【導讀】無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感。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。構成了傳感器網(wǎng)絡的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融。合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術。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)。種典型應用，但它與傳統(tǒng)的AdHoc網(wǎng)絡相比又有許多不同之處。它采用的是數(shù)據(jù)為中心的。廣播通信體制，屬于多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，而多跳的數(shù)據(jù)傳輸離不開路由協(xié)議。線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議劃分為多種類型。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)議作了詳細的分析。它是應用于無線傳感器網(wǎng)絡中的一種新的數(shù)據(jù)分發(fā)模式。等協(xié)議的仿真提供了強有力的支持。NS2是一個面向對象的、離散的、事件驅動的網(wǎng)絡仿真。路由協(xié)議的認識和了解。

　　

【正文】 se Pull D iffusion )；一階段拉擴散 (One2Phase Pull Diffusion ) 和 一 階 段 推 擴 散 (One2Phase Push Diffusion ) 。 兩階段拉擴散算法中，數(shù)據(jù)接收者創(chuàng)建一個具有特定屬性的興趣 分組。每一個接收到興趣分組的傳感器節(jié)點記錄下發(fā)送此興趣分組的相鄰節(jié)點標志，并與其建立梯度關系，梯度導引數(shù)據(jù)流的方向以及流速。中間節(jié)點轉發(fā)接收到的興趣分組給其鄰居節(jié)點。數(shù)據(jù)源節(jié)點最初發(fā)送的數(shù)據(jù)消息定義為探測數(shù)據(jù) ( Exp loratory Data)，并且泛洪給所有與之建立梯度的相鄰節(jié)點。數(shù)據(jù)接收者在收到第一個探測數(shù)據(jù)分組之后，對發(fā)送此探測數(shù)據(jù)的相鄰節(jié)點發(fā)送正的增益 ( Reinforcement) 消息，以后的數(shù)據(jù)則都將沿著這條增益的梯度方向被傳送給數(shù)據(jù)接收者。 一階段推擴散算法中，數(shù)據(jù)接收者是被動的，本 地記錄了興趣分組的屬性；數(shù)據(jù)源是主動的，產(chǎn)生的探測數(shù)據(jù)泛洪到數(shù)據(jù)接收者。與兩階段拉相似，數(shù)據(jù)接收者對第一個發(fā)送探測數(shù)據(jù)的節(jié)點發(fā)送增益消息，則創(chuàng)建了具有增益的梯度，隨后的數(shù)據(jù)則沿著有增益的梯度傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收者。 一階段拉擴散算法中，數(shù)據(jù)源接收到興趣分組，按照最先到達為最優(yōu)路徑的理論，沿著相應梯度方向開始傳輸數(shù)據(jù)。與兩階段拉算法不同的是：數(shù)據(jù)源不將第一次發(fā)送的數(shù)據(jù)作為探測數(shù)據(jù)泛洪。一階段拉不需要增益消息，通過最短延遲路徑隱式地得到增益。圖 描述了這三種算法中數(shù)據(jù)源和接收者之間的交互過程，它們分別使用在不同的 應用領域中。 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 18 圖 基本擴散算法中數(shù)據(jù)源和接收者之間的交互 在興趣擴散階段，匯聚節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播消息。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。每個節(jié)點在本地保存一個興趣列表，對于每一個興趣，列表中都有一個表項記錄發(fā)來該興趣消息的鄰居節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時間戳等任務相關信息，以建立該節(jié)點向匯聚節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)的梯度關系。每個興趣可能對應多個鄰居節(jié)點，每個鄰居節(jié)點對應一個梯度信息。通過定義不同的梯度相關參數(shù)，可以適應不同的應用需求。每個表項還有一個字段用來表示該表項的有 效時間值，超過這個時間后，節(jié)點將刪除這個表項。 當節(jié)點收到鄰居節(jié)點的興趣消息時，首先檢查興趣列表中是否存有參數(shù)類型與收到興趣相同的表項，而且對應的發(fā)送節(jié)點是該鄰居節(jié)點。如果有對應的表項，就更新表項的有效時間值；如果只是參數(shù)類型相同，但不包含發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點，就在相應表項中添加這個鄰居節(jié)點；對于任何其他情況，都需要建立一個新表項來記錄這個新的興趣。如果收到的興趣消息和節(jié)點剛剛轉發(fā)的興趣消息一樣，為避免消息循環(huán)則丟棄該信息。否則，轉發(fā)收到的興趣消息。 下面舉例說明興趣怎樣通過傳感器網(wǎng)絡擴散。假定一個任務有指定的類型和坐標，持續(xù)時間為 10 分鐘而間隔為 10ms，間隔參數(shù)指明了一個事件數(shù)據(jù)率；這樣，相當于指定的數(shù)據(jù)率是每秒 100 個事件。匯聚節(jié)點記錄任務；當興趣屬性設定的持續(xù)時間超出后任務從匯聚節(jié)點清除出去。圖 顯示了 DD 協(xié)議興趣廣播的過程。 圖 Directed Diffuxion 協(xié)議興趣廣播過程 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 19 梯度在 Interest 擴散過程中動態(tài)建立，反映路徑與 sink 所請求的數(shù)據(jù)的匹配程度，梯度越大表示路徑越適合于向 sink 傳輸數(shù)據(jù) 。 梯度的具體內(nèi)容可以 根據(jù)需要進行選擇， DD 協(xié)議討論了 2 種形式的梯度 [ 8]。 （ 1）基于路徑時延的梯度。在 Interest 泛洪過程中 ， 接收到 Interest 的節(jié)點依據(jù) Interest到達的先后，確定由自己返回上一跳節(jié)點的路徑的梯度值。節(jié)點向 sink 傳送數(shù)據(jù)過程中，依據(jù)正比于梯度值的概率，隨機選取下一跳節(jié)點，最終到達 sink。 （ 2）基于傳輸數(shù)據(jù)率的梯度。梯度大的路徑的數(shù)據(jù)傳輸率高，在 Interest 泛洪階段，所有節(jié)點均以低數(shù)據(jù)率設定梯度 source 收到 Interest 后，首先以低數(shù)據(jù)率發(fā)送試探性數(shù)據(jù)包，待 sink 接到 該數(shù)據(jù)包后，根據(jù)某種路徑加強標準，提高某些節(jié)點的數(shù)據(jù)率。最終建立全網(wǎng)梯度場，數(shù)據(jù)逐跳沿梯度最大的鏈路高速傳回 sink。 對于每個當前的任務，匯聚節(jié)點定期地廣播興趣消息給它的每個鄰居。這個最初的興趣包括指定的坐標和持續(xù)時間屬性，也包括一個間隔屬性。直觀上看，這個最初的興趣可能被認為是探索；它試著確定是否確實有任何傳感器節(jié)點在檢測目標。為了做到這一點，最初的興趣指定了一個低數(shù)據(jù)率。最初的興趣以下列形式出現(xiàn)： 類型 =四足動物 間隔 =1秒 坐標 =[100， 200， 200， 400] 時間信息 =01： 20： 40 終止 時間 =01： 30： 40 在描述興趣怎樣被處理前，我們強調(diào)興趣被匯聚節(jié)點定期地刷新。具體做法是，匯聚節(jié)點以一個單調(diào)增加的時間信息屬性簡單重發(fā)相同的興趣，因為興趣不會通過網(wǎng)絡可靠地傳輸。 網(wǎng)絡中的每個節(jié)點維持一個興趣緩沖。緩沖區(qū)的每個表項對應一個不同的興趣。在本文的例子中，如果它們的類型屬性不同、間隔屬性不同或坐標屬性不同都認為是不同的興趣。 興趣緩沖區(qū)的興趣表項有幾個字段。時間信息字段只是最后收到匹配興趣的時間信息；梯度字段指向節(jié)點的每一個鄰居。每個梯度包括一個被指定鄰居請求的數(shù)據(jù)率字段，源于興趣的時間間隔屬 性；它也包括一個持續(xù)時間字段，源于興趣的時間信息和終止時間屬性，用于只是興趣大致的生命期。 當一個節(jié)點收到一個興趣后，它檢查自己的興趣緩沖區(qū)，如果沒有匹配的興趣表項，節(jié)點會新建一個興趣表項并實例化其興趣參數(shù)。這個興趣表項有一個梯度以指定的事件數(shù)據(jù)率指向收到興趣的鄰居。為此，它必須能區(qū)分不同的鄰居，任何局部唯一的鄰居標識都可能用于這個目的。如果存在一個興趣表項，但是沒有指向發(fā)送者的梯度，那么節(jié)點會在相應的表項中增加一個梯度，同時也適當?shù)?更新 興趣的時間信息和持續(xù)字段。如果存在匹配的興趣且該興趣是指向傳來興趣的鄰 居節(jié)點，那么該節(jié)點會簡單地更新時間信息和持續(xù)字段。 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 20 下面描述梯度的使用狀況。當梯度期滿時，它被從它的興趣表項中撤銷。并非全部的梯度都將同時終止。例如，兩個不同的接收者在不同的終止時間內(nèi)，發(fā)出了獨特的興趣請求，在網(wǎng)絡內(nèi)的部分節(jié)點可能在不同的時間有不同的興趣輸入。當一個興趣表項的所有梯度都終止時，興趣表項本身就會被從緩沖區(qū)撤銷。 在收到一興趣之后，一節(jié)點可能決定再發(fā)送興趣給一些它的相鄰節(jié)點。對它的鄰居節(jié)點來說，雖然興趣可能來自一個遠方的接收者，但是這興趣看起來起源于這個傳送節(jié)點，這是局部相互作用的結果。這樣，興 趣在整個網(wǎng)絡內(nèi)擴散。不是所有收到的興趣都被轉發(fā)，如果一個節(jié)點最近發(fā)出了一個興趣，那么它可能會丟棄新收到的一個同樣的興趣。 圖 和圖 分別是節(jié)點發(fā)送和接收興趣的流程圖： 開 始接 收 點 以 低 速 率 發(fā) 送 一個 興 趣有 傳 感 器 節(jié) 點在 檢 測 目 標以 高 速 率 給 某 些 節(jié) 點 發(fā) 送 興趣 以 拉 出 真 正 的 數(shù) 據(jù)為 避 免 丟 失 數(shù) 據(jù) ， 隔 一 段 時間 再 次 發(fā) 送 相 同 興 趣不 再 發(fā) 送 ， 數(shù) 據(jù)率 降 為 0結 束YN 圖 節(jié)點發(fā)送興趣時的流程圖 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 21 開 始節(jié) 點 收 到 一 個 興 趣興 趣 存 在 于緩 沖 區(qū) 中更 新 時 間 信 息不 再 發(fā) 送 ， 數(shù) 據(jù)率 降 為 0YYN存 在 指 向 興 趣發(fā) 送 者 的 梯 度結 束發(fā) 送 已 收 到 的 興 趣給 所 有 鄰 居 節(jié) 點N 圖 節(jié)點接收興趣時的流程圖 興趣的數(shù)據(jù)結構：為了實現(xiàn)興趣的傳播，本文將興趣的數(shù)據(jù)結構定義如下： typedef struct { string type。 //興趣類型 float interval。 //興趣的時間間隔 int x。 //節(jié)點的 X 坐標 int y。 //節(jié)點的 Y 坐標 int timestamp。 //興趣的時間信息 int expireAt。 //興趣的終止時間 } interest 興趣緩沖表的變化：為了更進一步理解興趣的傳播過程，本文用圖 來表示興趣緩沖區(qū)隨時間的變化情況。 途中的 I1， I2和 I3分別表示不同的興趣。 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 22 I1I2I1I3I2I2I3節(jié) 點 收 到 興 趣 I3興 趣 I1 超 時 或 所 有 梯 度 降 為 0 圖 興趣緩沖區(qū)變化圖 圖 只是大致的表示了一下興趣緩沖區(qū)的變化情況，為了更進一步說明問題，用圖 和 表示出緩沖區(qū)中每個興趣的變化情況。以興趣 I1為例，首先應該明確的是，不同的興趣對應不同的興趣表項，只有兩個興趣有相同的類型、完全重疊的坐標屬性情況下，有時候它們可以簡單地用一個興趣表項來表示。主要分下列兩種種情況： 有興趣表項且有梯度： 時 間 信 息 = 1 : 2 0 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 0 : 0 0E n t r y = 類 型 、 坐 標鄰 節(jié) 點 1 梯 度 = 1鄰 節(jié) 點 2 梯 度 = 2興 趣 E n t r y時 間 信 息 = 1 : 2 5 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 5 : 0 0E n t r y = 類 型 、 坐 標鄰 節(jié) 點 1 梯 度 = 1鄰 節(jié) 點 2 梯 度 = 2興 趣 E n t r y收 到 鄰 節(jié) 點 1 的 興 趣 圖 有興趣表項和梯度時的興趣表項變化圖 在這種情況下，節(jié)點只需要更新興趣表項的時間信息和終止時間即可。 沒有匹配的興趣表項或有興趣表項但不存在梯度的情況： 時 間 信 息 = 1 : 2 0 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 0 : 0 0E n t r y = 尺 寸 、 坐 標鄰 節(jié) 點 1 梯 度 = 0鄰 節(jié) 點 2 梯 度 = 0興 趣 E n t r y時 間 信 息 = 1 : 2 5 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 5 : 0 0E n t r y = 類 型鄰 節(jié) 點 1 梯 度 = 1鄰 節(jié) 點 2 梯 度 = 0興 趣 E n t r y收 到 鄰 節(jié) 點 1 的 興 趣 圖 沒有匹配興趣表項或有興趣表項但沒有梯度時興趣表項變化圖 沒有匹配的興趣表項時，節(jié)點會新建一個興趣 表項 并加入相應的屬性信息；而有興趣表項但不存在梯度時，節(jié)點就在相應的興趣表項添加梯度，并更新時間信息和終止時間。 2020屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 23 梯度的建立 在定向擴散中， 梯度是在興趣發(fā)布的過程 中建立起來的。其大體過程是， 網(wǎng)關節(jié)點首先向自己的鄰居節(jié)點廣播興趣。當一個中間節(jié)點從鄰居節(jié)點收到興趣之后， 它會建立指向興趣轉發(fā)者的梯度，然后這個節(jié)點再對興趣執(zhí)行廣播。 這樣重復進行，興趣報文被廣播到整個網(wǎng)絡。當廣播周期結束之后，整個網(wǎng)絡中也就建立了相應的梯度。 梯度指明了數(shù)據(jù)率和發(fā)送事件的方向，簡單地將，一個梯度指明了數(shù)值和方向。圖 為基本梯度生成算法的優(yōu)先狀態(tài)機描述，需要說明的是圖中只標注了算法中節(jié)點主要狀態(tài)間的轉換。 圖 基本梯度生成算法的有限狀態(tài)機描述 首先， sink 節(jié)點會生成一個 興趣報文，這個興趣描述了所要查詢的數(shù)據(jù)的屬性，然后把興趣 “注入” 到網(wǎng)絡當中去。 對于 sink 節(jié)點而言， 在興趣廣播出去之后， 它將會等待接收數(shù)據(jù)。如果 sink 節(jié)點收到鄰居的興趣， 而自己正好是這個興趣的源節(jié)點， sink 節(jié)點將會丟棄這個興趣報文。 中間節(jié)點對于興趣報文的處理是這個算法的關鍵之處。當中間節(jié)點第一次收到這個興趣報文的時候， 它把這個興趣報文放置到興趣緩沖區(qū)當中， 建立指向興趣轉發(fā)者的梯度，進行一個服從某個均勻分布的很小的隨機延時，延時結束后再把興趣報文廣播到自己的鄰居。在這段隨機延時的 過程中，如果節(jié)點又一次從其它的鄰居收到了這個興趣，那么節(jié)點還會建立梯指向轉發(fā)者的梯度。而當延時完畢興趣已經(jīng)轉發(fā)之后，又一次收到這個興趣報文的時候，這個興趣報文會被丟棄，節(jié)點不會進行梯度的建立。 這樣可以保證對于同一種興趣，鄰居節(jié)點之間不會有直接的環(huán)路存在，因為鄰居節(jié)點只有一個梯度，而且這個梯度的方向是從興趣轉發(fā)時間晚的節(jié)點指向興趣轉發(fā)時間早的節(jié)點。 這樣興趣報文就會在整個網(wǎng)絡當中進行廣播， 到達廣播域中的每一個節(jié)點。需要強調(diào)一點， 在一次興趣傳播過程當中， 對于同一個興趣報文，每個傳感器節(jié)點只是轉發(fā)一次。 源節(jié)點在產(chǎn)生數(shù)據(jù)之后， 如果發(fā)現(xiàn)興趣緩沖區(qū)中有相應的興趣，它會沿著與這個興趣相對應的梯度所建立的路徑來傳輸數(shù)據(jù)。如果有多個梯度與這個興趣相對應，節(jié)點可以隨機丁仿敏：無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 —— Directed