【学习课件】第三章-无线传感器网络-通信与组网技术-网络层

它们划分为能量感知路由协议。能量感知的路由协议
从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最
长网络生存期等问题。
典型协议：Energy aware routing，GEAR,等
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（2）以数据为中心的路由-基于查询的路由协议
在环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传 感器节点采集的数据。在汇聚节点（查询节点）发出任 务查询命令，传感器网络的终端探测节点向监控中心报 告采集的数据。
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WSN路由协议概述
在无线传感器网络中,由于受能量限制，节点之间往往无法直
接通信，通常需要借助中间节点以多跳路由的方式将源数据传送
至目的节点。
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无线传感器网络是一种信息采集网络
• 自组织通信是其中实现多跳的信息回传和进行网络 控制的手段。
• 为了实现信息采集，无线传感器网络的业务大都发 生在数据汇聚节点（Sink）和普通传感器节点之间 – 下行业务：包括Sink节点到传感器节点的下行业
传感器网络中，链路稳定性难于保证，通信信道质量 较低，拓扑变化较频繁，路由协议会遇到各种非正常 或不可预料的网络环境，路由器节点一旦出现故障将 可能会影响整个网络。传感器网络本身的不可靠性希 望其路由机制具有一定的容错能力。
好的路由协议应该具备较强可靠性，能够通过各种网 络环境下的测试验证。
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WSN路由协议定义及设计目标
WSN路由协议：一套将数据从源节点传输到目的节点的 机制 。
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
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WSN路由协议特点
与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络 的路由协议具有以下特点：
（1）能量优先 （2）基于局部拓扑信息 （3）以数据为中心（数据冗余性） （4）应用相关
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6）优化能力
网络资源状况随时会发生变化，传感器网络路由协议 需要具备能够依据当前网络资源状况选择最合适路径 的能力。
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路由协议分类
我们从各种应用的角度出发，将路由协议分为四类：
（1）能量感知路由协议
高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个
显著特征。为了强调高效利用能量的重要性，这里将
无线传感器网络的一个基本问题就是，如何在节点只能 获取局部拓扑信息和能量有限的情况下，实现简单高效 的路由机制。
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（3）以数据为中心
无线传感器网络关注的是监测区域内的感知数据及其 位置，而不是具体由哪个节点获取的信息。
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，按照对感知数据的需求、数据通信模式和 流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。
适应网络拓扑动态变化，减少通信协议开销，提高消 息传输的效率。
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4）数据处理技术
为了减少数据通信量，转发结点在传输数据过程中经 常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发 给下一跳，这就是数据融合的基本涵义。
采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调 整。
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5）鲁棒性
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
负责对在传输层协议控制下建立的连接或者会话
中的每个数据包进行寻址和路由。 在网络层，消息将被分解为多个数据包，每个数
据包都带有源端和目的端的地址。 网络层用于在一个站点与另一站点之间传输数据
包。
路由协议特点：寻找最佳路径，提高网络利用率，
避免通信堵塞，均衡网络流量，不考虑能耗。
第3章 传感器网络的通信与组网技术
3.3 路由协议
3.3.1 路由协议概述
因特网 (Internet)
路由器 数据传输路径
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分组交换网的示意图
H2
路由器 B
主机 H1 A
H4 D
注意分组路径的变化！
H6
E
H2 向 H6 发送分组
C
H5
H1 向 H5 发送分组
H3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
互联网
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网络层
务（如查询指令下达）
– 上行业务：传感器节点到Sink的上行业务（如采 集信息的回传)； • 传感器节点之间的横向业务所占比例较小，主要是 网络的控制信息和网内信息处理所需要的信息
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WSN路由协议功能
无线传感器网络的网络层主要负责路由的发现和维护。 路由选择是指选择互连网络从源节点向目的节点传输 信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目 的节点，它包括两个功能： ①路径选择：寻找源节点和目的节点间的优化路径； ②数据转发：将数据分组沿着优化路径正确转发。
传感器网络路由中使用数据融合技术
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（4）应用相关
无线传感器网络是和应用相关的网络，其应用环境千 差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制能够 适合所有的应用；
在设计路由协议时需要针对每一个具体应用的需求， 设计出合适应用的特定路由。
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在根据具体应用设计路由协议时，必须满 足如下要求：
（1）能量高效 （2）可扩展性 （3）稳健性 （4）快速收敛性
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1）能量高效
传感器网络路由协议设计最重要的优化目标是能量高 效性，路由过程中不仅要选择能量消耗小的消息传输 路径，而且要针对整个网络的情况选择使整个网络能 量均衡消耗的路径。
传感器节点能量有限，传感器网络的路由机制要能够 简单而且高效地实现信息传输。
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（1）能量优先
由于传感器节点的能量非常有限，无线传感器网络路 由协议设计的一个重要目标便是延长整个网络的生存 时间，因此必须考虑节点的能量消耗和网络能量均衡 使用的问题。
路由协议设计要求：协议简单、节省能量、均衡消耗
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（2）基于局部拓扑信息
为了尽量节省通信能量，无线传感器网络路由协议通常 采用多跳的通信模式，而网络中节点数目通常较多，节 点资源有限，使得节点无法存储大量的路由信息。
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2）可扩展性
能量限制、环境干扰和人为破坏等因素造成传感器节 点的损坏失效，以及新结点加入和结点移动，使网络 拓扑结构动态变化，要求路由机制具有扩展性，能适 应网络的动态变化。
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3）快速收敛性
传感器节点能量和通信带宽资源有限，网络拓扑结构 动态变化等这些不确定因素要求路由机制能够快速收 敛；