行过程中,ACE把节点分为3种状态:unclustered,clustered和cluster-
head.unclustered节点未加入任何簇,clustered节点已经成为一个或多个簇的成员,cluster-
head节点已经成为簇头.每轮迭代周期到来,节点依状态不同运行不同的迭代算法.
如果A是unclustered节点,它计算假如它成为簇头,邻居节点中忠诚节点(忠诚节点是指那些只属于一个簇的节点>的个数L,如果L≥fmin(t>,则A成为簇头,然后选择一个随机数作为簇I D,广播RECRUIT消息,收到该消息的节点加入A簇.fmin(t>是一个成簇限制函数,随着协议运行时间t的增加,fmin会减小.这样有利于一开始形成拓扑比较合理的簇,而后降低成簇的阈值,使未被覆盖的节点较为容易地形成簇.
如果A是cluster-
head节点,它从整个簇内找出最佳候选簇头B(最佳候选簇头是指拥有最多忠诚节点的节点>, B的忠诚节点包括B邻居节点中unclustered的节点以及只属于A簇的成员节点.如果B就是A本身,则本轮迭代终止,簇结构不变。

如果B是其他节点,则开始运行迁移算法:A向B发出PROM OTE消息,B收到后用A簇ID广播RECRUIT消息,收到该消息的所有节点加入B簇.A收到B的R ECRUIT消息之后广播ABDICATE消息.这样,原来A簇的节点如果是B的邻居节点,则从A迁移
到了B。

不是B的邻居节点,则退出了该簇.由此完成了从A到B的簇的迁移.
如果A是clustered节点,则它什么都不做,等待它的下一个迭代周期.
当所有节点都完成迭代算法之后,有可能少量节点没有被覆盖,所以最后还需要进行一次“clean-
up”迭代,该过程不再发生簇的迁移,所有未被覆盖的节点成为簇头或者通过邻居节点成为其他簇的多跳成员节点.
ACE算法具有良好的健壮性,对节点失效和报文丢失反应迅速,生成的簇能有效减少相互之间的重叠,降低簇间通信干扰的概率,并且成簇收敛速度与网络规模无关.
4.7LEACH-S1协议[18]
由于大多数无线传感器路由协议设计简单，很容易遭受攻击，攻击方法主要有以下几种[19]：虚假路由信息攻击；选择性转发(selective
fonⅣarding>攻击；Sinkhole攻击；Sybil攻击；Wo咖hole攻击；HELL0泛洪攻击；确认欺骗(Acknowledgement
spoofing>攻击。

几种典型的WSN路由协议可能遭受到的攻击类型展示如下表[20~23]：
LEACH协议容易受到三种类型的路由攻击：选择性转发攻击、Sybil攻击和HELLO泛洪攻击。

LEACH—
S1协议以I。

EACH协议为基础，结合定位技术，增加安全机制，分别对簇头的选举、簇的形成以及数据通信等几个方面进行了改进，建立了动态随机多路径簇头链。

从安全机制上讲，LEACH—
S1协议采用三重安全机制，分别为防御、检测和重选三个层次。

不仅能够有效地防止恶意节点冒充合法节点并将恶意节点加入网络黑名单，组织恶意节点进行路由破坏。

而且能够有效地防止窃听，以致恶意监听节点无法破解侦听的packet。

该协议可以有效地抵御Sybil 、HELLO攻击。

此协议还有低耗能的优点，仿真分析，LEACH-
S1的网络生存时间更长。

然而由于其加入了验证机制，算法却LEACH复杂。

5路由协议的比较
理想的无线传感器网络的路由协议，在设计上首先应充分考虑节点能量有限性的特点，注重能量使用效率问题。

此外，还应该根据应用的具体特点，满足以下方面的性能要求：以数据为中心、支持数据融合、基于节点定位，具有可扩展性、鲁棒性和安全性，提供QoS支持。

如何提供有效的节能策略是无线传感器网络路由协议需要解决的首要问题。

以数据为中心和支持数据融合是大多数WSN应用的基本要求，可扩展性和鲁棒性则是路由协议应满足的基本要求。

在满足基本要求的基础上，能很好地利用节点的位置信息，提供安全性和QoS支持的路由协议将由良好的发展前景。

这里，将上文提到的分层路由协议和三个平面路由协议泛洪、DD、SAR一起做比较，得出表2如下[1, 14, 18]：
泛洪DD SAR LEAC
H
TEEN
APTEE
N
PEGA
SIS
HEE
D
ACE
LEA
CH-
S1
路由结构平面平面平面层次层次层次层次层
次
层
次
层
次
网络生存时间不好好好好很好很好很好
很
好
好
很
好
鲁棒性不好好好好好好好好好好提供节能
策略
否是是是是是是是是是
路由策略按需按需按需主动按需主动+
按需
主动
主
动
主
动
主
动
可扩展性好受限受限很好好好好好好好基于QoS
支持
否否是否否否否否否否提供安全
机制
否否否否否否否否否是以数据为
中心
不是是是不是是是是是是是有无数据
融合
没有有有有有有有有有有维护多条
路径
否是否否否否否否否否是否基予
节点定位
否否否否否否否是否否
表2 路由协议的比较。