摘要：描述了無線感測器路由協議所面臨的問題與挑戰，分析和比較了典型的平面路由協議及層次路由協議。最後總結了理想路由協議應該具有的特點以及路由協議未來的研究策略及發展趨勢。
關鍵詞：無線感測器網路； 路由協議； 平面路由； 層次路由； 研究進展
中圖分類號：tp393文獻標誌碼：a
文章編號：1001－3695(2008)06－1616－06
隨著無線通訊、電子與感測技術的發展，無線感測器網路（wsn）引起了人們的廣泛關注[1]。wsns由具有感測、資料處理和短距離無線通訊等功能的感測器組成，在軍事國防、環境監測、生物醫療、搶險救災以及商業應用等領域具有廣闊的應用前景[1]。??
與傳統的無線自組織(ad hoc)網路不同，wsns節點之間沒有統一的標誌，節點之間通過廣播、多跳通訊方式進行資料交換。另外，網路內每個感測器節點的電能通常是有限的、不可更換的。節點的計算、通訊、儲存能力也非常有限[2]。
因此，wsns路由協議必須以節約能源為主要目標，並採用折中機制，使使用者可以在延長網路存活時間、提高網路吞吐量、降低通訊延遲間進行選擇。??
1路由協議面臨的問題和挑戰??
與傳統ad hoc網路路由協議相比，wsns路由協議有其固有的特點。比如感測器節點數量大，不可能建立全域性位址；在多數應用中，除了少數節點移動外，一般節點在部署後保持固定；路由協議與特定的應用有關；節點間的資料冗餘度高，路由協議需要具有良好的資料匯聚能力。因此，常規路由協議都不適合在wsns環境中執行，這就為wsns路由協議的設計提出了新的問題和挑戰。
具體體現在以下幾點：??
a)節點沒有統一的標誌――由於wsns中節點數目巨大,wsns節點沒有統一的標誌，節點間採用廣播式的通訊方式進行資料交換。??
b)能量受限――wsns的乙個重要特徵就是能量受限。因此，wsns協議必須以節約能源為主要目標並盡可能延長網路存活時間。??
c)面向特定應用――在wsns中，感測器節點和物理環境互動密切，wsns的通訊構架及其所採用的路由協議都是針對每個特定的應用而設計的。??
d)頻繁變化的拓撲結構――在wsns中，網路拓撲會因為節點損壞而變化頻繁。路由協議必須要適應wsns頻繁變化的拓撲結構。??
e)容錯性――感測器節點容易失效，因此路由協議必須具備良好的容錯性，以便形成新的鏈路。??
f)可擴充套件性――感測器節點一般成百上千，路由協議應該具有可擴充套件性來適應相應的應用環境。??
g)連通性――由於網路節點失效，很難**網路拓撲和大小的變化，路由協議必須保證節點的連通性。??
h)資料融合――感測器節點產生的資料具有較大的冗餘度,因此路由協議必須能進行資料融合, 以便節省能量有效和使資料傳輸最優化。??
i)服務質量(qos)――許多應用中如**應用，需要路由協議提供滿足要求的服務質量。??
j)安全機制――路由協議極易受到安全威脅，因此必須考慮安全機制，尤其在軍事應用中。??
2wsns路由協議分類??
由於wsns與應用高度相關，單一的路由協議不能滿足所有應用需求。因此，研究人員提出了多種路由協議。為了更好地分析各種協議的特點，表1運用了多種分類方法對wsns路由協議進行分類。??
本文將按照網路拓撲結構對路由協議進行分類，分別研究平面路由協議和層次路由協議中較典型的路由協議。??
3路由協議分析??
3．1平面路由協議??
在平面路由協議中，所有節點的地位是平等的，不存在等級和層次的差異。它們通過區域性操作和資訊反饋來生成路由，原則上不存在瓶頸問題。平面路由協議的優點是簡單、具有較好的健壯性；其缺點是可擴充套件性差。
另外，平面路由協議需要維持路由表，在大規模網路中會消耗節點大量的儲存空間，同時由於傳送資訊中包含了路由資訊，會引起網路中通訊負擔的加重。
3．1．1flooding協議及gossiping協議[3]??
這是兩個最為經典和簡單的傳統網路路由協議。在 flooding 協議中，節點產生或收到資料後向所有鄰節點廣播，直到資料報過期或到達目的地。該協議具有嚴重缺陷：
內爆（節點幾乎同時從鄰節點收到多份相同資料）、交疊（節點先後收到監控同一區域的多個節點傳送的幾乎相同的資料）、盲目利用資源（節點不考慮自身資源限制，在任何情況下都**資料）。gossiping 協議是對 flooding協議的改進，節點將產生或收到的資料隨機**，避免了內爆，但增加了時延。這兩個協議都不需要維護路由資訊，也不需要任何演算法，簡單但擴充套件性很差。
3．1．2dd路由協議[4]??
dd(directed diffusion)協議是以資料為中心的路由演算法的乙個重要里程碑。該協議用屬性/值對命名資料。為建立路由，sink點向網路中flooding包含屬性列表、上報間隔、持續時間、地理區域等資訊的查詢請求interest(該過程本質上是設定乙個監測任務)。
沿途節點按需對各interest進行快取與合併，並根據interest計算、建立包含資料上報率、下一跳等資訊的梯度(gradient)，從而建立多條指向sink點的路徑。interest中的地理區域內節點則按要求啟動監測任務，並周期性地上報資料。途中各節點可對資料進行快取與聚合。
sink 點可在資料傳輸過程中通過對某條路徑傳送上報間隔更小或更大的interest，以增強或減弱資料上報率。該協議健壯性好；使用資料聚合能減少資料通訊量；sink點根據實際情況採取增強或減弱方式能有效利用能量；使用查詢驅動機制按需建立路由，避免了儲存全網資訊，但不適合環境監測等應用。而且gradient的建立開銷很大，不適合多sink點網路；資料聚合過程採用時間同步技術，這其實在感測器網路中並不容易實現。??
經**分析，dd路由協議具有較好的節能性，適用於在感測器節點接收到資料請求後，較長時間內需要連續向sink節點傳送資料的場合，不適用於收到請求後只發一次少量資料的場合。因為dd演算法建立梯度需要花費較大的代價。
3．1．3rumor協議[5]??
如果sink點的一次查詢只需一次上報，dd協議開銷太大。rumor協議正是為解決此問題而設計的。該協議借鑑了歐氏平面圖上任意兩條曲線交叉幾率很大的思想。
節點監測到事件後將其儲存，並建立稱為agent的生命週期較長的包括事件和源節點資訊的資料報，將其按一條或多條隨機路徑在網路中**。收到agent的節點根據事件和源節點資訊建立反向路徑，並將agent再次隨機傳送到相鄰節點，並可在再次傳送前在agent中增加其已知的事件資訊。sink查詢請求也沿著一條隨機路徑**，當兩路徑交叉時則路由建立；如不交叉，sink可flooding查詢請求。
在多sink點、查詢請求數目很大、網路事件很少的情況下，**結果表明rumor 協議能顯著地降低路由開銷,節約能量。但對於事件數較多的情況，維護事件表和處理**所花費的開銷會急劇增長。同時，由於路由使用隨機的方式生成路徑，資料傳輸的路徑不是最優路徑，並且可能存在路由環路問題。
3．1．4spin協議[6]??
spin（sensor protocol for information via negotiation)路由演算法是一種平面式的自適應通訊路由協議。其目標是通過使用節點間的協商制度和資源自適應機制，解決傳統泛洪法存在的不足之處。在spin演算法中，假設所有的感測器節點均可能是希望獲得資料的sink，每個感測器節點知道自己是否需要資料或是否在資料來源到sink的路徑上。
感測器節點在傳送資料前先進行協商，僅將資料傳送到需要的相鄰節點。這種協商制度可以確保有效的資料傳輸。感測器節點間通過傳送元資料（meta－data，即描述感測器節點採集的資料屬性的資料），而非採集到的整個資料進行協商。
由於元資料小於採集的資料，傳輸元資料消耗的能量相對較少。在傳送或接收資料之前，每個節點都必須檢查各自可用的能量狀況。如果處於低能量水平，則必須中斷一些操作，如充當資料中轉（路由器）的角色，停止資料**操作。
spin協議中使用三種型別的訊息：a)adv，用於新資料廣播。當乙個感測器節點有資料需要傳輸時,它就使用adv資料報（包括元資料）對外廣播。
b) req，用於請求傳送資料。當乙個感測器節點希望接收data資料報時,便傳送req。c)data，包含了元資料頭、感測器節點採集資料的資料報。??
在傳送data 資料報之前，感測器節點首先對外廣播adv訊息。如果乙個鄰近節點在收到adv後希望接收該data資料報，那麼它向該節點傳送乙個req；接著該節點向它傳送data資料報。類似的過程繼續下去，data資料報就會被傳輸到遠方sink。??
spin家族的協議有很多，主要的兩個協議是spin－1和spin－2。spin－1協議就是前面闡述的基本三次握手協商機制。擴充套件的spin－2協議是基於預設值資源提醒機制協議。
當資源充足時，spin－2使用的是三次握手協商機制；當資源低於某個預設值時，它將減少參與資料傳送的次數。總體上，spin－1和spin－2都是簡單高效的協議，不用維護每個鄰居的狀態。其他的spin家族協議還有：
a) spin－pp，用於點對點的通訊，如hop－by－hop路由；b) spin－ec，在spin－pp的基礎上考慮了節點的功耗，當能量不低於設定閾值的節點時才參與資料交換；c) spin－bc，設計了廣播通道，使所有在有效半徑內的節點可以同時完成資料交換；d) spin－rl，是對spin－bc的完善,主要考慮如何恢復無線鏈路引入的分組差錯與丟失。??
該協議的優點在於其簡單性，節點僅需要知道其鄰近節點，無須其他拓撲資訊。spin協議的缺陷也很明顯，它的擴充套件受限，如果sink對網路中的多個事件感興趣，sink周圍的節點能量會很快耗盡；另外，資料會在整個網路中傳輸。
3．1．5ear協議[7]??
ear（energy aware routing)協議是乙個反應式路由協議，其主要目的是用於延長網路的生存時間。協議操作可以分成三個主要階段：??
a)協議初始化。由sink點發起協議初始化過程。初始化報文攜帶了路徑代價資訊，每乙個**初始化報文的節點都將本節點的代價加入到路徑的總代價中。
這樣每個節點均能建立一條或多條到sink節點的路由，並且知道每條路由的代價。??
無線感測器網路簇類路由協議的研究
李夢娥，張登銀 1 南京郵電大學計算機學院，江蘇省南京市210003 2 南京郵電大學訊號處理與傳輸研究院，江蘇省南京市210003 0引言wsn 無線感測器網路 由部署在監測區域內的大量廉價的微型感測器節點組成，通過無線通訊方式形成乙個多跳 自組織的網路系統，其目的是協作地感知 採集和處理網路覆蓋...
無線感測器網路中的能量高效多路徑路由協議
作者 王強 中小企業管理與科技 上旬刊 2014年第12期 摘要 無線感測器網路中能量高效路由協議的目標是盡可能延長網路生存時間。多路徑路由協議可以使網路流量在多條節點不相交路徑間均衡分配，從而可以有效增加網路壽命。另外，安全的資料傳輸也成為wsn廣泛應用所必須的重要提前。本文提出一種無線感測器網路...
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