WSN第4章、路由协议
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路由协议分类（2）
– 分层路由:
• 与平面路由协议相对应的是分层结构路由协议。 • 它采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。 • 若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间 可以通过网关通信。 • 网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层 骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。 • 分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间 路由协议四个部分。
– – – – SPIN-BC：适合于广播信道的SPIN协议 SPIN-PP：适合于点对点信道的SPIN协议 SPIN-EC：在SPIN-PP基础上增加了能量限制 SPIN-RL：考虑信道上存在分组丢失的SPIN协议
29
以数据为中心路由协议
SPIN：Sensor Protocol for Information via Negotiation
其缺点是：
– 当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据 时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到27
（1）基本思想
该协议考虑到了WSN中的数据冗余问题：临近的节 点所感知的数据具有相似性，通过节点间协商 (Nagotiation)的方式减少网络中数据的传输的数据量。 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（mete 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。
第五章 路由协议
内容提要
WSN路由协议概述
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
内容提要
WSN路由协议概述
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
路由协议概述 ——路由协议功能
– 典型协议：
• GPSR, GEAR，GEM
17
无线传感器的路由协议
按网络结构分类
协议的应用特征分类
平面网络 路由协议
分级网络 路由协议
基于位置 路由协议
基于多径 路由协议
基于可靠 路由协议
基于协商 路由协议
基于查询 路由协议
基于位置 路由协议
基于QoS 路由协议
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内容提要
WSN路由协议概述
设计目标
满足应用需求 （WSN路由与应用相关） 低网络开销 （内存、计算复杂度、节能） 资源利用的整体有效性 网络高吞吐率
WSN使用环境恶劣
无线信道不稳定 节点的移动与失效
WSN拓扑结构随时可能变化，这与传统 Internet不同，因此传统路由不能用于WSN
WSN路由协议特点
12
路由协议分类（1）
– 被动路由:
• 也叫按需(On Demand)路由 • 与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中，没有 必要维护去往其它所有节点的路由。 • 仅在有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。 • 被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到 目的节点的路由。 • 当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路 由信息。 • 拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信 息的一部分。 • 优点:不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。 • 缺点:发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分 组需要等待因路由发现引起的延时。
– 由于随机转发某一个节点的方向并不一定在距离目的节点更近的方向上， 因此容易造成数据到达目的节点时间过长或者跳数己达到最大，而数据 还没有到达目的节点，造成递送失败。 – 刚开始的很短的时间内发送速率很大，但是随着数据的发送，速度会明 显降低，而且它并不能很好解决重叠的问题。
26
(2)SPIN协议
以数据为中心路由协议
Flooding协议和Gossiping协议 SPIN协议 Directed Diffusion协议 Rumor协议
(l)Flooding协议和Gossiping协议
泛洪是一种传统的路由技术。 泛洪算法的主要思想是由槽节点发起数据广播，然后任意一 个收到广播的节点都无条件将该数据副本广播出去，每一节 点都重复这样的过程直到数据遍历全网或者达到规定的最大 跳数。 算法不用维护网络拓扑结构和路由计算，实现简单。但是最 主要的是内爆和重叠以及资源盲点等。
15
路由协议分类（2）
– 分层路由:
• 典型协议： LEACH, TTDD
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路由协议分类（3）
– 地理信息路由协议
• 在目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器 节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。 • 在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。 • 把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由 功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。 • 节点知道自己的地理位置，利用位置进行路由
28
SPIN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，分别为ADV、 REQ和DATA。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，当某一个收到 ADV的节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数 据包；DATA为原始感知数据包，里面装载了原始 感知数据。 SPIN协议还包括了4个协议：
传感器网络中流量分布不对称
数据收集网络&多源单Sink，越接近Sink，流量越大
其他：冗余设计、定位、覆盖性、QoS等
传感器网络路由协议的挑战
自组织布撒（Ad hoc deployment） 能量消耗（Energy consumption ） 路由精度（Routing accuracy） 计算能力（Computation capabilities） 通信能力（Communication tolerance） 容错能力（Fault tolerance） 可扩展性（Scalability） 控制负载（Control overhead，带宽有限，重 载情况下，如何保证QoS）
内容提要
WSN路由协议概述
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
路由协议分类（1）
按路由发现策略划分
– 主动路由:
• 也叫表驱动(Table Driven)路由， • 主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性 地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由， • 节点必须维护去往全网所有节点的路由。 • 优点:当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存 在，所需的延时就会很小。 • 缺点:需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓 扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使 用的路由。
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
能量感知路由
节点根据可用能量（power available，PA）或 传输路径上的能量需求，选择数据的转发路 径。节点可用能量就是节点当前的剩余能量。
能量路由算法示意图
路径1：S—B—A—D， PA=4，E=3； 路径2：S—C—B—A—D， PA=6，E=6； 路径3：S—D—D， PA=3，E=4； 路径4：S—F—E—D， PA=5，E=6。 功率最大PA优先：选路径2 能量消耗最小优先：选路径 1
与传统网络不同： （传统网络（如GSM）放在QoS上；WSN重点在能
耗上）
WSN特点 自组织的网络（随机部署） 数据的冗余性（多节点监测同一事件，需要数据融合） 基于局部拓扑信息（硬件限制） 网络功能：数据收集，多对一 （一个sink节点） WSN路由与应用相关，(不同的应用采用不同的路由，降低路由
定义：
WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机 制。
路由是WSN的核心技术之一 WSN不适合设计通用的路由协议：能耗、计 算复杂度。
WSN是无基础设施的网络，一般用电池供电、无 人看守，电池不能补充，要延长网络寿命就必须 降低能耗。 能耗主要用户数据无线传输上，所以单跳传输距 离不能太远，要实现WSN大范围覆盖，就需要多 跳中继，即路由
这是第1个基于数据的路由协议。该协议以抽象的 元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。 节点产生或收到数据后，为避免盲目传播，用包含 元数据的ADV消息向邻节点通告，需要数据的邻节 点用REQ消息提出请求，数据通过DATA消息发送 到请求节点。协议的优点是：
– 小ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠 问题；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。 – 与Flooding和Gossiping协议相比，有效地节约了能量。
r q s
A (q,r) C
B (s,r)
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Gossiping路由协议
Gossiping协议是对Flooding协议的改进 当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的节点 的某一个节点或几个，而不是所有节点。 当相邻节点收到数据包时，也采用同样的办法转发给与其相邻 某一个节点。 优点：就降低了数据转发重叠的可能性，避免了信息内爆现象 的产生; 缺点：点到点的时延较大
复杂度)
以数据为中心
WSN路由协议要求
要求 能量高效（协议简单&节省能量&均衡消耗） 可扩展性（网络范围 & 节点密度） 鲁棒性（节点变化 & 拓扑变化） 快速收敛性 （在移动的节点时，更需要快速收敛）
WSN路由协议关键技术
考虑网络和节点能量优化
节点能量限制，大部分能量用于通信，所以研究低功耗的通信 协议，尤其是路由协议
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内爆现象
– 内爆现象如图所示，节点S通过广播将数据发送给自己的邻居节点A、 B和C，A、B和C又将同样的数据包转发给D，这种将同一个数据包 多次转发给同一个节点的现象就是内爆，这极大浪费节点能量。
S DATA DATA A B DATA DATA D DATA C
DATA
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重叠现象
– 重叠现象是无线传感器网络特有的，如图节点A和B感知范围发生了 重叠，重叠区域的事件被相邻的两个节点探测到，那么同一事件被 传给它们共同的邻居节点C多次，这也浪费能量。 – 重叠现象是一个很复杂的问题，比内爆问题更难解决。
SPIN
该协议是最早的一类WSN路由协议的代表， 是对Flooding协议的改进 考虑到WSN的数据冗余，临近节点所感知的 数据具有相似性，通过节点间协商方式减少 数据传输量，只广播其他节点没有的数据
SPIN中的元数据（meta-data）
成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集 成簇，它是分层路由协议的关键。 簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动 节点退出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。
• 分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一 定的能源消耗，如何产生有效的簇类也正是各地学者深入研究的 问题。
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路由协议分类（2）
按网络管理的逻辑结构划分
– 平面结构路由:
• 平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入 分层管理机制。 • 优点：网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在网络中， 路由算法易于实现。 • 缺点：可扩张性小，在一定程度上限制了网络的规模。 • 典型路由：Flooding,Gossiping,SPIN,DD，Rumor
具有高可扩展性
网络规模，节点上千个，节点越多，路由收敛越慢、路由越不 稳定，Ad Hoc的路由不能照搬
网络拓扑变化强
节点移动、失效 & 无线信道 & 规模大，拓扑变化频繁，如何 建立快速收敛、复杂度低的路由？）
传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心）
传统网络以点对点通信，保证数据“完整无误”；WSN强调数 据汇聚，为了降耗，每个节点都进行数据融合，减小通信量
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路由协议分类（2）
– 分层路由:
• 与平面路由协议相对应的是分层结构路由协议。 • 它采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。 • 若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间 可以通过网关通信。 • 网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层 骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。 • 分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间 路由协议四个部分。
– – – – SPIN-BC：适合于广播信道的SPIN协议 SPIN-PP：适合于点对点信道的SPIN协议 SPIN-EC：在SPIN-PP基础上增加了能量限制 SPIN-RL：考虑信道上存在分组丢失的SPIN协议
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以数据为中心路由协议
SPIN：Sensor Protocol for Information via Negotiation
其缺点是：
– 当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据 时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到27
（1）基本思想
该协议考虑到了WSN中的数据冗余问题：临近的节 点所感知的数据具有相似性，通过节点间协商 (Nagotiation)的方式减少网络中数据的传输的数据量。 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（mete 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。
第五章 路由协议
内容提要
WSN路由协议概述
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
内容提要
WSN路由协议概述
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
路由协议概述 ——路由协议功能
– 典型协议：
• GPSR, GEAR，GEM
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无线传感器的路由协议
按网络结构分类
协议的应用特征分类
平面网络 路由协议
分级网络 路由协议
基于位置 路由协议
基于多径 路由协议
基于可靠 路由协议
基于协商 路由协议
基于查询 路由协议
基于位置 路由协议
基于QoS 路由协议
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内容提要
WSN路由协议概述
设计目标
满足应用需求 （WSN路由与应用相关） 低网络开销 （内存、计算复杂度、节能） 资源利用的整体有效性 网络高吞吐率
WSN使用环境恶劣
无线信道不稳定 节点的移动与失效
WSN拓扑结构随时可能变化，这与传统 Internet不同，因此传统路由不能用于WSN
WSN路由协议特点
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路由协议分类（1）
– 被动路由:
• 也叫按需(On Demand)路由 • 与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中，没有 必要维护去往其它所有节点的路由。 • 仅在有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。 • 被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到 目的节点的路由。 • 当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路 由信息。 • 拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信 息的一部分。 • 优点:不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。 • 缺点:发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分 组需要等待因路由发现引起的延时。
– 由于随机转发某一个节点的方向并不一定在距离目的节点更近的方向上， 因此容易造成数据到达目的节点时间过长或者跳数己达到最大，而数据 还没有到达目的节点，造成递送失败。 – 刚开始的很短的时间内发送速率很大，但是随着数据的发送，速度会明 显降低，而且它并不能很好解决重叠的问题。
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(2)SPIN协议
以数据为中心路由协议
Flooding协议和Gossiping协议 SPIN协议 Directed Diffusion协议 Rumor协议
(l)Flooding协议和Gossiping协议
泛洪是一种传统的路由技术。 泛洪算法的主要思想是由槽节点发起数据广播，然后任意一 个收到广播的节点都无条件将该数据副本广播出去，每一节 点都重复这样的过程直到数据遍历全网或者达到规定的最大 跳数。 算法不用维护网络拓扑结构和路由计算，实现简单。但是最 主要的是内爆和重叠以及资源盲点等。
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路由协议分类（2）
– 分层路由:
• 典型协议： LEACH, TTDD
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路由协议分类（3）
– 地理信息路由协议
• 在目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器 节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。 • 在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。 • 把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由 功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。 • 节点知道自己的地理位置，利用位置进行路由
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SPIN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，分别为ADV、 REQ和DATA。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，当某一个收到 ADV的节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数 据包；DATA为原始感知数据包，里面装载了原始 感知数据。 SPIN协议还包括了4个协议：
传感器网络中流量分布不对称
数据收集网络&多源单Sink，越接近Sink，流量越大
其他：冗余设计、定位、覆盖性、QoS等
传感器网络路由协议的挑战
自组织布撒（Ad hoc deployment） 能量消耗（Energy consumption ） 路由精度（Routing accuracy） 计算能力（Computation capabilities） 通信能力（Communication tolerance） 容错能力（Fault tolerance） 可扩展性（Scalability） 控制负载（Control overhead，带宽有限，重 载情况下，如何保证QoS）
内容提要
WSN路由协议概述
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
路由协议分类（1）
按路由发现策略划分
– 主动路由:
• 也叫表驱动(Table Driven)路由， • 主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性 地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由， • 节点必须维护去往全网所有节点的路由。 • 优点:当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存 在，所需的延时就会很小。 • 缺点:需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓 扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使 用的路由。
WSN路由协议分类
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
集群结构路由协议 地理位置路由协议
能量感知路由
节点根据可用能量（power available，PA）或 传输路径上的能量需求，选择数据的转发路 径。节点可用能量就是节点当前的剩余能量。
能量路由算法示意图
路径1：S—B—A—D， PA=4，E=3； 路径2：S—C—B—A—D， PA=6，E=6； 路径3：S—D—D， PA=3，E=4； 路径4：S—F—E—D， PA=5，E=6。 功率最大PA优先：选路径2 能量消耗最小优先：选路径 1
与传统网络不同： （传统网络（如GSM）放在QoS上；WSN重点在能
耗上）
WSN特点 自组织的网络（随机部署） 数据的冗余性（多节点监测同一事件，需要数据融合） 基于局部拓扑信息（硬件限制） 网络功能：数据收集，多对一 （一个sink节点） WSN路由与应用相关，(不同的应用采用不同的路由，降低路由
定义：
WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机 制。
路由是WSN的核心技术之一 WSN不适合设计通用的路由协议：能耗、计 算复杂度。
WSN是无基础设施的网络，一般用电池供电、无 人看守，电池不能补充，要延长网络寿命就必须 降低能耗。 能耗主要用户数据无线传输上，所以单跳传输距 离不能太远，要实现WSN大范围覆盖，就需要多 跳中继，即路由
这是第1个基于数据的路由协议。该协议以抽象的 元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。 节点产生或收到数据后，为避免盲目传播，用包含 元数据的ADV消息向邻节点通告，需要数据的邻节 点用REQ消息提出请求，数据通过DATA消息发送 到请求节点。协议的优点是：
– 小ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠 问题；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。 – 与Flooding和Gossiping协议相比，有效地节约了能量。
r q s
A (q,r) C
B (s,r)
25
Gossiping路由协议
Gossiping协议是对Flooding协议的改进 当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的节点 的某一个节点或几个，而不是所有节点。 当相邻节点收到数据包时，也采用同样的办法转发给与其相邻 某一个节点。 优点：就降低了数据转发重叠的可能性，避免了信息内爆现象 的产生; 缺点：点到点的时延较大
复杂度)
以数据为中心
WSN路由协议要求
要求 能量高效（协议简单&节省能量&均衡消耗） 可扩展性（网络范围 & 节点密度） 鲁棒性（节点变化 & 拓扑变化） 快速收敛性 （在移动的节点时，更需要快速收敛）
WSN路由协议关键技术
考虑网络和节点能量优化
节点能量限制，大部分能量用于通信，所以研究低功耗的通信 协议，尤其是路由协议
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内爆现象
– 内爆现象如图所示，节点S通过广播将数据发送给自己的邻居节点A、 B和C，A、B和C又将同样的数据包转发给D，这种将同一个数据包 多次转发给同一个节点的现象就是内爆，这极大浪费节点能量。
S DATA DATA A B DATA DATA D DATA C
DATA
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重叠现象
– 重叠现象是无线传感器网络特有的，如图节点A和B感知范围发生了 重叠，重叠区域的事件被相邻的两个节点探测到，那么同一事件被 传给它们共同的邻居节点C多次，这也浪费能量。 – 重叠现象是一个很复杂的问题，比内爆问题更难解决。
SPIN
该协议是最早的一类WSN路由协议的代表， 是对Flooding协议的改进 考虑到WSN的数据冗余，临近节点所感知的 数据具有相似性，通过节点间协商方式减少 数据传输量，只广播其他节点没有的数据
SPIN中的元数据（meta-data）
成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集 成簇，它是分层路由协议的关键。 簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动 节点退出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。
• 分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一 定的能源消耗，如何产生有效的簇类也正是各地学者深入研究的 问题。
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路由协议分类（2）
按网络管理的逻辑结构划分
– 平面结构路由:
• 平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入 分层管理机制。 • 优点：网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在网络中， 路由算法易于实现。 • 缺点：可扩张性小，在一定程度上限制了网络的规模。 • 典型路由：Flooding,Gossiping,SPIN,DD，Rumor
具有高可扩展性
网络规模，节点上千个，节点越多，路由收敛越慢、路由越不 稳定，Ad Hoc的路由不能照搬
网络拓扑变化强
节点移动、失效 & 无线信道 & 规模大，拓扑变化频繁，如何 建立快速收敛、复杂度低的路由？）
传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心）
传统网络以点对点通信，保证数据“完整无误”；WSN强调数 据汇聚，为了降耗，每个节点都进行数据融合，减小通信量