（计算机科学与技术专业论文）基于网络编码的无线传感器网络协议ncgear研究.pdf

i i l f llli ii iir ll i ft1 1 iii y 18 8 0 0 5 3 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢 本人完全 学校有权保留 允许论文被查 全部内容编入 手段保存或汇 关机构或论文 服务。 研究生( 签名 摘要 无线传感器网络【1 】( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 是由部署在目的区域内 大量的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的多跳的自组织的网络 系统。近年来，随着无线传感器网络的飞速发展，无线传感器网络大量应用于 天气、军事、交通等领域，而因其节点使用环境不同和通信模式不同导致的不 同路由机制已逐渐成为目前的研究热点之一。 本文首先分析了以数据为中心的( 如d d ，s p i n 等) 、分层次的( 如l e a c h 等) 、基于位置的( 如g e a r 等) 和提供数据流和服务质量保障的无线传感器网 络路由协测2 】的特点，详细描述了基于位置的无线传感器网络路由协议g e a r 的运行原理、建立、报文转发的方式，并分析了g e a r i s 路由协议的优点及其可 待改进之处，指出了加入网络编码可以改进g e a r 路由协议。随机网络编码采 用分布式算法，不需要节点知道网络全局拓扑信息，所需编码向量从一个有限 域中随机产生，能够适应网络节点的动态变更，这些特点都决定了网络编码非 常适用于无线传感器网络。 基于上述工作，本文将随机网络编码应用于g e a r 路由协议，首次提出了基 于网络编码的g e a r 路由协议n c g e a r ( n e t w o r kc o d i n g g e a r ) ，详细描述了 n c g e a r 协议的流程。然后在l i n u x 操作系统中，利用国际权威网络环境仿真 平台n s 2 ，对n c g e a r 和g e a r 进行了仿真。仿真结果显示，相较于原g e a r 路由协议，n c g e a r 能够减少大量的节点转发次数，降低了网络带宽的占用， 减少了节点能量的消耗，提高了路由协议的性能。 本文创新点如下： ( 1 )分析了g e a r 路由协议，找出了g e a r 协议可以改进的地方。 ( 2 )针对g e a r 路由协议的不足之处，采用加入网络编码机制对其进行 改进，提出了基于网络编码的g e a r 路由协议n c g e a r 。 ( 3 )在l i n u x 操作系统下，利用网络仿真软件n s 2 对n c g e a r 和g e a r 进行了网络仿真实验。根据不同网络环境的仿真实验，其结果表明，n c g e a r 路由协议能够有效地提高网络性能，且比g e a r 更加减少节点能量消耗。 关键字：w s n ，路由协议，仿真，g e a r ，网络编码 a b s t r a c t t h er e s o u r c e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r el i m i t e d , b u tm a n yf u n c t i o n ss u c ha s m o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i n ga r ei n t e g r a t e di nt h en e t w o r k s oi ti s s i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tt os a v et h er e s o u r c e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o d i n g ，t h e r ea l en e ww a y st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r ka n dt os a v et h er e s o u r c e s i nr o u t i n gp r o t o c o l s ，t h ei n t e r m e d i a t en o d e s p e r f o r mt h ec o d i n gm a n i p u l a t i o n so nr e c e i v e dp a c k e t sa n ds e n dt h ec o d e dp a c k e t st o n e x th o p s ，t h ed e s t i n a t i o nn o d e sc a l ld e c o d ea n dr e c o v e rt h eo r i g i n a lp a c k e t s n i s p r o c e s so fr o u t i n g i sb a s e do nn e t w o r k c o d i n g f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed a t a - c e n t r i cp r o t o c o l ( s u c ha sd d ，s p i n ，e t c ) ， m u l t i l a y e r e dp r o t o c o l ( s u c ha sl e a c h ，e t c ) ，g e o g r a p h i cp r o t o c o l ( s u c ha sg e a r ， e t e ) a n dq o sp r o t o c 0 1 t h e np r o t o c o lp r o c e s s ，t h ea l g o r i t h m o f e s t a b l i s h i n g a n dm a i n t a i n i n gt h em e s ha n dt h ew a yt h em e s s a g ef o r w a r d e do fg e a ra l ea n a l y z e d a n dg e a rs h o r t c o m i n gi ss h o w na n dt h em e t h o do fu s i n gn e t w o r kc o d i n gt o i m p r o v eg e a ri sp r o p o s e d 乃cr a n d o mn e t w o r kc o d i n gu s e sad i s t r i b u t e d a l g o r i t h m , w h i c hd o e sn o tn e e dt h en o d e st ok n o wt h et o p o l o g yi n f o r m a t i o no ft h e e n t i r en e t w o r k ，a n dt h ep a r a m e t e r sn e e d e dt op e r f o r mc o d i n gc a nb eg e n e r a t e di na g a l o i sf i e l db i ge n o u g h a l lo ft h e s ef e a t u r e sm a k et h er a n d o mn e t w o r kc o d i n gv e r y s u i t a b l ef o rw s n b a s e do nw o r km e n t i o n e da b o v e ，w ea p p l yt h er a n d o mn e t w o r kc o d i n g a l g o r i t h mo n t og e a r ，a n dp r o p o s e t h en c g e a r ，n e t w o r k c o d i n g - g e a r ，f o r t h ef i r s tt i m e t h e nt h em e s s a g es t r u c t u r ea n dt h ep r o t o c o lp r o c e s sa l es h o w ni n d e t a i l f i n a l l y ，n c g e a ri sa d d e di n t ot h ea u t h o r i t a t i v en e t w o r ks i m u l a t o rn s 2a n d s i m u l a t e d n er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t hg e a r ，t h en e w p r o t o c o ln c - g e a rc o s t sl e s sn e t w o r kb a n d w i d t ha n dl e s se n e r g yc o n s u m p t i o n n e i n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa l el i s t e db e l o w ： ( 1 ) g e a ri sa n a l y z e da n dt h ef l a wi ss h o w n ( 2 ) n c g e a rp r o t o c o li sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m ew h i c hu s e st h er a n d o m n e t w o r kc o d i n ga l g o r i t h mt oi m p r o v eg e a r ( 3 ) i n t e r n a t i o n a l a u t h o r i t a t i v es i m u l a t o rn s 2i su s e dt os i m u l a t en c - g e a r u n d e r l i n u xo p e r a t i n gs y s t e me n v i r o n m e n t f i r s tn s 2i se x t e n d e da n dn c g e a ri s i n t e g r a t e di n t on s 2 t h e nn c - g e a ri ss i m u l a t e di nd i f f e r e n ts c e n e so fn e t w o r k s a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tn c g e a rc o s t sl e s sn e t w o r kb a n d w i d t ha n dl e s se n e r g y c o n s u m p t i o n k e yw o r d ：w s n ，r o u t i n gp r o t o c o l s ，s i m u l a t o r ，g e a r ，n e t w o r kc o d e 目录 摘! i 荽i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 2 研究背景与意义1 1 3研究目的、本文所做工作以及论文结构2 1 3 1 研究目的2 1 3 2 本文所做工作2 1 3 3 论文结构3 第二章背景知识4 2 1 无线传感器网络。4 2 1 1 无线传感器网络的定义、限制以及与无线自组网的区别4 2 1 2 无线传感器网络的特点7 2 1 3 无线传感器网络路由协议的分类9 2 1 4 几种主要的无线传感器网络路由协议。1 0 2 2 网络编码1 1 2 2 1 网络编码的定义。1 1 2 2 2 网络编码的提出与现状1 2 2 2 3 网络编码的优点1 2 2 2 4 几种常见的网络编码方法。1 6 2 3g 酗岖路由协议1 6 2 3 1g e a r 路由协议的介绍1 6 2 3 2g e a r 路由协议的原理1 7 2 3 3g b 讯的优缺点2 0 2 4 网络仿真工具2 0 2 4 1n s 2 网络环境模拟器2 0 2 4 2g a w k 简介2 2 2 4 3g n u p l o t 简介2 3 第三章基于网络编码的g e a r 路由协议2 4 3 1g e a r 路由协议的改进2 4 3 2 基于网络编码的g e a r 路由协议n c g e a r 的报文格式，2 5 3 2 1n c g e a r 的报文格式2 5 3 2 2n c g e a r 协议的报文处理过程2 6 3 2 3n c g b 气r 协议流程2 6 第四章n c g e a r 的网络仿真2 8 4 1 仿真介绍及其重要性2 8 4 2g e a r 及n c g e a r 协议的网络性能仿真2 8 4 2 1 仿真软硬件平台。2 8 4 2 2 仿真流程2 8 4 3 仿真结果的统计与分析3 7 4 3 1 仿真结果中报文转发次数的统计与分析3 8 4 3 2 仿真结果中节点剩余能量的统计与分析。3 9 第5 章总结与展望4 1 参考文献4 2 致谢4 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 1 1 j 就是由分布在目标区域 内一定数量的传感器节点所组成，而通过无线通信的方式形成的一个多跳的自 组织的网络系统。近年来，伴随着低功耗嵌入式技术和无线通信的高速发展， 以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，无线传感器网络在国防军事建设、 天气、森林和海洋等地区监控等领域都得到了飞速发展。由于无线传感器网络 需求大量的传感器节点导致节点成本不能太高，以致节点能量有限，而且传感 器网络使用的环境和通信模式各不相同等特点，注定了无线传感器网络不可能 只使用同一种路由机制。因此，针对无线传感器网络的上述特点，将会不断地 提出许多新的路由协议。无线传感器网络路由协议大致可以分为以数据为中心 的路由协议( 如d d ，s p ) 、分层次的路由协议( 如l e a c h ) 、基于地理位置 的( 如g e a r ) 、提供数据流和服务质量保障的( 如s p e e d ) 【2 j 。其中g e a r 是 通过利用位置信息使得“兴趣”的传播仅到达目标区域，而不是传播到整个网络， 以避免洪泛到整个网络，从而减少路由建立的开销的路由协议。 1 2 研究背景与意义 在传统的通信网络中，所有数据流都可以共享一个网络，但数据流与数据流 之间是相互独立的。网络中的中继结点对收到的数据只有转发和复制两种处理 方式。因此，在2 0 0 0 年，a h l s w e d e 3 】等提出了网络编码的概念，改变了传统的 处理方式，在中继结点处可以对接收的数据包进行编码，并按照一定的算法进 行重新组合后再发出去。a h l s w e d e 指出，对于多播路由，采用网络编码，由最 大流最小割定理确定的多播容量和最大化吞吐量是可以达到的。由此，网络编 码对网络研究产生了深远的影响。 对于在中继结点处的编码，“4 】指出线性网络编码已足够达到多播容量，线 性网络编码是指将数据包看作某个基域上的向量，将收到的数据包的线性组合 转发出去。k o e t t e 一5 j 等提出了线性网络编码的代数实现。线性网络编码能有效地 武汉理工大学硕士学位论文 构造编码向量，确保信宿节点能够成功解码，但是，他提出的代数实现是使用 集中式算法，需要全面的了解整个网络的拓扑结构。因此动态变化的拓扑结构 或规模很大的网络并不适用线性网络编码算法。算法1 6 j 较好的解决了这一点，随 机网络编码算法采用了随机选择编码向量的策略：对于除信宿节点以外的所有 中继节点，只要在一个足够大的有限域厨上随机选择输入链路到输出链路的映 射，且每个节点映射关系的选取都是相互独立的，就可使每个信宿节点对应的 系统转移矩阵m t 满秩达到非常高的概率，即各信宿节点都能以较高的概率成 功解码忉。 g e a r ( g e o g r a p h i c a la n de n e r g ya w a r er o u t i n g ) 8 , 是无线传感器网络中一种 基于位置和高效能量感知的地理路由协议，使用g e a r 路由协议比一般其他路 由要更加节省节点能量，能够极大的延长w s n 的寿命。而g e a r 路由协议的算 法核心思想则是：由源节点发出的查询消息中包含有位置属性，g e a r 路由协议 在向目标区域散布查询消息的同时使用地理位置信息。通过利用位置信息使得 “兴趣”的传播仅到达目标区域，而不是传播到整个网络，从而避免洪泛方式，减 少路由建立的开销。 1 3 研究目的、本文所做工作以及论文结构 1 3 1 研究目的 对无线传感器网络路由协议、网络编码理论进行研究，改变传统路由中的存 储转发方式，采用网络编码思想，提出新的基于网络编码的无线传感器网络路 由协议，以此来节省网络资源，提高网络的性能。 1 3 2 本文所做工作 本文所做的主要工作如下： 1 学习、研究g e a r 路由协议，找出g e a r 路由协议在能耗与报文转发 当中的缺陷和其可改进的地方； 2 针对g e a r 路由协议在能耗与报文转发当中存在的不足之处，在g e a r 路由协议中加入网络编码机制，提出了基于网络编码的g e a r 路由n c g e a r ； 3 在g e a r 协议里加入网络编码机制，是否会增加网络节点的运算量，使 2 武汉理工大学硕士学位论文 得时延增加，时延的增加是否在承受范围之内，加入了网络编码机制，能否减 少网络节点的开销，降低报文的转发次数，减小传感器节点的能量消耗，都需 要进行一一验证。因此，本文采用了国际上权威的网络环境模拟器n s 2 来对 g e a r 和n c g e a r 进行仿真。在不同的场景环境下多次仿真，最后利用g a w k 对仿真进行结果数据整理，使用g n u p l o t 将结果数据制作成图。最后的结果显示， 在多种场景下，报文转发次数大量减少，节点剩余能量明显提高。n c g e a r 比 g e a r 的网络性能有很大的提高。 1 3 3 论文结构 本文正文部分总共分为五章，其中第三章与第四章为本人所做主要研究工 作： 第一章简单介绍了本文主要研究的内容，对研究的背景、意义和目的有一个 简单的阐述，对本文在后面所做的工作有个大体的说明。 第二章第一部分主要介绍了无线传感器网络的概念、特点及其路由协议的分 类；第二部分主要介绍了网络编码的定义、现状、优点以及几种常见的网络编 码方法；第三部分主要介绍了g e a r 路由协议的提出、优缺点以及原理；第四 部分主要介绍了网络仿真所需要使用的几种工具软件。 第三章分析了g e a r 路由协议在能量消耗和报文转发过程中所存在的不足 之处，提出了基于网络编码的g e a r 路由协议n c g e a r ，对n c g e a r 的报文 格式做了一个说明，对协议流程做了详细的解说。 第四章对g e a r 和n c g e a r 在n s 2 平台上的网络仿真进行了详细的介绍， 对仿真细节进行了详尽的描述，利用资料处理程序g a w k 对仿真结果进行了系列 的统计、抽取与整理，最后利用g n u p l o t 将整理好的结果绘制成图，以利于分析 研究。 第五章对本文做了最后的总结，并对后续工作做了一个简单的叙述。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 无线传感器网络 第二章背景知识 现代信息科学的六大组成部分是信息的生成、获取、传输、处理、存储及其 应用，其中获取信息是信息技术的重要环节，没有信息的获取就不可能有信息 的传输和处理，存储和应用就更是空谈，信息化也就成了空中楼阁。伴随着现 代微机电系( m e m s m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ) 、微电子技术、片上系统 s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 、纳米材料、信号处理技术、无线通信技术、计算机网络技 术等的高速发展，传感器的信息获取从传统的独立的单一化模式技术向集成化、 微型化、无线化、智能化、网络化方向发展，成为信息科学技术最重要和最基 本的技术之一。 2 1 1 无线传感器网络的定义、限制以及与无线自组网的区别 ( 1 ) 无线传感器网络【9 1 的定义：大规模的，无线的、自组织的、多跳的、 无分区的、无基础设施支持的网络网络中的节点是同构的、成本较低、体积 较小，而大部分是固定的，被随意播散在目标区域，且要求传感器网络系统有 足够长的工作时间。 嚷溺l 蠢域 传憋嚣芍囊 图2 1 无线传感器网络体系结构副1 i 4 武汉理工大学硕士学位论文 传感器网络是将一定数量的传感器随机散布在工作区域内，能够通过自组织 方式构成网络的网络，如图2 1 是无线传感器网络的网络体系结构图。其网络体 系包括有传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点用来监测数据，并将 监测到的数据通过其他传感器节点传送到汇聚节点，然后汇聚节点通过网络等 传输方式将监测数据传送到管理节点，监测人员最后则是通过管理节点收集和 统计监测数据。相同的，监测人员也是通过管理节点对网络进行维护与配置， 发布监测任务。 ( 2 ) 与其它无线网络的差别 无线自组网( m o b i l ea d h o en e t w o r k ) ! 加】是一个由一定量的节点( 几十或者几 百) 组成的、采用无线通信方式的、动态自组织组网的移动性对等网络。它是 为了通过动态路由和移动管理技术来传输多媒体信息流，而且通常其节点的能 量供给是可持续的。传感器网络即使与无线自组网有许多相似之处，但同时也 存在着相当大的差别。传感器网络网络系统具有监测、控制以及无线通信等功 能，且传感器节点的数量要比无线自组网的节点数量多很多( 上千甚至上万) ， 需要更加密集地分布节点；但是由于不同的环境影响和有限的能量，节点更容 易坏掉以致废弃；而这些将会更加容易造成网络拓扑结构的变化；一般情况下， 大多数传感器节点是固定不动的。另外，由于传感器节点数量基数大导致的节 点只可能使用低成本，低成本就意味着节点具有的能量、信息处理能力、数据 存储能力和信息通讯能力等都十分有限。因此，传统的无线网络首先要考虑的 是如何提高服务质量和高效利用带宽，其次才会考虑节约能源；而传感器网络 首先要考虑的是如何高效地使用能源，这也是传感器网络与传统网络最重要的 差别之一。 ( 3 ) 传感器节点的限制 在传感器节点上使用网络协议和其它系统时，存在着下列一些限制。 1 节点能量有限 由于传感器节点一般都很小，所以其拥有的电池能量一般都十分有限。又因 为传感器节点数量很多、成本小、部署的环境各不相同且范围很广，且有些地 方是监测人员所不能到达的，因此传感器节点不可能通过换电池的方式来补充 能源。鉴于此，传感器网络首先要解决的问题就是如何通过高效使用能量来尽 可能的延长网络生存时间。 传感器节点中的传感器模块、处理器模块和无线通信模块都是消耗能量的模 块。伴随着集成电路工艺的进步，处理器模块和传感器模块的功耗变得越来越 5 武汉理工大学硕士学位论文 低，无线通信模块所消耗的能量占据了总能耗的绝大部分。图2 2 所示是d e b o r a h e s t r i n t l l l 所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知，正如前文所述， 无线通信模块所消耗的能量是传感器节点消耗能量中的最大部分。传感器节点 在传输信息时所消耗的能量要比执行计算时多得多，传输1 比特信息1 0 0 m 距 离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令消耗的能量。 2 0 一。一一一一一乙一一一一一- 一一一w 一一一 1 5 一- 一一一一 喜1 0 一一一 餐 5 一一一一一一一一 。一王二 一7 - - i 一 传感器 链殍器 越馅 图2 2 传感器节点能量消耗情况【1 1 】 无线通信模块有发送、接收、空闲和睡眠四种情况。无线通信模块在空闲状 态下，会一直监听信道的使用情况，检测是否有其它节点要给自己发送数据， 而在睡眠状态下则使通信模块停止工作。从图中可以看到，无线通信模块在发 送状态下所消耗得能量是最大的，在空闲状态和接收状态下所消耗的能量相差 不大，都要少于发送状态下所消耗的能量，而在睡眠状态下所消耗的能量是最 少的。因此，在设计传感器网络协议时，首先需要重点考虑的问题就是如何减 少非必要的转发和接收，不需要通信时能够尽快进入睡眠状态，让网络通信更 有效率。 2 通信能力有限 无线通信的能量消耗与通信距离的关系为： e = k d n 【1 2 l 6 武汉理工大学硕士学位论文 其中，当参数n 满足2 n 4 的条件下。n 的取值取决于很多因素，当传感 器节点越贴近地面，障碍物越多，干扰越大，n 的取值就越大；而天线的质量 对节点发送接收信息的质量的影响也很大。考虑到诸多因素，通常取1 1 值等于 3 ，即无线通信的能量消耗与通信距离的三次方成正比。随着通信距离的增加， 能量消耗将会以几何级数急剧增加。因此，在符合相关条件下，应该尽最大能 力将单跳的通信距离减少到最小。一般传感器节点的单跳的无线通信距离都在 1 0 0 m 以内。由于传感器节点所携带的能量十分有限，而其网络覆盖的区域又很 大，所以传感器网络都采用多跳路由来传输。而又因为传感器节点无线通信的 带宽很小，一般来说只有几百k b p s 。且由于节点能量的不断变化，其受建筑物 等地势地貌以及自然环境的影响，无线通信的性能可能会经常发生变化，比如 出现通信频繁中断。因此，在上述的情况下，传感器网络还面临如何设计网络 通信模式以能够满足传感器网络的通信需求的问题。 3 计算和存储能力有限1 1 3 1 由于传感器节点价格小、成本低，而又要求其功耗要小以满足延长网络生存 周期，这些要求都会导致节点的处理器的计算能力变弱和存储器容量变小。而 为了完成任务，传感器节点要完成多种工作，其中包括监测数据的采集、传输、 存储和处理，还包括对汇聚节点的任务请求和控制做出回应等多项工作。因此， 如何利用节点有限的计算能力和存储能力来完成诸多任务已成为传感器网络设 计得重要课题之一。伴随着系统设计技术和低功耗电路的提高，目前已经开发 出许多超低功耗微处理器。除了降低处理器硬件的能量消耗，传感器节点还被 设计了移动电压调节( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ，d v s ) 模块和移动能量管理 ( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 模块，可以更为有效地利用节点资源。动态 能量管理是指当节点没有监测任务或没有监测到感兴趣的事件时，部分模块就 会处于空闲状态，这时动态能量管理就把这些模块关掉或调到睡眠状态以降低 能量消耗。动态电压调节是指当处理器计算量较低时，降低处理能力，而其又 可以通过降低它的工作电压和频率来实现，从而达成节约处理器的能量消耗的 目的，现在市场上有很多处理器如s t r o n g , a r m 都是支持电压频率调节的。 2 1 2 无线传感器网络的特点 1 大规模网络 主要表现【1 4 】在两个方面：其一是传感器节点一般都分布在很大的地理区域 7 武汉理工大学硕士学位论文 内，比如在原始大森林利用传感器网络进行森林防火和环境监测；另一方面， 传感器节点部署很密集，其二是传感器节点一般分布在监测区域内密度很高。 通过处理大量的监测信息能够有效提高监测的精确度，以降低对单一传感器节 点的质量要求；而且大量传感器节点的存在，可以使监测系统具有更强的容错 性；大量传感器节点能够使监测区域尽量减少盲区，已达到全面覆盖。 2 自组织网络【1 4 j 在无线传感器网络被应用的的现实环境中，一般都不能预先精确设定传感器 节点的位置，也不可能预先知道节点与节点之间的邻居关系，如通过飞机散布 大量传感器节点到面积宽广的森林中。这些都要求传感器节点能够具有自组织 性，能够自动进行配置和管理，通过相应机制和协议自动形成监测数据的无线 网络系统。 3 动态性网络【1 4 l 传感器网络的拓扑结构是会因为不同因素的改变而不断改变的，其中就包括 因为环境原因或能量耗尽以致传感器节点失效；因为环境天气原因造成的无线 通信的质量时好时坏，甚至通信直接断掉；或因为有新节点的加入。这些都要 求传感器网络系统能够适应各种变化，能够根据条件进行系统重构。 4 可靠的网络【1 4 。 传感器网络经常会部署在环境恶劣或人不能到达的地方，因此，传感器节点 可能需要工作在露天，遭受风吹雨淋日晒，也可能会遭到人员或动物的破坏。 而且在散布传感器节点时，可能对节点产生破坏如高空坠落等，无疑，上述原 因都要求传感器节点能够拥有坚固，不易损坏的特点。 5 应用相关的网络 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其使用的软硬件系统和通信协议 必然会有很大不同。所以传感器网络不可能有统一的通信协议平台，就象i n t e m e t 一样。除了不同传感器网络的共同之处，在开发应用传感器网络的过程当中我 们会更加关注他们差别之处。只有让传感器网络更加实用，才能做出最高效的 传感器网络系统。针对具体的应用环境来研究传感器网络技术，是传感器网络 设计区别与传统网络的特征之一。 6 以数据为中心的网络 目前的互联网是由可以独立存在的终端系统联网而成的。在互联网中，网络 设备都是使用唯一的i p 地址来识别的。而传感器网络作为任务型的网络，撇开 传感器网络讨论传感器节点没有意义。传感器网络节点采用编号来标识，而网 8 武汉理工大学硕士学位论文 络通信协议决定了编号是否全网惟一。 络与节点编号之间的关系是不确定的， 由于节点部署的随机性，造成传感器网 其直接表现是节点的编号和位置没有太 大联系。在用户利用传感器网络监测数据时，直接将所监测的事件传送给网络， 而不是传送给一个确定编号的节点。而网络在获得指定事件的数据后反馈给用 户。这种查询或传输都是以数据本身作为线索的思想和人类自然语言交流的习 惯是非常相近的。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 2 1 3 无线传感器网络路由协议的分类 本节将介绍k 觚i k i 【1 5 】等人对现有的无线传感器网络路由协议的分类。按照一 般情况，无线传感器网络路由协议大概划分为两种，基于网络构造的路由协议 和针对协议操作的路由协议。基于网络构造的路由协议又可以划分为无网络层 次结构的、具有网络层次结构的和基于地理位置的路由协议。而针对协议操作 的路由协议可以分为基于协商的、基于多路径的、基于查询的和基于q o s 的路 由协议等。在下面的小节中将逐一介绍这些协议的概念。 1 无网络层次结构的路由协议 无层次结构的网络中的每一个传感器节点都需要承担相同的任务，相互之间 没有性质上太大的区别，它们需要进行数据采集，需要将接收到的数据转发到 基站节斛1 5 1 。 2 具有网路层次结构的路由协议 在网络管理上经常将网络划分为层次结构的。在这样的网络中，每个节点都 需要承担不同的工作，且每个节点不管是硬件性质还是功能都是不一样的【1 5 l 。 3 基于地理位置的路由协议 在无线传感器网络中，传感器节点的地理位置信息对于路由协议都会起到至 关重要的作用。在路由选择路径时，路由协议一般可以依据目的节点的地理位 置信息找到一条合适的路径。基于地理位置信息的协议一般都需要预先利用定 位算法计算节点位置的，但是当网络节点具有定位装置( 如g p s ) 时路由协 议就可以得到更加精确的地理信息【1 5 】。 4 基于协商的路由协议 这类协议是为了减少在传输过程中产生的数据冗余。在无线传感器网络中， 可能由于节点密度大而导致的节点监测区域重叠，由此监测到的数据会有很多 是相同或相似的。而洪泛的传播数据的方式是会经常使用在无线传感器网络中， 9 武汉理工大学硕士学位论文 而其又会大量传播冗余数据，致使每个节点都会接收到多个相同的数据，这些 最终会导致过多的消耗节点能量。而基于协商的路由协议通过节点相互之间的 协商，可以避免数据的冗余，减少重复数据的发送，节约了节点能量，延长了 网络寿命【1 5 j 。 5 基于多路径的路由协议 前文提过无线传感器网络会因为多种因素导致网络出现问题。当两个节点之 间的路径断掉之后，如果还存在另外一条或多条路径使这对节点联通，就可以 提高网络可靠性，提升网络的容错性能。当然，如果网络中两节点之间存在过 多的路径就会消耗不必要的节点能量。因此，在能耗和网络可靠性之间，基于 多路径的路由协议就要做出平衡1 1 5 】。 6 基于查询的路由协议 在基于查询的路由协议中，基站节点一般都会依据某些条件向一个指定区域 向发出查询请求，处于该指定区域内的所有节点都会向基站节点回应查询的数 据。由于数据是通过查询请求所获得的，所以需要一定的规则来描述所需查询 数据的特性【1 5 l 。 7 基于o o s 的路由协议 想要获得高质量的数据总是会消耗更多的节点能量。能耗和数据质量之间只 有获得一个平衡点才能使网络更加贴近实用，而基于o o s 的路由协议就是通过 在不同因素之间寻找一个适应现实需求的平衡点来提高网络性能的协议【1 5 1 。 2 1 4 几种主要的无线传感器网络路由协议 除开g e a r 路由协议，当前主要的无线传感器网络路由协议有如下几种： 1 ，泛洪( f 1 0 0 d i n 曲协议1 1 6 】规定，网络中的每一个节点都需要接收其邻居节点发 来的数据，然后以广播的方式发送给他其余的邻居节点。就此传播下去，最后 将数据传播给目的节点。洪泛协议非常容易导致信息“内爆 ( i m p l o s i o n ) 和“重 叠( o v e r l a p ) ，造成资源的大量浪费。 2 ，g o s s i p i n g 协议旧是改进自泛洪协议的基础之上的。它是通过随机的选择 一个邻居节点来传播信息数据的，然后就此方式传播下去，直到目的节点。 g o s s i p i n g 协议通过上述传播方式能够避免因为广播而导致的网络能量的大量消 耗，但是他的信息传递时间会被延长。而且g o s s i p i n g 协议仍然存在信息的重叠 现象。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 s p i n ( s e n s o rp r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 0 ) 1 , 3 ( ! 瑙j 是一种以数据 为中心的自适应路由协议。s p i n 协议是为了通过节点之间的协商，解决信息内 爆和信息重叠的现象。s p i n 协议有3 种类型的消息，即a d c 、r e q 和d a t a 。 a d c 用于数据的广播，r e 0 用于请求发送数据，d a t a 为传感器采集的数据包。 4 ，定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 协议【1 9 】是一种基于查询的路由协议。整个路 由过程分为兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚 节点以广播的方式向传感器节点发送兴趣消息。兴趣消息中含有目标区域、任 务类型、时间戳等信息。当传感器节点收到该兴趣信息后，都需将其保存在缓 存中。当整个传感器网络都收到兴趣消息后，便要在汇聚节点和传感器节点之 间，根据成本最小化和能量自适应的原则，建立一个梯度场。最后根据梯度场， 每个节点都会寻求一个最快的路径进行数据传播。 5 l e a c h 2 0 ( l o w e n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 协议的目的为了最 小化传感器网络能量损耗。该协议主要是通过随机选择类头节点，平均分担无 线传感器网络中继节点的任务，达成传感器网络中各节点能量被平均消耗的目 的，以延长网络的生存时间。l e a c h 协议可以将传感器网络生存周期延长1 5 。 2 2 网络编码 2 2 1 网络编码的定义 在传统的通信网络中，传送数据采取的是存储转发的方式，只有数据发送和 接收节点会对数据内容进行处理，而中继节点只需要负责路由转发，不需要对 数据进行任何其他的处理。在网络编码提出以前，研究人员基本都认为在中继 节点处数据进行处理对网络没有益处，但是，r a h l s w e d e 等人在2 0 0 0 年提出的 网络编码理论将这种传统观点彻底推翻了。 网络编码是一种的信息交换技术，它融合了路由和编码。网络编码的运作核 心主要是在网络中的每个节点处对所有收到的信息进行编码处理，然后转发给 下游节点，中间节点在数据传输过程中起着编码器或信号处理器的作用。根据 最大流最小割定理【l l ，数据的发送接收之间的最大通信速率不可能超过双方之 间的最大流值( 或最小割值) ，传统多播路由，不可能达到最大值。r a h l s w e d e 等 人以蝴蝶网络为例，指出经过网络编码，通信速率完全可以达到多播路由传输 的最大速率，从而将信息的传输效率提高了，从此，对网络编码的研究就成为 武汉理工大学硕士学位论文 了现代通信传输技术的一个重要研究方向。 自从在2 0 0 0 年提出网络编码以来，网络编码技术基本上一直都处于研究阶 段，应用于实际应用的情况不多。但这样一种编码算法，支持这种技术的研究 者们声称它提高现有的网络吞吐量近乎一倍，与此同时还能将网络的可靠性和 防范攻击的能力加以改善。 2 2 2 网络编码的提出与现状 网络编码理论在提出时具有非常明确的目标：可以将多播网络中的的多播容 量大大的提高，使其提高到最大流最小割理论中多播容量的最大值。但是随着 网络编码的不断发展与研究，研究者们发现，除了提高网络多播容量，网络编 码可以带给网络更多更大的好处【2 。 在现今的无线网络中，尤其是在无线传感器网络中，无线网络节点所需的能 量一般都由电池来供给。但由于现代能源科学技术和电池技术的限制，节点电 池的容量十分有限，在使用过程中基本都会出现电量耗尽的情况。无线传感器 网络中的节点电池能量都会受到限制，所以传感器网络节点的生存周期也会成 为无线传感器网络的一个重要的指标。因此，如何在节点能量有限的情况下更 为高效的传输处理数据，或者如何在各种恶劣因素下为无线节点进行能量续航 都成为了现在研究的热点课题。在提出的网络编码原理中，在一节点处可以将 收到的多个的有相同下一跳节点地址的数据包加以编码一次发送过去，从而减 少了无线传感器网络中转发数据包的传输次数。如前文提过【1 5 1 ，通过对无线传 感器网络中节点能量消耗的研究可以发现，节点绝大部分的能量消耗都是用于 无线通信模块。而无线节点在处于发送或者接收状态时要比执行计算的状态时 更加耗费能量。因此，将网络编码机制添加进无线传感器网络，能够有效地降 低网络节点的能量消耗，延长节点生存寿命。 2 2 3 网络编码的优点 现如今，随着网络技术的高速发展，网络已经和人类的工作生活息息相关， 网络的应用范围已经扩展到了各行各业，而且随着网络的大范围使用，其使用 人数也