無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析與評價

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分析與評價數(shù)學(xué)計算機(jī)學(xué)院軟件工程專業(yè)2012屆 黑敏星摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并發(fā)送給觀測者。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有硬件資源有限、動態(tài)拓?fù)?、電源能量有限、無中心基站、多跳路由、以數(shù)據(jù)為中心等特點，能夠應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測、機(jī)械監(jiān)控等領(lǐng)域。 本文首先概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、應(yīng)用領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)。接著通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類，對幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后對幾種典型的協(xié)議在分類和性能上進(jìn)行了比較。其

2、次，本文先對洪泛協(xié)議(MFlood)進(jìn)行了簡單的介紹，然后詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2，并且了解了NS2的層次結(jié)構(gòu)、組成部分、NS2仿真模擬的步驟。最后，利用NS2對MFlood協(xié)議進(jìn)行仿真，并由仿真得到的trace文件對MFlood協(xié)議的端到端延時、節(jié)點間的傳說速率、延時的抖動率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；MFlood；trace；NS2中圖分類號：TP393無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分析與評價1 引言近年來，隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，由具有感知能力、計算能力、通信能力的微型傳感器自組織而成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)引起了人們的極大關(guān)注

3、。國內(nèi)外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著一些特定的研究。在國外，1996年，美國學(xué)者straser、Kiremidjian提出運用無線技術(shù)替代結(jié)構(gòu)監(jiān)測有線系統(tǒng)的思想，開辟了無線傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用，并研制了一套實時的損傷識別結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng):以上述學(xué)者的工作為基礎(chǔ)，Lynch等運用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路開發(fā)了一個無線傳感器的模型:整個傳感器節(jié)點包括一個八位微處理器，檢測單元采用微加速度芯片構(gòu)成，并且所集成的無線傳感器在實驗室中得到了驗證。比如日本大型機(jī)械監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用研究主要利用移動通信技術(shù)與智能傳感器技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對集裝箱裝卸設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控；馬來西亞港口設(shè)備監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)；德國基于非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

4、鋼板厚度監(jiān)控系統(tǒng)；荷蘭基于GIS和無線通信的港口智能化信息管理系統(tǒng)等等。在我國，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究起步較早，中科院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)較早開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作1。如上海交通大學(xué)基于移動通信技術(shù)的港口起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；天津港基于短信平臺的起重機(jī)動態(tài)監(jiān)測裝置；華中科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控等等2。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3(wireless sensor network, WSN)是一項新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是由大量隨機(jī)分布的包括集成傳感器、數(shù)據(jù)處理段元和通信單元的微小節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的

5、無線網(wǎng)絡(luò)，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)同合作完成特定的任務(wù)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多種技術(shù)。 2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)有著不同的設(shè)計目標(biāo)和技術(shù)要求。前者以數(shù)據(jù)位中心，而后者則以傳輸數(shù)據(jù)為目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其所應(yīng)用的特殊性決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下的一些特征：(1) 硬件資源有限無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的數(shù)量較大，往往需要投放在特定的檢測區(qū)域。由于受體積及成本等因素的限制，其計算能力、對數(shù)據(jù)的處理能力、存儲能力都相當(dāng)?shù)挠邢蕖?2) 動態(tài)拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫莿討B(tài)變化的，節(jié)點是可以隨處移動的，并且有多節(jié)

6、點可能受到自然或人為的破壞，有的節(jié)點可能由于電池耗盡而退出網(wǎng)絡(luò)，還有的節(jié)點則可能是新加入的節(jié)點。這些原因都會使整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)拓?fù)涞奶攸c。(3) 電源能量有限由于傳感器節(jié)點往往被投放在一些不適合進(jìn)行電源補(bǔ)給的環(huán)境和無人區(qū)域，所以一般都為一次性供電，一旦電池耗盡，很難再給電池充電或者更換電池。(4) 無中心基站無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的基站之類的控制中心，所以節(jié)點都是平等的，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。(5) 多跳路由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點散布的檢測區(qū)域往往比較大，而由于受到節(jié)點能量的限制以及對等網(wǎng)絡(luò)無中心的特點，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)往往采取多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式，不僅可以節(jié)省

7、發(fā)射功率，還可以不用專門設(shè)置路由器，同時每個節(jié)點都有附加路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。(6) 以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是用來檢測各種感興趣的被測量的數(shù)據(jù)，其主要目的是為了獲得檢測區(qū)域的檢測數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，主要考慮如何高效處理感知數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)傳送到用戶節(jié)點，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點是以數(shù)據(jù)為中心。 同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還具有組網(wǎng)快捷、靈活，且不受有線網(wǎng)絡(luò)約束的特點。 2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)4如圖2.1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和監(jiān)控中心主機(jī)（包括服務(wù)器和用戶訪問管理終端）。大量的傳感器節(jié)點隨機(jī)散步在指定檢測區(qū)域內(nèi)。傳感器節(jié)點將檢測到的信息

8、以多跳中繼的方式傳送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是一個固定的或可以移動的節(jié)點，一般具有更多的能量、更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能量和存儲能力。匯聚節(jié)點將從外部網(wǎng)絡(luò)接收到的控制命令發(fā)送到檢測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點，以及傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息傳送到外部網(wǎng)絡(luò)，再由外部網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器。服務(wù)器用于接收檢測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，用戶可以遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，從而獲得檢測目標(biāo)的狀態(tài)信息以及實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理、發(fā)布檢測任務(wù)等功能。圖2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 2.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧5主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)的五層協(xié)議相對應(yīng)。如圖2.2所示：應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物

9、理層能量管理平臺移動管理平臺任務(wù)管理平臺圖2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧同時還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這種管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)與資源共享。各層協(xié)議和平臺的相關(guān)功能如下：1) 物理層提供簡單和健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；2) 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀，幀控制，媒體訪問和差錯控制；3) 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的生成和路由選擇4) 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，使保證通過通訊服務(wù)質(zhì)量的重要部分；5) 應(yīng)用層包括一系列基于檢測任務(wù)的應(yīng)用層軟件6) 能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用資源，

10、在各個協(xié)議層都要考慮節(jié)省能量；7) 移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居節(jié)點的位置；8) 任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域平衡和調(diào)度檢測任務(wù)。 2.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用隨著研究的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。目前，隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正被廣泛應(yīng)用在人們生活的各種領(lǐng)域，例如：軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、家具生活領(lǐng)域、醫(yī)療健康領(lǐng)域、城市交通領(lǐng)域等等，總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是當(dāng)今科學(xué)領(lǐng)域最具有代表性的通信技術(shù)性支持，已經(jīng)滲透到千家萬戶、各行各業(yè)。 2.6

11、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的過程中，存在著一些關(guān)鍵技術(shù)問題，主要的問題有：路由技術(shù)、安全問題、時間同步、數(shù)據(jù)融合、能量問題等等。(1) 路由技術(shù)由于傳感器節(jié)點的計算能量，存儲能力、自身能量有限，大部分節(jié)點并不能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，而要采用多跳路由方式向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，每個節(jié)點不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，還要具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能力。(2) 安全問題在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點密集分布在一個區(qū)域里面，消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點才能達(dá)到目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個節(jié)點都應(yīng)該具有路由功能。由于每個節(jié)點都是潛在的路由節(jié)點，因此更容易受到攻擊，使

12、網(wǎng)絡(luò)部安全。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)，安全路由算法可以直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性和可用性。(3) 時間同步4時間同步技術(shù)是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點間的對時。同時傳感器節(jié)點需要相互合作，完成復(fù)雜的檢測和感知任務(wù)，這樣往往需要各節(jié)點保持時間上的一致性，方便出來一些與時間有關(guān)的操作。(4) 數(shù)據(jù)融合由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源有限，電池能量、出來能力、存儲容量及通信帶寬都要統(tǒng)籌使用，在滿足用戶需求的情況下，需要對眾多傳感器節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合出來，從而節(jié)省通信帶寬的能量，提高信息收集的效率。(5) 能量

13、問題在多數(shù)情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都是由電池供電，電池容量非常有限，并且對于成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的。如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點因為能力耗盡而不能工作，會帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果的改變以及路由的重新建立等問題，甚至可能是網(wǎng)絡(luò)分成不連通的部分，造成通信的中斷。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能地節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池容量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題。3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議概述3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議從驅(qū)動機(jī)制的角度可以分為主動式路由協(xié)議、按需式路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議：主動式路由協(xié)議，所有的路由在使用之前已經(jīng)形成；

14、按需式路由協(xié)議只有在需要使用的時候才形成；混合式路由協(xié)議是將上述兩種思想結(jié)合起來的一種新的路由協(xié)議。由于無線傳感器節(jié)點資源受限，且傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目眾多，傳感器節(jié)點沒有足夠的空間來存儲大量的路由表，因此在實際應(yīng)用中，按需式路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議更加受青睞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度可以分為：平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議，如圖3.1所示。在平面路由協(xié)議中，所有節(jié)點的地位都是平等的，通過局部操作和反饋信息來生成路由。平面路由協(xié)議的優(yōu)點是簡單、以擴(kuò)展，其缺點是缺乏對通信資源的規(guī)范化管理，每一個節(jié)點都需要知道到達(dá)其它所有節(jié)點的路由，維護(hù)動態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。在層次路由協(xié)議

15、中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員節(jié)點組成，簇成員節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭，簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)簇內(nèi)部數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)融合，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更高層的簇。簇成員的功能比較簡單，不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息，不同層次的節(jié)點的作用不同。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有良好的可擴(kuò)充性，其缺點是簇頭節(jié)點能量消耗大，可能會成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。圖3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議分類3.2平面路由協(xié)議在平面路由協(xié)議中，各網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點在路由功能上地位相同，沒有引入分層管理機(jī)制。平面結(jié)構(gòu)路由的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)中沒有特殊的節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)流量均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)中，路由算法易于實現(xiàn)。

16、缺點是可擴(kuò)展性小，在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢。以數(shù)據(jù)位中心的典型平面路由協(xié)議主要有：泛洪(Flooding)、SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)、定向擴(kuò)散DD協(xié)議(Directed Diffusion)等。3.2.1 洪泛路由協(xié)議洪泛協(xié)議(Flooding)是以中傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，不需要任何路由算法，也不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該協(xié)議中，節(jié)點向它的所有鄰居節(jié)點廣播接收到的數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點或者所有節(jié)點擁有此數(shù)據(jù)副本為止。洪泛協(xié)議所具有的優(yōu)點是：實現(xiàn)簡單；不需要為保持網(wǎng)絡(luò)

17、拓?fù)湫畔⒑蛯崿F(xiàn)復(fù)雜的路由發(fā)現(xiàn)算法而消耗計算資源；適用于健壯性要求高的場合。洪泛協(xié)議存在的問題有5：存在消息內(nèi)爆問題，即出現(xiàn)一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)的多個副本現(xiàn)象。如圖3.2(a)所示，節(jié)點S要將數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點D，首先節(jié)點S要將數(shù)據(jù)發(fā)送到它的所有鄰居節(jié)點A、B、C。A、B、C再將數(shù)據(jù)廣播給各自的鄰居節(jié)點(除了發(fā)送此數(shù)據(jù)給自己的鄰節(jié)點外)，這樣節(jié)點D就會收到很多份一樣的數(shù)據(jù)。存在信息重疊的問題，即處于同一觀測環(huán)境的相鄰?fù)悅鞲衅鞴?jié)點同時向一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，從而收到雙份數(shù)據(jù)副本的想象。如圖3.2(b)所示，節(jié)點A收到節(jié)點B、C對同一區(qū)域R2的檢測數(shù)據(jù)。盲目利用資源，即節(jié)點不考慮自身能力狀況，只要接收數(shù)據(jù)

18、就進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 圖3.2(a) 消息“內(nèi)爆”現(xiàn)象 圖3.1(b) 消息“重疊”現(xiàn)象 針對以上提到的消息內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象，S.hedetniemi等人提出了閑聊(Gossping)協(xié)議。避免洪泛協(xié)議的內(nèi)爆問題，節(jié)點隨機(jī)選取一個鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而不是向所有鄰居節(jié)點廣播數(shù)據(jù)包。然而，這卻增加了數(shù)據(jù)端到端的傳輸延遲。3.2.2 SPINSPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)6是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議，其目標(biāo)是通過使用節(jié)點間的協(xié)商機(jī)制和資源自適應(yīng)機(jī)制，從而解決泛洪協(xié)議存在的數(shù)據(jù)內(nèi)爆問題和重疊現(xiàn)象。傳感器節(jié)點在傳送數(shù)據(jù)之前

19、彼此進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商制度可確保傳輸有用數(shù)據(jù)。節(jié)點間通過發(fā)送元數(shù)據(jù)，而不是采集的整個數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)商。由于元數(shù)據(jù)大小小于采集的數(shù)據(jù)，所以傳輸元數(shù)據(jù)消耗的能量相對較少。SPIN協(xié)議有 3 種數(shù)據(jù)包類型，即 ADV、REQ和 DATA。ADV用于元數(shù)據(jù)的廣播，REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)發(fā)送之前，節(jié)點要進(jìn)行“元數(shù)據(jù)協(xié)商”，協(xié)商是通過發(fā)送端廣播ADV包告知鄰居節(jié)點自己有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果鄰居節(jié)點愿意接受數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，就會返回REQ信號來完成握手過程，握手完成后就進(jìn)行DATA的傳輸，DATA可以經(jīng)過多個節(jié)點的中轉(zhuǎn)最后到達(dá)目的節(jié)點，這樣就保證了網(wǎng)絡(luò)中沒有冗余數(shù)據(jù)。3.2.3 定向擴(kuò)散DD

20、路由協(xié)議定向擴(kuò)散(Directed Diffusion)7是一種以數(shù)據(jù)位中心且基于查詢的路由機(jī)制，其最大的特點就是引入了網(wǎng)絡(luò)梯度概念，并將局部算法相結(jié)合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由通信機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)梯度7的思想本身源于生物學(xué)中的螞蟻種群模型，一般定義為屬性值和方向。屬性值可以依據(jù)數(shù)據(jù)速率、功率或者地理信息確定，方向由接收節(jié)點指向發(fā)送興趣的鄰居節(jié)點，引導(dǎo)數(shù)據(jù)擴(kuò)散。定向擴(kuò)散路由機(jī)制分為興趣的洪泛，雙向梯度的建立，探測分組的洪泛，路徑的選擇與將強(qiáng)，數(shù)據(jù)的發(fā)送五個階段組成。3.3 層次路由協(xié)議與平面路由協(xié)議相對應(yīng)的是分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。分層路由協(xié)議采用簇的概念對傳感器節(jié)點進(jìn)行層次劃分。若干個相鄰節(jié)點構(gòu)成一個

21、簇，每一個簇有一個簇首。簇與簇之間可以通過網(wǎng)關(guān)通信。網(wǎng)關(guān)可以是簇首也可以是其它簇成員。網(wǎng)關(guān)之間的連接構(gòu)成上層骨干網(wǎng)，所以簇間通信都通過骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)。分層路由協(xié)議8包括成簇協(xié)議、簇維護(hù)協(xié)議、簇內(nèi)路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議四個部分。成簇協(xié)議解決如何在動態(tài)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使移動節(jié)點高效地聚集成簇，它是分層路由協(xié)議的關(guān)鍵。簇維護(hù)協(xié)議要解決在節(jié)點移動過程中的簇結(jié)構(gòu)維護(hù)，其中包括移動節(jié)點的退出和加入簇，簇的產(chǎn)生和消亡等功能。分層路由協(xié)議比較適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但成簇過程會產(chǎn)生一定的能源消耗。分層路由協(xié)議主要有：低功耗自適應(yīng)聚類路由協(xié)議LEACH、門限敏感的高效能耗傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TEEN等。3.3.1低功耗自適

22、應(yīng)聚類路由協(xié)議LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)LEACH9協(xié)議是有MIT的Heinzelman等人提出，它是第一種基于分簇結(jié)構(gòu)和分層技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中占有重要地位。LEACH協(xié)議的基本思想是通過隨機(jī)循環(huán)地選擇簇首節(jié)點將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。與一般的基于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和靜態(tài)的基于多簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議相比，具有以上的優(yōu)點。在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點。由于簇頭需要完成數(shù)據(jù)融合

23、、與基站通信等工作，所以能量消耗大。LEACH算法能夠保證各節(jié)點等概率地?fù)?dān)任簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點相對均衡地消耗能量。3.3.2 TEENTEEN協(xié)議就是為反應(yīng)式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的路由策略，它具有實時性，可以對突發(fā)事件作出快速反應(yīng)。TEEN和LEACH的實現(xiàn)機(jī)制非常相似，只是前者是響應(yīng)型的，而后者屬于主動型傳感器網(wǎng)絡(luò)。TEEN協(xié)議的優(yōu)點：協(xié)議適合于需要實時感知的應(yīng)用環(huán)境中；通過設(shè)置硬閥值和軟閥值2個參數(shù)，TEEN可以大大減少數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)，比LEACH節(jié)約能量等。缺點：不適合應(yīng)用在需要周期性采集的應(yīng)用系統(tǒng)中，這是因為如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點沒有收到相關(guān)的閥值，那么節(jié)點就不會與匯聚節(jié)點進(jìn)行通信，用戶

24、也就完全得不到網(wǎng)絡(luò)的任何數(shù)據(jù)。3.4 各路由協(xié)議之間的比較平面路由協(xié)議的優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單，但是它也存在著可擴(kuò)展性差的缺點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是由分布在一點區(qū)域內(nèi)的成千上萬個節(jié)點所構(gòu)成的，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常之大。相比之下，分層路由協(xié)議由于它的可擴(kuò)展性好的優(yōu)點，能夠適合大型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。分層路由協(xié)議之所以要優(yōu)于平面路由協(xié)議的原因在于：分層路由協(xié)議把所有的節(jié)點分為多個簇，每個簇?fù)碛幸粋€簇首和多個成員節(jié)點。成員節(jié)點在收集有效的信息后，不是無目的的傳輸信息，而是在簇首節(jié)點分配給自己的時隙內(nèi)發(fā)送信息，信息發(fā)送完成后，該節(jié)點可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待信息收集的開始或傳輸時隙的到來。同時各種路由協(xié)議還有以

25、下的比較：表3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類比較路由協(xié)議多跳單跳平面型分層型數(shù)據(jù)融合Flooding是是SPIN是是有DD是有LEACH是是有TEEN是是有表3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能比較路由協(xié)議性能比較以數(shù)據(jù)位中心生命周期傳輸延遲路徑容錯可擴(kuò)展性Flooding短短好差否SPIN短長好差是DD長較短好較好是LEACH長較短較好較好否TEEN長較短較好較好是說明：這些路由協(xié)議都是基于特定的應(yīng)用環(huán)境下而設(shè)計，在不同的條件下，不同的協(xié)議表現(xiàn)出不同的性能，因此，不能絕對說哪種協(xié)議最優(yōu)。4 洪泛 (MFlood)協(xié)議的仿真分析與評價無線路由通訊協(xié)議MFlood路由算法是一種傳統(tǒng)的廣播式路

26、由協(xié)議10。它不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由計算，每個節(jié)點都使用廣播轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)分組，若收到重復(fù)的分組則進(jìn)行丟棄處理。通過設(shè)定合適的TTL值來避免由于大面積的擴(kuò)散而占用過多的網(wǎng)絡(luò)資源，使擴(kuò)散收斂，保證數(shù)據(jù)分組只經(jīng)過有限跳路由；此外為了進(jìn)行重復(fù)分組檢測，每個節(jié)點需要維護(hù)一個數(shù)據(jù)分組序號SEQ和一張路由表，原節(jié)點每發(fā)送一個分組則將SEQ加1，并將該SEQ添加到數(shù)據(jù)分組的IP頭部，其余節(jié)點受到數(shù)據(jù)分組后會將該SEQ記錄到路由表并根據(jù)該SEQ進(jìn)行重復(fù)分組檢測。由于洪泛算法會產(chǎn)生大量的分組，占用網(wǎng)絡(luò)資源，所有效率很低。但是它是一個最簡單又有效的路由算法4.1 NS2簡介4.1.1 NS-2概述NS-2

27、11的全稱為Network Simulator Version 2。是美國加州大學(xué)伯克利分校(University of Califorlia, Berkley)開發(fā)的一個事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)仿真器。由于具有開放源代碼、可擴(kuò)展性強(qiáng)、仿真速度快效率高等優(yōu)點，目前NS2已被研究者廣泛地用于各種網(wǎng)絡(luò)的仿真。NS-2是面向?qū)ο蟮?，離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題。NS-2提供在無線或有線網(wǎng)絡(luò)上，TCP、路由、多播等多種協(xié)議的模擬。NS具有開放性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、適用于Windows和Linux系統(tǒng)平臺的特點，是一個出色的研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分析網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆抡婀ぞ?。與其他的網(wǎng)絡(luò)仿真工具相

28、比，NS對相應(yīng)數(shù)據(jù)流的仿真能量尤為突出。NS仿真環(huán)境中有兩種分工不同的開發(fā)語言：C+和Otcl ( ObjectTcl, 即Tcl面向?qū)ο蟮臄U(kuò)展)。C+描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的細(xì)節(jié)，Otcl提供面向?qū)ο蟮慕涌冢ㄟ^配置仿真活動中的各種參數(shù)，建立仿真的整體框架，C+和OTCL之間通過TclCL關(guān)聯(lián)起來。C+運行速度快，使模擬具有高性能；而用Otcl進(jìn)行模擬配置，可以不必重新編譯情況下隨意修改模擬參數(shù)和模擬過程，提高了模擬的效率。4.1.2 NS-2的層次結(jié)構(gòu)NS2是一個用C+編寫的面向?qū)ο蟮姆抡嫫?，它的前端是一個OTcl解釋器仿真器內(nèi)核定義了有層次結(jié)構(gòu)的多種類，稱為編譯類結(jié)構(gòu)；OTcl解釋器中有相似的類結(jié)

29、構(gòu)，稱為解釋類結(jié)構(gòu)。NS2內(nèi)核的層次結(jié)構(gòu)9如下圖所示。圖4.1 NS2的層次結(jié)構(gòu)如上圖所示：NS2用到了六種TCL類，分別是：(1) Tcl類：封裝了OTcl解釋器實例，向外界提供方法來訪問解釋器。(2) TclObject類：它是兩種類結(jié)構(gòu)中的大多數(shù)的基類。(3) Tclclass類：把用戶通過類TclObject在解釋器中建立的類結(jié)構(gòu)映射到編譯類結(jié)構(gòu)，提供方法來實例化新的對象(4) TclCommand類：提供一種機(jī)制使NS2內(nèi)核向解釋器輸出簡單的命令。(5) EmbededTcl類：允許用戶以編譯代碼或解釋代碼來擴(kuò)展NS2功能。(6) Instvar類：定義了一些方法和機(jī)制，在編譯類結(jié)構(gòu)

30、對象的成員變量和對應(yīng)的解釋類結(jié)構(gòu)對象的成員變量之間建立映射，使兩類變量一致共享。4.1.3 NS-2模塊概述NS2功能非常強(qiáng)大，由12個模塊組成，下面分別介紹各模塊的功能：(1) Tcl：Tcl提供了一個強(qiáng)有力的平臺，可以生成面向多種平臺的應(yīng)用程序，協(xié)議，驅(qū)動程序等等。它與TK(toolkit)協(xié)作，可生成GUI應(yīng)用程序，可在PC、Unix和Macintosh上運行。Tcl還可用來完成與網(wǎng)頁的相關(guān)任務(wù)，或是為應(yīng)用程序提供強(qiáng)有力的命令語言。(2) TK：與Tcl協(xié)調(diào)工作的圖形工具包。(3) OTcl：MIT Object Tcl的簡稱，是Tcl/TK面向?qū)ο缶幊痰臄U(kuò)展。(4) Tclcl：此目錄

31、下含有tcl/C+的接口，vic、vat、ns、rtp_play和nam都會用到。(5) NS：NS的主體代碼，內(nèi)含一個節(jié)點移動產(chǎn)生器、兩個傳輸事件產(chǎn)生器。(6) TclDebug：Tcl調(diào)試工具包。(7) Nam：即UCB/LBNL Network AniMator，它與NS協(xié)同工作，將NS仿真過程動態(tài)的表現(xiàn)出來。(8) Xgraph：Xgraph是X-Windows應(yīng)用程序，包含：交互式測量和繪制和動畫效果。4.1.4 NS-2的組成部分（1）離散事件調(diào)度器（Scheduler）：調(diào)度器是仿真器的心臟，它記錄當(dāng)前時間，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)事件鏈表中的事件。它有一個靜態(tài)成員變量instance，供所有的

32、類訪問同一個調(diào)度器，提供函數(shù)產(chǎn)生新事件，指定事件發(fā)生的時間。目前NS2支持四種事件調(diào)度器，分別為鏈表式（linked-list）、堆式（heap）、時間隊列式（calendar）和實時（real-time）調(diào)度器，其中時間隊列式為默認(rèn)的事件調(diào)度器。（2）事件處理器(Handler)：Handle是所有處理事件類的基類，它只是一個虛擬函數(shù)，每個繼承類實現(xiàn)自己的功能。（3）節(jié)點（Node）：節(jié)點是對實際網(wǎng)絡(luò)中分布在不同地理位置的主機(jī)、交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一抽象，是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個重要組成部分。（4）鏈路(Link)：鏈路用來連接節(jié)點和路由器。一個節(jié)點可以有一條或多條輸出鏈路(如路由器

33、)，所有的鏈路都以隊列的形式來管理分組到達(dá)、離開或丟棄，統(tǒng)計并保存字節(jié)數(shù)和分組數(shù)。另外還有一個獨立的對象來記錄隊列日志。（5）代理(Agent)：代理是實際產(chǎn)生和消費分組的對象，它們屬于傳輸層實體，運行在端主機(jī)，節(jié)點的每一個代理自動被賦與一個唯一的端口號(模擬udp/tcp端口)，代理知道與它相連的節(jié)點，以便把分組轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點，它也知道分組大小，業(yè)務(wù)類型，目的地址。Agent類是各種UDP/TCP實現(xiàn)類的基類，代理被保存在一個稱為demux的鏈表中。（6）NS對象(NsObject)：NsObject是所有網(wǎng)絡(luò)實體的基類，包括節(jié)點、鏈路、代理，業(yè)務(wù)記錄(Trace)和數(shù)據(jù)源等。節(jié)點、鏈路、代理同

34、時繼承了NsObject和事件處理器類，因為這三種對象要處理多種事件，其他對象則不需要。（7）匹配器類(Matcher)：匹配器類用來標(biāo)識有實例對象生成的類，用戶給出標(biāo)識匹配器類的關(guān)鍵字，匹配器類返回相應(yīng)的新建對象。4.1.5 NS2仿真模擬的步驟進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬前，首先要分析模擬要涉及哪幾個層次。NS模擬分兩個層次：一個是基于Otcl編程的層次，利用NS已有的網(wǎng)絡(luò)元素實現(xiàn)模擬，無需對NS本事進(jìn)行任何修改，只要編寫Otcl腳本；另一個層次是基于C+和Otcl編程的層次，如果NS中沒有所需的網(wǎng)絡(luò)元素，就需要首先對NS進(jìn)行擴(kuò)展，添加所需要的網(wǎng)絡(luò)元素。這就要利用分裂對象模型，添加新的C+類和Otcl類，

35、然后再編寫Otcl腳本。整個模擬過程圖4.2所示，步驟如下：(1) 如果有需要，則對NS2進(jìn)行擴(kuò)展，添加新的模塊或者對NS2中已有的模塊進(jìn)行修改；(2) 開始編寫Otcl腳本。包括配置模擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、確定鏈路的基本屬性等；(3) 建立協(xié)議代理，包括端設(shè)備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)模型的建立等；(4) 配置業(yè)務(wù)模型的參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布；(5) 設(shè)置Trace對象。Trace對象能夠把模擬過程中發(fā)生的特定類型的事件記錄在trace文件中。NS2通過trace文件保存整個模擬過程。模擬完成后可以對trace文件進(jìn)行分析研究。(6) 設(shè)定模擬結(jié)束時間，編寫其它輔助過程，至此Otcl腳本編寫

36、結(jié)束；(7) 用ns執(zhí)行剛才的Otcl腳本，得到trace文件；(8) 對trace文件進(jìn)行分析，得出有用的數(shù)據(jù)；(9) 調(diào)整配置模擬中的參數(shù)，重新進(jìn)行模擬過程。圖4.2 NS2仿真模擬流程4.2 仿真環(huán)境搭配4.2.1 Cygwin環(huán)境 NS2是在UNIX系統(tǒng)上開發(fā)的，因此可以再FreeBSD、SunOSc、Solaris定UNIX和類UNIX系統(tǒng)上安裝。而本次仿真設(shè)計是建立在Windows環(huán)境下的，因此我們將要使用基于Windows平臺的Cygwin環(huán)境來進(jìn)行仿真。Cygwin11是一個在Windows平臺上運行的Unix模擬環(huán)境，是Cygnus Solution公司開發(fā)的自由軟件。它對學(xué)

37、習(xí)Unix/Linux操作系統(tǒng)，或者從Unix到Windows的應(yīng)用程序移植，或者進(jìn)行某些特殊的開發(fā)工作，尤其是使用gnu工具集在Windows上進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，非常有用。運行Cygwin后，你會得到一個類似于Linux的Shell環(huán)境，在其中還可以使用絕大部分Linux軟件和功能，如Gcc，Make，Vim，Emacs等等。4.2.2 實驗環(huán)境在仿真實驗中采用了NS-2作為網(wǎng)絡(luò)仿真的工具，它提供了通信模型、隨機(jī)拓?fù)浜凸?jié)點移動模型生成等輔助工具。在仿真中使用的場景文件就使用了隨機(jī)模型工具實現(xiàn)。在仿真中設(shè)置了以下的仿真情景：場景文件scene-50n-0p-40s-400t-1200-120

38、0中的50n表示50個節(jié)點，0p表示到一個地方的停留時間是0秒，40s表示節(jié)點移動的最大速度為40秒，400t表示模擬場景的持續(xù)時間是400秒，1200-1200表示場景的大小為1200m1200m。在模擬仿真的過程中，同時還需要為50個節(jié)點在某個隨機(jī)時刻啟動一個cbr流，該cbr流各節(jié)點間最大的連接數(shù)為30，每秒發(fā)送1個長度為512Byte的包。 4.23 代碼實現(xiàn)#Agent/UDP set packetSize_ 6000 ;#設(shè)置包的大小set val(chan) Channel/WirelessChannel ;#信道類型set val(prop) Propagation/TwoRa

39、yGround ;#無線傳播模式set val(netif) Phy/WirelessPhy ;#網(wǎng)絡(luò)接口類型set val(mac) Mac/802_11 ;#MAC類型set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;#接口隊列類型set val(ll) LL ;#邏輯鏈路層類型set val(ant) Antenna/OmniAntenna ;#天線類型set val(x) 1200 ;#移動拓?fù)涞膶挾萻et val(y) 1200 ;#移動拓?fù)涞拈L度set val(ifqlen) 50 ;#接口隊列最大長度set val(seed) 0.0set val(rp

40、) MFlood ;#仿真協(xié)議的類型set val(nn) 50 ;#移動節(jié)點的個數(shù)set val(cp) cbr-50n-30c-1p ;#cbr流文件#set val(sc) ./scene-50n-0p-2s-400t-1200-1200 ;#場景文件set val(sc) scene-50n-0p-40s-400t-1200-1200 ;#場景文件#set val(sc)./scene/jscene-50n-0p-2s-400t-1200-1200-1 ;#場景文件set val(stop) 100 ;#仿真時間=# 主程序=# 初始化模擬參數(shù)和跟蹤對象set ns_ new Simu

41、latorset tracefd open mflood-scene2.tr w ;#trace文件跟蹤$ns_ trace-all $tracefd#創(chuàng)建移動拓?fù)鋝et topo new Topography#設(shè)定移動場景范圍$topo load_flatgrid $val(x) $val(y)#nam文件跟蹤set namtrace open wireless1-out.nam w $ns_ namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y)# 創(chuàng)建God對象set god_ create-god $val(nn)# 創(chuàng)建$val(nn)個移動節(jié)

42、點并將它們連接到信道#配置節(jié)點屬性set channel new Channel/WirelessChannel$channel set errorProbability_ 0.0 $ns_ node-config -adhocRouting $val(rp) ;#路由協(xié)議類型 -llType $val(ll) ;#鏈路層類型 -macType $val(mac) ;#MAC類型 -ifqType $val(ifq) ;#接口隊列類型 -ifqLen $val(ifqlen) ;#接口隊列的最大分組數(shù) -antType $val(ant) ;#天線模式 -propType $val(prop)

43、 ;#無線信號傳輸模式 -phyType $val(netif) ;#網(wǎng)絡(luò)接口類 -channel $channel ;#通信信道類型 -topoInstance $topo ;#拓?fù)浞秶?-agentTrace ON ;#打開agent層trace -routerTrace ON ;#打開路由層trace -macTrace OFF ;#關(guān)閉Mac層trace -movementTrace OFF ;#關(guān)閉移動trace#創(chuàng)建移動節(jié)點 for set i 0 $i $val(nn) incr i set node_($i) $ns_ node$node_($i) random-motion

44、0;# 定義節(jié)點移動模型puts Loading connection pattern.source $val(cp)#定義節(jié)點運行的模型puts Loading scenario file.source $val(sc)# 設(shè)置在nam中移動節(jié)點顯示的大小for set i 0 $i $val(nn) incr i $ns_ initial_node_pos $node_($i) 20# 模擬結(jié)束后重設(shè)節(jié)點for set i 0 $i highest_packet_id) highest_packet_id=packet_id; #r表示收包，當(dāng)然也要在agent層 if($1=r)&($4

45、=AGT)&(end_timepacket_id=0)&($7=cbr) end_timepacket_id=time; #記錄收包時間 if($1=s)&($4=AGT)&($7=cbr) send+; if($1=r)&($4=AGT)&($7=cbr) recv+; END #當(dāng)每行資料都讀取完畢后，開始計算有效封包的端到端延遲時間。 for ( packet_id = 0; packet_id = highest_packet_id; packet_id+ ) start = start_timepacket_id; end = end_timepacket_id; packet_duration = end - start; #只把接收時間大于傳送時間的記錄打印出來 if ( start end ) printf(%d %fn, pa