【正文】 的概念，可以找到從源節(jié)點到目標點的最優(yōu)路徑，并使用了本地化算法，能夠很好滿足 WSN 對節(jié)能、魯棒性以及可擴展性的要求。在整個網(wǎng)絡中，所有節(jié)點都存在收發(fā)分組的現(xiàn)象。 本章小結 本章敘述了常用的路由協(xié)議在節(jié)點密集分布的傳感器網(wǎng)絡中使用都存在一定的優(yōu)劣勢，歸納如下： （ 1） 與節(jié)點直接與匯聚節(jié)點通信相比， LEACH 協(xié)議降低了 7 倍 的能耗，與最小傳輸能量路由相比，降低了 4～ 8 倍的能耗。該協(xié)議要求每個節(jié)點維護其鄰居信息，使用SNGF(stateless geographic nondeterministic forwarding)算法尋找路徑，并確保每個報文分組能以指定速度轉發(fā)給匯聚節(jié)點。 GEAR 路由就是這類路由協(xié)議的典型代表 。 在網(wǎng)絡多跳轉發(fā)節(jié)點選擇過程中，往往要依據(jù)一定的準則選取最優(yōu)節(jié)點作為下一跳轉發(fā)節(jié)點。在諸如環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場評估等應用中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點發(fā)出任務查詢命令，傳感器節(jié)點向查詢節(jié)點報告采集的數(shù)據(jù)。高效利 用網(wǎng)絡能量是傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的一個顯著特征，早起提出的一些傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議往往僅考慮了能量因素。當簇內節(jié)點收到這個消息后，它們就會在各自的時間槽內發(fā)生數(shù)據(jù)。非簇頭節(jié)點根據(jù)自己與簇頭之間的距離來選擇加入哪個簇，并告知該簇頭。 協(xié)議是一種自適應分簇拓撲協(xié)議，它的執(zhí)行過程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段 [６ ]。未了延長整個網(wǎng)絡的生存期，簇首節(jié)點需要周期更新。 DD 算法是本文討論的重點，以后的章節(jié)將詳細討論。平面路由的優(yōu)點是網(wǎng)絡中沒有特殊的節(jié)點，網(wǎng)絡流量均勻的分布在網(wǎng)絡中，路由算法易于實現(xiàn)，但卻反對通信資源的優(yōu)化管理，對網(wǎng)絡動彈變化的反應速度較慢。但是，被動路由協(xié)議具有潛在的不確定性，包括目標節(jié)點是否可達的不確定性和路由建立延遲不確定?；顒勇窂浇⑺钑r間定義為路徑建立延遲。當源節(jié)點需要獲得到目的節(jié)點的路由，而該路由又沒有在路由表中時，路由發(fā)現(xiàn)過程被激活。拓撲結構和路由表內容按需建立，它可能僅僅是整個拓撲信息的一部分。 被動路由：也叫按需 (On Demand)路由，與主動路由相反，被動路由認為在動態(tài)變化的網(wǎng)絡環(huán)境中，沒有必要維護去往其他所有節(jié)點的路由。傳統(tǒng)路由協(xié)議如 RIP， OSPF 都屬于主動路由協(xié) 議。 主動路由：也叫表 驅動 (Table Driven)路由，主動路由的路由發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似，節(jié)點通過周期性的廣播路由信息分組，交換路由信息，主動發(fā)現(xiàn)路由；同時，節(jié)點必須維護所有節(jié)點的路由。 （ 4）快速收斂性。 （ 2）可擴展性。設計者需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點的標識和路由的一句，而 無線傳感器完了中大量節(jié)點隨機部署，所關注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，不依賴于全網(wǎng)唯一的標識。 （ 2）基于局部拓撲信息。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量，同時傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目往往很大，節(jié)點只能獲取局部拓撲結構信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡信息的基礎上選擇合適的路徑 [2]。 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 9 圖 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 如圖 新的協(xié)議棧， 它 細化并改進了原始模型。 傳輸層協(xié)議： 傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分 。 數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。 丁仿敏：無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 8 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 隨著傳感器網(wǎng)絡的深入研究，研究人員提出了多個傳感器節(jié)點上的協(xié)議棧。由于要實際測量節(jié)點間的距離或角度，基于距離的定位機制通常定位精度相對較高，所以對節(jié)點的硬件也提出了很高的要求。在傳感器網(wǎng)絡定位過程中，通常會使用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法確定節(jié)點位置。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。 未來保證任務的機密布置和任務執(zhí)行結果的安全傳遞和融合，無線傳感器網(wǎng)絡需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮 性、認證廣播和安全管理。近期提出了 SMAC、 TMAC 和 Sift 等基于競爭的 MAC 協(xié)議， DEANA、 TRAMA、 DMAC 和周期性2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 7 調度等時分復用的 MAC 協(xié)議，以及 CSMA/CA 與 CDMA 相結合、 TDMA 和 FDMA 相結合的 MAC 協(xié)議。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，如多個能量感知的路由協(xié)議，定線擴散和謠傳路由等基于查詢的路由協(xié)議， GEAR 和 GEM 等基于地理位置的路由協(xié)議， SPEED 和 ReInForM 等支持 QoS 的路由協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡協(xié)議復雜使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，目前研究的重點是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉發(fā)的拓撲結構。拓撲控制可以分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構形成兩個方面。 （ 1）網(wǎng)絡拓撲控制 對于無線的自組織的傳感器網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲控制具有特別重要的意義。這就要求在有限的節(jié)點通信能力、有限的節(jié)點計算能力和分布式網(wǎng)絡結構環(huán)境下，傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件都要有很高的健壯性和容錯性，數(shù)據(jù)查詢和管理要具有高效性。而傳感器節(jié)點有可能受到高山、建筑物及風雨雷電等自然因素的影響，要保證數(shù)據(jù)在有限的通信能力下完成正確傳輸是必須考慮的問題。傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心進行尋址，因為它更關心數(shù)據(jù)本身，如事件、時間和區(qū)域范圍等，而并不關注數(shù)據(jù)是那個節(jié)點采集的。 （ 3）自組織性：傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點多應用于人不能或不易到達的地域，而且網(wǎng)絡的動態(tài)性也很強，網(wǎng)絡結構難以事先規(guī)定，因此節(jié)點間通信宜采用非人工的、隨機的自組織方式，是一種無基礎設施的網(wǎng)絡。 （ 2）拓撲結構動態(tài)性強：由于 電源能量的限制，傳感器節(jié)點能量耗盡將勢必影響到網(wǎng)絡的拓撲結構；此外，新節(jié)點的加入或是正常工作的節(jié)點由于外界干擾造成失效都會影響到正在運行網(wǎng)絡的拓撲結構。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如圖 所示。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被 多 個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 3 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡概述 無線傳感器網(wǎng)絡概念及體系結構 無線傳感器網(wǎng)絡結構 無線傳感器網(wǎng)絡可以定義如下：無線傳感器網(wǎng)絡是由一組傳感器以 Ad Hoc 方式構成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者 ［ 3］ 。 第 4 章 是對定向擴散協(xié)議的仿真。在廣泛閱讀 有關傳感器網(wǎng)絡文獻，分析現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡協(xié)議基礎上，針對定向擴散協(xié)議的一些關鍵技術和問題進行研究探索工作，對定性擴散協(xié)議進行了詳細分析。目前，美國的康奈爾大學、麻省理工學院等很多大學開展了無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的研究，先后提出 Flooding、SPIN、 SAR、定向擴散等一系列平面路由協(xié)議和 LEACH、 TEEN、 PEGASIS、等一系列層次路由協(xié)議。由于無線網(wǎng)絡是一門新興技術，在人類生活的各個領域都能起到重要的作用，因此及時的開展這項對人類未來生活影響深遠的前沿科技，對整個國家和社會的經(jīng)濟發(fā)展有著重大的戰(zhàn)略意義。 丁仿敏：無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 2 課題的研究意義 盡管有明顯潛在優(yōu)勢和廣闊應用前景，大量資源受限傳感節(jié)點組成的無線自組織傳感器網(wǎng)絡在網(wǎng)絡設計和信息處理等領域仍面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，多跳通信成為了一個必要條件。后者 是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大，節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更易出現(xiàn)故障；環(huán) 境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡拓撲結構的變化；且傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡的拓撲信息，其上運行的網(wǎng)絡協(xié)議也不能太復雜?？梢灶A計，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和廣泛應用，將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影 響和產(chǎn)生巨大的推動 [1]。最早的代表性論述出現(xiàn)在 1999 年，題為“傳感器走向無線時代”。 定向擴散是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，因為所有的通信以數(shù)據(jù)命名。 本文對其中基于查詢的路由算法予以全面介紹，分析引入無線傳感器網(wǎng)絡中已有的基于查詢的路由協(xié)議的典型代表 Directed Diffusion 路由協(xié)議的原理和實現(xiàn)；對經(jīng)典的定向擴散路由算法 DD 進行分析，由于采用基于無線傳感器網(wǎng)絡模塊的 NS2 平臺對這種算法進行仿真實驗，故對 NS2 進行簡要介紹，并對其協(xié)議框架，和模擬的環(huán)境進行分析；在 NS2 上構建網(wǎng)絡模型環(huán)境，設計實驗方案，對在 NS2 網(wǎng)絡模擬平臺下得到的數(shù)據(jù)進行分析，通過 DD和 泛洪 兩種路由方式的比較評價其性能，并對結果和預期加以分析，進一步深化對定向擴散路由協(xié)議的認識和了解。 NS2 還支持多種有線和無線通信網(wǎng) （包括衛(wèi)星網(wǎng) ）的仿真，能夠對不同網(wǎng)絡層次、不同網(wǎng)絡結構、不同網(wǎng)絡組件進行仿真 。 NS2(Network Simulator, version 2)又稱網(wǎng)絡仿真器，是一款開放源代碼的網(wǎng)絡仿真軟件。 定向擴散路由協(xié)議 (Directed Diffusion, DD)是專門為無線傳感器網(wǎng)絡設計的一種路由協(xié)議，由加州大學洛杉磯分校計算機科學系的 Deborah Estrin 等人在 DARPA 的 199798ISAT 項目完成后提出 。 無線傳感器網(wǎng)絡是一種以通信為中心的，無基礎設施的無線網(wǎng)絡，是 Ad Hoc 網(wǎng)絡的一種典型應用，但它與傳統(tǒng)的 Ad Hoc 網(wǎng)絡相比又有許多不同之處。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網(wǎng)絡的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多 跳 的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡、塑料電子學和仿生人體 器官又被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。本文對各類路由協(xié)議中的經(jīng)典 路由算法作了一定的說明并重點對定向擴散協(xié)議（ Directed Diffusion）作了詳細的分析。這種路由機制具有魯棒性強，節(jié)能性好等特點。 NS2 是一個面向對象的、離散的、事件驅動的網(wǎng)絡仿真工具，可以仿真多種 IP 網(wǎng)絡，已實現(xiàn)許多網(wǎng)絡組件 （如 TCP 和 UDP）、數(shù)據(jù)源生成器（如 FTP， Tel， W eb， CBR 和 VBR ）、路由器隊列管理機制 （如 D rop Tail, RED , CBQ）、路由算法 （如 Dijkstra ）以及 MAC 層協(xié)議。因此，在本次課題采用 NS2 這款仿真軟件進行仿真。本文在分析無線傳感器網(wǎng)絡體系結構的基礎上，重點分析了定向擴散路由協(xié)議。 關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡，路由協(xié)議，定向擴散， NS2丁仿敏：無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 II ABSTRACT Wireless Sensor Network(WSN), which is made by the convergence of sensor, nested putation, works and wireless munication technologies, is a novel technology about acquiring and processing information. It is a latemodel woreless work of infrastructure less work and has a wide application future. Both academia and industries are very interested in it. Because WSN is confronted with many difficulties, such as limited munication ability, limited resources and mobile wlrk etc, so designing reasonable routing protocol is very important. Based on the analysis of wireless sensor work architecture , the author puts focus on the directed diffusion routing protocol. Directed diffusion is datacentric in that all munication is for named data. All nodes in a directed diffusionbased work are applicationaware. This enales diffusion to achieve energy savings by selecting empirically good