无线传感网路由层协议分析

1、无线传感网路由层协议分析杜睿桓1, 于永亮2, 关振宇3, 王金岭41.杜睿桓，学号：201092378 班级：网络1002班 2.于永亮，学号：201055009 班级：英1011班 3.关振宇，学号：201092096 班级：英1008班 4.王金岭，学号：201092417 班级：英1011班 Abstract：This paper analyses the main routing protocol in Wireless Sensor Network, including Flooding, Gossiping, SPIN, LEACH and PEGASIS protocol. F

2、irstly each protocol is analyzed in detail based on data structure and mechanism. Then, the advantages and disadvantages are analyzed to give some foundation for improvement. Finally, a detailed comparison is made about all the protocols according to the previous results.Key words：Wireless Sensor Ne

3、twork; Routing Protocol; Protocol analysis 摘 要：本文对无线传感网络路由层的应用较广泛的协议进行了分析，包括洪泛协议，闲聊协议，以数据为中心的路由协议，低功耗自适应聚类分级协议，高能效采集传感器信息系统，以及其他应用较广泛的路由协议。首先对各个协议进行结构和原理分析，然后分析了协议的优点和缺点。最后根据前人的仿真数据，对各个协议进行了对比。关键词：无线传感网络; 路由协议; 协议分析1 引言无线传感网络作为计算机科学里的一项热门领域，有着不同于传统有线网络的特点，从开始应用至今众多专家学者所贡献的关于无线传感网络的算法和策略，大大推动了其发展的进程。

4、无线传感网路由层协议中，部分协议是以有线网中的一些协议为基础，针对无线传感网的特点进行改进。比较典型的是Flooding协议 1和Gossiping协议 2。协议设计的主要目标是降低能耗，增加通信带宽利用率，减少冗余数据，简化数据结构。基于这些目标，JOANNA KULIK 3等人在2002年开发了较节能SPIN协议，其结构简单、易实现的特点使该协议具有一定的实用性，Debao Xiao 4等人对SPIN协议进行了安全方面的改进。M. J. Handy 5则针对低功耗这一目的开发了LEACH协议，PEGASIS协议 6则对这一协议进行了进一步发展，降低了功耗和通信复杂度，但同时也产生了一系列新

5、问题。2基本路由协议分析以下我们对路由协议进行了系统的分析，包括对结构的简单分析，对优缺点的评价。2.1洪泛（Flooding）2.1.1 原理分析洪泛算法不需要维护任何网络拓扑结构或者路由计算，可以用于无线传感网络。在洪泛协议中，一个节点收到某节点发来的数据包，如果这个数据包的目的地不是该节点，并且数据包没有达到最大跳限，该节点就把数据包转发给除了发送本数据包节点以外的所有邻居节点。图.1给出了洪泛协议的一个例子：节点2给节点1发送一个数据包，节点1把该数据包转发给节点3，4，5。图.1 Flooding广播 优点和缺点分析洪泛协议非常容易实现，它是反应性的协议，不用维护任何路由表、拓扑结构

6、，也不需要进行路由发现。但洪泛协议有几个缺点，它占用了大量带宽并且浪费了大量能源，二者对于无线传感网节点来说都是很宝贵的资源，由相同节点产生的相似数据也会产生洪泛，即协议不进行数据聚合。2.2闲聊协议（Gossiping） 原理分析由于泛洪路由在数据传输过程中存在大量无用的重复广播信息，造成了广播信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap)1，使得传感器节点的能量很快就被耗尽，网络生存时间很短。为了解决这个问题，S.hedetniemi 7等人提出了闲聊(Gossiping)策略。Gossiping协议是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一

7、个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。2.2.3 优点和缺点分析这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象，此外还增加了端到端的数据时延。2.3以数据为中心的路由协议（SPIN）2.3.1 协议分析SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation )协议是基于FLOODING协议的基础上提出的一种平面路由协议，它的各网络节点的地位是平等的，不存在层次和地位的差异，结构简单，不需

8、要网络结构方面的设计及维护等工作。SPIN还是一种以数据为中心的路由协议，它不是按照IP寻址，而是按照数据属性寻址。传感器采集到的数据按照属性命名，以便传输过程中数据的融合，减少通信流量。传感器节点在发送数据前进行协商，这样就不会有数据内爆和重叠的现象。SPIN的节点协商过程中还通过使用元数据减少能量的消耗。SPIN协议节点利用三种消息进行通信数据描述ADV，数据请求REQ和数据DATA。如图.2,传感器节点通过三次握手进行通信。A节点收到或是采集到数据DATA，用包含元数据的ADV向邻居节点通告； B节点收到通告并对该数据DATA感兴趣，B会先检查自己是否已有了DATA数据，若没有会发送数据

9、请求REQ；A节点收到REQ后会将数据DATA发送给请求节点。图.2 数据扩散、数据请求、数据传送2.3.2 优点和缺点分析SPIN的优点：一、结构简单，相对分层路由协议来讲，它省去了对网络结构的维护工作，信息较平均地分布在整个网络中，并且每个传感器节点只需知道它的邻居节点，无需知道网络的拓扑信息；二、通信流量小，相对FLOODING路由来讲，它通过节点间通信协商和资源自适应机制实现信息选择传递，避免了FLOODING广播信息造成的大量冗余，延长了网络的使用寿命；三、节约能源，减少浪费。SPIN的缺点：一、作为一种平面路由协议，它的可扩展性较差，对网络规模也有一定限制，不适合规模较大的网络。二

10、、存在数据盲点，若有一个节点出现故障，其他节点无法感知到，数据传输就会遭到阻断；三、对网络的动态变化反应较慢。2.4低功耗自适应聚类分级协议(LEACH)2.4.1结构介绍在无线传感器网络的协议中，路由层的协议尤其重要。而分层路由协议是指在所有节点中选取一部分节点，其中每个节点负责一个区域的路由，节点之间不是平等关系，有从属关系。LEACH协议全称是“低功耗自适应集簇分层型协议” (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。Leach协议是一种分层路由协议。在这个协议中，传感器网络被划分为几个簇，每个簇由一个簇首和多个簇成员组成。簇首节点负责管理区域内

11、其它节点，收集域内节点的信息并进行处理，还负责簇之间数据信息的转发，因此，簇首需要消耗更多的能量。而高一级网络中的簇成员是低一级网络的簇首，这样便形成了一种树状分层结构（如图.3）。簇首节点以循环的方式随机选出，将整个网络的能量消耗平均到每个节点中。图.3 LEACH网络结构由于Leach协议有以上特点和结构，所以它易于扩展，并且降低整个网络能源的消耗，把网络整体的生存时间提高了大约15%。2.4.2 原理分析Leach协议主要包括两个阶段：簇建立阶段和稳定运行阶段。簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为一轮(round)。其中稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段，以减少协议开销。簇建立

12、阶段可以分为4个部分：1，簇首节点的选择；2，簇首节点的广播；3，簇首节点的建立；4，调节机制的生成。簇首节点的选择：簇首节点的选择依据网络中所需要的蔟首节点总数和迄今为止每个节点已成为蔟首节点的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为蔟首节点。阈值Tn=P1-P*r mod 1P, &if n G 0 otherwise &簇首节点的广播和簇首节点的建立：选定簇首节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的蔟首节点，并通知相应的蔟首节点，完成蔟的建立。最后，蔟首节点采

13、用TDMA方式为蔟中每个节点分配向其传递数据的时间点。在稳定阶段，传感器节点将自己采集的数据传给簇首节点，簇首节点对簇中所有节点所收集的数据进行信息融合后再传给汇聚节点，这种工作模式使用了比较少的通讯业务量，减少了能耗。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。2.4.3优点和缺点分析由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周

14、围没有任何簇头节点。由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。2.5高能效采集传感器信息系统(PEGASIS)2.5.1 原理分析PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）的主要思想是：每个节点从最近的邻居节点接受和传送消息，然后作为首节点与基站（BS）进行传送。这种方法可以把能源负载均匀地分布到网络的各个传感器节点。初始的时候，节点被随机地分布在监测区域，即任意节点i位于随机的位置。所有节点会从某个

15、节点开始运行贪心算法来组织生成一个链。或者由基站计算好这个链然后向所有节点广播计算结果。运行PEGASIS协议时，每个节点为了保证自己发送的信号只有最近的节点能收到，首先根据附近节点的信号强度来判断各个节点与自己的距离，然后调整自己发送的信号强度。其次，链中的每个节点向邻居节点发送忽然接受数据，并且只选择其中一个节点作为链首向汇聚节点传送数据。收集到的数据以点对点的形式进行传递和聚合，最后发送到汇聚节点。如图.4所示：图.4 PEGASIS网络结构优点和缺点分析PEGASIS协议通过从多个层次节省能耗而对LEACH协议做出改进：第一，在本地汇聚中，大多数节点的传送距离要远远小于LEACH协议中

16、的向簇头节点传送；第二，在100个节点的试验中，链首节点的数据传送量最多是2条数据，远小于LEACH协议的20条；第三，在单个通讯周期中，只有一个节点会向链首节点传送数据。因此，PEGASIS性能更优于LEACH协议，它消除了建立动态集群的能耗，缩小了非链首节点的必要传输距离，限制了所有节点的传送和接受次数，在每次通讯周期中只和基站通讯一次。然而PEGASIS协议的一些假设在实际网络中并不成立，协议假定每个节点能够直接与汇聚节点进行通信，但实际上，这一过程往往需要多条方式。协议根据贪心算法构建的链接中，远距离节点会引起过多的数据延迟，并且链首节点的唯一性会使链首节点成为通信瓶颈。协议假定所有的

17、节点都具有相同级别的能量，因此所有节点有可能在同一时刻同时死机。尽管协议避免了重构簇的开销，但由于节点要检测附近节点的信号强度，需要动态调整拓扑结构，这对于利用率高的网络而言，会产生更大的能量开销。3其他路由协议3.1定向扩散DD路由协议3.1.1 原理分析DD(Directed Diffusion)协议 8是以数据为中心、查询驱动的路由协议。该路由协议分为三个阶段: 兴趣（interest）扩散阶段、梯度(gradient)建立阶段、 路径加强阶段。兴趣消息表示查询任务。sink节点周期性地向邻居节点以泛洪的方式广播兴趣消息（interest）。当节点收到兴趣消息后建立相应的梯度并将兴趣消息

18、继续广播给它的邻居节点，建立临时的梯度场。传感器节点将采集的数据沿着梯度方向发送到sink节点。然后sink节点从若干条返回路径中选择一条代价最小的作为加强路径，后续的数据将沿着加强路径发送到sink节点。图.5 DD协议运行过程3.3.2 优点和缺点分析数据中心路由，定义不同人物类型/目标区域或消息；路径加强机制可显著提高数据传输的速率；周期性路由：能量的均衡消耗。周期性的洪泛机制能量和时间消耗都比较大；节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大。3.2 SAR路由协议：3.2.1 原理分析SAR协议 9是第一个具有QoS（服务质量，是一种网络安全机制，用于解决网络延迟及阻塞问题的一项技术）意识

19、的路由协议。该协议采用了多径路由备份方法和局部路径恢复机制。它的特点是路由决策不仅要考虑到每条路径的能源，还要涉及端到端的延迟需求和待发数据包的优先级。每个树以落在汇聚点有效传输半径内的节点为根向外生长，枝干的选择需满足一定的QoS要求并要有一定的能量储备。节点可以根据每条路径的能源、附加的QoS度量和包的优先级选择某棵树将信息返回给汇聚点。为了在每个传感节点与sink节点间生成多条路由，需要维护多个树结构，每个树以sink节点的邻接点（落在sink节点有效传输半径内的节点）为根向外生成，枝干的选择需要满足一定的QoS需求并要有一定的能量储备。这种处理方法使大多数传感节点可能同时属于多个树，则

20、选择其中之一将采集数据传送到sink节点。如图.6所示：图.6 SAR协议网络结构注：图中传感节点A、B到sink节点的路径均有多条，灰色节点为sink节点的邻接点。如上所述，整个过程必须建立根植于传感节点到sink节点之间的、避免低能量节点并满足QoS保证的树。因此，SAR协议的目标就是在网络整个生存周期内最小化平均加权QoS准则（加权QoS准则即一个可加性QoS准则和分组优先级的权值系数之乘积）。2该协议还考虑到网络拓扑结构的任何变化会引起sink节点触发周期性的路径重新计算过于频繁，在邻居节点之间，通过强化每条路径上、下游节点之间路由表的一致性，使用基于局部路径恢复机制的握手交互过程来恢

21、复故障。这样SAR协议既维护了传感节点到sink节点的多条路径，也确保了容错和故障的便捷。3.2.2 优点和缺点分析仿真结果显示，与只考虑路径能量消耗的最小能量度量协议相比，SAR能量消耗更少。不适合于大型和拓扑频繁变化的网络。4. 几种路由协议性能比较表.1 几种路由协议的性能比较比较参数FloodingGossipingSPINLEACHPEGAGISDDSAR健壮性不好不好不好好好好好冗余处理没有没有有有有有有能量感知不好不好好好好好好使用数据属性描述否否是否否是否路由优化没有没有没有没有有有有信息爆炸有没有没有没有没有没有没有路由策略主动主动按需按需主动按需按需QoS支持没有没有没有没

22、有没有没有有5结束语无线传感网络是一种比较新兴的技术，在军事和民用通信行业都起到很重要的作用，在数据采集、传送等各个方面的应用更是举足轻重。对于无线传感网络路由层协议的设计，应以降低节点工作能耗，提高传输效率，降低数据冗余量，减小数据包维护结构的开销为目的，来提高网络可靠性，健壮性，容错性和可扩展性。很多有线网络的协议针对无线传感网特点进行适当修改，也可以应用到无线领域，因此，在网络协议的研究中要首先借鉴前人的思想。本文对6个主要网络协议进行了详细分析，并对其他协议进行了简要分析，得出一些具有参考价值的对比数据。6参考文献1. Kusy，Maróti，BranislavMikl

23、43;s. The Flooding Time Synchronization Protocol. ACM. 2004年.2. Sandra M. HedetniemiT. Hedetniemi, Arthur L. LiestmanStephen. A survey of gossiping and broadcasting in communication networks. Wiley Periodicals, Inc., A Wiley Company. DOI: 10.1002/net.3230180406, 11 OCT 2006年.3. J. KulikR. Heinzelman, and H. Balak- rishnanW. Negotiation-based p