无线网络路由协议比较及无线网络技术发展趋势探究

1、目 录一、绪论3（一）研究背景3（二）研究目的和意义3（三）国内外研究现状41国外研究现状42国内研究现状7二、无线网络概述8（一）无线网络概述81无线网络结构82节点结构9（二）无线网络的特点101大规模网络102自组织网络103动态性网络104节点能源有限115节点通信和计算能力有限11（三）无线网络协议结构111.物理层122.数据链路层123.网络层134.传输层135.应用层协议146能量管理平台157移动管理平台158任务管理平台15三、无线网络的关键技术15（一）路由协议16（二）MAC协议16（三）拓扑控制17（四）定位技术17（五）安全技术18（六）数据融合技术18四、线传感

2、网络路由协议的分类与比较18（一）无线传感网络路由协议18（二）无线传感网络路由协议的分类19（三）典型无线传感网络路由协议的介绍181洪泛协议182定向扩散协议193SPIN协议204GEAR协议205LEACR协议216TEEN协议21五、路由器技术综述22（一）什么是路由. 22（二）路由器的分类.22（三）路由器的功能.22（四）路由器的技术.23六、结语25致 谢25无线网络路由协议比较及无线网络技术发展趋势探究摘要:无线网络是当前新兴的计算机网络应用技术，是目前计算机网络路由领域比较热点的研究对象。本文总结无线网络的发展历史和研究现状,通过分析比较无线网络路由协议,对无线网络各种路

3、由协议性能进行了归纳，最后对无线网络技术发展所面对的挑战以及趋势进行了展望，希望本文能够对无线路由协议的基础理论研究和发展提供一定的帮助。关键词: 无线网络 协议一、绪论（一）研究背景无线网络是一类新型的无基础设施网络，它由众多传感器节点以自组织方式构成。传感器节点能够相互协作地感知、采集和处理网络覆盖区域的对象信息，通过无线通信网络将有用信息发送给远程用户。与传统无线网络相比，传感器节点由于受价格、体积和功耗的限制，节点的计算、存贮和通信能力都十分有限。此外，传感器节点由微型电池供电，能量有限且一般无法补充。随着近几年网络信息技术的迅猛发展，无线网络技术突飞猛进。这项技术的实现和推广被看成是

4、新时代最具发展潜力的信息网络技术。国外先关媒体在评选对未来影响最的技术时，将无线网络技术列在了第一名，足见无线网络技术的重要性和未来强有力的发展势头。因此，越早的开展无线网络研究，就越早的占据的信息技术最前沿，就越早的成为未来无线网络应用的佼佼者。（二）研究目的和意义 无线网络最大的优点就是灵活、方便、快捷，具有很高的经济利用价值和十分广阔的使用前景，在目前的各项网络应用中都能使用，但他在优势将更高的体现在国防军事、农业管理、地区管理以及抢险救灾、危险地区等偏僻、无人、无传统网络的地区。目前无线网络技术以及引起了学术界和工业界的极大关注，各国都投入极大的人力和财力，对无线网络技术进行分析研究，

5、以追求未来更大的无线网络市场更大的发展。目前，无线网络是当今信息领域的研究热点，国内外已有不少这方面的研究报道，但总体而言，该技术的研究还处于起步阶段，许多应用领域还无法实现。但毋庸置疑，无线网络的市场发展潜力非常巨大，值得我们探索和研究的问题还非常多。随着无线网络技术的日趋发展，它必将给未来经济的各个领域带来一次巨大的影响。（三）国内外研究现状1国外研究现状从千年开始，无线网络技术就引起了学术界、军事界和工业界的极大兴趣，吸引了众多网络信息技术领域的研究者的关注，国外对于无线网络技术的研究比国内略早几年。美国和欧洲的许多国家就通过国防部或者国家科研基金组织等多方面的支持开展起来无线网络技术的

6、研究，目前已经取得初步的效果，具体表现在以下方面：（1）学术领域本世纪初，美国国家自认基金委员会就斥巨资在加州大学成立了无线网络技术研究中心，集合了多所大学共同研究开发无限网络技术。研究的目的主要是利用传感器网络对我们的生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论和关键技术的研究。目前，该研究中心已经开发了一个网线网络系统，该系统不依赖于网络拓扑结构的分布式系统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换初始感知为高级数据流的层次系统结构、传感器网络的时间同步的解决方法、自组织传感器网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传

7、感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等。斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空间方法以及由无网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。麻省理工学院开始研究超低能源无线网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。（图1）图1 无线网络技术在学术领域的应用（2）军事领域毫无疑问，网络信息技术已经推动了现代军事战争的变革。因此，新的无线网络技术将为现代军事技术提供新的技术支持，或者说，无线网络技术将给现代军事带来第二次信息技术革命。也就是说，占有了无线网络技术就决定了未来战争的走势，决定了决战双方谁在信息的

8、获取、传输、处理上占据优势。谁掌握了更先进、更成熟的无线网络技术谁就占据了战争的主动权。这也是无线网络技术与传统网络技术相比最大的优势所在，无线网络技术将能在多种场合满足军事信息获取的实时性、准确性、全面性等方面需求。无线网络技术可以实现有效的战事监控，能在第一时间得之敌我双方的实力，能在第一时间有效的对敌方目标进行打击，能在第一时间传达前方的事态并做出周全的部署和安排，这一点就能充分满足现代战争作战力量“知己知彼”的要求。目前，无线网络在军事中应用最典型设想是，用飞行器将大量微传感器结点散布在战场的广阔地域，这些结点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供可靠的情报服务。

9、美国通过对无线网络技术的研究后，就提出了“灵巧传感器网络通信”计划。其基本思想是:在战场上布设大量的微小的具有无线通信功能的传感器模块，监视敌军的动向，通过自组织的无线网络把重要的信息传送到数据融合中心，将大量的信息集成一幅战场全景图。当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大加强。美国军方最近还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。该系统能够将战场的信息准确、直观的描述出来，比如作战中部队将遇到的特殊地形地貌，登录作战时对方的火力设置、丛林作战时地面的坚硬程度以及空降作战时作战地点的气候条件等等，转化成有效的信息数据供作战部队使用，为各作战部队联合打击目标提供了“数字化”的信

10、息，这无疑是现代军事战争中情报侦察领域的一次技术飞跃。另外，美国海军最近也在开发“传感器组网系统”研究项目。传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统。利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理，而管理工作只需通过一台专用的商用便携机即可，不需要其他专用设备。该系统以现有的带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息，该系统可以部署到各级指挥单位。（图2）图2 无线网络技术在军事中的应用（3）民用领域美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”。该技术利用无线网络试图组建一个更高效的地面管理系统，对证个交通实时、准确、高效的进行管理。该系统目前已开展的研

11、究包括：堵车最佳路线提醒，前后车辆车距保持，避让行人，车辆遇险自动报警等方面。英特尔也在新世纪初期开展了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。计划宣称：英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要三个阶段：即物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器；实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据；应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。加州大学伯克利分校计算机系利用无线网络技术监控海岛生态环境。该应用项目已从2002你开展，目前该项目的研究人员在检测地点

12、成功设置了油43个43个无线传感器节点组成的无线网络系统，该项目的研究人员已经开始对该地区的动物进行了长达8年的监控，得出了大量的动物生长、繁殖的第一手资料。该项目的成功开展，充分证明无线网络在这样的应用环境中有非常明显的优势，能够在减少人力、物理投入的情况下开展比原来更将具体的研究活动，并且还不会破坏研究地区的生态环境，也不会干扰观察动物生活习惯。（图3）图3 无线网络技术在民用领域的应用2国内研究现状我国开展无线网络技术的研究虽然比欧美国家略晚，但随着近几年国内信息网络技术技术的完善，国内对无线网络技术的研究进步也非常快。目前，已经有多所高校和科研院所对无线网络技术开展了广泛的研究。中科院

13、上海微系统与信息技术研究所已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和机站的研发；中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手，它们专注于传感或控制执行部分；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院也看到了无线网络这一极具前景的领域，并且于2004年10月正式启动了关于无线网络节点操作系统的研究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学，中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位也都在开展无线网络技术的研究。二、

14、无线网络概述（一）无线网络概述1无线网络结构无线网络由就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的传感器节点构成的自组织无线网络，其典型的体系结构如图4所示。大量的传感器节点散布在指定的检测区域内，进行网络自组织，一方面作为数据包的发起者负责采集周围环境的信息数据（如温度、湿度等），通过无线网络直接或间接将数据传送给数据终端；另一方面作为数据包的转发者负责接收其邻节点的数据，并将其转发给邻节点或者直接转发到基站或网关节点。Sink节点可以使用多种方式与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等，将数据发送到观察站。大规模的应用可能使用多个sink节点。图4

15、 无线网络体系结构传感器节点通常是个微型的嵌入式系统，它本身几乎没有处理、储存和分析数据的能力，并且它本身只能通过有限的电池供应他日常的使用，传感器节点同城储存能力非常有限。每个节点都具有传统网络节点的终端和路由器双重功能，也就是说，每个节点除了进行信息收集、处理功能以外，还要进行一定的管理和兼容处理，这样才能与其他的节点共同协作，完成特定的任务。SINK点最主要的功能是连接传感器网络与Internet等外部网络，实现二种网络协议之间通信协议转换，同时，各个检测任务的发布和管理也都是由SINK点触发开始，并由SINK点将收集到的数据传送到数据终端网络。汇聚节点既可以是个具有增强功能的传感器节点

16、，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。观测者是信息的接受者、数据的感知者、应用者和指令的发出者。这里必须强调的是,观测者仅仅是一个数据的终端，可以是人，也可以是计算机或其他设备。一个无线网络可以有多个观测者，这就比如图2，观测者可以在军事的指挥中心，也可以是在战场作战的士兵。另外，一个观测者也可以是多个无线网络的用户，比如图2，指挥部就可以是多个战场的观测者。观测者可以主动地查询或收集无线网络信息，也可以被动地接收传感器网络发布的信息。观测者将对感知信息进行观察、分析并对感知对象采取相应的处理。2节点结构典型的传感器节点结构由数据采集模

17、块（传感器、A/D转换器）、数据处理模块（微处理器、存储器）、无线通信模块（无线收发器）和电源等部分组成，如图5所示。数据采集模块用于感知、获取待感知对象的信息，并通过A/D转换器将其转换为数字信号。数据处理模块负责协调节点各部分模块的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制数据采集操作和电源的工作模式等。通信模块负责与其他传感器节点或观测者的通信，交换控制信息和收发采集数据。电源模块为传感器提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。图5传感器结点结构（二）无线网络的特点1大规模网络为了保证传送信息的准确，无线网络使用者在监测地点大多使用多个传感器节点，数量可能是几十个或几百个

18、，遍布区域可以从上百公里到几千公里不等。虽然这样的部署能够令观测的到信息更加准确，但也造成维护困难等因素。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高检测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能增大覆盖的监测区域，减少洞穴和盲区。2自组织网络在通常的监测和应用中，传感器节点被放置的地点并不是事先就安排好的，在特殊的地貌环境下节点大多是被放置在没有基础结构的地方。因此，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系也没有安排就序。这样的放置方式还能令节点发回

19、准确无误的信息说明传感器节点具有自我组织能力，它们能够自由组成相互邻居关系，自动进行配置和管理，然后再通过网络协议自动形成转发监测数据的无线网络系统。3动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为以下因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时继；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有一定的移动性；新节点的加入。因此，这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化具有动态的系统可重构性。4节点能源有限传感器节点采用电池供电的方式，由于节点的体积非常小，电源储备非常有限，这也是目前阻碍传感器网络的瓶颈，无线网络经常会因为传

20、感器节点的能力耗尽而瘫痪，并且节点在接受信息也空闲时消耗电量几乎一致，也就是说，长期不使用的情况下，该传感器节点电源能量也会耗尽，因此，只有解决传感器节点的电源能力问题才能谈无线网络高效运转。5节点通信和计算能力有限传感器节点最大的特点是体积小、能耗低，但这也造成了自身的处理能力较弱，储存能力较低等事实。另外，传感器网络的通信宽带比较小，覆盖范围大约在一百米以内，并且受到障碍物阻挡、特殊地貌、特殊环节的时候通信及其不稳定，通信中断频繁，因此这就要求无线网络的通信协议更简单、高效、可靠。（三）无线网络协议结构随着无线网络的快速发展，研究人员提出了研究人员提出了多个传感器节点上的协议。图6为一个基

21、本的协议模型。这个协议包括物理层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议框架相对应。另外协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。网络协议各层功能如下:图6 无线网络协议1.物理层物理层协议是无线网络协议栈中的最底层，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，负责频率选择、生成载波、信号探测、对数据加密和调制解调等问题。物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的底层协议，对数据链路层屏蔽了物理传输介质，为两个网络物理设备之间提供透明的比特流传输。具体讲，其应具有下述功能

22、：（1）物理链接的建立与拆除。当数据链路层请求在两个数据链路实体之间建立物理连接时，物理层应能立即为其建立相应的物理链接，当物理链接不再需要时，物理层应能拆除物理链接。（2）物理服务数据单元传输。物理层即可以采用同步传输方式也可以采用异步传输方式来传输物理服务数据单元。（3）物理层事务管理。物理层负责完成信道状态评估、物理器件发送和接收功能切换、异常情况处理、差错控制等工作。可以说物理层协议软件就是通信硬件的驱动程序。2.数据链路层数据链路层的主要用途是为相邻的网络节点之间建立、维持和释放数据链路连接，以及传输数据链路服务数据单元。即数据链路层的主要职责是控制相邻节点之间的物理链路，多重复用数

23、据流、检测数据帧、媒体访问控制和差错控制，使网络中节点公平、有效的共享资源，确保信息可以正确无误的从一个网络节点发送到另一个网络节点。由于受传感器节点硬件资源限制，数据链路层的设计一般着重于MAC协议的设计。MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通讯资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于数据链路层的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线网络高效通信的关键网络协议之一。3.网络层在无线网络参考模型中，网络层是通信子网的最高层。网络路由协议负责将数据包从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能:寻找源节点和目的节点间的优化路由

24、路径，将数据包沿着路由路径正确转发。Ad hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这些网络考虑的重点。而在无线网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路由路径。无线网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制

25、还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议不适应于无线网络。与传统网络的路由协议相比，无线网络的路由协议具有以下特点:（1）能量优先。传统路由协议在选择最优路由路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线网络节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。无线网络为了节省通信能量，通常采用多路径的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的

26、路由机制是无线网络的一个基本问题。（3）以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的传感数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网惟一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对传感数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。（4）应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。4.传输层传输层是无线网络参考模型的第4层，其主要功

27、能是负责数据流的传输控制，在网络层的技术上为应用层提供一个节能、可靠和高质量的数据传输服务。它的目的是在系统之间提供可靠、透明的数据传送，提供端到端的错误恢复和流量控制。作用和数据链路层在某些方面比较类似，如两者都有保证数据可靠传输的责任。无线网络对数据链路层协议的要求主要体现在MAC层介质访问控制的可靠性和高效性，而由于传输层是建立在数据链路层和网络层提供的服务之上的，如果数据链路层和网络层提供的服务确实是高效可靠的，那么传输层就不是必须的。在Pico Radio项目中，就提出如果传感器网络不接入Internet，则传输层不是必须的；如果不需要接入Internet，也就不一定需要专门开发一个

28、无线网络的传输层协议，只需将路由分组封装成TCP或UDP报文即可。如果封装成TCP报文，则节点必须维护滑动窗口和3次握手等TCP机制，势必对能力十分有限的传感器节点造成很大负荷，因此封装成UDP报文更现实些。如果UDP是建立在WSN网络层的容错机制和数据链路层的差错控制机制上的，则其可靠性能使有保证的。5.应用层协议应用层主要负责时间同步、节点定位、QoS、移动性控制、能量管理、配置管理、安全管理和远程管理。虽然QoS、移动性控制、能量管理、配置管理、安全管理和远程管理可以由多个层次共同完成，每个层次都可以针对相应的功能加入自己的实现机制，但由于数据链路层和网络层对网络的QoS属性、节点移动性

29、和能耗比较敏感，更加适合实现这方面的特性:而应用层作为无线网络的最高层次，处于一种统观全局的位置，更适合于网络的配置管理、安全管理和远程管理。主要有以下几种方面的应用：（1）时间同步。在无线网络系统中，单个节点的能力非常有限，整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。时间同步在无线网络系统中起着非常重要的作用。时间同步机制在传统网络中已经得到广泛应用，如网络时间协议NTP（Network Time Protocol）是Internet采用的时间同步协议，最新的NTPv4精确度已经达到毫秒级。作为一种分布式的网络，WSN的时间同步对协议运行及基于时间同步的应用，如标记数据采集时间

30、、TDMA接入、协同休眠、定位和数据融合等，是必不可少的。目前无线网络的时间同步研究集中于三种不同的同步模型。第一种仅用来确定时间发生的正确顺序，重点是维护两各传感器节点感知时间之间的时间关联。第二种用来维持节点之间的相对时间。在这个模型中，每个节点都维持独立的时钟，但节点时钟之间相互不同步，每个节点存储关于它于网络中其他节点时钟之间的漂移信息。第三种为“always-on”模型，每个节点都维持一个时钟，整个网络内所有节点都同步一个参考节点，目的是维护整个网络全局的唯一时间量程。该模型消耗能量最多，但它包含了前两种模型的功能。（2）节点定位。节点定位机制是指依靠有限的位置已知节点，确定布设区中

31、其他节点的位置，在传感器节点间建立起空间关系的机制，以实现对目标的定位和追踪。全球定位系统（Global Positioning System,GPS）已经在许多领域得到了应用，但为每个节点配备GPS接收装置是不现实的，因为GPS接收装置费用较高，且受到使用环境的现在，因此必须采用一定的机制与算法实现节点的自身定位。以是否需要节点具有物理测距能力为标准，我们将现有的无线网络节点定位机制分为两大类，即基于测距的节点定位机制和不基于测距的节点定位机制。（3）安全管理。无线网络中的安全隐患在于网络部署区域的开放特性以及无线电网络的广播特性。网络部署区域的开放特性是指传感器网络一般部署在应用者无法监控

32、的区域内，所以存在无关人员或者敌方人员破坏的可能。无线电网络的广播特性是指通信信号在物理空间上是暴露的，任何设备，只要调制方式、频率、振幅、相位都和发送信号匹配，那么就能获得完整的通讯信号。这种广播特性使传感器网络的部署非常高效，只要保证一定部署的密度，就能够很容易实现网络的连通特性，但同时也带来安全隐患。6能量管理平台能量管理平台主要管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节约能量。7移动管理平台移动管理平台主要用来检测与并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由。8任务管理平台任务管理平台主要是在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。三、无线网络的关键技术无线网络是微机电系统、计

33、算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术。具体而言,无线网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、安全技术和数据融合等。（一）路由协议路由协议主要包括两方面的功能:寻找源节点和目的节点间的优化路径,将数据分组沿着优化路径正确转发。路由协议可有不同的分类方法,包括平面路由和层次路由；主动路由、按需路由和混合路由；基于位置的路由和非基于位置的路由；基于Qos的路由和不基于Qos的路由；基于数据融合的路由和非基于数据融合的路由；能量感知路由协议和非能量感知路由协议；查询驱动和非查询驱动路由；单路径和多路径路由；安全路由与非安全路由。路由协议负责将数据分组,从源节点

34、通过网络转发到目的节点。（图7）图7 路由协议（二）MAC协议MAC协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享。MAC机制主要分为两类：1基于竞争的协议；2无竞争的信道协议。基于竞争的协议假定网络中没有中心实体来分配信道资源，每个节点必须通过竞争媒体资源来进行传送，当超过一个节点同时尝试发送时，碰撞就会发生。相反，无竞争的协议为每个需要需要通信的节点分配专用的信道资源。无竞争的协议能够有效的减少冲突，其代价是突发数据业务的信道利用率可能会比较低。Mac决定无线网络的使用方式，也就是说在传感器节点之间分配有限的无线通信资源,用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层

35、部分,对传感器网络的性能有较大影响,是保证无线网络高效通信的关键网络协议之一。（三）拓扑控制拓扑控制是指用传输介质互连各种设备的物理布局。指构成网络的成员间特定的物理的即真实的、或者逻辑的即虚拟的排列方式。如果两个网络的连接结构相同我们就说它们的网络拓扑相同，尽管它们各自内部的物理接线、节点间距离可能会有不同。传感器网络的拓扑控制技术主要研究的问题是:在满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制和骨干网节点选择,剔除节点之间不必要的通信链路,形成一个数据转发的优化网络结构。具体地讲,传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类:节点功率控制和层次型拓扑结构组织。（图8）图8 拓扑控制（四）

36、定位技术在不明确传感器位置的时的感知数据是没有意义的，只有知道了传感器自身的位置才能了解该地区发生了什么事，才能针对数据信息进行有针对性的处理，实现对该地区目标的定位和追踪。另外,了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率,为网络提供命名空间,向部署者报告网络的覆盖质量,实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。（五）安全技术无线网络安全与传统网络相比显的格外重要，无线网络采用的是无线传输信道，信息更容易被窃听、篡改。另外，无线网络有限的处理、储存能力使安全问题的解决更加复杂化了。比如在日常无线网络的使用中，居民小区的无线安防网络,军事上在敌控区监视对方军事部署的无线网络等,都容易造成信息的丢失。

37、（六）数据融合技术由于大多数无线网络应用都是由大量传感器节点构成的,共同完成信息收集、目标监视和感知环境的任务。在信息采集的过程中,采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法显然是不合适的。通过数据融合技术,能将多份数据或信息进行处理,组合出更高效、更符合用户需求的数据。四、线传感网络路由协议的分类与比较（一）无线传感网络路由协议第一，传感器网络是以数据为中心的，其基本思想是，把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标，不同于无线Ad Hoc网络的点对点通信模式。第二，传感器网络随应用需求而变化，所以，传感器网络路由协议是基于

38、特定应用进行设计的，很难设计通用性强的路由协议。第三，传感器网络邻近节点间采集的数据具有相似性，存在冗余信息，因此需要通过路由协议来消除冗余，以此提高能量和带宽的利用率。第四，传统网络（包括有线和无线）每一节点具有唯一的标识号（ID），而传感器网络是基于属性进行寻址的，不需给每一个节点分配唯一地址。第五，由于传感器网络节点能量有限，所以路由设计一般将能效高放在第一位，将服务质量（QOS）放在第二位考虑。第六，传感器节点在通信带宽、能量支持、处理和存储能力方面都有很大的限制，因而需要严格的资源管理机制。（二）无线传感网络路由协议的分类无线网络协议按照获取信息的时机大致可以分为三类。一是主动式路由

39、协议，这类路由协议在使用之前已经形成；二是按需式路由协议，这类路由协议只有在需要使用的时候才形成；三是混合式路由协议，这类路由协议是将上述两种思想结合起来的一种新的路由协议。由于无线传感器节点受自身条件的制约，在实际使用中多采用后两种无线路由协议。无线网络路由协议从网络拓扑结构的角度可以分为两类，如图9所示。一是平面路由协议，在类路由协议中所有节点的地位是平等的，通过局部操作和反馈信息来生成路由，原则上不存在瓶颈问题；二是平面路由协议，它的优点是简单、易扩展，其缺点是缺乏对通信资源的优化管理，每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。图9 无线传感网络按

40、拓扑结构的路由协议分类无线网络在层次路由协议中，网络通常被划分为簇。簇是由一个簇头和众多簇成员节点组成，簇成员节点将收集到的数据汇总后转发给簇头，簇头与簇头之间将数据汇总后发给更高级别的簇。不同层次的簇成员的功能不同，簇成员功能相对简单，不需要维护复杂的路由信息，这样一来就减少了信息数量，具有很好的可扩充性。但其缺点是簇头节点能量消耗大，制约网络的使用。（三）典型无线传感网络路由协议的介绍1洪泛协议该网络协议是一种传统的路由协议，不需要任何路由算法和维护网络拓扑结构。该协议的特点是，节点向他的所有邻居重复传送接受到的信息，直到信息达到目的节点或者拥有该节点的数据备份。洪泛协议所具有的优点有三个

41、，一是实现简单；二是不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；三是适用于健壮性要求高的场合。该协议存在的问题主要有两个:一是存在消息内爆问题，即出现一个节点收到一个数据的多个副本的现象；二是存在消息重叠的问题，即处于同一观测环境的相邻同类传感器节点同时向一个节点发送数据，从而收到双份数据副本的现象（图10）。图10消息“内爆”和“重叠”问题2定向扩散协议该协议是以数据为基础的路由机制，他能生成最合理的数据传输途径，能动态适应节点失效、拓扑变化等情况。但传播时需要洪泛传播过程，能量和时间开销比较大。该协议与己有的路由协议不同点是其引入了梯度来描述网络中间节点朝该方向继续搜索

42、获得匹配数据的可能性。Sink节点通过兴趣消息（interest）发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域的所有传感器节点。兴趣消息表达用户对监测区域内感兴趣的环境信息。在兴趣消息的传播过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到Sink节点的数据传输梯度（gradient）。最终将会在整个网络中为Sink节点的查询建立一个临时的梯度场，传感器节点将采集到的数据沿着兴趣消息的梯度方向传回Sink节点。整个协议的工作工程由兴趣传播、梯度建立和加强路径三个阶段组成。在兴趣传播阶段，Sink节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳

43、等参数。每个节点在本地保存一个兴趣列表，对于每一个兴趣，列表中都有一个表项记录发来该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等任务相关信息，以建立该节点向Sink节点传递数据的梯度关系。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。由于可能从多个邻居节点收到兴趣消息，Sink节点可能收到经过多个路径的相同数据。中间节点收到其他节点转发的数据后，首先查询兴趣列表的表项。如果没有匹配的兴趣表项就丢弃数据。如果存在相应的兴趣表项，则检查与这个兴趣对应的数据缓冲池，数据缓冲池用来保存最近转发的数据。如果在数据缓冲池中有与接收

44、到的数据匹配的副本，说明己经转发过这个数据，为避免出现传输环路而丢弃这个数据；否则，检查该兴趣表项中的邻居节点信息。如果设置的邻居节点数据发送速率大于等于接收的数据速率，则全部转发接收的数据；如果记录的邻居节点数据发送速率小于接收的数据速率，则按照比例转发。对于转发的数据，数据缓冲池保留一个副本，并记录转发时间。3SPIN协议是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。它通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决了传统协议所存在的内爆，重叠以及盲目使用资源问题。传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据。当某个节点有新的数据需要共享时先向其邻居节点广播 ADV，然后等待；

45、当邻居节点接 收到这个 ADV消息后，如果对该数据感兴趣则发送 REQ消息，当节点接收到 REQ消息时才有目的发送数据信息 DATA。由于元数据大小小于采集的数据，所以传输元数据消耗的能量相对较少。为避免盲目使用资源，所有传感器节点必须监控各自的能量变化情况。在传输或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况，如果处于低能量水平，必须中断一些操作，比如充当路由器的角色、停止对其他节点的一些数据转发操作等。4GEAR协议由于数据查询经常包含地理属性，该协议利用地理信息查询发布到合适区域，该协议利用能量和地理位置信息作为启发式选择路径向目标区域传送数据。GEAR是在DD的基础上提出的但由于

46、GEAR只考虑向某个特定区域发送兴趣而不是象DD那样发布到整个网络，因此GEAR相对DD更加节省能量GEAR协议要求每个节点维护一个预估费用和一个通过邻居节点到达目的的节点距离的结合。 该协议包含2个阶段，第一阶段向目标区域传递数据包，当节点收到数据包时，首先要检查是否有邻居节点比它更接近目标区域。如果有，就选择距离目标区域最近的节点作为数据传递的下一跳节点。如果相对该节点来说，所有邻居都比它更远离目标区域，这就意味着该节点存在洞现象。在这种情况下，利用学习费用函数选择其中的一个邻居节点来传递数据。第二阶段传递已在目标区域内的数据包，如果数据包已经到达目标区域，可以利用递归的地理传递方式和受限

47、的Flooding方式发布该数据。当传感器节点的分布不太紧密时，受限的flooding方式是比较好的选择。而在高密度的无线传感器网络内，递归的地理传递方式相对受限的flooding方式更加节能。在这种情况下，目标区域被划分为4个子区域。数据包也响应的被复制了4次，这种分割和数据传递过程不断重复。知道区域内只剩下一个节点为止5LEACR协议是第一种基于分簇结构和分层技术的无线网络协议，在无线网络路由协议中占有重要地位，其他基于分簇的路由协议如TEEN，PEGASIS等大多由LEACH发展而来（图11）。图11 LEACR协议6TEEN协议是为反应式无线传感器网络而设计的路由策略，它具有实时性，可

48、以对突发事件作出快速反应。TEEN采用与LEACH相同的多蔟结构运行方式。不同的是，在蔟的建立过程中，随着蔟首节点的选定，蔟首节点除了通过TDMA方法实现数据的调度，还向蔟内成员广播有关数据的硬阀值和软阀值两个参数。在族的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次检测到数据到达硬阀值，便打开收发器进行数据传送，同时将该检测值存入内部变量SV中，节点再次进行数据传送时要满足两个条件：当前的检测值大于硬阀值；当前的检测值与SV的差异等于或大于软阀值。只要节点发送数据，变量SV便设置为当前的检测值，在蔟重构的过程中，如果新一回合的蔟首节点已经确定，该蔟首将重新设定和发布以上2个参数。T

49、EEN协议适用于实时性要求较高的应用场合，比如入侵警报，爆炸预警等，用户可以及时获取感兴趣的信息。由于感应数据所耗能量比传输数据所耗能量要少的多，虽然节点一直处于感应状态，但是由于减少了很多不必要的数据传输，因此相对来说还是节能的。这个方案也有一些不足之处。五、路由器技术综述（一）什么是路由器路由器是工作在OSI参考模型第三层网络层的数据包转发设备。路由器通过转发数据包来实现网络互连。虽然路由器可以支持多种协议（例如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等协议），但是在我国绝大多数路由器运行TCP/IP协议。 路由器通常连接两个或多个由IP子网或点到点协议标识的逻辑端口，至少拥有1个

50、物理端口。路由器根据收到数据包中的网络层地址以及路由器内部维护的路由表决定输出端口以及下一跳地址，并且重写链路层数据包头实现转发数据包。 路由器通常动态维护路由表来反映当前的网络拓扑。路由器通过与网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护路由表。路由器是连接IP网的核心设备。（二）路由器的分类当前路由器分类方法各异。各种分类方法有一定的关联，但是并不完全一致。 从能力上分，路由器可分高端路由器和中低端路由器。各厂家划分并不完全一致。通常将背板交换能力大于40G的路由器称为高端路由器，背板交换能力40G以下的路由器称为中低端路由器。以市场占有率最大的Cisco公司为例，12000系列为高端路由器，

51、7500以下系列路由器为中低端路由器。从结构上分，路由器可分为模块化结构与非模块化结构。通常中高端路由器为模块化结构，低端路由器为非模块化结构。 从网络位置划分，路由器可分为核心路由器与接入路由器。核心路由器位于网络中心，通常是使用高端路由器。要求快速的包交换能力与高速的网络接口，通常是模块化结构。接入路由器位于网络边缘，通常使用中低端路由器。要求相对低速的端口以及较强的接入控制能力。从功能分，路由器可分为通用路由器与专用路由器。一般所说的路由器为通用路由器。专用路由器通常为实现某种特定功能对路由器接口、硬件等作专门优化。例如接入服务器用作接入拨号用户，增强PSTN接口以及信令能力；VPN路由

52、器增强隧道处理能力以及硬件加密；宽带接入路由器强调宽带接口数量及种类。从性能上分，路由器可分为线速路由器以及非线速路由器。通常线速路由器是高端路由器，能以媒体速率转发数据包；中低端路由器是非线速路由器。但是一些新的宽带接入路由器也有线速转发能力。路由器分类方法还有很多，并且随着路由器技术的发展，可能会出现越来越多的分类方法。（三）路由器的功能路由器通常实现下列基本功能：实现IP、TCP、UDP、ICMP等互联网协议。 连接到两个或多个数据包交换的网络。对每个连接到的网络，实现该网络所要求的功能。这些功能包括： IP数据包封装到链路层帧或从链路层帧中取出IP数据包。按照该网络所支持的最大数据包大

53、小发送或接收IP数据报。该大小是网络最大传输单元（MTU）。 将IP地址与相应网络的链路层地址相互转换。例如将IP地址转换成以太网硬件地址。实现网络支持的流量控制和差错指示。 接收及转发数据包，在收发过程中实现缓冲区管理、拥塞控制以及公平性处理。出现差错时辨认差错并产生ICMP差错及必要的差错消息。丢弃生存时间（TTL）域为0的数据包。必要时将数据包分段。按照路由表信息，为每个IP数据包选择下一跳目的地。支持至少一种内部网关协议（IGP）与其他同一自治域中路由器交换路由信息及可达性信息。支持外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP）与其他自治域交换拓扑信息。提供

54、网络管理和系统支持机制，包括存储/上载配置、诊断、升级、状态报告、异常情况报告及控制等。 （四）路由器的技术 1、路由器软件路由器技术中最核心的技术是软件技术。路由软件是最复杂的软件之一。有些路由软件运行在UNIX操作系统上，有些路由软件运行在嵌入式操作系统上，甚至有些软件为提高效率，本身就是操作系统。全球最大的路由器生产厂家Cisco公司曾一度宣称是一个软件公司，可见路由器软件在路由器技术中所占的重要地位。路由器软件一般实现路由协议功能、查表转发功能和管理维护等其他功能。由于互联网规模庞大，运行在互联网上路由器中的路由表非常巨大，可能包含几十万条路由。查表转发工作可想而知非常繁重。在高端路由器中上述功能通常由ASIC芯片硬件实现。路由软件的高复杂性另一方面体现在高可靠性、高可用性以及鲁棒性。实现由软件的功能并不复杂，在免费共享软件中我们甚至可以得到路由协议和数据转发的实现源码。但是难点在于需要该软件每年365天，每天24小时高效可靠地运行。在路由器研制过程中，可以通过购买商用源码等形式迅速实现路由器。但是通常认为路由器软件需要一年甚至两年的时间来稳定。 11可编程ASIC ASIC芯片是专用集成电路，是当前路由器实现线速转发数据的的核心技术。可编程ASIC将多项功能集中到一个芯片上，具有设计简单