無線傳感網絡路由協議技術的分析
——
加入技術交流群
網絡層負責路由的發現和維護，一個網絡設計的成功與否，路由協議非常關鍵。從圖中的架構可看出無線傳感器路由協議的分類，我們擇其中的一部分進行分析。
傳統路由協議
擴散法(Flooding)
擴散法是一種傳統的最基本的網絡路由協議，不需要知道網絡拓樸結構和使用任何路由算法。節點將數據副本廣播給每個鄰居節點，鄰居節點又將其傳輸給各自的每個鄰居節點，直到將數據傳輸到目標節點為止。
優點：①實現簡單；②不需要為保持網絡拓撲信息和實現復雜的路由發現算法而消耗計算資源；③適用于健壯性要求高的場合。
缺點：①存在信息爆炸(Implosion)問題；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版本。節點隨機選擇某一個鄰居節點轉發分組，而不是用廣播，如果一個節點第二次收到它的鄰居節點的數據副本，則將此數據發回鄰居節點。
優點：節約能量， 避免了“內爆”問題。
缺點：仍然無法解決部分重疊現象和盲目使用資源問題，而且數據傳輸平均時延拉長，傳輸速度變慢。
以數據為中心的路由協議
以數據為中心的路由協議是基于查詢和對目標數據的命名之上的，通過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：事件驅動模式和查詢驅動模式。
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議。節點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，才有目的地發送數據信息。
優點：①元數據的傳輸耗能相對較少；②只廣播其它節點沒有的數據，減少了能耗；③不維護鄰居節點信息，適應節點移動的情況。
缺點：健壯性差。會出現“數據盲點”，進而影響整個網絡信息的收集。不適用于高密度節點分布的情況。
謠傳路由(rumor routing)
Boulis等人提出的謠傳路由是DD的一個改進。節點的代理消息、匯聚節點的查詢消息各自沿隨機路徑傳播。當兩條路徑交叉在一起時，形成一條完整路徑。
優點：避免了大量擴散過程，顯著節省能量。適用于數據傳輸量較小的情況。
缺點：如果網絡拓樸結構頻繁變動，性能大幅下降。
MTE（Minimum Transmission Energy）
當節點經中轉到目的節點的傳輸能量小于它的最短路徑的傳輸能量時，選擇該中轉節點轉發數據。
優點：簡單、開銷小，每個節點只需要找到通往Sink節點的下一跳節點，然后把數據發給它。
缺點：節點之間負載不平衡，靠近匯聚節點的節點因路由任務過重很快耗盡能量而死亡，縮短了整個網絡的生命。
基于地理位置的路由協議
基于地理位置的路由協議利用位置信息傳送數據到指定區域而不是整個網絡，來降低能耗。這方面的協議主要是來源于移動Ad-hoc網絡，設計時考慮了節點的移動性。但是它們在節點移動很少或者根本不移動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。利用位置信息向某一個特定的區域廣播查詢請求，根據位置信息和節點能量剩余情況，將數據發回到匯聚節點。
優點：避免了擴散傳播，節省能源，網絡壽命延長。
缺點：由于缺乏足夠的拓樸信息，路由過程中可能遇到路由空洞，反而降低了路由效率。只適用于節點移動性不強的應用環境。
基于服務質量的路由協議
基于服務質量的路由協議的目標是在實現路由功能的同時滿足一些網絡QoS要求。這類路由協議在建立傳感器網絡的路由路徑的同時，考慮端對端的時延要求。
SPEED
SPEED提供了端對端的軟實時(soft real-time)保證。交換節點的傳輸延遲，得到網絡負載情況；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絡傳輸速率在一個閾值之上，反向重路由變更機制避開了延遲大的鏈路和路由空洞。
優點：實現了端到端的傳輸率保證、網絡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，能滿足end-to-end delay和預定傳輸速度，消耗的總傳輸能量較少。
缺點：沒有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命，傳輸的報文也沒有優先級機制。
單層路由協議
低能自適應聚類體系（LEACH）
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應聚類路由算法，是第一個基于多簇結構的分層路由協議，它是主動網絡的路由算法。該協議分為兩個階段操作，即簇形成階段和穩定工作階段，兩個階段所持續的時間總和稱為一輪。在簇形成階段，隨機選擇一個節點作為簇頭，簇形成后進入穩定工作階段，簇頭開始接收簇內各節點采集的數據，然后采用數據融合技術進行處理，將整合后的數據傳輸給Sink。
優點：隨機選擇簇頭，平均分擔路由業務，減小了能耗。
缺點：①不適合大范圍的應用；
②集群分組方式帶來了額外開銷以及覆蓋問題；
③僅適用于每個節點在單位時間內需要發送的數據量基本相同的情況，而不適合突發數據通信。
多層路由協議
門限敏感的節能型網絡協議（TEEN）
TEEN(Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)算法在LEACH算法的基礎上，針對檢測突發事件的場景，對sensor節點進行兩次集群分組。定義硬、軟兩個門限值，以確定是否需要發送測數據。當監測數據第一次超過硬門限時，節點用它作為新的硬門限，并發送它。如果監測數據的變化幅度大于軟門限，則節點傳送最新的數據，并將它設定為新的硬門限。
優點：數據傳送量比主動網絡少，節省大量能源。適用于響應型(Reactive)應用。
缺點：如果某個節點的檢測數據始終達不到硬門限，用戶將無法得到任何數據，也無法知道這個節點是否失效，因此這個方法不適用于需周期性采樣的網絡。
兩層分簇協議（Hierarchical Clustering Protocol）
Estrin等提出了一種兩層的分簇算法。處于某一層的節點同其廣播半徑及跳數有關，所處層次越高，所覆蓋面積越大。此算法可以擴展成一個多層的簇體系。
優點：適合大型網絡。
缺點：在形成多層簇類的過程中會額外消耗一些能源，而且，網絡需要形成多少層，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議)
Younis等人提出了基于三層體系結構的路由協議。用戶劃分簇，并將簇頭ID和簇內節點位置通知每個簇頭。簇頭監控節點的能量變化，決定并維護節點的狀態（感知、轉發、感知并轉發、休眠），評價節點間傳輸鏈路的成本，選擇最小成本路徑作為最優路徑。
優點：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：健壯性不好。
無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是由大量傳感器節點通過無線通信技術自組織構成的網絡，它集成了傳感器、微機電系統和網絡三大技術，目的是感知、采集和處理網絡覆蓋圍內感知對象的信息，并轉發給觀察者，是以數據處理為中心的系統。它是信息技術的新領域，軍事和民用領域均有非常廣闊的應用前景。
自適應的數據管理網絡
無線傳感器網絡除了具有傳統無線網絡的共同特征以外，還具有很多其它特點。
網絡具有大規模、自組織、動態性、可靠性
傳感器節點的數量可能達到幾百萬個。網絡經常有新節點加入或已有節點失效，網絡拓樸結構變化快，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鍵。無線傳感器網絡以 “多跳”方式傳輸數據，通信范圍只有幾十米。傳感節點由于體積、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
傳感器網絡的設計必須以感知數據管理和處理為中心，把數據庫技術和網絡技術緊密結合，實現一個高性能的網絡系統，使用戶自如地在傳感器網絡上進行感知數據的管理和處理。
應用相關性強
不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，對系統的要求也不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議有很大差別。
建立安全路由已成研究熱點
無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和處理技術。在特殊領域有著傳統技術不可比擬的優勢，必將開辟出不少新穎而有價值的商業應用。
但是，在這方面的研究中，目前尚存在幾個值得思考的問題：比如，如何實現精簡協議族、如何實現節點的自組織和重配置、如何設計異構的網絡路由協議、如何設計適用于移動的網絡路由協議以及網絡安全問題。
對于無線傳感器網絡，大多數路由協議都沒有考慮安全的需求，都易于遭到攻擊，從而使整個網絡崩潰。無線傳感器網絡的主要攻擊有：虛假路由信息（通過欺騙，分割網絡，增加端到端的時延）、選擇性的轉發（導致數據包不能到達目的地）、Sinkhole攻擊（攻擊節點聲稱自己電源充足、性能可靠而且高效,所有的數據包都發向它）、Sybil攻擊（攻擊節點以多個身份出現，和其他攻擊方法結合使用）、Wormholes攻擊（兩個惡意節點合謀進行攻擊，吸引數據包發向離基站較遠惡意節點）、HELLO flood攻擊（惡意節點用足夠大的功率廣播HELLO包，以聲明自己是其他節點的鄰居節點）。
由于傳感器節點本身的處理能力、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、安全的路由協議將是無線傳感器網絡研究中富于挑戰的課題之一。
傳感器相關文章:傳感器工作原理
風速傳感器相關文章:風速傳感器原理
評論