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看了一個星期的路由協議，小總結了一下，具體細節還需探討。![]()
一、泛洪方式( Flooding)
Flooding and gossiping 這種算法也是傳統網絡中最基本的路由方式,不需要知道網絡拓撲結構和使用任何路由算法。每個傳感器節點把自己接收到的packet 發送給所有它的鄰居節點,這個過程一直重複直到該分組到達sink 節點或者該分組的生命到期( TTL ,在傳感器網絡裏面通常定義爲最大跳數) 。Gossiping 算法改進了Flooding 過程,每個傳感器節點只把自己接收到的packet 隨機發送給它的某個鄰居節點,其他不變。
這種方式雖然實現簡單,但是並不實用於相關應用程序,而且還很容易帶來內爆(implosion) 和交疊(overlap) 問題。
二、能量路由
Energy－Aware QoS Routing Protocol
這個算法主要針對實時數據傳輸,也是對的一種擴展。該算法以鏈路花費爲度量參數,用Dijkstra 算法,在sink 和source 節點間建立滿足應用程序指定的傳輸時延的路徑。算法將數據流分爲實時數據和非實時數據,引入一個分類排隊模型來調度不同類型的數據流從而實現相關報文的優先級以滿足其時延要求。
三、平面路由協議
1.SPIN
SPIN( Sensor Protocols for Information via Negotiation)是一組基於協商並且具有能量自適應功能的信息傳播協議. 它使用三種類型的信息進行通信,即ADV、REQ和DATA信息. 在傳送DATA信息前,傳感器節點僅廣播該包含DATA 數據描述機制的ADV信息,當接收到相應的REQ請求信息時,纔有目的地發送DATA信息. 使用基於數據描述的協商機制和能量自適應機制的SP IN協議能夠很好地解決傳統的floodinggossiping協議所帶來的信息爆炸、信息重複和資源浪費等問題.
2.DD
定向擴散路由DD(Directed Diffusion)是一種以數據爲中心的信息傳播協議,與已有的路由算法有着截然不同的實現機制. 運行DD的傳感器節點使用基於屬性的命名機制來描述數據,並通過向所有節點發送對某個命名數據的interest (任務描述符)來完成數據收集. 在傳播interest的過程中,指定範圍內的節點利用緩存機制動態維護接收數據的屬性及指向信息源的梯度矢量等信息 ,同時激活傳感器來採集與該interest相匹配的信息. 節點對採集的信息進行簡單的預處理後,利用本地化規則和加強算法建立一
條到達目的節點的最佳路徑. 經仿真分析,該算法具有很好的節能和可擴展特性.
3.Rumor Routing
在該算法中,每個sensor 節點都維持一個事件列表,其表項包含事件的基本描述、播報該事件的源節點、最先傳遞該事件的上一跳sensor 節點; 另外,引入了一個具有長生命週期的報文,Agent ,用於源節點廣播感知事件的描述信息並在網絡中傳播。
該算法其本質如同SPIN 算法,與之不同的是,該算法通過sensor 節點維護的事件列表信息,能夠維護一條與源節點間之間的路徑,所以經過初始化的泛洪後, 相應路由信息即建立起來了, 從而避免了SPIN 協議中的大量泛洪過程,達到顯著節省能量的
目的。該算法主要適用於具有大量查詢和少量事件的應用場景,如果網絡拓撲結構頻繁變動,該算法性能即大幅下降。該算法同時也是下文將介紹的Directed Diffusion 算法的一個改進。
4.HREEMR
HREEMR(Highly－Resilient, Energy－Efficient Multipath Routing)與前一種協議的不同之處在於它利用多路徑(multipath)技術實現了能源有效的故障恢復,解決了DD爲了提高協議的健壯性,採用週期低速率擴散數據而帶來的能源浪費問題. 它採用與DD相同的本地化算法建立source和sink間的最優路徑p,爲了保障p發生失效時協議仍能正常運行,構建多條與p不相交的冗餘路徑,一旦發生失效現象,即可啓用冗餘路徑進行通信.
5.SMENCE
SMECN( Small Minimum Energy Communication Network)協議是基於節點定位的路由協議,它是在針對Ad－hoc網絡設計的MECN協議基礎上改進的. 該協議通過構建具有ME (最小能量)屬性的子圖來降低傳輸數據所消耗的能量,從而更好地滿足了WSN對節能性的需求. 仿真結果顯示,在廣播範圍能夠達到環繞着廣播機區域內的所有節點的
情況下, SMECN 構建的子圖小於MECN 構建的子圖,在拓撲變化不太頻繁的傳感器網絡中能夠很好地應用.
6.SAR
有序分配路由SAR( Sequential Assignment Routing)協議是第一個具有QoS意識的路由協議.該協議通過構建以sink的單跳鄰居節點爲根節點的多播樹實現傳感器節點到sink的多跳路徑. 它的特點是路由決策不僅要考慮到每條路徑的能源,還要涉及到端到端的延遲需求和待發送數據包的優先級. 仿真結果顯示,與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協議相比, SAR 的能量消耗較少. 該算法的缺點是不適用於大型的和拓撲頻繁變化的網絡.
四、層次路由協議
1.LEACH
LEACH(Low－Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種基於多簇結構的路由協議. 它的基本思想是通過隨機循環地選擇簇首節點將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中,從而達到降低網絡能源消耗、提高網絡整體生存時間的目的.
LEACH在運行過程中不斷地循環執行簇重構過程.每個重構過程分成兩個階段:簇的建立階段和傳輸數據的穩定階段. 爲了節省資源開銷,穩定階段的持續時間要長於建立階段的持續時間. 與一般的基於平面結構的路由協議和靜態的基於多簇結構的路由協議相比. LEACH 可以將網絡整體生存時間延長15%.
2.TEEN
節能的閾值敏感路由TEEN( Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol)是具有實時性的路由協議. 它採用與LEACH 相同的多簇結構和運行方式. 不同的是,在簇的建立過程中,隨着簇首節點的選定,簇首除了通過TDMA方法實現數據的調度,還向簇內成員廣播有關數據的硬閾值和軟閾值兩個參數. 通過設置硬閾值和軟閾值兩個參數, TEEN能夠大大地減少數據傳送的次數,從而達到比LEACH算法更節能的目的. TEEN協議的優點是適用於實時應用系統,可以對突發事件做出快速反應.
它的缺點是不適用於需要持續採集數據的應用環境.
3.PEGASIS
PEGASIS( Power－Efficient Gathering in Sensor Information Systems)協議是在LEACH 基礎上改進設計的. 不同於LEACH的多簇結構, PEGASIS協議在傳感器節點中採用鏈式結構進行連接,鏈中每個節點向鄰節點發送和接受數據,並且只有一個節點作爲簇首向基站sink傳輸數據. 採集到的數據以點到點的方式傳送、融合,並最終被送到sink. 協議的優點是減小了LEACH在簇重構過程中所產生的開銷,並且通過數據融合降低了收發過程的次數,從而降低了能量的消耗.
它的缺點是鏈中遠距離的節點會引起過多的數據延遲,而且簇首節點的唯一性使得簇首會成爲瓶頸.
4.EARSN
EARSN( Energy－Aware Routing for clusterbased SensorNetwork)是基於三層體系結構的路由協議. 該協議要求網絡運行前由終端用戶sink將傳感器節點劃分成簇,並通知每個簇首節點的ID標識和簇內所分配節點的位置信息. 傳感器節點可以以活動方式和備用的低能源方式兩種方式運行並以下面這四種方式之一存在:感知、轉發、感知並轉發、休眠. 與前述集羣路由協議不同的是,該協議的簇首不受能量的限制. 它作爲網絡的中心管理者,可以監控節點的能量變化,決定並維護傳感器的四種狀態.
算法依據兩個節點間的能量消耗、延遲最優化等性能指標計算路徑代價函數. 簇首節點利用代價函數作爲鏈路成本,選擇最小成本的路徑作爲節點與其通信的最優路徑. 經仿真分析,該協議在運行過程中具有很好的節能性、較高的吞吐量和較低的通信延遲.
5.APTEEN
APTEEN (Adaptive Periodic Thresh old - sensitive Energy Efficient sensor Network protocol ) 是TEEN 的設計者們針對TEEN 的缺點進行的改良, 它是一種結合響應型和主動型傳感器網絡策略的混合型網絡路由協議。APTEEN 在TEEN 的基礎上定義了一個計數時間, 當節點從上一次發送數據開始經歷這個計數時間還沒有發送數據, 那麼
不管當前的數據是否滿足軟、硬門限的要求都會發送這個數據。APTEEN 可以通過改變計數時間來控制能量消耗。
6.VGA
VGA (Virtual Grid Architecture routing)是LEACH 算法的一個改進。其主要出發點就是在集羣分組中進行局部和全局的多次數據彙集從而減少冗餘數據的傳輸。該算法將傳感器所在區域切分爲正方形網格,每個區域在某一時刻使用一個sensor節點工作,其它休眠。基於相鄰區域的sensor 節點感知到的數據具有相關性,算法選取其中一個區域內活躍節點作爲局部的的彙集節點,這些節點間的路由則採用類似於Directed Diffusion 算法。
7.SOP(Self－organizing Protocol)
該協議主要適用於具有異構節點的傳感器網絡。使用資源限制小的節點作爲路由器,並固定其位置;其它sensor 節點可以是靜止也可以是運動的,通過固定放置的路由節點接入整個網絡。每個sensor 節點還可以通過接入路由器獲得編址,組成類似於局域網的域空間。
五、地理位置路由( Geographic)
考慮到sensor 節點能夠直接獲取自身地理位置,或者通過某些標杆節點獲取,在很多路由算法中,所以相當的工作通過移植部分在Ad Hoc 研究中的成果取得很好的效果。
1.GEAR( Geographic and Energy Aware Routing)
該算法在Directed Diffusion 算法的基礎上做了一系列改進,考慮到sensor 節點的位置信息而將interest 報文添加地址信息字段,並據其將interest 往特定方向傳輸以替代原泛洪方式,從而顯著節省能量消耗。
該算法引入了估計代價(estimated cost) 和自學習代價(learning cost ) 。通過計算兩者差值來選取更接近sink 節點的sensor 節點作爲下一跳。
2.MECN( Minimum Energy Communication Network)
該協議本質上是爲無線網絡設計的,但是也可直接應用於無線傳感器網絡。該算法的實質注意到在一些場合下,兩個節點直接通信的代價高於經若干中繼節點轉發的代價,故引入中繼區域( relay region) 這一概念,把所有符合標準的中繼節點作爲其組成部分。當兩個節點需要進行數據交換的時候,協議將根據Belmann－Ford 最短路徑法選取能耗最小的一條通路進行傳輸。
可見,該算法是能自配置的,很好的解決了節點失效問題;但是對於節點運動的情況而言,該算法計算中繼區域內的路徑代價急劇上升。
3.GEDIR( the Geographic Distance Routing)
該算法－實質是貪婪算法,sensor 節點轉發分組的時候,根據地理信息,選擇與sink 節點最近的鄰居節點。算法同MFR (Most Forward within Radius) 算法也很接近。類似的, 像GOAFR和SPAN算法都可以直接應用於傳感器網絡。
六、可靠路由協議
SPEED 協議
SPEED 協議是一種非常有效的可靠式路由協議，在一定程度上實現了端到端的傳輸速率保證、網絡擁塞控制以及負載平衡機制。SPEED 協議首先在相鄰節點之間交換傳輸延遲，以得到網絡負載情況；然後節點利用局部地理信息和傳輸速率信息選擇下一跳的節點;同時通過鄰居反饋機制保證網絡傳輸暢通，並且通過反向壓力路由變更機制避開延遲太大的鏈路和路由空洞。
1 ．SPEED 協議的設計目標
1) 只保持鄰居節點的信息，不需要路由表。
2) 提供“力所能及”的速度來滿足傳輸信息的實時要求。
3) 不需要MAC 層有特殊的實時機制或額外的M A C 層Q o S 機制。
4) 利用反向壓力機制避開網絡擁塞，提供Q o S 。
5) 利用不確定的前向併發路徑來平衡網絡繁忙時的負載。
6) 採用分佈式的算法來減少洪泛控制信息。
7) 採用與前述避免擁塞類似的機制來避免路由空洞。
2 ．SPEED 協議的核心結構
1 ）延遲估計機制
在SPEED 協議中，延遲估計機制的作用是得到網絡的負載情況，判斷網絡是否發生擁塞。節點記錄到鄰居節點的通信延遲來表示網絡局部的通信負載。具體過程是：發送節點給數據分組並加上時間戳；接收節點計算從收到數據分組到發出A C K 的時間間隔，並將其作爲一個字段加入ACK 報文；發送節點收到ACK 後，從收發時間差中減去接收節點的處理時間，得到一跳的通信延遲。
2 ）S N G F 算法
SNGF算法用來選擇滿足傳輸速率要求的下一跳節點的算法。節點將鄰居節點分爲兩類：比自己距離目標區域更近的節點和比自己離目標區域更遠的節點。前者稱爲候選轉發節點集合（F C S）。節點計算到其F C S 集合中的每個節點的傳輸速率。FCS 集合中的節點又根據傳輸速率是否滿足預定的傳輸速率閾值，再分爲兩類：大於速率閾值的鄰居節點和小於速率閾值的鄰居節點。若FCS 集合中有節點的傳輸速率大於速率閾值，則在這些節點中按照一定的概率分佈選擇下一跳節點，節點的傳輸速率越大，被選中的概率越大
3 ）鄰居反饋策略（N F L ）
鄰居反饋策略是當SNGF 路由算法中找不到滿足傳輸速率要求的下一跳節點時採取的補償機制。節點首先查看FCS 集合的節點，若FCS 集合中所有節點的傳輸差錯率大於零，則按照特定的公式計算轉發概率；若存在節點的傳輸差錯率爲零，表明存在節點滿足傳輸速率要求，因而設轉發概率爲1 ，即全部轉發。此時M A C 層收集差錯信息，並把到鄰居節點的傳輸差錯率通告給轉發比例控制器，轉發比例控制器根據這些差錯率計算出轉發概率，供SNGF 路由算法作出選路決定。滿足傳輸速率閾值的數據按照SNGF 算法決定的路由傳輸出去，而不滿足傳輸速率閾值的數據傳輸由鄰居反饋環機制計算轉發概率。
4 ）反向壓力路由變更機制
反向壓力路由變更機制在SPEED 協議中用來避免擁塞和路由空洞。當網絡中某個區域發生事件時，節點不再能夠滿足傳輸速率要求，體現在數據量會突然增多，傳輸負載會突然加大。此時，節點便會使用反向壓力信標消息向上一跳節點報告擁塞，並表明擁塞後的傳輸延遲。上一跳節點則會按照上述機制重新選擇下一跳節點。
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