無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議技術(shù)的分析
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網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的成功與否，路由協(xié)議非常關(guān)鍵。從圖中的架構(gòu)可看出無線傳感器路由協(xié)議的分類，我們擇其中的一部分進(jìn)行分析。
傳統(tǒng)路由協(xié)議
擴(kuò)散法(Flooding)
擴(kuò)散法是一種傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)和使用任何路由算法。節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)副本廣播給每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳輸給各自的每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，直到將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)為止。
優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)簡單；②不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由發(fā)現(xiàn)算法而消耗計(jì)算資源；③適用于健壯性要求高的場合。
缺點(diǎn)：①存在信息爆炸(Implosion)問題；②出現(xiàn)部分重疊(Overlap)現(xiàn)象；③盲目使用資源。
閑聊法
Hedeniemi S等人提出的Gossiping閑聊法是擴(kuò)散法的改進(jìn)版本。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇某一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，而不是用廣播，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)第二次收到它的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)副本，則將此數(shù)據(jù)發(fā)回鄰居節(jié)點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約能量， 避免了“內(nèi)爆”問題。
缺點(diǎn)：仍然無法解決部分重疊現(xiàn)象和盲目使用資源問題，而且數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)延拉長，傳輸速度變慢。
以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議是基于查詢和對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的命名之上的，通過數(shù)據(jù)聚合減少重復(fù)的數(shù)據(jù)傳送。以數(shù)據(jù)為中心路由還可分為：事件驅(qū)動(dòng)模式和查詢驅(qū)動(dòng)模式。
SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)
SPIN是由Kaulik等提出的第一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議。節(jié)點(diǎn)僅廣播采集數(shù)據(jù)的屬性描述信息（元數(shù)據(jù)meta-data）而不是數(shù)據(jù)本身，當(dāng)有相應(yīng)的請(qǐng)求時(shí)，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。
優(yōu)點(diǎn)：①元數(shù)據(jù)的傳輸耗能相對(duì)較少；②只廣播其它節(jié)點(diǎn)沒有的數(shù)據(jù)，減少了能耗；③不維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)信息，適應(yīng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況。
缺點(diǎn)：健壯性差。會(huì)出現(xiàn)“數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)點(diǎn)的代理消息、匯聚節(jié)點(diǎn)的查詢消息各自沿隨機(jī)路徑傳播。當(dāng)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(kuò)散過程，顯著節(jié)省能量。適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況。
缺點(diǎn)：如果網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)頻繁變動(dòng)，性能大幅下降。
MTE（Minimum Transmission Energy）
當(dāng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)中轉(zhuǎn)到目的節(jié)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(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
優(yōu)點(diǎn)：簡單、開銷小，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要找到通往Sink節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)，然后把數(shù)據(jù)發(fā)給它。
缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載不平衡，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)因路由任務(wù)過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(shù)據(jù)到指定區(qū)域而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，來降低能耗。這方面的協(xié)議主要是來源于移動(dòng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。但是它們?cè)诠?jié)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(rèn)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(qū)域廣播查詢請(qǐng)求，根據(jù)位置信息和節(jié)點(diǎn)能量剩余情況，將數(shù)據(jù)發(fā)回到匯聚節(jié)點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：避免了擴(kuò)散傳播，節(jié)省能源，網(wǎng)絡(luò)壽命延長。
缺點(diǎn)：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(jié)點(diǎn)移動(dòng)性不強(qiáng)的應(yīng)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(biāo)是在實(shí)現(xiàn)路由功能的同時(shí)滿足一些網(wǎng)絡(luò)QoS要求。這類路由協(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(duì)端的時(shí)延要求。
SPEED
SPEED提供了端對(duì)端的軟實(shí)時(shí)(soft real-time)保證。交換節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲，得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(jī)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(jī)制避開了延遲大的鏈路和路由空洞。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡機(jī)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(yù)定傳輸速度，消耗的總傳輸能量較少。
缺點(diǎn)：沒有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命，傳輸?shù)膱?bào)文也沒有優(yōu)先級(jí)機(jī)制。
單層路由協(xié)議
低能自適應(yīng)聚類體系（LEACH）
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法，是第一個(gè)基于多簇結(jié)構(gòu)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(wěn)定工作階段，兩個(gè)階段所持續(xù)的時(shí)間總和稱為一輪。在簇形成階段，隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，簇形成后進(jìn)入穩(wěn)定工作階段，簇頭開始接收簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，然后采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行處理，將整合后的數(shù)據(jù)傳輸給Sink。
優(yōu)點(diǎn)：隨機(jī)選擇簇頭，平均分擔(dān)路由業(yè)務(wù)，減小了能耗。
缺點(diǎn)：①不適合大范圍的應(yīng)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(gè)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量基本相同的情況，而不適合突發(fā)數(shù)據(jù)通信。
多層路由協(xié)議
門限敏感的節(jié)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(chǔ)上，針對(duì)檢測突發(fā)事件的場景，對(duì)sensor節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩次集群分組。定義硬、軟兩個(gè)門限值，以確定是否需要發(fā)送測數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次超過硬門限時(shí)，節(jié)點(diǎn)用它作為新的硬門限，并發(fā)送它。如果監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟門限，則節(jié)點(diǎn)傳送最新的數(shù)據(jù)，并將它設(shè)定為新的硬門限。
優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳送量比主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)少，節(jié)省大量能源。適用于響應(yīng)型(Reactive)應(yīng)用。
缺點(diǎn)：如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)始終達(dá)不到硬門限，用戶將無法得到任何數(shù)據(jù)，也無法知道這個(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)同其廣播半徑及跳數(shù)有關(guān)，所處層次越高，所覆蓋面積越大。此算法可以擴(kuò)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)：在形成多層簇類的過程中會(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(xù)探討的課題。
Younis(三層體系結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議)
Younis等人提出了基于三層體系結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。用戶劃分簇，并將簇頭ID和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)位置通知每個(gè)簇頭。簇頭監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能量變化，決定并維護(hù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)（感知、轉(zhuǎn)發(fā)、感知并轉(zhuǎn)發(fā)、休眠），評(píng)價(jià)節(jié)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(jié)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。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)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(nèi)感知對(duì)象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)。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(yīng)用前景。
自適應(yīng)的數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有傳統(tǒng)無線網(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(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性、可靠性
傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可能達(dá)到幾百萬個(gè)。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)變化快，人很少干預(yù)其運(yùn)行。傳感器必須具有相應(yīng)的通信協(xié)議必須具有可重構(gòu)和自適應(yīng)性、高健壯性和容錯(cuò)性。
傳感節(jié)點(diǎn)電源能量、通信能力、計(jì)算存儲(chǔ)能力有限
傳感器采用電池供電，能量有限，因此節(jié)能設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以 “多跳”方式傳輸數(shù)據(jù)，通信范圍只有幾十米。傳感節(jié)點(diǎn)由于體積、成本以及能量的限制，處理器和存儲(chǔ)器的能力和容量有限，因此計(jì)算能力十分有限。
以數(shù)據(jù)為中心
傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用戶自如地在傳感器網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的管理和處理。
應(yīng)用相關(guān)性強(qiáng)
不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，對(duì)系統(tǒng)的要求也不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)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)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù)。在特殊領(lǐng)域有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，必將開辟出不少新穎而有價(jià)值的商業(yè)應(yīng)用。
但是，在這方面的研究中，目前尚存在幾個(gè)值得思考的問題：比如，如何實(shí)現(xiàn)精簡協(xié)議族、如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自組織和重配置、如何設(shè)計(jì)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、如何設(shè)計(jì)適用于移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)安全問題。
對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)路由協(xié)議都沒有考慮安全的需求，都易于遭到攻擊，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要攻擊有：虛假路由信息（通過欺騙，分割網(wǎng)絡(luò)，增加端到端的時(shí)延）、選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)（導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不能到達(dá)目的地）、Sinkhole攻擊（攻擊節(jié)點(diǎn)聲稱自己電源充足、性能可靠而且高效,所有的數(shù)據(jù)包都發(fā)向它）、Sybil攻擊（攻擊節(jié)點(diǎn)以多個(gè)身份出現(xiàn)，和其他攻擊方法結(jié)合使用）、Wormholes攻擊（兩個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)合謀進(jìn)行攻擊，吸引數(shù)據(jù)包發(fā)向離基站較遠(yuǎn)惡意節(jié)點(diǎn)）、HELLO flood攻擊（惡意節(jié)點(diǎn)用足夠大的功率廣播HELLO包，以聲明自己是其他節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)）。
由于傳感器節(jié)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(jié)能、高效、健壯、安全的路由協(xié)議將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中富于挑戰(zhàn)的課題之一。
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評(píng)論