無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議技術(shù)的分析
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網(wǎng)絡(luò )層負責路由的發(fā)現和維護，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設計的成功與否，路由協(xié)議非常關(guān)鍵。從圖中的架構可看出無(wú)線(xiàn)傳感器路由協(xié)議的分類(lèi)，我們擇其中的一部分進(jìn)行分析。
傳統路由協(xié)議
擴散法(Flooding)
擴散法是一種傳統的最基本的網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議，不需要知道網(wǎng)絡(luò )拓樸結構和使用任何路由算法。節點(diǎn)將數據副本廣播給每個(gè)鄰居節點(diǎn)，鄰居節點(diǎn)又將其傳輸給各自的每個(gè)鄰居節點(diǎn)，直到將數據傳輸到目標節點(diǎn)為止。
優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現簡(jiǎn)單；②不需要為保持網(wǎng)絡(luò )拓撲信息和實(shí)現復雜的路由發(fā)現算法而消耗計算資源；③適用于健壯性要求高的場(chǎng)合。
缺點(diǎn)：①存在信息爆炸(Implosion)問(wèn)題；②出現部分重疊(Overlap)現象；③盲目使用資源。
閑聊法
Hedeniemi S等人提出的Gossiping閑聊法是擴散法的改進(jìn)版本。節點(diǎn)隨機選擇某一個(gè)鄰居節點(diǎn)轉發(fā)分組，而不是用廣播，如果一個(gè)節點(diǎn)第二次收到它的鄰居節點(diǎn)的數據副本，則將此數據發(fā)回鄰居節點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：節約能量， 避免了“內爆”問(wèn)題。
缺點(diǎn)：仍然無(wú)法解決部分重疊現象和盲目使用資源問(wèn)題，而且數據傳輸平均時(shí)延拉長(cháng)，傳輸速度變慢。
以數據為中心的路由協(xié)議
以數據為中心的路由協(xié)議是基于查詢(xún)和對目標數據的命名之上的，通過(guò)數據聚合減少重復的數據傳送。以數據為中心路由還可分為：事件驅動(dòng)模式和查詢(xún)驅動(dòng)模式。
SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)
SPIN是由Kaulik等提出的第一種以數據為中心的自適應通信路由協(xié)議。節點(diǎn)僅廣播采集數據的屬性描述信息（元數據meta-data）而不是數據本身，當有相應的請求時(shí)，才有目的地發(fā)送數據信息。
優(yōu)點(diǎn)：①元數據的傳輸耗能相對較少；②只廣播其它節點(diǎn)沒(méi)有的數據，減少了能耗；③不維護鄰居節點(diǎn)信息，適應節點(diǎn)移動(dòng)的情況。
缺點(diǎn)：健壯性差。會(huì )出現“數據盲點(diǎn)”，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )信息的收集。不適用于高密度節點(diǎn)分布的情況。
謠傳路由(rumor routing)
Boulis等人提出的謠傳路由是DD的一個(gè)改進(jìn)。節點(diǎn)的代理消息、匯聚節點(diǎn)的查詢(xún)消息各自沿隨機路徑傳播。當兩條路徑交叉在一起時(shí)，形成一條完整路徑。
優(yōu)點(diǎn)：避免了大量擴散過(guò)程，顯著(zhù)節省能量。適用于數據傳輸量較小的情況。
缺點(diǎn)：如果網(wǎng)絡(luò )拓樸結構頻繁變動(dòng)，性能大幅下降。
MTE（Minimum Transmission Energy）
當節點(diǎn)經(jīng)中轉到目的節點(diǎn)的傳輸能量小于它的最短路徑的傳輸能量時(shí)，選擇該中轉節點(diǎn)轉發(fā)數據。
優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、開(kāi)銷(xiāo)小，每個(gè)節點(diǎn)只需要找到通往Sink節點(diǎn)的下一跳節點(diǎn)，然后把數據發(fā)給它。
缺點(diǎn)：節點(diǎn)之間負載不平衡，靠近匯聚節點(diǎn)的節點(diǎn)因路由任務(wù)過(guò)重很快耗盡能量而死亡，縮短了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生命。
基于地理位置的路由協(xié)議
基于地理位置的路由協(xié)議利用位置信息傳送數據到指定區域而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，來(lái)降低能耗。這方面的協(xié)議主要是來(lái)源于移動(dòng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò )，設計時(shí)考慮了節點(diǎn)的移動(dòng)性。但是它們在節點(diǎn)移動(dòng)很少或者根本不移動(dòng)的情況下也非常適用。
GEAR (Geographic and Energy Aware Routing)
GEAR也可以認為是Directed Diffusion方法的一種改進(jìn)。利用位置信息向某一個(gè)特定的區域廣播查詢(xún)請求，根據位置信息和節點(diǎn)能量剩余情況，將數據發(fā)回到匯聚節點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：避免了擴散傳播，節省能源，網(wǎng)絡(luò )壽命延長(cháng)。
缺點(diǎn)：由于缺乏足夠的拓樸信息，路由過(guò)程中可能遇到路由空洞，反而降低了路由效率。只適用于節點(diǎn)移動(dòng)性不強的應用環(huán)境。
基于服務(wù)質(zhì)量的路由協(xié)議
基于服務(wù)質(zhì)量的路由協(xié)議的目標是在實(shí)現路由功能的同時(shí)滿(mǎn)足一些網(wǎng)絡(luò )QoS要求。這類(lèi)路由協(xié)議在建立傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由路徑的同時(shí)，考慮端對端的時(shí)延要求。
SPEED
SPEED提供了端對端的軟實(shí)時(shí)(soft real-time)保證。交換節點(diǎn)的傳輸延遲，得到網(wǎng)絡(luò )負載情況；利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由決定。鄰居反饋機制保證網(wǎng)絡(luò )傳輸速率在一個(gè)閾值之上，反向重路由變更機制避開(kāi)了延遲大的鏈路和路由空洞。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現了端到端的傳輸率保證、網(wǎng)絡(luò )擁塞控制以及負載平衡機制。該算法和AODV與DSR比較，性能有一定提高，能滿(mǎn)足end-to-end delay和預定傳輸速度，消耗的總傳輸能量較少。
缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命，傳輸的報文也沒(méi)有優(yōu)先級機制。
單層路由協(xié)議
低能自適應聚類(lèi)體系（LEACH）
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是MIT的Chandrakasan等人為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的低功耗自適應聚類(lèi)路由算法，是第一個(gè)基于多簇結構的分層路由協(xié)議，它是主動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的路由算法。該協(xié)議分為兩個(gè)階段操作，即簇形成階段和穩定工作階段，兩個(gè)階段所持續的時(shí)間總和稱(chēng)為一輪。在簇形成階段，隨機選擇一個(gè)節點(diǎn)作為簇頭，簇形成后進(jìn)入穩定工作階段，簇頭開(kāi)始接收簇內各節點(diǎn)采集的數據，然后采用數據融合技術(shù)進(jìn)行處理，將整合后的數據傳輸給Sink。
優(yōu)點(diǎn)：隨機選擇簇頭，平均分擔路由業(yè)務(wù)，減小了能耗。
缺點(diǎn)：①不適合大范圍的應用；
②集群分組方式帶來(lái)了額外開(kāi)銷(xiāo)以及覆蓋問(wèn)題；
③僅適用于每個(gè)節點(diǎn)在單位時(shí)間內需要發(fā)送的數據量基本相同的情況，而不適合突發(fā)數據通信。
多層路由協(xié)議
門(mén)限敏感的節能型網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（TEEN）
TEEN(Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)算法在LEACH算法的基礎上，針對檢測突發(fā)事件的場(chǎng)景，對sensor節點(diǎn)進(jìn)行兩次集群分組。定義硬、軟兩個(gè)門(mén)限值，以確定是否需要發(fā)送測數據。當監測數據第一次超過(guò)硬門(mén)限時(shí)，節點(diǎn)用它作為新的硬門(mén)限，并發(fā)送它。如果監測數據的變化幅度大于軟門(mén)限，則節點(diǎn)傳送最新的數據，并將它設定為新的硬門(mén)限。
優(yōu)點(diǎn)：數據傳送量比主動(dòng)網(wǎng)絡(luò )少，節省大量能源。適用于響應型(Reactive)應用。
缺點(diǎn)：如果某個(gè)節點(diǎn)的檢測數據始終達不到硬門(mén)限，用戶(hù)將無(wú)法得到任何數據，也無(wú)法知道這個(gè)節點(diǎn)是否失效，因此這個(gè)方法不適用于需周期性采樣的網(wǎng)絡(luò )。
兩層分簇協(xié)議（Hierarchical Clustering Protocol）
Estrin等提出了一種兩層的分簇算法。處于某一層的節點(diǎn)同其廣播半徑及跳數有關(guān)，所處層次越高，所覆蓋面積越大。此算法可以擴展成一個(gè)多層的簇體系。
優(yōu)點(diǎn)：適合大型網(wǎng)絡(luò )。
缺點(diǎn)：在形成多層簇類(lèi)的過(guò)程中會(huì )額外消耗一些能源，而且，網(wǎng)絡(luò )需要形成多少層，按照什么策略形成層次等都是值得繼續探討的課題。
Younis(三層體系結構的路由協(xié)議)
Younis等人提出了基于三層體系結構的路由協(xié)議。用戶(hù)劃分簇，并將簇頭ID和簇內節點(diǎn)位置通知每個(gè)簇頭。簇頭監控節點(diǎn)的能量變化，決定并維護節點(diǎn)的狀態(tài)（感知、轉發(fā)、感知并轉發(fā)、休眠），評價(jià)節點(diǎn)間傳輸鏈路的成本，選擇最小成本路徑作為最優(yōu)路徑。
優(yōu)點(diǎn)：具有很好的節能性能、較高的吞吐量和較低的通信延遲。
缺點(diǎn)：健壯性不好。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（wireless sensor network，WSN）是由大量傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)自組織構成的網(wǎng)絡(luò )，它集成了傳感器、微機電系統和網(wǎng)絡(luò )三大技術(shù)，目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋圍內感知對象的信息，并轉發(fā)給觀(guān)察者，是以數據處理為中心的系統。它是信息技術(shù)的新領(lǐng)域，軍事和民用領(lǐng)域均有非常廣闊的應用前景。
自適應的數據管理網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )除了具有傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的共同特征以外，還具有很多其它特點(diǎn)。
網(wǎng)絡(luò )具有大規模、自組織、動(dòng)態(tài)性、可靠性
傳感器節點(diǎn)的數量可能達到幾百萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)絡(luò )經(jīng)常有新節點(diǎn)加入或已有節點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò )拓樸結構變化快，人很少干預其運行。傳感器必須具有相應的通信協(xié)議必須具有可重構和自適應性、高健壯性和容錯性。
傳感節點(diǎn)電源能量、通信能力、計算存儲能力有限
傳感器采用電池供電，能量有限，因此節能設計非常關(guān)鍵。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以 “多跳”方式傳輸數據，通信范圍只有幾十米。傳感節點(diǎn)由于體積、成本以及能量的限制，處理器和存儲器的能力和容量有限，因此計算能力十分有限。
以數據為中心
傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計必須以感知數據管理和處理為中心，把數據庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)緊密結合，實(shí)現一個(gè)高性能的網(wǎng)絡(luò )系統，使用戶(hù)自如地在傳感器網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行感知數據的管理和處理。
應用相關(guān)性強
不同的傳感器網(wǎng)絡(luò )應用關(guān)心不同的物理量，對系統的要求也不同，其硬件平臺、軟件系統和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議有很大差別。
建立安全路由已成研究熱點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種新的信息獲取和處理技術(shù)。在特殊領(lǐng)域有著(zhù)傳統技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，必將開(kāi)辟出不少新穎而有價(jià)值的商業(yè)應用。
但是，在這方面的研究中，目前尚存在幾個(gè)值得思考的問(wèn)題：比如，如何實(shí)現精簡(jiǎn)協(xié)議族、如何實(shí)現節點(diǎn)的自組織和重配置、如何設計異構的網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議、如何設計適用于移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題。
對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，大多數路由協(xié)議都沒(méi)有考慮安全的需求，都易于遭到攻擊，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )崩潰。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要攻擊有：虛假路由信息（通過(guò)欺騙，分割網(wǎng)絡(luò )，增加端到端的時(shí)延）、選擇性的轉發(fā)（導致數據包不能到達目的地）、Sinkhole攻擊（攻擊節點(diǎn)聲稱(chēng)自己電源充足、性能可靠而且高效,所有的數據包都發(fā)向它）、Sybil攻擊（攻擊節點(diǎn)以多個(gè)身份出現，和其他攻擊方法結合使用）、Wormholes攻擊（兩個(gè)惡意節點(diǎn)合謀進(jìn)行攻擊，吸引數據包發(fā)向離基站較遠惡意節點(diǎn)）、HELLO flood攻擊（惡意節點(diǎn)用足夠大的功率廣播HELLO包，以聲明自己是其他節點(diǎn)的鄰居節點(diǎn)）。
由于傳感器節點(diǎn)本身的處理能力、電源以及通信能力方面的限制，因此，如何建立節能、高效、健壯、安全的路由協(xié)議將是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究中富于挑戰的課題之一。
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