CN101610549B - 基于路由验证和rrep捕获的大规模传感器网络路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计基于路由验证和RREP捕获的大规模传感器网络路由方法，该路由方法的实现包括路由建立和路由维护两个阶段：(1)路由建立阶段是通过广播以及转发路由请求RREQ分组，建立到达目的节点的路由，同时引入的RREP捕获机制实现，在路由建立过程降低网络负载，减少路由建立次数。(2)路由维护阶段是用于节点维持同周围邻节点的连接，并在某个邻节点不可达时及时得到通知，采用路由验证机制验证路由的畅通性；采用了链路层反馈机制，根据链路层的反馈信息进行路由维护。本发明采用了路由验证机制和RREP捕获机制，很大程度上减少了路由建立的次数，从而减少了网络中的控制分组数量，同时由于采用了链路层反馈的路由维护，减少了大量的HELLO分组。

Description

基于路由验证和RREP捕获的大规模传感器网络路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)中路由协议，具体来讲，为了提高网络的生存周期，必须在保持其他指标性能无损失的前提下，设计一种路由协议减少网络的控制开销，进而降低总的能量消耗。
背景技术
WSN是一种特殊的ad hoc网络，广泛应用于入侵检测、灾难辅助抢救、数据收集等方面。WSN的显著特点是其网内节点可利用的资源受限，而直接影响其网络生存时间的一个因素是节点的能量有限，所以在减少能量消耗提高网络生存时间方面，设计一种有效的路由协议成为研究的热点，适用于ad hoc网络的路由协议分类如表1所示。
表1  AdHoc网络路由协议分类
总体来说有平面式路由、分层路由、地理位置辅助路由三类。平面式路由又根据协议获取路由和维护路由的方式分为Proactive和Reactive即表驱动路由和按需路由。
分层路适用于分层网络，即网络按照某种算法分成若干个簇，每个簇选举一个簇头节点，用于转发到另一个簇内的数据，但是簇头节点容易形成瓶颈，因为WSN中节点的能量较少，若簇内数据都转向簇头节点，容易造成簇头节点的能量耗尽，簇头节点的重新选举又会耗尽更多的系统资源。
地理位置辅助路由适用于可以获得节点的地理位置信息的网络，通过地理位置信息可以有效地降低路由算法中路由建立和维护的开销，但对于功能简单的传感器节点来说获取其他节点的地理位置信息，需要付出比较高的代价，所以地理位置辅助路由也不适合本发明中的传感器网络。
平面式网络中的节点都处于同一个层次上，即节点有大致相同的可用资源，这比较符合WSN中的场景描述，但其中的表驱动路由算法是通过周期性地广播路由信息，使网内节点都可以获得到达其他所有节点的路由，这样便产生大量的控制开销。相反按需路由是在节点有路由需求的时候才启动路由建立，虽然在得到路由之前经历一个比较大的时延，但可以大大减少控制开销。
研究发现按需路由协议中的Ad hoc On-demand Distance Vector(AODV，Ad hoc按需距离矢量)协议是一种比较简单有效的协议，相比表驱动式协议来说减少了频繁交换路由信息的事件数量，于是可以有效地减少节点能量的消耗。
AODV协议的工作流程可以分为路由建立和路由维护阶段。路由建立阶段是通过源节点发送路由请求分组即Route Request(RREQ)分组，目的节点或者中间节点回复路由响应分组即Route Reply(RREP)分组实现的，路由建立过程如图1所示。中间节点回复RREP的情形如图2所示，节点B回复RREP的条件是它有到达目的节点D的合法路由，并且其相应序列号与RREQ中包含的序列号相比更大或者至少相等。
而在路由维护阶段AODV协议采用的是HELLO机制，即节点间歇地发送HELLO分组使邻节点更新到本节点路由，同时本节点也会周期性地检测最近是否收到过某个节点的分组，若无，则判断为该节点不可达，于是产生一个路由出错分组(Route Error)，并转发给上游节点。发送HELLO分组示意图如图3所示。
在路由维护方面AODV协议还推荐了另外一种方法：链路层反馈机制，即AODV withLink Layer Feedback(AODV-LLF)。如果链路层协议支持信息反馈如IEEE 802.11，接收端收到数据后会回复Acknowledgment(ACK)分组，接收端在收到Request To Send(RTS)分组时也会回复一个ClearTo Send(CTS)分组，发送端可以利用这些信息判断接收端是否可达，从而起到了与HELLO机制相同的作用，而且该机制无需产生额外的控制开销，时延也比较小，比HELLO机制更加有效。
基于AODV的改进型协议AODVJr相比更简单，在该协议中只有目的节点才能回复RREP，并对同样的RREQ只回复一次，即路由建立选择的是最快的路由。AODVJr协议删除了HELLO机制，使得路由维护放在端到端进行，即目的节点会周期性地向源节点发送连接分组，以维护路由的连通性。如果端节点在一段时间内没有收到对方端节点任何分组，便认为路由发生了断路，同时置该路由为非法。
然而从根本上来说，AODV及其改进型协议是为动态网络设计，其中路由维护消耗大量的系统资源，比如AODV协议中HELLO机制，节点间歇性地发送HELLO分组维护到邻节点的路由，这些HELLO分组占用了大量的系统资源。所以基于动态特征的路由协议不能直接适用于该网络。AODVJr协议虽然简单，但是事件处理能力有所降低，比如路由维护在端到端进行、最快的路由不一定最节省能量等；而基于链路层反馈的AODV协议即AODV-LLF协议，虽然可以避免HELLO机制，但是该协议对MAC层采用的协议又有很强的依赖性。因此需要设计一种适合WSN的路由协议，以克服AODV协议的缺点，有效地减少能量消耗并延长网络生存周期。
发明内容
基于当前adhoc网络中的协议都是考虑节点的移动性需求，使得协议必须付出部分资源以动态地维护网络中的路由，而这不符合WSN中的场景，WSN中的节点一般都静止，无需消耗额外资源时刻检测路由的连通性；再者，当前基于AODV的路由协议在适用于静态网络的研究很少，所以本发明的目的是在AODV协议的基础上设计适合WSN的高能效的路由方法。
实现本发明的技术方案是在AODV的基础上，依据WSN的网络场景，提出一种新的路由方法，即：带路由验证和RREP捕获的大规模传感器网络路由方法，即AODV with RouteIdentification and RREP Capturing(AODV-RIRC)，路由的实现包括路由建立和路由维护两个阶段：
(1)路由建立阶段  用于当源节点无缓存有到达目的节点的路由时，通过广播以及转发路由请求RREQ分组，建立到达目的节点的路由；路由的建立是通过目的节点或者中间节点回复路由响应RREP分组，同时引入的路由响应RREP捕获机制实现，在路由建立过程降低网络负载，减少路由建立次数；
(2)路由维护阶段  用于节点维持同周围邻节点的连接，并在某个邻节点不可达时及时得到通知；采用路由验证机制验证路由的畅通性；采用了链路层反馈机制，根据链路层的反馈信息进行路由维护。
本发明路由建立阶段采用的RREP捕获机制是在没有额外消耗能量的条件下充分利用信道上有用的分组并提取路由信息，即充分利用被Ad hoc按需距离矢量AODV协议过滤的分组中的路由响应信息RREP，提交给高层提取其中有用的路由信息，减少了路由建立的次数。
本发明路由维护阶段采用的路由验证机制是在节点缓存的路由长时间没有使用时，通过向目的节点发送一个探针分组，并获得目的节点的回复，以验证该条路由的畅通性，如果得到回复则证明该条路由可用，避免广播路由请求RREQ建立路由的过程；如果未得到回复则说明路由中间出现链路断开，需要启动路由建立过程；在验证过程中的探针分组是通过单播发送，相比重新建立路由的路由请求RREQ广播减少了很多网络开销。
本发明路由维护阶段采用的链路层的反馈机制替代了AODV中的HELLO机制，通过MAC层的ACK或者CTS短分组以较高的概率推测出节点是否可达，并将事件通知高层，从而在路由表中做出相应处理，根据链路层的反馈信息进行路由维护，实现不消耗系统资源，极大地降低能量消耗。
本发明与现有的技术相比具有以下特点：
1、本发明由于采用了路由验证机制和RREP捕获机制，很大程度上减少了路由建立的次数，从而减少了网络中的控制分组数量，同时由于采用了链路层反馈的路由维护，减少了大量的HELLO分组。
2、本发明通过RREP捕获机制捕获到相关路由，并通过多次更新使路由达到最优，从而减少了消耗在路由建立过程中的能量；同时由于采用路由验证机制，只需单播探针分组，无需每次都广播RREQ分组建立路由，相比减少了路由分组的传播，从而减少了能量消耗。
3、本发明由于采用RREP捕获机制，使得某些节点在发送数据之前无需建立路由，从而使得平均的路由建立时间得到很大改善。
附图说明
图1AODV协议路由建立示意图
图2AODV协议中间节点回复RREP示意图
图3AODV协议中HELLO分组发送示意图
图4本发明的流程原理框图
图5本发明sink节点有相同地址时的问题
图6本发明捕获RREP分组示意图
图7本发明与AODV-LLF和AODVJr协议仿真对比结果显示示意图，其中图7(a)为总的网络开销示意图，图7(b)为能量消耗示意图，图7(c)为路由建立时间示意图，图7(d)为平均跳数示意图，图7(e)为分组投递率示意图
具体实施方式
I.网络环境假设：
(1)节点在放置后一般是静态的，即节点不移动，来模拟现实中WSN用以收集周围环境数据的场景。
(2)网络中存在少数几个能量充足的用于收集数据的汇聚节点sink，一般均匀分布在网络中，传感器节点只需将收集的数据传输到sink节点即可。
(3)不考虑从sink节点到传感器节点的反向路由，当数据收集作为首要目的时，该假设也是合理的。
II.路由设计：
如图4所示，路由设计包括如下步骤：
(1)节点发送数据时若无相关路由，则转向(2)，否则转向(3)；
(2)本节点通过发送RREQ分组，并期待RREP回复，从而建立到达目的节点的路由，同时本节点可通过RREP捕获机制捕获信道上的RREP分组，从而建立到达其中一个sink节点的路由。建立路由后转向(1)；
(3)进行路由验证，即向目的节点发送一个探针分组，若收到目的节点的回复则转向(4)，否则转向(2)；
(4)收到目的节点回复意味着该路由仍可使用，则可以用此路由转发数据，并转向(5)；
(5)转发数据过程中通过链路层反馈机制维护路由，若成功接收下一跳节点的状态分组则转向(6)，否则转向(7)；
(6)更新路由，并延长路由生存期；
(7)下一跳不可达，该路由已不可用，若仍有路由需求则转向(2)，否则不予处理。
在图4的流程中路由建立的具体实施方案为：
AODV-RIRC的路由建立基于原始AODV协议的方法，其差别在于该协议中的目的节点ID都是相同的，因为所有的RREQ都是为了找到任何一个sink节点而产生。当源节点有数据发送，但是没有可用路由时，便创建一个RREQ分组，并将其广播给周围邻节点，周围邻节点将其广播出去，直至收到RREQ的节点为sink节点，或者该中间节点有到达一个sink节点的合法路由。
所有sink节点都有一个相同的ID，但并不意味着所有的sink节点有相同的地址，若所有sink节点有相同的地址，则在数据转发时出现混淆。如图5所示，节点S建立了到达D1的路由，当节点B将数据转发给D1时，D2会同时收到该收据，并无法区分该数据是否发给自己，于是出现了数据冗余传输。所以在本发明中给所有节点都分配不同的地址，但是sink节点却被分配相同的SINK_ID，用来标识节点是否为sink节点。
当RREQ到达目的节点或者某个合适的中间节点时，该节点进行路由回复，即创建RREP分组并将其沿着建立的反向路由传递到源节点。
在原始AODV路由协议中建议在RREQ分组中可以设置Gratuitous标志为true，当中间节点给源节点回复RREP时，同时会向目的节点回复一个类似的RREP，通知目的节点建立到达源节点的相应路由，以便反向数据的传输。但是按照假设不存在反向的从sink节点到传感器节点的反向业务，那么便可以设置Gratuitous标志始终为false，这样中间节点在回复RREP之后不必再向目的节点发送相应的RREP分组，减少了部分控制分组的传播。
在RREP传递过程中，不在传递路径上的节点也可能收到RREP，但是按照AODV的过滤机制，接收节点首先查看自己是不是分组中接收节点地址指示的节点，若是则将该分组接收并提交给高层；否则丢弃。既然节点消耗了能量来检查分组，那么可以充分利用这些消耗的能量来提取有用的路由信息，比如若该分组是RREP分组，则节点将其收下，并提交给高层提取其中有用的路由信息，这就是RREP捕获机制。如图6所示，节点D在回复了RREP分组之后，中间节点A虽然不在转发路径上，但是在上游节点的发送范围之内，则可以捕获到该RREP分组，按照前面提示的RREP捕获机制，节点A便可以获知了到达节点D的路由，在有数据发送时不必启动新的路由建立过程。同样，节点B也可捕获并提取到节点D的路由，这里不再赘述。
源节点在收到目的节点或者中间节点回复的多个RREP分组时，由源节点按照某个标准选择最优的路由，比如在本发明中采用跳数最短的标准。路由建立之后，源节点便可将缓存的数据分组全部转发出去。
在图4中的路由维护过程的具体实施方案如下：
在AODV协议中，HELLO分组用以周期性地发送来保持节点同周围节点的联系，初始目的是当某个邻节点因移动导致无法可达时，通过该机制使本节点获知该事件，然而在及时性和降低控制开销之间存在一个折中，如果HELLO分组发送间隔比较小，则及时性比较好，节点会很快检测到不可达的节点，但是需要发送的HELLO分组比较多，造成很重的网络负载；当HELLO分组发送间隔比较大时，产生的控制开销比较小，但是节点在检测到不可达节点的延时比较大。
在AODV-LLF协议中，无需额外的开销便可以及时地检测到不可达的下一跳节点，比如如果MAC层采用的协议是IEEE 802.11，节点在发送一定数量的RTS后没有收到任何下一跳回复的CTS，或者节点重复发送数据N次后，没有收到下一跳节点的ACK，则说明下一跳节点不可达，这样一方面节省了控制开销，另一方面没有降低时延性的要求。本发明中采用了该原理，由于MAC层采用的协议是IEEE 802.11，使其链路层的反馈可用，具体是在节点发送四次RTS后没有收到CTS，或者发送数据分组七次后没有收到ACK，则判断为下一跳节点不可达，则通知网络层该事件并修改相应的路由表，将相应的路由删除，若成功接收到链路状态分组，则更新路由表中相关路由。
在路由维护过程中另外一个值得注意的是，节点没有移动性要求，这样链路断开的可能性不大，于是我们可以将路由生存期标识为很长，虽然可能会出现节点因为能量耗尽导致的链路断开，但采用路由验证机制便可解决该问题。比如节点在一个时间间隔内没有使用一个相关的路由，而该路由仍然标识为有效，当节点需要发送数据时，则只需单播一个探针分组到目的节点，如果从目的节点收到了相应的回复，则说明该条路由仍然畅通，则节点无需启动路由建立，直接将需要发送的数据转发到下一跳节点；否则需要重新建立到达sink节点的路由。
本发明与AODV-LLF和AODVJr协议的仿真结果对比分析如下：
图7是AODV-RIRC在AODV-LLF和AODVJr比较下的仿真曲线，从图中可以看出AODV-RIRC在网络开销、能量消耗和路由建立时间方面具有更好的性能。图7(a)描述了三种协议在总的网络开销方面的对比，很明显AODV-RIRC优于其他两种协议，因为在AODV-RIRC中没有向目的节点发送的免费的RREP分组，并且通过路由验证机制和RREP捕获机制，协议进一步控制了路由分组的传播；图7(b)对比了三种协议在能量消耗方面的不同，因为AODV-RIRC产生更少的控制开销，而且建立的路由接近最优，所以AODV-RIRC比较而言会消耗更少的能量；图7(c)比较的是在平均路由建立时间方面的不同，AODV-RIRC中的路由始终有效，最多只是对路由加以验证，而其他两种协议在路由失效后需要重建路由，再者AODV-RIRC中中间节点可以捕获到达目的节点的路由，并通过多次捕获和比较使路由接近最优，这样某些节点便节省了在发送数据前建立路由的过程，所以平均路由建立时间相比其他两种协议更短；图7(d)和图7(e)表明AODV-RIRC在平均跳数和分组投递率方面无性能损失，原因是AODV-RIRC协议继承了AODV的很多优秀思想，事件处理的能力没有降低。

Claims (1)

1.一种基于路由验证和RREP捕获的大规模传感器网络路由方法，该路由方法继承Ad hoc按需距离矢量AODV协议方法，路由的实现包括路由建立和路由维护两个阶段：
(1)路由建立阶段  用于当源节点没有缓存到达目的节点的路由时，通过广播以及转发路由请求RREQ分组，建立到达目的节点的路由；通过目的节点或者中间节点回复路由响应RREP分组，同时引入的路由响应RREP捕获机制建立路由，实现降低网络负载，减少路由建立次数；
(2)路由维护阶段  用于节点维持同周围邻节点的连接，并在某个邻节点不可达时及时得到通知；采用路由验证机制验证路由的畅通性；采用了链路层反馈机制，根据链路层的反馈信息进行路由维护；
其特征在于：在路由建立阶段引入路由响应RREP捕获机制，在没有额外能量消耗的条件下充分利用信道上有用的分组并提取路由信息，即充分利用被Ad hoc按需距离矢量AODV协议过滤的分组中的路由响应RREP，提交给高层提取其中有用的路由信息，减少路由建立的次数；在路由维护阶段引入路由验证机制，验证路由的畅通性，当节点缓存的路由在长时间没有使用时，通过向目的节点发送一个探针分组，并获得目的节点的回复，以验证该条路由的畅通性，如果得到回复则证明该条路由可用，避免广播路由请求RREQ建立路由的过程；如果未得到回复则说明路由中间出现链路断开，需要启动路由建立过程，在验证过程中的探针分组是通过单播发送，相比重新建立路由的路由请求RREQ广播减少了很多网络开销；在路由维护阶段引入链路层反馈机制，替代了Ad hoc按需距离矢量协议AODV中的HELLO机制，通过MAC层的ACK或者CTS短分组以较高的概率推测出节点是否可达，并将事件通知高层，从而在路由表中做出相应处理，根据链路层的反馈信息进行路由维护，实现不消耗系统资源，极大地降低能量消耗。
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