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WSN的路由協議分類

發布時間:2008/11/28 0:00:00 訪問次數:1733

  目前國內外科研人員已設計了多種面向wsn的路由協議,將其分為四類:以數據為中心的、分層次的、基于位置的、基于數據流模型和服務質量(qos)要求的。

  (1)以數據為中心的路由協議

  此類路由協議是基于查詢和目標數據命名之上的,通過數據融合減少冗余的數據傳輸。

  ①flooding協議和gossiping協議:這是兩個最經典和簡單的傳統網絡路由協議,在flooding協議中,節點產生或收到數據后向所有鄰節點廣播,數據包直到過期或到達目的地才停止傳播。該協議具有嚴重缺陷:內爆(implosion),節點幾乎同時從鄰節點收到多份相同數據;交疊(overlap),節點先后收到監控同一區域的多個節點發送的幾乎相同的數據;資源利用盲目(resource blindness),節點不考慮自身資源限制,在任何情況下都轉發數據。gossiping協議是對flooding協議的改進,節點將產生或收到的數據隨機轉發,避免了內爆,但增加了時延。這兩個協議不需要維護路由信息,也不需要任何算法,簡單但擴展性很差。

  ②spin協議:spin(sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation)協議節點利用三種消息進行通信:數據描述adv、數據請求req和數據data。該協議以抽象的元數據對數據進行命名,命名方式沒有統一標準。節點產生或收到數據后,用包含元數據的adv消息向鄰節點通告,需要數據的鄰節點用req消息提出請求,然后將data消息發送到請求節點。該協議的優點是adv消息減輕了內爆問題;通過數據命名解決了交疊問題;節點根據自身資源和應用信息決定是否進行adv通告,避免了資源利用盲目問題;與flooding協議和gossiping協議

  相比,有效地節約了能量。其缺陷是:spin的廣播機制不能保證數據的可靠傳送,當產生或收到數據的節點的所有鄰節點都不需要該數據時,將導致數據不能繼續轉發,以致較遠節點無法得到數據;而當某sink點對任何數據都需要時,其周圍節點的能量容易耗盡。圖1表示了spin協議的路由建立與數據傳輸。

  圖1 spin協議的路曲建立與數據傳輸

  ③定向擴散(directed diffusion,dd)協議:dd協議用一組屬性值命名它生成的數據。為建立路由,sink節點在整個網絡或部分區域內flooding包含查詢任務的interest消息;沿途節點按需對各interest進行緩存與合并,并根據interest計算、創建包含數據上報率、下一跳等信息的梯度(gradient),從而建立多條指向sink點的路徑。interest中的地理區域內節點則按要求啟動監測任務,并周期性地上報數據,途中各節點可對數據進行緩存與聚合;sink點可在數據傳輸過程中通過對某條路徑發送上報間隔更小或更大的interest,以增強或減弱數據上報率。該協議的優點是:采用多路徑,健壯性好;使用數據聚合減少了數據通信量;sink點根據實際情況采取增強或減弱方式有效利用能量;使用查詢驅動機制按需建立路由,避免了保存全網信息。其缺點是:不適合環境監測等應用;建立梯度開銷很大,不適合多sink點網絡;數據聚合采用時間同步技術,帶來較大開銷和時延。圖2表示了directed diffusion協議的路由建立過程。

  圖2 directed diffusion協議的路由建立過程

  ④rumor協議:rumor協議引人了查詢消息的單播隨機轉發。當節點監測到事件后將其保存,并創建稱為代理(agent)的生命周期較長的包括事件和源節點信息的數據包,將其按一條或多條隨機路徑在網絡中轉發,收到agent的節點根據事件和源節點信息建立反向路徑,并將agent再次隨機發送到相鄰節點,并可在再次發送前在agent中增加其已知的事仵信息。同時sink節點的查詢請求也沿著一條隨機路徑轉發,當兩路徑交叉時則路由建立;如不交叉,sink點可flooding查詢請求。該協議優點是:適用于多sink點、查詢請求數目很大、網絡事件很少的情況。其缺點是:如果事件非常多,維護事件表和收發agent帶來的開銷會很大;且因rumor協議使用隨機方式生成路徑,數據傳輸路徑不是最優,甚至可能存在路由環路問題。圖3表示了rumor協議中agent路徑與查詢路徑的交叉情形。

  圖3 謠傳路由原理圖

  (2)分層次的路由協議

  此類路由協議是讓節點參與到特定的節點簇內的多跳通信,簇頭再進行數據聚合,減少向sink節點傳送的消息數量,從而達到節省能量和提高可擴展性的目的。

  ①低能量自適應聚簇分層(low energy adaptive clustering hierarchy,leach)協議的具體實現過程分兩個階段:成簇階段和穩定階段(即數據傳輸階段),這兩個階段的時間總和為一輪(round)。在成簇階段,每個節點選取一個介于0和1之間的隨機數

  目前國內外科研人員已設計了多種面向wsn的路由協議,將其分為四類:以數據為中心的、分層次的、基于位置的、基于數據流模型和服務質量(qos)要求的。

  (1)以數據為中心的路由協議

  此類路由協議是基于查詢和目標數據命名之上的,通過數據融合減少冗余的數據傳輸。

  ①flooding協議和gossiping協議:這是兩個最經典和簡單的傳統網絡路由協議,在flooding協議中,節點產生或收到數據后向所有鄰節點廣播,數據包直到過期或到達目的地才停止傳播。該協議具有嚴重缺陷:內爆(implosion),節點幾乎同時從鄰節點收到多份相同數據;交疊(overlap),節點先后收到監控同一區域的多個節點發送的幾乎相同的數據;資源利用盲目(resource blindness),節點不考慮自身資源限制,在任何情況下都轉發數據。gossiping協議是對flooding協議的改進,節點將產生或收到的數據隨機轉發,避免了內爆,但增加了時延。這兩個協議不需要維護路由信息,也不需要任何算法,簡單但擴展性很差。

  ②spin協議:spin(sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation)協議節點利用三種消息進行通信:數據描述adv、數據請求req和數據data。該協議以抽象的元數據對數據進行命名,命名方式沒有統一標準。節點產生或收到數據后,用包含元數據的adv消息向鄰節點通告,需要數據的鄰節點用req消息提出請求,然后將data消息發送到請求節點。該協議的優點是adv消息減輕了內爆問題;通過數據命名解決了交疊問題;節點根據自身資源和應用信息決定是否進行adv通告,避免了資源利用盲目問題;與flooding協議和gossiping協議

  相比,有效地節約了能量。其缺陷是:spin的廣播機制不能保證數據的可靠傳送,當產生或收到數據的節點的所有鄰節點都不需要該數據時,將導致數據不能繼續轉發,以致較遠節點無法得到數據;而當某sink點對任何數據都需要時,其周圍節點的能量容易耗盡。圖1表示了spin協議的路由建立與數據傳輸。

  圖1 spin協議的路曲建立與數據傳輸

  ③定向擴散(directed diffusion,dd)協議:dd協議用一組屬性值命名它生成的數據。為建立路由,sink節點在整個網絡或部分區域內flooding包含查詢任務的interest消息;沿途節點按需對各interest進行緩存與合并,并根據interest計算、創建包含數據上報率、下一跳等信息的梯度(gradient),從而建立多條指向sink點的路徑。interest中的地理區域內節點則按要求啟動監測任務,并周期性地上報數據,途中各節點可對數據進行緩存與聚合;sink點可在數據傳輸過程中通過對某條路徑發送上報間隔更小或更大的interest,以增強或減弱數據上報率。該協議的優點是:采用多路徑,健壯性好;使用數據聚合減少了數據通信量;sink點根據實際情況采取增強或減弱方式有效利用能量;使用查詢驅動機制按需建立路由,避免了保存全網信息。其缺點是:不適合環境監測等應用;建立梯度開銷很大,不適合多sink點網絡;數據聚合采用時間同步技術,帶來較大開銷和時延。圖2表示了directed diffusion協議的路由建立過程。

  圖2 directed diffusion協議的路由建立過程

  ④rumor協議:rumor協議引人了查詢消息的單播隨機轉發。當節點監測到事件后將其保存,并創建稱為代理(agent)的生命周期較長的包括事件和源節點信息的數據包,將其按一條或多條隨機路徑在網絡中轉發,收到agent的節點根據事件和源節點信息建立反向路徑,并將agent再次隨機發送到相鄰節點,并可在再次發送前在agent中增加其已知的事仵信息。同時sink節點的查詢請求也沿著一條隨機路徑轉發,當兩路徑交叉時則路由建立;如不交叉,sink點可flooding查詢請求。該協議優點是:適用于多sink點、查詢請求數目很大、網絡事件很少的情況。其缺點是:如果事件非常多,維護事件表和收發agent帶來的開銷會很大;且因rumor協議使用隨機方式生成路徑,數據傳輸路徑不是最優,甚至可能存在路由環路問題。圖3表示了rumor協議中agent路徑與查詢路徑的交叉情形。

  圖3 謠傳路由原理圖

  (2)分層次的路由協議

  此類路由協議是讓節點參與到特定的節點簇內的多跳通信,簇頭再進行數據聚合,減少向sink節點傳送的消息數量,從而達到節省能量和提高可擴展性的目的。

  ①低能量自適應聚簇分層(low energy adaptive clustering hierarchy,leach)協議的具體實現過程分兩個階段:成簇階段和穩定階段(即數據傳輸階段),這兩個階段的時間總和為一輪(round)。在成簇階段,每個節點選取一個介于0和1之間的隨機數

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