第4章-无线传感器网络的网络层课件

第四章无线传感器网络的网络层

无线传感器网络网络层概述无线传感器网络网络层分类无线传感器网络网络层路由协议移动SINK的无线传感器网络网络层协议第四章无线传感器网络的网络层

在无线传感器网络中，路由协议主要用于确定网络中的路由，实现节点间的通信。但是由于受节点能量和最大通信范围的限制，两个节点之间往往不能直接进行数据交换，而需要以多跳的形式进行数据的传输。无线传感器的网络层就主要负责多跳路由的发现和维护，这一层的路由协议主要包括两个方面：路由的选择：即寻找一条从源节点到目的节点的最优路径；路由的维护：保证数据能够沿着这条最优路径进行数据的转发。无线传感器网络网络层概述第四章无线传感器网络的网络层相对于传统网络，无线传感器具有以下特征：1）大规模分布式应用2）以数据为中心3）基于局部拓扑信息4）基于应用5）数据的融合无线传感器网络网络层概述第四章无线传感器网络的网络层

无线传感器网络的路由协议的发展还不够完善，随着科技的进步，无线传感器网络将会朝着以下几个方面发展。1．最优路径选择2．安全性3．QoS保证4．能量高效利用和均衡无线传感器网络网络层概述第四章无线传感器网络的网络层无线传感器网络路由协议总是具有以下几个特点：由于无线传感器中电池不可替换，高效、均衡地利用能量是好的协议所必须考虑的首要因素；无线传感器网络中协议应尽量精简，无复杂的算法，无大容量的冗余数据需要存储，控制开销少；网络的互联通过Sink节点来完成，其余节点不提供网外的通信；网络中无中心节点，多采用基于数据或基于位置的路由算法机制；由于节点的移动或失效，一般采用多路径备选无线传感器网络网络层概述第四章无线传感器网络的网络层

尽管无线传感器网络路由协议已经取得了较大的进展，但还有一些问题需要解决，下面就简单列出几个挑战。

节能

高扩展性

容错性

数据融合技术

通信量分布不均匀无线传感器网络网络层概述第四章无线传感器网络的网络层

无线传感器网络的应用背景各不相同，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而研究人员设计了众多的路由协议。为说无线传感器网络路由协议的特点，可以根据路由协议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点表示和传递方式等策略，运用了多种方法对其进行分类。（1）根据节点在路由过程中是否有层次结构，作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议。（2）根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。（3）根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协议。无线传感器网络网络层分类第四章无线传感器网络的网络层（4）根据节点是否编址、是否以地址表示目的地，可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。（5）根据数据在传输过程中是否进行数据融合处理，可分为数据融合的路由协议和非数据融合的路由协议。（6）根据是否以地理位置来表示目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。（7）根据是否以节点的可用能量或传输路径上的能量需求作为选择路由的根据，可分为能量感知路由协议和非能量感知路由协议。（8）根据路由建立是否与查询相关，可分为查询驱动路由协议和非查询驱动路由协议。无线传感器网络网络层分类第四章无线传感器网络的网络层

较为常用的路由协议有：基于数据的路由协议、基于集群结构的路由协议和基于地理位置的路由协议。基于数据的路由协议能够对感知到的数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合操作，减少网络中冗余数据的传输，这类协议同时集成了网络路由任务和应用层数据管理任务。基于集群结构的路由协议主要考虑的路由算法的可扩展性，其主要可分为两种模式，即单层模式和多层模式，单层模式指路由协议仅对传感器节点进行一次集群划分，通常每个集群头节点能直接与Sink节点通信；多层模式指路由协议将对传感器节点进行多次集群划分，即集群头节点将再次进行集群划分。基于地理位置的路由协议假定传感器节点能够知道自身地理位置或者通过基于部分标定节点的地理位置信息计算自身地理位置，用节点的地理位置来改善一些已有的路由算法，实现无线传感器网络性能的优化。无线传感器网络网络层分类第四章无线传感器网络的网络层1）SPIN协议基本思想SPIN协议是一类基于协商、以数据为中心的路由协议。SPIN协议假设所有的网络节点都是潜在的Sink节点，某一个要发送数据的节点把数据传送给任何需要该数据的节点，并通过协商机制减少网络中数据传输的数据量。节点只广播其他节点没有的数据以减少冗余数据，从而有效地减少了能量消耗。SPIN协议在节点过程中使用三种类型的数据包：ADV：广播数据包，当一个节点需要发送数据时，就向周围广播一个带有本节点属性、类型等信息的一个数据包该数据包通常要远远小于数据本身的大小。REQ：请求包，如果接收到ADV的节点需要该数据就发送一个REQ请求包。DATA：数据包，接收REQ后，要发送数据的节点就发送一个DATA包，DATA中包含有效数据。无线传感器网络网络层协议——SPIN协议第四章无线传感器网络的网络层SPIN协议的三次握手方式当接受到ADV报文的节点发现已经拥有了ADV报文中描述的数据，那么它不发送REQ报文，能量较低的节点也不发送REQ报文（SPIN2）无线传感器网络网络层协议——SPIN协议第四章无线传感器网络的网络层2）SPIN协议解决的关键问题SPIN协议通过节点之间的协商，解决Flooding协议（所有节点转发数据）和Gossiping协议（随机选择节点转发数据）的内爆和重叠问题。

内爆：节点向邻居节点转发数据包，不管其是否收到过相同数据重叠：感知节点感知区域有重叠，导致数据冗余无线传感器网络网络层协议——SPIN协议第四章无线传感器网络的网络层2）SPIN协议的优点通过节点间的协商解决“内爆”和“重叠”问题；在路由选择中使用了能量阈值，可以提高网络生存时间不需要进行路由维护（没有路由表）对数据进行融合对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN3）SPIN协议的缺点本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大无线传感器网络网络层协议——SPIN协议第四章无线传感器网络的网络层

定向扩散协议（DD）是一种以数据为中心的路由协议，采用的是基于查询的方法。通过汇聚节点在全网内广播自己需要的数据，同时在广播的过程中形成了一条由节点到汇聚节点的路径，节点采集到数据之后将会沿着这条路径来传送数据，汇聚节点通过选择一条最优的路径来接收数据。1）DD协议基本思想DD路由协议提供了一种查询的方法，该协议中包括了三个不同的阶段：兴趣扩散：Sink节点向全网广播一条被称为兴趣的数据包，告知自己需要的数据。梯度建立：兴趣的数据包被中间节点逐步转发到网络中相关节点，在这个过程中，逐步地转发建立了多条从兴趣的源节点到汇聚节点的路径。路径加强：当网络中的相关节点采集到兴趣数据包中所要求的节点之后，采取的也是广播的方式来向汇聚节点发送数据，通过多跳方式最终传送到汇聚节点，汇聚节点就会从多条路径接收到源节点传过来的数据，之后，Sink节点根据最小代价原则从这些路径中选择一条最优的路径来继续接收数据，其余路径将被放弃。无线传感器网络网络层协议——DD协议第四章无线传感器网络的网络层无线传感器网络网络层协议——DD协议兴趣消息采用泛洪的方法传播到网络有和兴趣匹配数据的节点发送数据兴趣扩散阶段建立节点到Sink的若干路径，再由路径加强选择一条适合的路径兴趣举例：属性值对组成type=four-leggedanimal//detectanimallocationinterval=20ms//sendbackeventsevery20msduration=100seconds//..forthenext100secondsrect=[100,100,200,400]//fromsensorswithinrectangle第四章无线传感器网络的网络层2）DD协议主要机制

定向扩散协议的主要机制就是怎样有效地在Sink节点兴趣扩散过程中进行路径的梯度建立，数据接收之后强化路径的最终选择和维护。在兴趣扩散阶段，基站节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。当传感器节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率设定传感器模块采集数据的速率。DD路由协议通过正向增强机制来优化建立的路径，并根据网络拓扑的变化修改数据转发的梯度关系。DD路由协议是一种经典的以数据为中心的路由协议。Sink节点根据不同的应用需求定义不同的任务类型、目标区域、上报间隔等参数的兴趣消息，通过向网络中泛洪这些查询请求进行路由的建立。无线传感器网络网络层协议——DD协议第四章无线传感器网络的网络层2）DD协议的路径修复加强路径上的节点可以触发和启动路径的加强过程无线传感器网络网络层协议——DD协议新路径C和源节点之间路径断裂第四章无线传感器网络的网络层2）DD协议的优点数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息；路径加强机制可显著提高数据传输的速率；周期性路由：能量的均衡消耗；3）DD协议的缺点周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大；节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大；无线传感器网络网络层协议——DD协议第四章无线传感器网络的网络层集群结构路由协议是一种分层的路由协议，在该思想下，网络被划分为多个簇，每个簇都由一个簇头和许多个簇成员组成；每个簇成员如需跟其余簇的成员通信首先与簇头通信，通过簇头来与其余簇进行通信；簇头节点的职责就是管理好本簇内节点，完成本簇分布范围内数据的搜集，并负责簇间的通信；在网络规模比较大的情况下，簇头又可以再次分簇，从而形成一个多层网络；分层路由扩展性非常好，对于大规模的无线传感器应用具有很高的使用价值；无线传感器网络网络层协议——集群路由协议第四章无线传感器网络的网络层LEACH协议主要思想：每个节点直接和Sink节点通信：节点能量消耗过大节点密度较大时冲突过大，效率低LEACH算法：簇头节点作为一定区域所有节点的代理，负责和Sink的通信；非簇头节点可以使用小功率和簇头节点通信；簇头节点可以对所辖区域节点数据进行融合，减少网络中传输的数据；簇头选举算法的设计，要求保证公平性无线传感器网络网络层协议——LEACH协议第四章无线传感器网络的网络层LEACH是第一个提出数据聚合的层次型路由协议，采用随机选择簇首的方式来避免簇首过度消耗能量；通过数据聚合有效地减少网络的通信量。LEACH协议的工作过程是一轮一轮地进行的，每一轮分为建立阶段和传输阶段。最重要的簇头选择。簇头选择方法：

随机选择一些节点作为簇首节点，具体方法是：节点n选择一个0～1间的随机数，并且与T(n)作比较，如果小于T(n)，该节点就成为簇首节点。无线传感器网络网络层协议——LEACH协议第四章无线传感器网络的网络层1）建立阶段节点运行算法，确定本次自己是否成为簇头；簇头节点广播自己成为簇头的事实；其他非簇头节点按照信号强弱选择应该加入的簇头，并通知该簇头节点；簇头节点按照TDMA的调度，给依附于他的节点分配时间片；无线传感器网络网络层协议——LEACH协议第四章无线传感器网络的网络层2）数据传输阶段：非簇首节点负责采集数据，如果需要发送数据，就用最小的能耗发送给它的簇首节点。非簇首节点节点在分配给他的时间片上发送数据，在不属于自己时隙的期间可以进入睡眠状态以节省能耗，而簇首节点则必须始终处于接收状态。所有非簇首节点的TDMA时隙都轮过后，簇首节点对接收到的数据进行融合压缩，然后直接发送给Sink节点。无线传感器网络网络层协议——LEACH协议第四章无线传感器网络的网络层2）数据传输阶段：非簇首节点负责采集数据，如果需要发送数据，就用最小的能耗发送给它的簇首节点。非簇首节点节点在分配给他的时间片上发送数据，在不属于自己时隙的期间可以进入睡眠状态以节省能耗，而簇首节点则必须始终处于接收状态。所有非簇首节点的TDMA时隙都轮过后，簇首节点对接收到的数据进行融合压缩，然后直接发送给Sink节点。无线传感器网络网络层协议——LEACH协议第四章无线传感器网络的网络层LEACH协议的优点优化了传输数据所需能量优化了网络中的数据量LEACH协议的缺点节点硬件需要支持射频功率自适应调整随机选择簇头，无法保证簇头节点能遍及整个网络LEACH协议的改进LEACH-c：簇头由Sink节点指定；通过模拟退火算法选择簇头；无线传感器网络网络层协议——LEACH协议第四章无线传感器网络的网络层1）TEEN协议基本思想TEEN协议将无线传感器网络，分为主动型和响应型。主动型无线传感器网络持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据响应型无线传感器网络只是在被观测变量发生突变时才传送数据。响应型无线传感器网络更适合对时间敏感的应用TEEN和LEACH的实现机制非常相似，前者为响应型，后者属于主动型，TEEN采用LEACH-c的集中式簇头建立方法在TEEN协议中定义了两个门限的概念。硬门限：当传感器节点收集到的数据高于这个门限值时，节点开始向簇首节点汇报数据；软门限，当节点感应到的数据的变化值大于这个门限值时，节点开始向簇首汇节点报数据。无线传感器网络网络层协议——TEEN协议第四章无线传感器网络的网络层2）TEEN协议主要机制无线传感器网络网络层协议——TEEN协议根据阈值参数上报数据，提高重要数据的实时性实时上报和周期性上报相结合第四章无线传感器网络的网络层地理位置信息路由协议要求每个节点知道自己在网络中的位置，下列方法可确定节点位置GPS(GlobalPositioningSystem)超声波三角定位系统标定基于地理位置的路由协议一般分为两类：一类是使用地理位置协助改进其余路由算法，以用来约束网络中路由搜索的区域，减少网络不必要的开销，主要代表协议有LAR和GAF等另外一类是基于地理位置的路由协议，这一类协议直接利用地理位置来实现自己的路由策略，代表协议有GPSR和GEAR等无线传感器网络网络层协议——基于地理位置第四章无线传感器网络的网络层1）GAF协议的基本思想——与路由相结合的节能策略一般情况下，节点在发送和接收数据的过程中最为消耗能量，但节点在空闲时也需要消耗能量，根据最新的测量结果，节点在空闲、接收数据和发送数据时消耗的能量之比为1∶1∶2∶1.7，因此节点只要处于启动状态就一定要消耗能量GAF算法考虑到无线传感器网络中节点的冗余性特点，在地理位置信息的帮助下在保证网络正常流通的情况下，适当关闭一些节点右降低能量消耗，提高节点的生存时间，从而延长网络的生命周期无线传感器网络网络层协议——GAF协议第四章无线传感器网络的网络层2）GAF协议的主要机制在GAF路由算法主要机制包括：确定等价节点、轮换协商的算法和节点移动自适应算法。a）确定等价节点：GAF路由算法中，协议将整个区域分成若干个虚拟网格，虚拟网格中的任意一个节点都可以与相邻网格内的节点进行通信，因此对于每个网格中的节点来说都可以实现路由的连通，可以说是等价节点。无线传感器网络网络层协议——GAF协议假设节点的通信最远距离为Rr≦R/51/2r。

第四章无线传感器网络的网络层2）GAF协议的主要机制b）分布式轮转协商算法网络节点有三种状态：休眠状态、发现状态和激活状态，各个状态之间的切换主要由定时器触发；节点休眠醒来后处于发现状态，通过发送发现报文让其他地理上相邻的等价节点进入休眠状态；发送了发送报文的节点转为激活状态只有处于激活状态的节点才参与数据转发，根据预期生存时间选择激活状态的节点做为路由节点无线传感器网络网络层协议——GAF协议第四章无线传感器网络的网络层2）GAF协议的主要机制c）节点移动的自适应算法处于激活状态的节点可能移动出其所在的网格，导致先前所在的网格可能没有一个激活节点，降低路由可靠性GAF通过预测并报告节点运动规律来解决移动节点造成的路由断裂问题GAF的每个移动节点根据移动速度、节点位置和网格大小预测它离开所在网格的时间，并且将此信息放入发现信息中其他等效节点的休眠时间由节点自身的缺省休眠时间和路由节点离开时间的最小值确定，确保在路由节点移出网格前有其他节点醒来，减少节点移动性带来的副作用无线传感器网络网络层协议——GAF协议第四章无线传感器网络的网络层1）GPSR协议的基本思想GPSR协议直接使用地理信息实现路由，使用贪婪算法建立路由，当节点需要发送数据时，选择一个距离目标节点最近的节点作为转发数据的下一跳节点。该过程一直重复直到数据达到目标节点为避免局部优化问题，GPSR协议采用边界转发策略作为贪婪转发的补充无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层贪婪算法利用节点的地理位置信息选择邻居节点中离数据包目的节点更近的点作为转发节点无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层贪婪转发中的局部优化问题存在x到D的路径x的邻居w,y离D的距离比x大解决方法：边界转发无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层事先构造平面图描述网络拓扑二维空间结构；平面图中任意两条边都不相交；GPSR算法中构造平面图的方法是删除网络拓扑图中交叉的边，但不能引起网络分割算法：RNG(RelativeNeighborhoodGraph)GG(GabrielGraph)无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层RNG算法：节点u，v之间存在边的条件是对于任意一个节点w，u到v的距离要小于或等于u到w或是v到w的距离的最大值，用下式表示

无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层GG算法：节点u，v之间存在边的条件是在以d(u，v)为直径的圆中没有其它节点，用下式表示无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层边界转发时的右手法则一个数据分组从节点y到达节点x；下一条边的选择：下一边是以x为定点，沿(x，y)逆时针方向上的第一条边，图中为(x，z)后续各边同样依此法则确定无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层FACE平面图的边将整个图分成许多小的互补重叠的有界多边形和一些无界区域，这些有界多边形和无界区域统称为face。其中，有界区域称为内部face，无界区域称为外部face。途中xD通过3个有界face和一个无界face。无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层边界转发数据包在x点进入边界转发模式，通过face边界向目的节点D转发，这些face都被xD穿越；转发边的选择采用右手法则，初始边为xD；数据包在同一个face中转发时采用右手法则，当碰到与xD相交的边时，进行face切换，进入下一个face；无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层优点采用局部最优的贪婪算法，不需要维护网络拓扑，路由开销小；可适用于静态和移动的WSN网络；缺点需要地理位置信息的支持；需要维护邻居节点位置信息；无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层若干变种：GRA（GeographicalRoutingAlgorithm)：发生局部优化问题时通过泛洪查找到目的节点的路由f-GEDIR(f表示泛洪)和c-GEDIR

：

发生局部优化问题，采用尽力而为的方式：f-GEDIR：向所有邻节点广播该分组

c-GEDIR：选择部分邻节点转发该分组

收到数据包的节点继续使用GPSR协议转发该数据分组2-hopGEDIR

：节点保存一跳和两跳范围邻居节点的位置信息

无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层常用的贪婪策略MFR(MostForwardwithinRadius)：使到目的节点的跳数最少NFP(NearestwithForwardProgress)：使节点之间干扰最少CR(CompassRouting)：减小数据传输范围无线传感器网络网络层协议——GPSR协议第四章无线传感器网络的网络层1）

GEAR路由协议基本思想GEAR路由协议根据事件所在区域的地理信息，实现从Sink节点到事件所在地区节点的路径，这样就能实现Sink节点向某个特定区域发送数据，避免了泛洪似的全网广播数据，同时借鉴了SPIN中查询节点剩余能量值的方法，建立从Sink节点到目标区域的最优路径。前提已知目标区域的位置信息节点知道自己位置信息和剩余能量节点间无线链路是对称的无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层1）

GEAR路由协议的关键技术两个关键性技术问题向目标区域传送查询消息查询消息在事件区域内的传播选路依据节点到查询区域通信能量能耗节点本身的剩余能量最小代价节点为转发节点无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层查询命令传送到目标区域贪婪算法－选择邻居节点到达指定区域的代价估计代价：

F(Ni

,R)=α•Distance(Ni,R)+(1−α)•Left_Enery(Ni

)实际代价：F(Ni

,R)=α•Enery_Cost(Ni

,R)+(1−α)•Left_Enery(Ni)Ni为有转发需求的节点的邻居节点，R为目标区域的中心位置。当N不知道Ni的实际代价时使用估计代价。无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层查询命令传送到目标区域路由空洞问题邻居节点传输代价都比本地节点大；选择邻居节点中代价最小的作为转发节点；修改本地节点的转发代价；

F(N,R)=F(Nmin,R)+C(N,Nmin)C(N,Nmin)表示将数据包从N传送到Nmin的代价无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层查询命令传送到目标区域路由空洞问题无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层查询在监测区域内传送：洪泛方式，迭代地理转发迭代地理转发：将目标区域分解为若干子区域、向子区域的中心位置转发）无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层优点利用了位置信息，避免了查询消息的Flooding；考虑了消耗的能量和节点剩余能量，均衡消息；路径选择可达到局部最优；迭代地理转发对洪泛机制的补充；缺点可能出现路由空洞（局部信息）-两跳信息；不适合在移动WSN使用无线传感器网络网络层协议——GEAR协议第四章无线传感器网络的网络层基本思想通过移动Sink点克服网络中能耗和负载不平衡的现象通常需要知道节点的地理位置，需要节点有定位功能作为辅助移动SINK的无线传感器网络网络层协议多源单汇数据流远远大于控制流离汇聚节点近能量消耗快需要解决流量和能量的均衡问题第四章无线传感器网络的网络层TTDD协议的基本思想传感器节点不移动，Sink节点移动；多Sink；以源节点为中心建立格状网；运用代理，实现对移动Sink的透明传输；Sink通过泛洪查找感兴趣的事件，洪泛区域限定在一个网格区间；移动SINK的无线传感器网络网络层协议-TTDD第四章无线传感器网络的网络层TTDD协议的基本思想传感器节点不移动，Sink节点移动；多Sink；以源节点为中心建立格状网；运用代理，实现对移动Sink的透明传输；Sink通过泛洪查找感兴趣的事件，洪泛区域限定在一个网格区间；移动SINK的无线传感器网络网络层协议-TTDD第四章无线传感器网络的网络层网格的建立移动SINK的无线传感器网络网络层协议-TTDD源节点B的坐标(x