CN103476081B

CN103476081B - 一种无线传感器网络中路由的方法

Info

Publication number: CN103476081B
Application number: CN201310412727.6A
Authority: CN
Inventors: 杨冬; 王洪超; 赵晶; 高德云; 张宏科; 苏伟
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: CN103476081A

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中路由的方法，该方法包括：接收新节点通过网络中的邻居节点发送的请求加入网络数据包GJR；对GJR中的信息进行验证，若验证成功则允许所述新节点加入网络，并建立与所述新节点进行通信的上行链路、广播链路和下行链路路由图，再通过服务器配置数据包GCI发送至所述新节点；当该网络中的某一节点向另一节点发送数据包时，接收所述某一通过普通数据包GRM发送的通信请求，根据与所述某一节点以及所述另一节点相关的上行链路与下行链路路由图计算最优路径，并将该最优路径的路由图通过GCI发送至该路径中的所有节点。通过采用本发明公开的方法保证了路由的实时性、可靠性和低能耗。

Description

一种无线传感器网络中路由的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络中路由的方法。

背景技术

WSNs（Wireless Sensor Networks，无线传感器网络）是计算机网络的重要组成部分，由大量的低成本、低功耗的微型传感器节点组成，通过无线通信方式组成一个多跳的自组织网络。终端节点负责采集物理世界的对象信息（如：温度、湿度、光强等），然后将数据汇聚发送至服务器。

路由技术在无线传感器网络中起着至关重要的作用，采用何种路由协议决定了数据的转发方式和传输路径，这将会直接影响网络性能的优劣。然而，传统的无线传感器网络中大多采用分布式网络模式，其路由发现、信息维护都会消耗大量的节点资源。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线传感器网络中路由的方法，针对无线应用网络，采取集中式管理，简化网络节点功能，减少非外接电源供电设备的能量消耗，增强路由算法的灵活性，实现较好的路由性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无线传感器网络中路由的方法，该方法包括：

服务器接收新节点通过网络中的邻居节点发送的请求加入网络数据包（GJR）；

对GJR中的信息进行验证，若验证成功则允许所述新节点加入网络，并建立与所述新节点进行通信的上行链路、广播链路和下行链路路由图，再通过服务器配置数据包（GCI）发送至所述新节点；

当该网络中的某一节点向另一节点发送数据包时，服务器接收所述某一通过普通数据包（GRM）发送的通信请求，根据与所述某一节点以及所述另一节点相关的上行链路与下行链路路由图计算最优路径，并将该最优路径的路由图通过GCI发送至该路径中的所有节点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明采用集中式的路由管理模式，利用图路由协议来实现无线传感器网络的路由功能；通过使用图路由协议可以减少路由开销，以及数据包头部，节省路由存储空间；且图路由协议转发迅速并可支持多路径路由。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种无线传感器网络中路由的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的网络节点到服务器的汇聚的示意图；

图3为本发明实施例提供的服务器到网络节点的广播的示意图；

图4为本发明实施例提供的广播链路路由图的示意图；

图5为本发明实施例提供的上行链路路由图示意图；

图6为本发明实施例提供的下行链路路由图示意图；

图7为本发明实施例提供的点到点通信时最优路径路由图的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明采用的集中式网络模式，可以对全网资源进行优化调度，实现复杂的调度算法，减少节点自身的计算量和存储量。图路由采用图ID（路由图的标识）代替传统的网络地址进行路由，图ID有多个相应的下一跳节点，可以形成多路径路由。本发明中的集中式图路由中，服务器存储整网的拓扑信息，由服务器为数据流生成多条传输路径，无需节点本身进行复杂的计算。服务器将路由信息下发到节点，节点所维护的信息只有图ID及相应的一个或多个下一跳节点，从而形成多路径路由，无需大量的存储空间。数据包在传输过程中只需要携带图ID进行路由，无需因为多路径而带来大量的开销。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种无线传感器网络中路由的方法的流程图；如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、接收新节点通过网络中的邻居节点发送的请求加入网络数据包GJR。

本实施例中路由的建立、更新都交由中心管理服务器计算和维护，在服务器接收到新节点通过网络中的邻居节点发送的GJR之前还包括，新节点监听网络的过程，该过程具体为：所述新节点监听网络中的广播数据包（GIB），若所述新节点在预定的时间内未监听到网络中的GIB，则向网络中的节点发送广播请求数据包（GIR），网络中的节点在接收到所述GIR后，向所述新节点回复GIB；当所述新节点对该网络监听一段时间后，将将监听到的GIB对应的节点作为其邻居节点，并建立邻居节点列表。

所述新节点将所述邻居节点列表与其自身信息嵌入所述GJR中，并选择至少两个邻居节点作为代理向服务器发送。

此时，所述新节点并未加入网络，从而无法得知上行链路的路由图。本实施例中选取至少两个邻居节点进行GJR的转发，其目的在于，非对称链路中，邻居列表中的节点不一定为新节点可达节点，所有收到GJR的节点都默认通过上行链路路由图（采用默认上行链路中的下一跳节点进行转发）进行路由转发；同时，转发GJR的邻居节点可用作生成新节点的上行链路路由图。

本实施例中的GIB、GIR与GJR的内容可以参见下述表1-表3。

表1广播数据包（GIB）

表2广播请求数据包（GIR）

表3加入请求数据包（GJR）

其中，表1为广播数据包（GIB），用于邻居发现，该表格中的bit（比特）是指该项在数据包中所占的空间大小。GIB的类型表示为000，优先级最低，为000（优先级从低到高，数值逐渐递增）。地址压缩控制（2bit）用于指示地址是否被压缩，0表示网络中地址不进行压缩，采用64bit（比特）地址；1表示网络中地址进行压缩，采用16bit地址。有效期是指GIB的有效期，GIB不仅用于新节点入网，同时用于邻居列表的定期更新，即GIB在有效期内没有更新，则节点判断该邻居节点失效。源地址即该GIB对应的节点地址，目的地址缺省，表示为广播地址。由于不需要路由转发，因此，图ID、图版本号（用于区别路由图更新前后，表示图的版本）均设为缺省。ACK（确认字符）控制表示数据包是否需要ACK回复，本实施例中的网络链路均为非对称链路，该网络中每个节点邻居列表中的节点均为可达自身的节点，每个节点的邻居节点并不一定为自身可达的节点，即通信并非是相互的，因此，GIB数据包是不需要回复ACK，可设为00。拥塞标识用来表示数据包是否拥塞。跳数限制表示的数值为数据包最大转发次数，数据包每经过一次中间转发，跳数限制数值减1，当跳数限制减为0时，数据包自动丢弃，GIB的跳数限制设为1。GIB中还包括网络的基本信息，包括信道信息、根节点地址等。

表2为广播请求数据包（GIR），新节点在加入网络时，进行GIB数据包侦听，在一段时间之内，没有收到GIB数据包，则新节点在网络中广播GIR请求GIB，该表格中的比特是指该项在数据包中所占的空间大小。GIR的类型表示为001，优先级高于GIB，为001。地址压缩控制通常设为0，因为节点在出厂设置时通常没有设置网内16bit唯一标识，因而使用非压缩地址，如果节点出厂设置网内标识，则设为1。保留字段用于功能扩展。源地址为所述新节点的地址，目的地址缺省，表示为广播地址。由于不需要路由转发，因此图ID、图版本号均设为缺省。ACK控制表示数据包是否需要ACK回复，GIR需要回复GIB数据包，设为11。拥塞标识用来表示数据包是否拥塞。跳数限制可设为1。

表3为加入请求数据包（GJR），节点通过GIB获取网络的基本信息和邻居列表，将邻居列表和节点自身信息作为基本信息嵌入到数据包中，该表格中的比特是指该项在数据包中所占的空间大小。GJR类型表示为010，优先级高于GIB，为001。地址压缩控制同GIR类似，通常设为0，此时新节点还没有加入网络，除非节点进行过出厂设置。保留字段用于功能扩展。源地址为所述新节点的地址，目的地址为服务器地址。GJR要经过路由转发才能到达服务器，但是新节点在收到的GIB中无法获取到服务器的路由图信息，因此图ID、图版本号均设为缺省。GJR发送给服务器请求加入网络，需要服务器回复是否可以加入，ACK控制可设为11。拥塞标识用来表示数据包是否拥塞。跳数限制可设为路由的最大跳数限制（例如，设置为16）。网络信息中包括节点自身的信息以及邻居列表。如果网络有安全要求，则GJR数据包中要包含安全信息，通常安全级别较高的情况下，节点在出厂设置时配置非对称密钥和安全证书；在安全级别较低的情况下，GIB网络信息中包含一个网络的公共密钥，用于简单的安全验证。新节点在发送GJR数据包时，转发信息为缺省；网络中的节点在收到GJR数据包时，检查其转发信息中是否为缺省，如果为缺省，则节点将本节点地址填入，如果已经有地址，则不进行改动，继续转发。

步骤12、对GJR中的信息进行验证，若验证成功则允许所述新节点加入网络，并建立与所述新节点进行通信的上行链路、广播链路和下行链路路由图，再通过服务器配置数据包GCI发送至所述新节点。

当服务器收到邻居节点转发的GJR后，对GJR中的内容计算和验证，若通过验证，则允许所述新节点加入网络，并建立与所述新节点进行通信的上行链路、广播链路和下行链路路由图。其中，广播链路和下行链路路由图根据所述新节点的信息及邻居节点列表建立；上行链路路由图利用为所述新节点转发GJR的邻居节点建立，服务器可以根据GJR中的转发信息确定转发节点的信息，从而确定对应的上行链路，具体的：当邻居节点接收到该GJR后，检查所述GJR中的转发节点信息是否为缺省，若是，则该邻居节点将其地址填入；否则，则不进行改动；该邻居节点按照其上行链路路由器进行GJR的转发，直至到达服务器；所述服务器通过检查GJR数据包中转发节点信息中的地址，确定所述新节点上行链路的上一跳节点，并根据所述上一跳节点建立所述新节点的上行链路路由图。

进一步的，为减少路由的开销，可利用最优路径算法（例如，迪杰斯特拉Dijkstra算法）计算所述上行链路、广播链路和下行链路的最优路径后，生成路由图。

当服务器完成上行链路、广播链路和下行链路路由图构建之后，通过服务器配置数据包（GCI）发送至所述新节点；具体的：所述服务器选择一转发节点发送所述GCI，所述GCI中的目的地址为所述新节点的地址；通过所述转发节点的下行链路进行GCI的转发，直至到达所述新节点；所述新节点在接收到该GCI后，回复信息汇报数据包IRO至所述服务器。同时，服务器向与所述新节点的上行链路、广播链路和下行链路路由图相关的节点（即需要更新路由图的节点）发送携带路由图信息的GCI，由所述相关节点接收到所述GCI信息后进行路由图的更新。

本实施例中的GCI的内容可参见表4，该表格中的比特是指该项在数据包中所占的空间大小。其中，所述GCI的类型表示为011，优先级高于GIR，为010。地址压缩控制视网络而定。保留字段用于功能扩展。源地址为服务器地址，目的地址为所述新节点地址。服务器下发GCI为典型的下行路由，图ID为一转发节点的下行链路图ID。GCI为服务器返回给节点的配置信息，节点需回复信息确认配置成功，ACK控制可设为11。拥塞标识用来表示数据包是否拥塞。跳数限制也可设为路由的最大跳数限制。网络信息中回复节点网路信息，包括节点标识、图派发和更新等。安全信息中进行密钥交互，包括网络中的安全信息。

表4服务器配置数据包（GCI）

步骤13、更新网络路由图。

当所述新节点成功加入网络后，由于加入时间较短，因此，邻居节点列表发现并不完整，并没有获取最优的网络拓扑；并且，上行链路中，新节点的下一跳节点也仅限于邻居列表中的节点，即新节点的通信过程都是对称通信。同时，网络中的节点也在不断检测新的邻居节点，不断优化网络拓扑。

网络中的每一节点均定时的监听与发送GIB，若当前节点接收到非邻居节点列表中的节点发送的GIB，则根据接收到的GIB确定对应的节点信息，并通过信息汇报数据包（IRO）发送至服务器；所述服务器根据接收到的所述对应的节点信息，并利用最优路径算法更新网络中相关的路由图信息（上行链路和/或下行链路路由图）。

同时，网络中的每一节点还定期维护自身的邻居节点列表，若当前节点在预定的时间内没有接收到所述邻居节点列表中邻居节点m发送的新的GIB，则判定该邻居失效，并通过IRO向服务器进行汇报；所述服务器接收到该IRO后，中断所述当前节点与所述邻居节点m之间的连接，并用过GCI更新配置相关的路由图信息。

本实施例中的IRO的内容可参见表5，该表格中的比特是指该项在数据包中所占的空间大小。其中，所述IRO的类型表示为100，优先级为000。地址压缩控制视网络而定。保留字段用于功能扩展。源地址为发送IRO节点的地址，目的地址为服务器地址。图ID为默认上行链路图ID。IRO为节点向服务器的信息汇报，根据汇报信息，服务器判断是否向节点返回更新信息，因此不确定是否回复该数据包，ACK控制可设为01。拥塞标识用来表示数据包是否拥塞。跳数限制也可设为路由的最大跳数限制。网络信息中可能包含新发现的邻居节点、已经失效的邻居节点、链路信息等网络相关信息。安全信息中包含密钥加密、签名、完整性认证等信息。

表5信息汇报数据包（IRO）

步骤14、网络间的路由通信。

本步骤与步骤13不区分先后。

节点在与网络通信时，采用图信息进行路由，通信模式主要有网络节点到服务器的汇聚、服务器到网络节点的广播、服务器到某一网络节点的单播和网络中节点的单播通信模式。

其中，网络节点到服务器的汇聚（参见附图2）及服务器到网络节点的广播（参见附图3）为节点的通用通信模式，在节点加入网络时则可获得所使用的图ID和相应的图信息，从而可得到网络的广播链路路由图（参见附图4）及上行链路路由图（参见附图5）；同时，还可以直接根据网络的广播链路路由图获得对应的下行链路路由图（参加附图6）。

为了便于理解本发明实施例中节点路由的过程，下面针对各个链路的路由图做进一步说明：

本实施例中的广播链路路由图（附图4）用于服务器向网络中广播信息，可根据服务器到网络节点的广播图（附图3）获得。以节点J为例，其中，可到达J节点的链路有EJ、FJ、KJ三条，服务器A可根据度量算法选取链路生成广播链路路由图，本实施例中可选取EJ、FJ两条链路。该广播链路路由图（图ID可设为1）中部分节点维护的路由表可参考下表的方式建立：

节点	图ID	下一跳
			A	1	B,C,D
E	1	J,K
			J	1

表6广播链路中节点维护路由表

本实施例中的上行链路路由图（附图5），为节点向服务器发送消息的上行链路路由图。该上行链路路由图（图ID可设为2）中部分节点维护的路由表可参考下表的方式建立：

节点	图ID	下一跳
			A	2
E	2	B
			J	2	E,F

表7上行链路中节点维护的路由表

本实施例中的下行链路路由图（下行链路路由图较多，图ID可设为N）可根据网络的广播链路路由图获得。以服务器A与节点J为例，并根据图4可获得服务器A至节点J的下行链路路由图（参见附图6），该下行链路路由图中部分节点维护的路由表可参考下表的方式建立：

节点	图ID	下一跳
			A	N	B,C
E	N	J

J

N

表8下行链路中节点维护的路由表

基于本实施例中所述的广播链路、上行链路与下行链路路由图，可实现节点在网络中的数据包广播及点对点的通信。

作为举例而非限定，当节点J需要向节点L发送数据时，首先，由节点J通过上行链路路由图向服务器A发送携带通信请求的普通数据包（GRM），服务器根据上、下行链路路由图，以及节点J与节点L的通信关系计算节点J到节点L的最优路径，并通过下行链路路由图将包含最优路径路由图（参见附图7）的GCI数据包发送给所述最优路径中的所有节点。

其中，所述GRM用于网络通信，包括将数据汇总给服务器，或是节点之间的数据通信，其内容具体可参见表9，GRM的类型表示为101，优先级为000。地址压缩控制视网络而定。保留字段用于功能扩展。源地址和目的地址均为网络中通信节点的地址，图ID根据源节点和目的节点确定，但是，若该GRM数据包是由服务器广播至全网的数据包，则目的地址为缺省，图ID可设为0x0001。GRM为节点间的信息通信，数据包是否需要回复是由发送端和目的端根据通信内容而定，ACK控制可设为01。拥塞标识用来表示数据包是否拥塞。跳数限制也可设为路由的最大跳数限制。安全信息中包含密钥加密、签名、完整性认证等信息。

表9普通数据包（GRM）

当节点J收到所述服务器A发送的最优路径图后，同时服务器将配置最优路径图的相关节点，通过查询该最优路径路由图，将数据包向外发送，收到该数据包的转发节点同样通过查询所述最优路径路由图将该数据包向外发送，直至达到节点L。该路由图对应的路由表可参见下表的方式建立：

节点	图ID	下一跳
			J	3	F

C	3	G
			G	3	L

表10点对点通信路由表

本发明实施例采用集中式的路由管理模式，利用图路由协议来实现无线传感器网络的路由功能；通过使用图路由协议可以减少路由开销，以及数据包头部，节省路由存储空间；且图路由协议转发迅速并且提供多路径路由选择；同时，图路由也是针对集中式网络结构的一种路由，路由的建立、更新都交由中心管理服务器计算和维护，负责节点的网络加入、身份验证、资源分配。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种无线传感器网络中路由的方法，其特征在于，该方法包括：

服务器接收新节点通过网络中的邻居节点发送的请求加入网络数据包GJR；

所述服务器对GJR中的信息进行验证，若验证成功则允许所述新节点加入网络，并建立与所述新节点进行通信的上行链路、广播链路和下行链路路由图，再通过服务器配置数据包GCI发送至所述新节点；

当该网络中的某一节点向另一节点发送数据包时，所述服务器接收所述某一节点通过普通数据包GRM发送的通信请求，根据与所述某一节点以及所述另一节点相关的上行链路与下行链路路由图计算最优路径，并将该最优路径的路由图通过GCI发送至该路径中的所有节点；

并且，网络中的每一节点定期发送GIB，进行邻居节点的发现和更新；若当前节点接收到非邻居节点列表中的节点发送的GIB，则根据接收到的GIB确定对应的节点信息，并通过IRO发送至服务器；

所述服务器根据接收到的所述对应的节点信息，并利用最优路径算法计算新路径，通过GCI更新配置网络中相关的路由图信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新节点通过网络中的邻居节点发送请求加入网络的数据包GJR包括：

所述新节点监听网络中的广播数据包GIB，将监听到的所述GIB对应的节点作为其邻居节点，并建立邻居节点列表；

所述新节点将邻居节点列表与其自身信息嵌入所述GJR中，并选择至少两个邻居节点作为代理向服务器发送。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

若所述新节点在预定的时间内未监听到网络中的GIB，则向网络中的节点发送广播请求数据包GIR，网络中的节点在接收到所述GIR后，向所述新节点回复GIB。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立与所述新节点进行通信的上行链路、广播链路和下行链路路由图包括：

根据所述新节点的信息及邻居节点列表建立广播链路和下行链路路由图，以及利用为所述新节点转发GJR的邻居节点建立上行链路路由图；

所述上行链路、广播链路和下行链路路由图为最优路径算法计算的最优路径路由图。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用为所述新节点转发GJR的邻居节点建立上行链路路由图包括：

所述新节点选择至少两个邻居节点作为代理向服务器发送GJR；

当所述邻居节点接收到该GJR后，检查所述GJR中的转发节点信息是否为缺省，若是，则该邻居节点将其地址填入；否则，则不进行改动；

该邻居节点按照其上行链路路由器进行GJR的转发，直至到达服务器；

所述服务器通过检查GJR数据包中转发节点信息中的地址，确定所述新节点上行链路的上一跳节点，并根据所述上一跳节点建立所述新节点的上行链路路由图。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述GCI发送路由图至所述新节点包括：

选择一转发节点发送所述GCI，所述GCI中的目的地址为所述新节点的地址；

通过所述转发节点的下行链路进行GCI的转发，直至到达所述新节点；

所述新节点在接收到该GCI后，回复信息汇报数据包IRO至所述服务器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

向与所述新节点的上行链路、广播链路和下行链路路由图相关的节点发送携带路由图信息的GCI，由所述相关节点接收到所述GCI信息后进行路由图的更新。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

网络中的每一节点定期维护自身的邻居节点列表，若当前节点在预定的时间内没有接收到所述邻居节点列表中邻居节点m发送的新的GIB，则判定该邻居失效，并通过IRO向服务器进行汇报；

所述服务器接收到该IRO后，中断所述当前节点与所述邻居节点m之间的连接，并通过GCI更新配置相关的路由图信息。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网络中链路为非对称链路，网络中的节点接收到邻居节点发送的GIB数据包后无需回复确认字符ACK。