CN101938804B - 适用于无线传感网路的多路径路由方法 - Google Patents

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Abstract

适用于无线传感网路的多路径路由方法，通过网络的初始化将网络节点划分为骨干节点与普通节点，全网形成树形结构，在骨干节点间进一步形成网状结构。其特征包括：对骨干节点分配高位地址；仅骨干节点之间增加非树路径形成网状网；骨干节点下连接普通节点；普通节点的高位地址采用其父节点的地址，仅低位地址不同；普通节点不直接参与路由寻路，支持一种节点不相交的多路径方法。本发明有效改善了无线传感器网络的时延和可靠性。

Description

适用于无线传感网路的多路径路由方法
技术领域
本发明属于无线路由方法领域，尤其涉及一种解决无线传感器网络时延、可靠性等问题的多路径路由方法。
背景技术
当前的无线传感器网络路由协议种类很多，大多以Ad hoc路由协议为基础，结合无线传感器网络的特性而设计。针对于不同的应用场景和性能要求，路由协议又有很大的不同。总体来说，无线传感器网络有如下特征：网络规模较大，节点数目较多，节点密度大，节点能量极为有限，需要频繁发送分组等。
无线传感器网络路由协议所要考虑的主要性能指标有时延、可靠性、网络寿命和移动性等。在一些特定的应用中，时延和可靠性往往是首要指标。
当节点的移动性不强，网络拓扑比较稳定的情况下，树状网络在网络拓扑形成后就已形成默认路由(不一定最优)，而不需要寻路，尤其在节点需要频繁与根节点通信的情况下，树形网络可以节省寻路时间从而减少了时延。但树状网络的缺点也非常明显，当某个节点失效，其下游节点与上游节点的通信就随之失效，这就需要高效的修复机制。同时，网络中大多数的默认路由不是最优。基于树状拓扑进而形成网状拓扑可以一定程度上解决如上问题，尤其使网络的可靠性得到很大加强，分组可以通过多条路径到达目的节点而不是单纯的按树形参与路由，但网状网仅仅是对路径进行了优化并没有找到最优路径，并且其修复机制有待改善。
当前的Ad hoc平面型路由协议大多数以尽力寻求最短路径为目的，例如AODV、DSR等，此类路由均能寻得最佳路由，但当网络节点密集且需频繁发送分组时，控制消息所带来的开销和分组的碰撞将会比较严重。在网络规模较大时，路由寻路所产生的延时较大，在链路故障时需要重新发送控制消息进行再次寻路，其时延性与可靠性均有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有传感器网络协议时延大、网络可靠性差等问题提出一种基于树状网的多路径路由方法。
本发明的技术方案包括：无线传感器网络的初始化、数据发送以及路由修复的步骤。
无线传感器网络在初始化阶段形成树结构，树结构的形成过程可以分为四个步骤：骨干节点选取阶段，成树阶段，地址分配阶段与骨干节点成网阶段。
在骨干节点选取阶段：各个节点以连通度作为权值，其中，在一跳内具有最大连通度的节点被选为骨干节点，骨干节点的邻居节点作为下级节点加入该骨干节点的子网内；两个簇之间选举出一个网关节点，该网关节点也作为骨干节点。
成树阶段：上一阶段选举出的骨干节点以汇聚节点为根，逐步加入组成树状网络。
地址分配阶段：在节点身份确定后，父节点根据其每个子节点实际需要与期望需要为子节点分配一个高位连续的地址块。每个骨干节点被分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要。骨干节点再为其低级节点分配子网内地址。骨干节点使用高位地址区分，同一子网内低级节点使用低位地址区分；
骨干节点成网阶段：骨干节点之间通过交互默认路由表进一步形成网状结构。网状结构的形成是对树状结构的一种改进，提高了网络的鲁棒性。
数据发送的具体步骤：以一次路由为例，当i节点(若i节点非骨干节点则先将数据发送给骨干节点，由骨干节点发起路由过程)要给j节点发送一个数据包时，i节点会向所有骨干邻居节点(包括树与非树)广播一个RREQ消息进行寻路，i节点的一跳邻居节点接收到该RREQ消息后会在该消息中添加一个Firstid表项目，在以后的转发中该表现目不再改变，已经处理过该RREQ消息的非源节点邻居节点的中间节点对接收到的具有不同Firstid的请求进行丢弃处理，目的节点在收到RREQ请求分组时，只需要按照转发RREQ请求分组过程中建立的反向路由发送至源节点，这样可以建立源节点与目的节点之间的节点不相交的多路径。
路由修复的具体步骤：因为网络中备份了多路径，即在单点失效时能马上启动备用的路径，提高了可靠性，减小了修复时间。只有当所有备用路径均无法使用时才会进行重新寻路。
本发明对网络规模没有严格的限定，尤其适用于无线传感器网络，可有效地解决无线传感器网络时延大、可靠性差、修复时间长等问题。
附图说明
图1为根据本发明实施例的数据包发起流程示意图；
图2为根据本发明实施例的发送RREQ请求消息流程图；
图3为根据本发明实施例的初始化后骨干节点拓扑框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明：
本发明的前提是应用于无线传感器网络，并且网络中的骨干节点与普通节点均是在初始化过程中自发形成，骨干节点均匀分布在网络中。
对无限传感器网络进行初始化从而形成树状结构分为四个步骤：骨干节点选取阶段，成树阶段，地址分配阶段与骨干节点成网阶段。
-在骨干节点选取阶段：各个节点以其连通度作为权值，其中，在一跳内具有最大连通度的节点被选为骨干节点，骨干节点的邻居节点作为下级节点加入该骨干节点的子网内；两个簇之间需要选举出一个网关节点，该网关节点也作为骨干节点；
-成树阶段：上一阶段选举出的骨干节点以汇聚节点为根，逐步加入组成树状网络，其中汇聚节点指传感器网络中的sink节点，如图3中的节点A；
-地址分配阶段：在节点身份确定后，父节点会根据每个节点实际需要与期望需要为子节点分配一个高位连续的地址块。每个骨干节点被分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要。骨干节点再为其低级节点分配子网内地址。骨干节点使用高位地址区分，同一子网内低级节点使用低位地址区分；如图3所示，实线为在成树阶段形成的树状网络拓扑结构，在节点侧方标注的数字为节点中所保存的默认路由表，其中每一行均为一个默认路由表项，由左至右依次表示：分支号；该分支上地址块起始地址；该分支上地址块结束地址；进入该分支的下一跳。
-骨干节点成网阶段：骨干节点之间通过交互默认路由表进一步形成网状结构。
数据发送：
数据包发起流程如图1所示，设节点i要给节点j发送一个数据包，若节点i为非骨干节点，则需先将数据发送给骨干节点，由骨干节点发起路由过程；若节点i为骨干节点，则可直接发起路由过程。
发送RREQ消息流程如图2所示，这里，假设节点i为骨干节点，节点i向所有骨干邻居节点广播一个RREQ消息进行寻路，该消息应至少包含源节点id、目的节点的节点id以及唯一标识这次寻路的id号。节点i的一跳邻居节点接收到该RREQ消息后，检查Firstid是否为空，若为空则在该消息中添加一个Firstid表项目，在以后的转发中该表项目不再改变，同时节点记录前驱节点(即所收到消息的上一跳节点)以形成反向路由，若节点为目的节点则直接由反向路由回复RREP消息并通过该消息建立有源节点到目的节点的前向路由，该消息也要求能唯一标识该次路由过程，若节点不为目的节点则继续转发RREQ消息；若Firstid不为空则检查是否收到过具有相同Firstid的RREQ消息，若否，则丢弃该消息，若是，则判断是否应该更新路由，若需要更新则录前驱节点(即所收到消息的上一跳节点)以形成反向路由，若不需要更新则丢弃该分组。若节点为目的节点则直接由反向路由回复RREP消息并通过该消息建立有源节点到目的节点的前向路由，该消息要求能唯一标识该次路由过程，若节点不为目的节点则继续转发RREQ消息，以此建立源节点与目的节点之间的节点不相交的多路径。
以图3的网络拓扑结构为例。设节点C有消息要发送给节点L，有默认路由为C-＞B-＞J-＞K-＞L和优先级更低的默认路由C-＞B-＞A-＞J-＞K-＞L。节点广播RREQ消息进行寻路，B、D、E作为邻居节点收到RREQ后会将自己的ID加入Firstid表项目。节点J收到来自B和D的RREQ消息后，根据上述规则丢弃后到的RREQ，由此可见，该发明可以避免链路相交的多路径模式。
再假设节点C有消息发送到节点J，默认路由为C-＞B-＞J。C发送RREQ消息，此时节点J会根据描述的规则处理来自节点B和节点D的RREQ请求而丢弃来自节点A的，这样可以得到两条链路不相交的路由C-＞B-＞J和C-＞D-＞J，以其中最优路径为主路由，其他路由为备份路径。本模块适用于任何拓扑结构的网络中。
路由修复模块：因为网络中备份了多路径，则在节点B失效时，能马上启动路径C-＞D-＞J，提高了可靠性，减小了修复时间。只有当所有备用路径均无法使用时才会进行重新寻路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.适用于无线传感网路的多路径路由方法，其特征在于，包括无线传感器网络的初始化以及数据发送的步骤；
无线传感器网络在初始化阶段形成树结构，树结构的形成过程进一步包括以下步骤：骨干节点选取阶段，成树阶段，地址分配阶段以及骨干节点成网阶段；
-骨干节点选取阶段：各个节点以连通度作为权值，其中，在一跳内具有最大连通度的节点被选为骨干节点，骨干节点的邻居节点作为下级节点加入该骨干节点的子网内；两个簇之间选举出一个网关节点，该网关节点也作为骨干节点；
-成树阶段：上一阶段选举出的骨干节点以汇聚节点为根，逐步加入组成树状网络；
-地址分配阶段：在节点身份确定后，父节点根据其每个子节点实际需要与期望需要为子节点分配一个高位连续的地址块；骨干节点再为其低级节点分配子网内地址；
-骨干节点成网阶段：骨干节点之间通过交互默认路由表进一步形成网状结构；
数据发送的具体步骤：
当某一节点i要给另一节点j发送一个数据包时，若节点i非骨干节点，则先将数据发送给骨干节点，由骨干节点发起路由过程；若节点i为骨干节点，则向所有骨干邻居节点广播一个RREQ消息进行寻路；
节点i的一跳邻居节点接收到上述RREQ消息后，在该消息中添加一个Firstid表项目，将节点i的一跳邻居节点的ID加入Firstid表项目，在以后的转发中该表项目不再改变，已经处理过该RREQ消息的非源节点邻居节点的中间节点对接收到的具有不同Firstid的请求进行丢弃处理，目的节点在收到RREQ消息分组时，按照转发RREQ消息分组过程中建立的反向路由发送至源节点，建立源节点与目的节点之间的节点不相交的多路径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地址分配阶段中每个骨干节点被分配到的地址数要大于其实际需要并小于期望需要。
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