第3章 路由协议

3.2 路由协议分类
分类方法多种多样。同一协议可分属不同类型。
第3章 路由协议
(1)根据传输过程中采用路径的多少，分为单路径和多路径路由协议。 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。
整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。 (1)为建立路由，sink点向网络中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)。 (2)沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest计算、 创建（包含数据上报率、下一跳等）信息的梯度(gradient)，从而建立多 条指向sink点的路径。 (3)Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务，并周期性地上 报数据。途中各节点可对数据进行缓存与聚合。 Sink点可在数据传输过程中通过对某条路径发送上报间隔更小或更大 的Interest，以增强或减弱数据上报率。
(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。
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(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。 数据聚合减少通信量，但需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，节约存储空间，通信开销少。 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。
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4．SPIN协议[9] SPIN(sensor protocol for information via negotiation)路由算法是一 种以数据为中心的自适应通信路由协议。 节点仅广播采集数据的属性描述信息（元数据meta-data）而不是数据本 身，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。
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（2）WSNs路由协议有其固有的特点。 ◆以节约能源为主要目标，高效利用能量，延长网络寿命。 传感器节点数量较大，不可能建立全局地址，节点只能获取局部 拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的 路径。
◆传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可 能差别很大，没有一个通用的路由协议。
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优点： 健壮性好； 使用数据聚合能减少数据通信量； sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量； 使用查询驱动机制按需建立路由，避免了保存全网信息。
缺点：
gradient的建立开销很大，不适合多sink点网络； 数据聚合过程采用时间同步技术，在传感器网络中不容易实现。 仿真表明：DD路由协议具有较好的节能性，适用于在传感器节点接 收到数据请求后，较长时间内需要连续向sink节点传送数据的场合。
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表3-1 无线传感器网络路由协议分类
分类标准 网络的拓扑结构 数据传输的路径条数 路由是否有源节点指定 路由建立是否与查询有关 节点是否编址、是否以点知标志目的地 是否以地理位置来标志目的地 路由建立时机与数据发送的先后关系 路由选择是否考虑QoS约束 是否以数据类型来寻找路径 协议类型 平面路由协议 层次路由协议 单路径路由协议 多路径路由协议 基于源路由协议 非基于源路由协议 查询驱动路由协议 非查询驱动路由协议 基于地址路由协议 非基于地址路由协议 基于地址路由协议 非基于地址路由协议 主动路由协议 按需路由协议 混合路由协议 保证QoS路由协议 非保证QoS路由协议 基于数据路由协 非基于路由协议
（3）面向特定应用——在WSNs中，传感器节点和物理环境交互 密切，WSNs的通信构架及其所采用的路由协议都是针对每个特定的 应用而设计的。 （4）频繁变化的拓扑结构——在WSNs中，网络拓扑会因为节点 损坏而变化频繁。路由协议必须要适应WSNs频繁变化的拓扑结构。
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（5）容错性——传感器节点容易失效，因此路由协议必须具备良 好的容错性，以便形成新的链路。
(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。
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(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。
不适用于收到请求后只发一次少量数据的场合。因为DD算法建立梯 度需要花费较大的代价（如环境监测等应用）。
3．Rumor协议[8]
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该协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。
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。 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。 Sink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。 如不交叉，sink可Flooding查询请求。
（6）可扩展性——传感器节点一般成百上千，路由协议应该具有 可扩展性来适应相应的应用环境。
（7）连通性——由于网络节点失效，很难预测网络拓扑和大小的 变化，路由协议必须保证节点的连通性。 （8）数据融合——传感器节点产生的数据具有较大的冗余度，因 此路由协议必须能进行数据融合，以便节省能量有效和使数据传输 最优化。 （9）服务质量(QoS)——许多应用中如视频应用，需要路由协议 提供满足要求的服务质量。 （10）安全机制——路由协议极易受到安全威胁，因此必须考虑 安全机制，尤其在军事应用中。
（2）可扩展性。
检测区域范围或节点密度不同，会造成网络规模大小不同；节点失败、 加入及移动等，会使拓扑结构动态变化。这要求路由机制有可扩展性，能 适应网络结构的变化。
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（3）鲁棒性。
能量用尽或环境因素造成的传感器网络节点的失败，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WSN的不 可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。 （4）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，因此要求路由机制能够快速收敛，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。
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常规路由协议不适合WSN。 WSNs路由协议面临的新问题和挑战如下： （1）节点没有统一的标志——由于WSNs中节点数目巨大， WSNs节点没有统一的标志，节点间采用广播式的通信方式进行数据 交换。
（2）能量受限——WSNs的一个重要特征就是能量受限。因此， WSNs协议必须以节约能源为主要目标并尽可能延长网络存活时间。
许多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。 许多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。
缺点：可扩展性差。
需要维持路由表，在大规模网络中会消耗节点大量的存储空间，同 时由于发送信息中包含了路由信息，会引起网络中通信负担的加重。
1．Flooding协议及Gossiping协议[6]
最为经典和简单的传统网络路由协议。
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（1）Flooding（泛洪）协议
节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，直到数据包过期或到达目的地。
不进行维护网络拓扑和相关路由算法，效率不高。 具有严重缺陷： 内爆(Implosion）----节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据 交叠(Overlap）----节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同 的数据。 盲目利用资源----节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。
（2）Gossiping（闲聊）协议
◆传感器网络以数据为中心，所关注是检测区域的感知数据，而 不是具体哪个节点获取的信息，因此，传感器网络通常包含多个传 感器节点到少数汇聚节点的数据流，需要以数据为中心形成消息的 转发路径。 ◆节点间的数据冗余度高，传感器网络的路由机制还经常与数据 融合技术联系在一起，要路由协议需要具有良好的数据汇聚能力， 通过减少通信量而节省能量。 在多数应用中，除了少数节点移动外，一般节点在部署后保持固 定。
对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，而非广播。 优点：避免了以广播引起的的能量消耗，一定程度上解决了“内爆”。
缺点：增加了传输平均时延，传输速度变慢。
也无法解决部分交叠现象和盲目利用资源问题。
2．DD路由协议[7]
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DD(directed diffusion，定向扩散)协议是以数据为中心的路由算法， 是一种基于查询的路由机制。
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对传感器网络路由机制的要求：
（1）能量高效。
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， 选择整个网络能量均衡消耗的路由。 考虑资源有限，要求路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。 衡量传感器网络路由性能的一个重要指标，就是合理地使用网络中各个 传感器网络节点的有限能量，使得网络保持连通性的时间更长的能力。
3.3典型路由协议分析
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相对于传统无线通信网络研究的重点放在无线通信的服务质量（QoS）而 言，WSN路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上。 3.3.1 平面路由协议 所有节点地位是平等，不存在等级和层次的差异。
通过局部操作和信息反馈来生成路由，原则上不存在瓶颈问题。
优点：简单、具有较好的健壮性。
优点：避免了大量扩散，显著节省能量，适用于数据传输量较小的情况。
缺点：如果网络拓扑结构频繁变动，性能会大幅下降。 仿真表明：在多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况下， Rumor协议能显著地降低路由开销，节约能量。 对事件数较多的情况，维护事件表和处理代理的开销会急剧增长。 同时，由于路由使用随机的方式生成路径，数据传输的路径不是最优路径， 并且可能存在路由环路问题。
第三章 路由协议
郑来波 山东大学信息学院通信研究所 办公室：信息学院北楼513
电话：88362208
Email: zhenglaibo@126.com
第3章 路由协议
3.1 概述
路由协议设计是无线传感器自组网中的一个核心环节.
作用：负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。 主要包括寻找源节点和目的节点间的优化路径、并沿此优化路径 正确转发数据包等两个方面的功能。 WSN协议与其他网络协议的比较： （1）Ad hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高 服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任 务是寻找源节点到目的节点间的通信延பைடு நூலகம்小的路径，同时提高整个 网络的利用率，避免产生通信堵塞并均衡网络流量等。 能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。