【文章內(nèi)容簡介】 制網(wǎng)絡(luò)中搜索路由的范圍，減少路由控制分組的數(shù)量，一般用于基于泛洪的路由協(xié)議的改進。（2） 基于地理位置信息的路由協(xié)議。該類協(xié)議直接使用地理位置信息建立路由，節(jié)點直接根據(jù)位置信息制定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略。 典型的基于地理位置信息的路由協(xié)議有位置輔助路由協(xié)議LAR，基于地理位置信息的路由協(xié)議GAF、GPSR、和GEAR。 WSN路由協(xié)議的發(fā)展 路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前研究的熱點之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其自身資源受限的特點，對路由協(xié)議的要求非常高，設(shè)計一個通用的路由協(xié)議是一件非常困難的事。一般傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計都專門對特定的應(yīng)用場景，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的專一性，為設(shè)計高效專用的路由協(xié)議帶來了可能性。盡管如此，WSN的路由設(shè)計還是存在大量挑戰(zhàn)，這些問題包括傳統(tǒng)的Internet路由協(xié)議中碰到的問題，還包括由WSN自身的特點引入的問題。盡管在WSN路由算法的研究上取得了很多進展，但還是有一些根本性的問題需要進一步地解決[10]。 在Internet路由協(xié)議中，當(dāng)節(jié)點鏈路發(fā)生變化的時候，其設(shè)計思想是以最快的速度將該變化通知網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點，并重新調(diào)整和計算最短路由。鏈路變化越快，由此引起的路由開銷也就越大。WSN中顯然不適合這種方法，一方面是因為無線鏈路的不穩(wěn)定性，節(jié)點間鏈路發(fā)生變化的頻率太高，維護起來代價太大；另一方面是因為WSN中節(jié)點的能量有限，處理能力低，無線通信帶寬窄，而且存儲空間也小，及時獲得整個網(wǎng)絡(luò)拓撲改變的信息幾乎是不可能的。WSN不適合采用傳統(tǒng)的全局中心控制式路由算法精確計算優(yōu)化路徑以達到全局優(yōu)化，適合WSN的是一些基于局部優(yōu)化的分布式算法。這要求網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點在只與有限范圍內(nèi)的節(jié)點交互的前提下，實現(xiàn)局部優(yōu)化。局部優(yōu)化算法具有簡捷、魯棒、可擴展等優(yōu)點，但是由于只能獲取局部信息，不能實現(xiàn)全局優(yōu)化。 WSN中的QoS支持問題是如何動態(tài)地配置網(wǎng)絡(luò)資源使數(shù)據(jù)傳輸更有效，效率更高。WSN中QoS路由的工作主要包括兩個方面：一是找到滿足QoS需求的路由，在網(wǎng)絡(luò)拓撲和信道狀態(tài)頻繁變化的情況下維護該路由；二是要盡量提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，在降低能耗和保證網(wǎng)絡(luò)的QoS之間找到最佳的平衡點。無線信道的不穩(wěn)定性、節(jié)點的移動性以及網(wǎng)絡(luò)資源的有限性，都給QoS路由的設(shè)計帶來了困難。 WSN通過無線鏈路來傳送數(shù)據(jù)，無線通信的廣播特性使其更容易受到竊聽、假冒、篡改等攻擊。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的主要攻擊有以下幾種[11]： （1）虛假的路由信息。通過欺騙、更改和重發(fā)路由信息，攻擊者可以創(chuàng)建路由環(huán)，吸引或者拒絕網(wǎng)絡(luò)信息流通量，延長或者縮短路由路徑，形成虛假的錯誤信息、分割網(wǎng)絡(luò)、增加端到端的時延等。 （2）選擇性轉(zhuǎn)發(fā)（selective forwarding）。節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，有選擇地轉(zhuǎn)發(fā)或者根本不轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不能到達目的地。 （3）Sinkhole攻擊。攻擊者通過聲稱自己電源充足、可靠而且高效等手段，吸引周圍的節(jié)點選擇它作為其路由路徑中的點，然后和其他的攻擊結(jié)合起來，達到攻擊的目的。 （4）Sybil攻擊。在這種攻擊中，單個節(jié)點以多個身份出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點面前，使其更易成為路由路徑中的節(jié)點，然后和其他攻擊方法結(jié)合使用，達到攻擊的目的。 （5）Wormhole攻擊。這種攻擊通常需要兩個惡意節(jié)點相互串通，合謀進行攻擊。一般情況下，一個惡意節(jié)點位于Sink節(jié)點附近，另一個惡意節(jié)點離Sink較遠。較遠的那個節(jié)點聲稱自己和Sink附近的節(jié)點可以建立低時延和高帶寬的鏈路，從而吸引周圍節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)到它這里。在這種情況下，遠離Sink的那個惡意節(jié)點其實也是一個Sinkhole。Wormhole攻擊可以和其他攻擊結(jié)合使用。 （6）Hello flood攻擊。很多路由協(xié)議需要傳感器節(jié)點定時發(fā)送Hello包，以聲明自己是它們的鄰居節(jié)點。但是一個較強的惡意節(jié)點以足夠大的功率廣播Hello包時，收到Hello包的節(jié)點會認為這個惡意節(jié)點是它們的鄰居。在以后的路由中，這些節(jié)點很可能會使用這條到惡意節(jié)點的路徑，向惡意節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。事實上，由于該節(jié)點離惡意節(jié)點距離較遠，以普通的發(fā)射功率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包根本到不了目的地。 （7）確認欺騙。一些傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法依賴于潛在的或者明確的鏈路層確認。由于廣播媒介的內(nèi)在性質(zhì)，攻擊者能夠通過偷聽通向臨近節(jié)點的數(shù)據(jù)包，發(fā)送偽造的鏈路層確認。目標(biāo)包括使發(fā)送者相信一個弱鏈路是強壯的，或者是相信一個已經(jīng)失效的節(jié)點還是可以使用的。因為沿著弱連接或者失效連接發(fā)送的包會發(fā)生丟失，攻擊者能夠通過引導(dǎo)目標(biāo)節(jié)點利用那些鏈路傳輸數(shù)據(jù)包，從而有效地使用確認欺騙進行選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊。 能量是WSN中一個重要的話題。傳感器節(jié)點一般都依靠電池提供能源，WSN路由協(xié)議需要考慮路由算法的能量效率問題，基本思想是盡量減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)和大小，采用自適應(yīng)設(shè)計方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整路由協(xié)議及參數(shù)，以達到高效利用能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。常用的幾種用于優(yōu)化的方法有數(shù)據(jù)重命名機制、數(shù)據(jù)融合機制、節(jié)點休眠機制以及網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)機制。由于前三種機制從理解上比較容易，所以在此不做累述，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)機制是指節(jié)點根據(jù)自己的處理能力、剩余能量以及網(wǎng)絡(luò)拓撲情況等一些因素，動態(tài)調(diào)整路由協(xié)議參數(shù)以及節(jié)點的功能和狀態(tài)。 本章小結(jié) 本章主要敘述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的概況、特點以及關(guān)鍵技術(shù)。簡要地介紹了幾種典型的路由機制，即以數(shù)據(jù)為中心的平面路由、集群路由和地理位置信息路由，并且全面的介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展趨勢。路由協(xié)議不僅要考慮節(jié)能，更要從整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度，根據(jù)具體的應(yīng)用背景，考慮網(wǎng)絡(luò)能量的均衡使用，最終延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。第3章 DSR路由協(xié)議 DSR路由協(xié)議簡介動態(tài)源路由協(xié)議(DSR,Dynamic Source Routing)是一種按需路由協(xié)議，也可以稱作反應(yīng)式路由協(xié)議，它允許節(jié)點動態(tài)地發(fā)現(xiàn)到達目的節(jié)點的多跳路由。所謂源路由，是指在每個數(shù)據(jù)分組的頭部攜帶有在到達目的節(jié)點之前所有分組必須經(jīng)過的節(jié)點的列表，即分組中含有到達目的節(jié)點的完整路由[2]。DSR是如今移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中典型的一種路由協(xié)議，但是由于移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)上的相似性，有理由相信DSR路由協(xié)議是能夠移植到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的，但是要將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中，就必須對其的算法及思路非常熟悉，本次設(shè)計的主要工作在于分析與理解DSR路由協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上進行仿真運行，以便今后從路由建立過程以及能量效率上對其進行向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移植和改進。在DSR路由中，不用周期性地廣播路由控制信息，DSR路由協(xié)議中的所有狀態(tài)都是“軟狀態(tài)”，任何狀態(tài)的丟失都不會影響DSR路由協(xié)議的正確操作，因為所有狀態(tài)都是按需建立的，所有狀態(tài)在丟失之后如果仍然需要的話則能夠很容易得到迅速恢復(fù)，這樣就能減少網(wǎng)絡(luò)的帶寬開銷，節(jié)約電池能量消耗，避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大范圍的路由更新。 DSR路由協(xié)議原理DSR協(xié)議主要包括路由發(fā)現(xiàn)（Route Discovery）和路由維護（Route Maintenance）兩大部分[6]。路由發(fā)現(xiàn)和路由維護協(xié)同工作保證了節(jié)點維持的到達目的節(jié)點的路由的及時和有效性。[7]。 路由請求 路由應(yīng)答 路由發(fā)現(xiàn)：當(dāng)源節(jié)點S要發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點D，但是源節(jié)點并不知道到達目的節(jié)點的路由信息時，源節(jié)點就會發(fā)起一次路由發(fā)現(xiàn)過程。為了建立一條路由，源節(jié)點廣播一個路由請求（Route Request）分組，當(dāng)該請求分組到達目的節(jié)點，或者是到達某個中間節(jié)點且該節(jié)點具有到達目標(biāo)節(jié)點的路由信息時，這些節(jié)點就向源節(jié)點發(fā)送一個包含著S到D的完整路由信息的路由應(yīng)答（Route Reply）分組，源節(jié)點S就會根據(jù)這些信息建立新的路由。 路由維護：由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的移動性，網(wǎng)絡(luò)拓撲隨時會發(fā)生變化，一條路徑中的某兩個節(jié)點可能會因距離超出雙方的傳輸半徑或其它的原因諸如中間節(jié)點故障等而導(dǎo)致現(xiàn)存路由信息的失效。當(dāng)路由維護指明某個源路由失效時，就使用路由錯誤（Route Error）分組通知源節(jié)點S，源節(jié)點S就會嘗試使用其它可以到達目的節(jié)點D的路由路徑，或者再一次發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程來尋找一條新的路由路徑。這個過程被稱為路由維護。 使用DSR協(xié)議進行通訊的任何節(jié)點都需要維護如下四個概念性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即路由緩存（Route Cache）、發(fā)送緩沖區(qū)（Send Buffer）、路由請求表（Route Request Table）和重傳緩沖區(qū)（Retransmission Buffer）：路由緩存：一個使用DSR參與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點所需的所有路由信息都存儲在路由緩存中。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點維護自己的路由緩存。當(dāng)一個結(jié)點聽到傳感器網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點之間的新鏈路時會將該信息添加進緩存中；同樣的當(dāng)一個結(jié)點得知現(xiàn)存路由信息失效時，將會從緩存中刪除該信息，如果路由緩存溢出，需要采用LRU（Least Recently Used）算法來進行淘汰處理。發(fā)送緩沖區(qū)：結(jié)點的發(fā)送緩沖區(qū)是一些由于該結(jié)點沒有一個到達目的節(jié)點的源路徑而不能被該結(jié)點發(fā)送的分組組成的隊列。一般來講，節(jié)點在將分組插入發(fā)送緩沖區(qū)的同時就會發(fā)起一個路由發(fā)現(xiàn)過程，如果路由發(fā)現(xiàn)過程成功的話，這些分組就會被發(fā)送出去。在發(fā)送緩沖區(qū)中的每個分組都標(biāo)記了它進入發(fā)送緩沖區(qū)的時間，當(dāng)在被放入SEND_BUFFER_TIMEOUT秒后，它將被丟棄。如果必須的話，可以采用FIFO策略將分組在沒有超時時將其丟棄以防止發(fā)送緩沖區(qū)的溢出。路由請求表：如果某節(jié)點發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)了發(fā)往某目的結(jié)點的路由請求分組，則在接下來的DSR_REQ_TIMEOUT時間間隔內(nèi)，該節(jié)點將不允許再次向這個目的結(jié)點發(fā)送路由請求分組。節(jié)點的路由請求表是最近該結(jié)點發(fā)出的或轉(zhuǎn)發(fā)的路由請求分組的的集合，其中每一個條目都記錄了其被插入路由請求表的時間，當(dāng)超時后這些條目將會被刪除，如果路由請求表溢出，需要采用LRU算法來進行淘汰處理。重傳緩沖區(qū)：DSR路由維護的基礎(chǔ)就是每個節(jié)點需要在發(fā)出或者轉(zhuǎn)發(fā)分組時保證分組能夠順利地被下一跳的節(jié)點所接收；如果不能確認下一跳已經(jīng)成功接收到了的分組，該節(jié)點需要作出相應(yīng)的反應(yīng)，如重傳分組或者到達最大重傳次數(shù)MAX_RETRANSMITE_TIME后丟棄該分組，同時向源節(jié)點發(fā)送路由錯誤分組。重傳緩沖區(qū)是節(jié)點發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的分組中那些尚未得到下一跳確認的分組的集合。 DSR在協(xié)議棧中的位置DSR協(xié)議的實現(xiàn)可以在鏈路層或者網(wǎng)絡(luò)層完成，在鏈路層實現(xiàn)DSR具有如下的優(yōu)勢[8]：（1） 在鏈路層實現(xiàn)DSR，可以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所支持的節(jié)點數(shù)目最大化，使得運行IPvIPv6以及IPX的節(jié)點可以做相同的路由處理。（2） 歷史的來講，DSR從地址解析協(xié)議ARP和IEEE802源路由網(wǎng)橋發(fā)展而來，而這兩者都是鏈路層的協(xié)議。（3） 從技術(shù)來講，DSR在鏈路層的實現(xiàn)會更加簡單，可以透明地實現(xiàn)對于處在一個固定基站附近的節(jié)點的覆蓋范圍的擴展。應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層（DSR）數(shù)據(jù)鏈路層物理層 但是，鏈路層無法解決對節(jié)點的多個網(wǎng)絡(luò)接口的支持，而網(wǎng)絡(luò)層是可以提供這種支持的唯一一層，因此DSR在提出時就是作為在網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)路由協(xié)議。同時考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點多個網(wǎng)絡(luò)接口可能存在的不同用途，僅對經(jīng)過規(guī)定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口的分組使用DSR協(xié)議進行路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口可以規(guī)定為真實存在的網(wǎng)絡(luò)接口，也可以使用虛擬的網(wǎng)絡(luò)接口[9]。 DSR在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的位置 DSR分組結(jié)構(gòu)DSR協(xié)議使用一個結(jié)構(gòu)特殊的DSR頭來攜帶控制信息，這個DSR頭可以被任何已經(jīng)存在的IP分組攜帶。DSR頭的開始部分是一個固定尺寸的結(jié)構(gòu)體，采用了擴展性良好的TLV格式，除固定部分之外，不同類型的選項（Options）以TLV格式附加在固定部分之后。Next HeaderFReservedPayload lengthOptions DSR分組結(jié)構(gòu)當(dāng)前許多學(xué)者對DSR協(xié)議的分組格式持有不同觀點，大體上分為以下兩種思路：第一種是采用IP分組的格式，只是將IP頭部稍作變化，變?yōu)镈SR頭部即可，相應(yīng)的字段要做相應(yīng)的更改，例如，插入DSR頭以后，IP頭的結(jié)構(gòu)無需改動但IP頭中的若干個域需要修改以區(qū)分DSR分組與普通的IP分組：IP頭中的protocol域需要修改為DSR頭標(biāo)識（DSR_PROTOCOL_ID）；由于DSR信息的插入，整個分組的長度，即IP頭中的total length域也必須被修改；IP頭的目的地址daddr應(yīng)該被修改為DSR源路由中的下一跳的地址，如果是DSR路由請求分組則應(yīng)該將置為廣播地址；IP頭中任意其它域的改動都會引起頭部校驗和（checksum）的變化，需要用函數(shù)ip_send_check重新計算；第二種就是本文所說的格式，在無線傳感器網(wǎng)路中，能量效率是一個永恒的話題，在保證網(wǎng)絡(luò)壽命滿足要求的同時能夠傳輸傳輸更多的數(shù)據(jù)是人們所更為期待的，因此，采用這種簡捷的分組頭形式能夠減小網(wǎng)絡(luò)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)的有效性。在DSR分組頭中，Next Header代表了下一跳，F(xiàn)是標(biāo)識符，能夠從中識別出它是DSR分組，Reserved是保留字段，以便未來的擴展用途，Payload length為有效載荷長度，最后的Options作為不同階段DSR分組的類型，Option由以下幾種類型：（1） Route Request，路由請求。它是在路由發(fā)現(xiàn)過程中源節(jié)點發(fā)出的路由請求分組中的Option類型；（2） Route Reply，路由應(yīng)答。它是在路由發(fā)現(xiàn)過程中目的節(jié)點或者能夠到達目的區(qū)域的節(jié)點發(fā)給源節(jié)點的路由應(yīng)答中的Option類型；（3） ACK Request，確認請求。它是在路由維護階段中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點定期地向其下一跳所發(fā)出的確認路由分組中的Option的類型；（4） ACK，確認。當(dāng)在路由維護階段，發(fā)出ACK Request報文節(jié)點的下一跳所使用的路由確認請求，用以確認路由的有效