第5章 路由协议

传统无线网络的目标：提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽.


无线传感网节点能量有限（一般由电池供电），并且由于网络中节点数 目往往过大，节点只能获取局部拓扑结构信息，因此要求路由协议不仅 要高效的利用能量，还要在此基础上能够在只获取局部网络信息的情况 下选择合适的路径。
5.1.1 WSN路由协议的特点

（4）应用相关。

传感网的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感 网应用相关性的一个体现。
5.1.2 路由协议的分类

1．按源节点获取路径策略划分

（1）主动路由协议。

也叫表驱动(Table Driven)路由协议，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。
5.1.2 路由协议的分类

2．按通信的逻辑结构划分

（1）平面路由协议：

网络中的所有节点的地位都是平等的，实现的路由功能也大致相同。当一个节点需要发送数据的 时候，可能以其他节点为中继节点进行转发，最后到达目的节点。通常来说，在目的节点附近的 节点参与数据中继的概率要比远离目的节点的节点参与数据中继的概率高。因此，目的节点附近 的节点由于过于频繁地参与数据中继，会较快地耗尽能量。所以，平面路由协议的优点是网络中 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。缺点是可扩展性小，在一定 程度上限制了网络的规模。
a8 2
C(PA 2)
a7 1
a6 2
F(PA 4)
a5 2
a10 1
源节点
a9 1
源节点—F—E—汇聚节点，所有节点
图5-1 能量路由算法示意图
PA之和为5，发送分组需要的能量之和为6。
5.2.1 能量路由_能量路由策略

（1）最大PA路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点 PA之和最大的路径。在图5-1中路径2的PA之和最大，但路径2包 含了路径1，因此不是高效的，从而被排除，选择路径4。 （2）最小能量消耗路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取 节点耗能之和最少的路径。在图5-1中选择路径1。 （3）最少跳数路由：选取从数据源到汇聚节点跳数最少的路径。 在图5-1中选择路径3。 （4）最大最小PA节点路由：每条路径上有多个节点，且节点的 可用能量不同，从中选取每条路径中可用能量最小的节点来表示 这条路径的可用能量。如路径4中节点E的可用能量最小为1，所 以该路径的可用能量是1。最大最小PA节点路由策略就是选择路 径可用能量最大的路径。在图5-1中选择路径3。

（2）以数据为中心的路由协议：

它提出对传感网中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖于数据命名，所有的数据通信都被 限制在局部范围内。这种通信方式不再依赖于特定的节点，而是依赖于网络中的数据，从而减少了网络中传送的大 量重复的冗余数据，降低了不必要的开销，从而延长了网络生命周期。

节点必须维护去往全网所有节点的路由，并且每一个节点都要保存一个或更多的路由表来存储路由信息。当网络拓 扑结构发生变化时，节点就在全网内广播路由更新信息，这样每一个节点就能连续不断地获得网络拓扑信息。

优点是只要目的节点路由存在，所需的延时就会很小。缺点是需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当

与传统网络的路由协议相比，无线传感网路由协议具有以下的特点：

（1）能量优先。

传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感网中节点的能量有 限，延长整个网络的生存期成为传感网路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗 以及网络能量均衡使用的问题。

（2）基于局部拓扑信息。
第五章 无线传感网路由协议

路由协议是解决数据传输路径问题，它完成将数据分组从源节点 转发到目的节点的功能，是无线传感网的关键技术之一。 与传统通信网络不同，无线传感网中没有基础设施和全网统一的 控制中心，是一种分布式的自组织网络，必须采取分布式的方式 获取网络拓扑信息。由于无线传感网是由大量的结构简单的低成 本、能量受限、通信能力受限以及存储和处理能力受限的节点构 成，网络拓扑结构动态变化。所以，传统的自组织网络的路由协 议不能直接使用，必须针对传感网的特点和应用设计高能效的传 感网路由协议。 本章针对传感网的特点，分析了路由协议考虑的因素以及分类方 式，分别介绍了能量感知路由协议、平面路由协议、分层路由协 议、基于查询的路由协议和基于地理位置路由协议。

另外，还可以按路由选择是否考虑服务质量(QoS)约束来划分，基于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，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用
要求的路由。或者是根据业务类型，选择能保证满足不同业务需求的QoS路由协议。

由于无线传感网路由协议种类繁多，其分类方法也多种多样，除了上述介绍的分类方法之外 还有根据路径数量、应用场合、数据传输方式等方法的划分。
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。

（2）按需路由协议。

也称被动路由协议，只有在源节点需要发送数据到目的节点时，源节点才发起创建路由的过程。 路由表的内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分，在通信过程中维护路由，通信完毕后便不 再对其进行维护。

无线传感网为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源， 使得节点不能存储大量的路由信息，不进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和 资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感网的一个基本问题。

（3）以数据为中心。

传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点随机部 署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息。用户使用传感网查询事 件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习 惯。所以通常又说传感网是一个以数据为中心的网络。
Fra Baidu bibliotek

（2）层次路由协议：

将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。 每个簇群内收集到的监控信息都交给簇首节点，簇首节点完成数据聚集和融合过程减少传播的信 息量。相比于其他路由协议，层次型路由协议能满足传感网的可扩展性需求，能有效地减少传输 节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。但是，在此类协议中，簇首节点的能量消耗远大于其 他节点，因此其网络协议需要采取选择满足条件的节点轮流担当簇首节点的方法来均衡能耗。



5.2.2 能量多路径路由

传统网络的路由机制往往选择源节点到目的节点之间跳数最小的路径传输数据， 但在无线传感网中，如果频繁使用同一条路径传输数据，就会造成该路径上的节 点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个网络分割成互不相连的孤立部分，减 少了整个网络的生存期。 为了避免这种情况的出现。要尽可能地保证每个节点都有较为公平的机会成为路 径上的一环，各个节点在相对较长的时间内，能量消耗的比例一致。
5.2.2 能量多路径路由

（1）发起路径建立过程

目的节点向邻居节点广播路径建立消息，启动路径建立 过程。路径建立消息中包含一个代价域，表示发出该消 息的节点到目的节点路径上的能量信息，初始值设置为 0。
当节点收到邻居节点发送的路径建立消息时，相对发送 该消息的邻居节点，只有当自己距源节点更近，而且距 目的节点更远的情况下，才需要转发该消息，否则将丢 弃该消息。

高效利用网络能量是传感网路由协议的一个重要特征。

早期提出的传感网路由协议，为了强调能量效率的重要性，
往往仅仅考虑了能量因素，可以将它们划分为能量感知路 由协议，该协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优 的能量消耗传输路经。
5.2.1 能量路由

能量路由是最早提出的传感网路由协议之一，它根据节点的可用


内容提要

5.1 概述


5.2 能量感知路由协议
5.3 平面路由协议 5.4 层次路由协议 5.5 基于查询的路由协议 5.6 基于地理位置路由 5.7 本章小结 思考题
5.1 概述

5.1.1 WSN路由协议的特点 5.1.2 路由协议的分类
5.1.1 WSN路由协议的特点

（2）判断是否转发路径建立消息


（3）计算能量代价

如果节点决定转发路径建立消息，需要计算新的代价值来替换原来
的代价值。当路径建立消息从节点Ni发送到节点Nj时，该路径的通 信代价值为节点的代价值加上两个节点间的通信能量消耗，即：

按需路由的优点是不需要周期性的路由信息广播，路由表仅仅是局部路由，因而节省了一定的网络资源。缺点是发
送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，需要计算路由，因此时延较大。

（3）混合路由协议：

混合路由则综合利用了主动和按需路由两种方式。 一般来说，对于经常被使用并且拓扑变化不大的网络部分，可以采用主动路由的方式建立并维护相应的路由信息， 而对于传输数据较少或拓扑变化较快的网络部分，则采用按需路由的方式建立路由，以取得效用和时延的折中。

无线传感网路由协议负责将分组从源节点通过网络转发到目的节点，它 主要包括两个方面的功能：

①寻找源节点和目的节点间的优化路径； ②将数据分组沿着优化路径正确转发。
因此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通信延迟小的路径， 同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问 题不是这类网络考虑的重点。
5.2 能量感知路由协议

高效利用网络能量是传感网路由协议的一个重 要特征。早期提出的传感网路由协议，为了强 调能量效率的重要性，往往仅仅考虑了能量因
素，可以将它们划分为能量感知路由协议，该
协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优
的能量消耗传输路经。
5.2 能量感知路由协议

5.2.1 能量路由 5.2.2 能量多路径路由


能量多路径路由机制：就是在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上 节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，给每条路径赋予一定的选择概率， 使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期。
能量多路径路由协议：包括路径建立、数据传播和路由维护三个过程。


路径建立过程是该协议的重点内容。每个节点需要知道到达目的节点的所有下一跳 节点，并计算选择每个下一跳节点传输数据的概率。概率的选择是根据节点到目的 节点的通信代价来计算的。因为每个节点到达目的节点的路径很多，所以这个代价 值是各个路径的加权平均值。
5.1.2 路由协议的分类

3．按路由的发现过程划分

（1）以位置信息为中心的路由协议：

它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩小了数据的传送范围。许多传感网的路由协议 都假设节点的位置信息是已知的，所以可以方便地利用节点的位置信息将节点分为不同的域，并基于域进行数据传 送，能缩小传送范围，减少中间节点的能耗，从而延长网络的生命周期。
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。

如图5-1所示，网络中的大写字母表示节点符号，如节点A，节点
右侧括号内的数字表示节点的可用能量，如PA=2，表示节点A的
能量为2，图中的双向线表示节点之间的通信链路，链路上的数字 表示在该链路上发送数据消耗的能量。源节点是一般功能的传感 器节点，完成数据采集工作，汇聚节点是数据发送的目标节点。
5.2.1 能量路由
从源节点到汇聚节点的可能路径有： (1)路径1：
汇集节点
源节点—B—A—汇聚节点，所有节点PA 之和为4，发送分组需要的能量之和为3；
a3 2
a1 1
A(PA 2)
(2)路径2：
E(PA1)
a2 1
B(PA 2)
a4 2
D(PA 3)
源节点—C—B—A—汇聚节点，所有节 点PA之和为6，发送分组需要的能量之和 为6 ； (3)路径3： 源节点—D—汇聚节点，所有节点PA之 和为3，发送分组需要的能量之和为4； (4)路径4：