【正文】 源節(jié)點在產生數據之后， 如果發(fā)現興趣緩沖區(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據。而當延時完畢興趣已經轉發(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。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。 梯度指明了數據率和發(fā)送事件的方向，簡單地將，一個梯度指明了數值和方向。其大體過程是， 網關節(jié)點首先向自己的鄰居節(jié)點廣播興趣。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。 //興趣的時間信息 int expireAt。 //興趣類型 float interval。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。并非全部的梯度都將同時終止。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，同時也適當地 更新 興趣的時間信息和持續(xù)字段。每個梯度包括一個被指定鄰居請求的數據率字段，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。緩沖區(qū)的每個表項對應一個不同的興趣。為了做到這一點，最初的興趣指定了一個低數據率。最終建立全網梯度場，數據逐跳沿梯度最大的鏈路高速傳回 sink。在 Interest 泛洪過程中 ， 接收到 Interest 的節(jié)點依據 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。圖 顯示了 DD 協議興趣廣播的過程。否則，轉發(fā)收到的興趣消息。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。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數據發(fā)送速率、時間戳等參數。與兩階段拉算法不同的是：數據源不將第一次發(fā)送的數據作為探測數據泛洪。數據接收者在收到第一個探測數據分組之后，對發(fā)送此探測數據的相鄰節(jié)點發(fā)送正的增益 ( Reinforcement) 消息，以后的數據則都將沿著這條增益的梯度方向被傳送給數據接收者。 兩階段拉擴散算法中，數據接收者創(chuàng)建一個具有特定屬性的興趣 分組。發(fā)布 —— 訂閱模式為應用層程序編寫傳感器網絡提供了標準接 口 ,基于屬性的命名機制指定了哪些數據源和數據接收者互相通信 。當然，也有其他的屬性值范圍的選擇（如分層的）和其他的命名方案。直觀上看，任務描述指定了一個匹配屬性數據的興趣，這樣的任務描述叫做一個興趣。如果一 個接收者訂閱的屬性匹配數據源發(fā)布數據的屬性，擴散算法則將隨后任何時刻這些數據源發(fā)布的數據發(fā)送給接收者。這種命名機制是以數據為中心的，允許應用程序重點考慮需要哪些數據，而不是考慮需要哪些感應節(jié)點發(fā)送數據。圖 顯示了這三個階段的數據傳播路徑和方向。這個傳播在網絡內部建立了梯度（梯度為一指明事件傳輸快慢和方向的矢量）以獲 取事件（即匹配興趣的數據）。 定向擴散與 IP 方式的通信非常不同， IP 方式的通信中，節(jié)點由它們的端點識別，而定向擴散能夠實現健壯的多路徑傳輸，并且通過路徑的加強和負加強能節(jié)省大量的能量。興趣用來表示查詢的任務，表達網絡用戶對監(jiān)測區(qū)域內感興趣的信息，如監(jiān)測區(qū)域內的溫度、濕度和光照等環(huán)境信息。這個范例，我們稱之為定向擴散 [7]。 它通過探詢傳感器節(jié)點感應信息來選擇下一跳的一個或多個目的節(jié)點。 （ 2） SPEED 協議首先在相鄰節(jié)點之間交換傳輸延遲，以得到網絡負載情況；然后節(jié)點丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 14 利用局部地理信息和傳輸速率信息選擇下一跳的節(jié)點 ； 同時通過鄰居反饋機制保證網絡傳輸暢通，并且通過反向壓力 路由變更機制避開延遲太大的鏈路和路由空洞。但利用 LEACH 算法選舉出的簇頭分布不均勻，且不適合大規(guī)模網絡及能量不均衡的網絡。 SPEED 中的路由模塊 SNGF 和其它四個模塊一起構成其協議的框架，其中信標交換模塊主要是搜集節(jié)點的地理位置 信息；延遲估計模塊主要計算分組的傳輸延遲并將其發(fā)送給 SNGF 模塊；鄰居反饋模塊 NFL 主要提供數據的轉發(fā)率并將其返回給 SNGF 模塊；反向重路由模塊主要通過向源節(jié)點發(fā)送回送消息來避免路由空洞。 （ 4）可靠的路由協議。 在這類應用中，通常需要知道目的節(jié)點的精確或者大致地理位置。在這類應用中，通信流量主要是查詢節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器節(jié)點的采樣信息在傳輸 路徑上通常要進行數據融合，通過較少通信流量來節(jié)省能量。為了強調高效利用能量的重要性，在此將它們劃分為能量感知路由協議。經過一段時間的數據傳輸，簇頭節(jié)點收齊簇內節(jié)點發(fā)送的數據后，運行數據融合算法來處理數據，并將結果直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。當簇頭接收到所有的加入信息后，就產生一個 TDMA 定時消息，并且通知該簇中所有節(jié)點。 它的基本思想是通過隨機循環(huán)地選擇簇首節(jié)點獎整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網絡能源消耗、提高網路整體生存時間的目的。集群路由的優(yōu)點是便于管理，可以對系統(tǒng)變化作出快速反應，能夠提供高質量的通信服務。 層次路由協議：在層次路由協議中，網絡通常被劃分為簇，每個簇由一個簇首(clusterhead)和多個簇成員 (clustermember)組成，低一級網絡的簇首是高一級網絡中的簇成員。 丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 12 典型的平面路由算法有： FLOODING、 SPIN(sensor protocols for information via negotiation)、 DD(Directed Diffusion)、 SAR(sequential assignment routing)等。 平面路由協議與層次路由協議：從網絡拓撲結構的角度分為兩類：平面路由協議和層次路由協 議。隨著拓撲結構的變化，當活動路徑上的某段鏈路發(fā)生中斷時，路由維護過程被啟動。路由器采用洪泛的方式，向整個網絡廣播路由請求分組。它的優(yōu)點是不需要周期性的廣播路由信息，節(jié)省了一定的網路資源。它僅在沒有去往目的節(jié)點路由的時候才“按需”進行路由發(fā)現。 主動路由協議一般包括“鄰居節(jié)點檢測”和“路由廣播”兩個過程。它的優(yōu)點是當節(jié)點需要發(fā)送數據分組時，只要去往目的節(jié)點的路由存在，所需的延時很小。傳感器網絡的拓撲結構動態(tài)變化，節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠快速收斂，以適應網絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協議開銷，提高消息傳輸的效率。在無線傳感器網絡中，檢測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，造成網絡規(guī)模大小不同；節(jié)點失散、新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等，都會使得網絡拓撲結構動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，能夠適應網路結構的變化。 針對傳感器網絡路由機制的上述特點，在根據具體應用設計路由機制時 ，要滿足下面的傳感器網絡路由機制的要求： （ 1）能量高效。傳感器網絡通常包含多個傳感器節(jié)點到少數匯聚節(jié)丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 10 點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成消息的轉發(fā)路徑。無線傳感器網絡為了節(jié)省通信能力，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源，使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。 與傳統(tǒng)網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點： （ 1）能量優(yōu)先。定位和時間同步子層在協議棧中的位置比較特殊。 應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件 。 網絡層協議：網絡層主要負責路由生成與路由選擇，實現數據融合，負責路由發(fā)現、路由維護和路由選擇，使得傳感器節(jié)點可以進行有效的相互通信。這個協議棧包括物理層、數據鏈路層 、 網絡層、傳輸層和應用層，與互聯網協議棧的五層協議棧對應 [2]，如圖 所示： 圖 無線傳感器網絡的分層設計 物理層協議：物理層負責數據的調制、發(fā)送與接收。距離無關的定位機制無須實際測量節(jié)點間的絕對距離或方位就能夠確定未知節(jié)點的位置，目前提出的定位機制主要有質心算法、 DVHop 算法、APIT 算法等。根據定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把傳感器網絡中的定位分類為基于距離的定位和距離無關的定位。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。除此之外，未來確保數據融合后數據源信息的保留，水印技術也成為無線傳感器網絡安全的研究內容。由于傳感器網絡是應用相關 的網絡，應用需求不同時，網絡協議往往需要根據應用類型或應用目標環(huán)境特征定制，沒有任何一個協議能夠高效適應所有的不同應用。 傳感器網絡的 MAC 協議首先要考慮 節(jié)省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。網絡層的路由協議覺得監(jiān)測信息的傳輸路徑；數據鏈路層的介質訪問控制用來構建底層的基礎結構，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。這種機制重點在于解決節(jié)點在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉換問題，不能夠獨立作為一種拓撲結構控制機制，因此需要與其他拓撲控制算法結合使 用。功率控制機制調節(jié)網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網絡連通度前提下，減少節(jié)點的發(fā)送功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數目；已經剔除了 COPOW 等統(tǒng)一功率分配算法， LINT/LILT 和LMN/LMA 等基于節(jié)點度數的算法， CBTC、 LMST、 RNG、 DRNG、和等基于鄰近圖的近似算法。通過拓撲控制自動生成的良好哦啊的網絡拓撲結構，能夠提高路由協議和 MAC 協議的效率，可為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來演唱網絡的生存期。 （ 9）大規(guī)模的分布式觸發(fā)器：如果傳感器網絡不僅對感知對象進行監(jiān)測，還要進行實時控制，傳感器節(jié)點將必須具有回控裝置和控制軟件。 （ 7）計算能力有限：由于傳感器網絡中傳感器的嵌入式處理器、存儲器和操作系統(tǒng)，處理能力、存儲容量和執(zhí)行效率都十分有限，將有限計算能力的傳感器利用網絡進行協作式的分布信息處理將是一個很好的辦法。 （ 5）網絡的分布式特性：對于分布在很廣范圍內的大量節(jié)點，每個節(jié)點都是一個可以進行數據采集、數據處理和數據通信的智能單元。這就要求傳感器網絡 具有足夠的容錯性能，即使網絡中某些節(jié)點失效整個網絡仍然能夠正常運行。而除了網絡中的傳感器節(jié)點之外，被感知對象和觀察者也都可能具有移動性。傳統(tǒng)無線網路的首要設計目標是提供高服務質量和高效帶寬利用，其次次啊考慮節(jié)約能源：而傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效實用，這也是傳感器網絡和傳統(tǒng)網絡最重要的區(qū)別之一。傳感器模塊負責檢測區(qū)域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節(jié)點收發(fā)采集數據：能量供應模塊丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 4 為傳感器節(jié)點提供運行所需的能 量，通常采用微型電池。 傳感器節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。 從上述定義可以看出，傳感器、感知對象和 觀察者是無線傳感器網絡的三個基本要素；無線是傳感器之間、傳感器與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑：協作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是無線傳感器網絡的基本功能；一組功能有限的無線傳感器網絡能夠協作地完成大的感知任務的無線傳感器網絡的重要特點；無線傳感器網絡中的部分或全部節(jié)點可以移動，拓撲結構也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化，節(jié)點間以 Ad Hoc 方式進行通信，每個節(jié)點都可以充當路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復鏈接的能力。簡單 介紹了著名的網絡仿真軟件 NS2，并對網絡模擬的一般流 程及仿真結果的分析方法作了簡單的描述。 論文 第 2 章介紹無線傳感器網絡及其路由技術。 雖然有很多的協議，但是到底哪一種是最合適的還沒有一個定論。 傳感器網絡的數據傳輸離不開路由協議。近年來反映無線傳感器網絡研究各個層面成果的論文逐 漸增多，但這些研究成果仍處于起步和原型試驗階段，距離實際應用需求還有相當距離。 傳感器網絡最初來源于美國先進國防研究項目局（ DAPPA）的一個研究項目，當時處于冷戰(zhàn)時期，為了監(jiān)測地方潛艇的活動情況，需 要在海洋中布置大量的傳感器，使用這些傳感器所監(jiān)測的信息來實時監(jiān)測海水中潛艇的行動。同時，傳感器網絡拓撲結構動態(tài)變化，網絡資源也在不斷變化，這些都對網絡協議提出了更高的要求。 無線傳感器網絡 (Wireless sensor works， WSN)就是由部署在監(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絡系統(tǒng)，其目的是協作的感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察 ［ 2］ 。隨后在美國的移動計算和網絡國際會議上，提出了無線傳感器網絡是下一個世紀面臨的發(fā)展機遇。在定向擴散中所有的基于網絡的節(jié)點是應用可知的，這就使得擴散能夠通過選擇有經驗的好路徑并通過緩存和處理內部網絡的數據來獲得能量的節(jié)省。 目 錄