4、路由协议v2

内容提要
1. 2.
WSN路由协议概述 WSN路由协议分类
2.1 2.2 2.3 2.4 以数据为中心路由协议 集群结构路由协议 地理信息路由协议 QOS 路由协议
3. 4.
WSN路由协议最新研究成果 主要参考文献
WSN路由协议分类
• 数据为中心路由协议
– SPIN (Flooding)，Directed Diffusion (Gradient)
兴趣消息往指定方向发送
Directed Diffusion Family
谣传路由（基于代理(agent)消息的单播随机 转发方法）
Rumor 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
3. 4.
WSN路由协议最新研究成果 主要参考文献
数据中心网络和地址中心网络
DC网络可 进行数据 融合，减 少网络中 的数据量
AC，Address-centric
DC，Data-centric
典型的路由协议分析
泛洪路由(Flooding)
扩散法(Flooding)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
兴趣和梯度
• Sink节点向全网查询兴趣
建立源节点和Sink间路径 兴趣在全网中扩散 对每一个活动任务，Sink周期进行查询
• 邻居更新自己的兴趣cach，并且转发兴趣 cach中的条目
时间戳：指示接收到相关兴趣消息的最近时间 若干梯度域：每个梯度和其邻居节点相关联，每 个梯度中含有一个指定的数据传输率 持续时间：该兴趣消息的有效期
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以数据为中心路由协议
SPIN： Sensor Protocol for Information via Negotiation
SPIN
SPIN协议是对Flooding协议的改进。 Flooding的缺点：
内爆：节点向邻居节 点转发数据包，不管 其是否收到过相同的
重叠：感知节点 感知区域有重叠， 导致数据冗余
DD协议评价
优点
数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息； 路径加强机制可显著提高数据传输的速率； 周期性路由：能量的均衡消耗；
缺点
周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大； 节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大；
Directed Diffusion Family
设计目标
满足应用需求 低网络开销 资源利用的整体有效性 网络高吞吐率
常用指标
• • 最小跳数 能量效率 – 每个数据包的最小能量 – 节点功率的最小方差 – 最大能量容量 – 最小能量容量的最大化 • 服务质量 – 端到端延迟、吞吐量、抖动及丢包率等 • 鲁棒性（节点变化&拓扑变化） • 可扩展性（网络范围&节点密度）
优点
部分解决了内爆和重叠问题 不需要进行路由维护 对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN
缺点
本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销 比较大
SPIN协议族（Prot来自百度文库col Family）
SPIN-PP
For networks using point-to-point transmission media Ideal conditions assumed with no packet loss
Directed Diffusion
查询消息的传播—建立数据的传输梯度
汇聚节点发送查询消息 兴趣消息：任务性质、数据采集/发送数率、时间戳等 中间节点：
• 记录 • 转发
梯度：表示了数据的传输方向
路径修复问题
加强路径上的节点可以触发和启动路径的加强过程
新路径
C和源节点 之间路径 断裂
GBR路由(Gradient-Based Routing)协议：
梯度域扩展（传感器节点到Sink节点的跳数信息、 无线链路评估信息）
EAR(Energy Aware Routing)路由协议
建立路由过程中加入能量评估机制；
路由路径的能量开销大于某一阈值不采用；
CADR路由(Constrained Anisotropic Diffusion routing)协议
内容提要
1. 2.
WSN路由协议概述 WSN路由协议分类
2.1 2.2 2.3 2.4 以数据为中心路由协议 集群结构路由协议 地理信息路由协议 QOS 路由协议
3. 4.
WSN路由协议最新研究成果 主要参考文献
WSN路由协议功能
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。
Directed Diffusion
Sink节点查询兴趣消息
兴趣消息采用泛洪的方法传播到网络 有和兴趣匹配数据的节点发送数据 兴趣扩散阶段建立节点到Sink的路径
兴趣的定义：
由属性值对组成
type = four-legged animal // detect animal location interval = 20 ms // send back events every 20 ms duration = 10 seconds // .. for the next 10 seconds rect = [-100, i00, 200, 400] // from sensors within rectangle
• 集群结构的路由协议
– LEACH, TTDD
• 地理信息路由协议
– GPSR, GEAR
• QOS路由协议
– QOS路由协议（详见第十章）
内容提要
1. 2.
WSN路由协议概述 WSN路由协议分类
2.1 2.2 2.3 2.4 以数据为中心路由协议 集群结构路由协议 地理信息路由协议 QOS 路由协议
WSN路由协议特点
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） 基于局部拓扑信息（硬件限制） 网络功能（数据收集） 数据为中心
WSN路由协议关键技术
考虑网络和节点能量优化（硬件限制）
具有高可扩展性 （网络规模&自组织）
适应强网络拓扑变化（节点移动&无线信道）
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-EC
SPIN-PP with low energy threshold
SPIN-BC
3-stage handshake protocol for broadcast media
SPIN-RL
SPIN-BC for Lossy networks
以数据为中心路由协议
Directed Diffusion
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Rumor协议中Agent传播和Agent路径与查询路径的交叉
在多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况下，Rumor协议较为有效. 但如果事件非常多,维护事件表和收发Agent带来的开销会很大。
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内容提要
1. 2. WSN路由协议概述 WSN路由协议分类
2.1 2.2 2.3 2.4 以数据为中心路由协议 集群结构路由协议 地理信息路由协议 QOS 路由协议
3步握手协议
A A
节点A有新数据，通过 ADV发布新数据信息，使用 元数据 B节点收到ADV后，发现 自己没有该数据，通过REQ 向A请求新数据 A节点向B节点传送源数据
A
A
A
A
B节点融合新数据，并通过 ADV发布新数据消息 如果节点ADV中描述的数 据的副本就忽略该消息
SPIN协议评价
无线传感器网络
第四周、路由协议
刘永桂 博士
华南理工大学自动化学院
2015年3月
内容提要
1. WSN路由协议概述
2.
WSN路由协议分类
2.1 以数据为中心路由协议 2.2 集群结构路由协议 2.3 地理信息路由协议 2.4 QOS 路由协议
3.
4.
WSN路由协议最新研究成果
主要参考文献
The sensor networks protocol stack
传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为 中心） 传感器网络中流量分布不对称 （数据收集网络 &多源单Sink)
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）
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洪泛路由（Flooding）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（Flooding）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。 洪泛路由（Flooding）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
Rumor Routing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
SPIN
通过和邻居节点的协商来减少Flooding带来的 内爆和重叠的影响 通过元数据来完成协商过程
元数据：一种对源数据的映射，比源数据短 避免传输冗余数据
3步握手协议(ADV-REQ-DATA) 协议消息
消息广播包：Advertise (ADV) 数据请求包：Request (REQ) 数据包：Data transfer (DATA)
physical layer 实现简单、强壮的数据调制，发送、接收 MAC层 考虑节点的通信环境噪声和节点的移动，且需要降低 能量消耗，最小化和邻居节点的广播冲突.负责数据成 帧，帧检测，媒体访问控制和差错控制 network layer 路由生成和路由选择 transport layer 数据流传输控制，是保证通信服务质量的重要部分 application layer 根据传感任务的不同，可以建立不同的application power management plane 管理传感器节点如何使用能源，各个协议层都要考虑 节省能量。 mobility management plane 监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路 由，使node能动态跟踪其邻居节点的位置 task management plane 3 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务