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　　摘要：無線傳感器網絡是九十年代末開始出現的一門綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術的無線網絡,能夠感知和采集環境或某些對象的信息,經過處理后,傳輸到監控者。本文以傳統AODV路由協議為基礎,針對微型無線傳感器網絡,自主研發了一種全新的MSAODV路由協議。

　　1 引言

　　隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟,具有感知能力、 計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內出現。由這些微型傳感器構成的傳感器 網絡引起了人們的極大關注。這種傳感器網絡
傳感器網絡

　　通信技術和計算機技術的飛速發展，人類社會已經進入了網絡時代。智能傳感器的開發和大量使用，導致了在分布式控制系統中，對傳感信息交換提出了許多新的要求。 單獨的傳感器數據采集已經不能適應現代控制技術和檢測技術的發展，取而代之的是分布式數據采集系統組成的傳感器網絡，傳感器網絡可以實施遠程采集數據，并進行分類存儲和應用。

綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式 信息處理技術和通信技術,能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或 監測對象的信息,并對這些信息進行處理,獲得詳盡而準確的信息,傳送到需要這些信息的用 戶。本文在AODV 路由協議的基礎上,提出了一種全新的路由協議—MSAODV 協議,這種路 由算法適合在微型無線傳感器網絡上使用。

　　2 MSAODV 路由算法的基本思想與算法原理

　　2.1 路由算法的基本思想

　　在研究了 AODV 路由協議之后,本文提出了一種全新的路由算法,這種路由算法適合在 微型無線傳感器網絡上使用,又由于是基于AODV 路由協議之上,故稱之為MSAODV(Micro- Sensor Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm)路由協議。

　　無線傳感器網絡與傳統無線移動網絡有區別,無線傳感器網絡最關心的是整個網絡的成 存周期,而傳統無線移動網主要關心的是網絡拓撲化情況下可靠傳輸質量。微型無線傳感 器網絡中的節點具有體積小,功耗小,通信距離短等特點,他們應用的場合非常廣泛,像戰場敵 方信息采集,森林火災監控等,這些場合往往是一些無人區,傳感器節點拋撒到這些地方再回 收的可能性非常小,所以節點的功耗決定了他的使用時間。針對這些特點,MSAODV 路由算 法采用了按需查詢方式,他簡單實用,易于擴充,協議開銷小,應用了這種路由算法傳感器節點 大部分時間都可以處在睡眠狀態,這樣就延長了節點的使用時間,適合無線傳感器網絡的使用環境。

　　2.2 MSAODV 路由算法原理

　　MSAODV 路由協議算法是在AODV 路由協議的基礎上改進演化而來的,他繼承了AODV 路由算法的許多特點,但是又與AODV 路由協議算法有所不同。無線傳感器網絡的體 系結構將有助于設計MSAODV 路由協議算法,圖1 顯示了無線傳感器網絡的體系結構。

　　MSAODV 路由算法同樣假設網絡中的所有鏈路都是雙向對稱的,即某個源節點通過一 條路由可以到達無線網絡中的某個目的節點時,該目的節點同樣也可以通過這條路由的反向 路由回到源節點。MSAODV 路由協議同樣是一種按需的距離向量路由協議,具有按需路由協 議的特點,網絡中的每個節點在需要進行通信時才發送路由分組,而不會周期性地交互路由信 息以得到所有其它主機的路由:同時具有距離向量路由協議的一些特點,即各節點路由表只維 護本節點到其他節點的路由,而無須掌握全網拓撲結構。

　　MSAODV 路由協議中只有兩種類型的消息控制幀:路由請求RREQ 和路由應答RREP。 和AODV 路由協議一樣,當源節點需要發送數據而又沒有到目的節點的有效路由時,啟動一 個路由發現過程:向網絡廣播一個路由請求包RREQ,中間節點轉發該路由請求,收到請求的目 的節點以單播的方式向源節點返回一個RREP 包,RREP 沿著剛建立的逆向路徑傳輸回源節 點,源節點收到該RREP 包后則開始向對應目的節點發送數據。在路由請求包的正向傳播過 程中,網絡中能收到該路由請求的節點都建立起了到源節點的反向路由,當目的節點收到路由 請求而回送路由應答時,逆向路徑上的節點又建立了前向路由。整個MSAODV 路由發現過 程如圖2 所示,a 圖表示的是反向路由的建立過程,節點S 需要和節點D 通信,但是他沒有節點 D 的路由,所以節點S 發起到節點D 的路由請求,節點S 廣播一個路由請求包,收到路由請求包 的節點轉發節點S 的請求,最終節點D 收到了節點S 的路由請求包,這個過程建立了節點S 到 節點D 的反向路由;b 圖表示的是由節點S 到節點D 前向路由的建立過程,當節點D 收到節點 S 的路由請求包后,他要給節點S 回送一個路由應答包,順著剛才建立的反向路由,應答包最終 被節點S 成功接收,在此過程中節點S 又建立了到節點D 的前向路由。

　　3 MSAODV 路由中的路由表與協議幀的格式

　　3.1 MSAODV 路由協議路由表

　　網絡中的每一個節點都有這樣的一個路由表,該表保存了對應節點的路由信息,由于各個 節點在網絡中的位置不同,因而他們的路由表項也不相同,例如在圖2(b)中,a 節點的路由表有 兩項,c 節點的路由表也有兩項,如表1 所示。

　　3.2 MSAODV 路由協議幀格式

　　由于 MSAODV 路由協議是AODV 路由協議的改進演化,所以與AODV 路由協議幀類 似,MSAODV 路由協議也包括RR 衛Q 協議幀和RREP 協議幀,但不包含RERR 協議幀。不 包含RERR 協議幀會導致MSAODV 協議在路由維護和錯誤處理上功能欠缺,但可以通過其 他方法來彌補這個缺陷。

　　1 RREQ 協議幀格式

　　RREQ 路由請求協議幀如表2 所示。

　　2 RREP 協議幀格式

　　RREP 路由應答協議幀如表3 所示。

　　4 MSAODV 路由協議的操作

　　由于MSAODV 路由協議是對AODV 協議的改進演化,所以MSAODV 路由協議的操作 與AODV 路由協議的操作大同小異,為了清晰起見,對MSAODV 協議的操作做一詳細的介紹 還是有必要的。

　　4.1 產生路由請求

　　無線網絡中某個節點需要和網絡中的另一個節點通信時,他首先會查找自己的路由表,以 確定是否有通往該目的節點的有效路由,如果有的話,從對應的目的節點路由表項中取出下一 跳節點地址,然后構造數據包并把該數據包發往下一節點,如果不存在通往目的節點的路由, 那么該節點就要發起一次路由請求。

　　4.2 處理和轉發路由請求

　　處理和轉發路由請求是針對源節點和目的節點之間的中間節點而言。這些中間節點可能 不止一個,在他們收到源節點廣播的RREQ 路由請求幀之后,必需處理和轉發該路由請求幀。

　　在某個中間節點接收到源節點廣播或者由其他節點轉發的RREQ 請求幀后,他首先會判 定該RREQ 請求幀是否己經被成功接收過,判斷的依據就是源節點的IP 地址和廣播ID 號,如 果發現由源節點和廣播ID 唯一標志的RREQ 請求幀是新的,也就是沒收到過,就會根據此 RREQ 請求幀更新自己路由表中對應的項。很顯然,該路由表項的目的節點IP 字段就是是源 節點IP 地址,下一跳IP 地址就是發送此RREQ 請求幀的節點IP 地址,有可能是源節點也有可 能是另一個中間節點。接下來此中間節點判斷該RREQ 請求幀的目的IP 是不是就是自己, 如果是就回送一個RREP 回應幀,不是就轉發該RREQ 請求幀。

　　4.3 產生路由應答

　　RREQ 經過中間節點的轉發到達目的節點或者是直接到達目的節點后,目的節點要進行 相應的處理。

　　目的節點收到 RREQ 請求包,首先會判斷是否已經收到過此請求包,如果沒有收到過則更 新自己相應的路由表項,目的節點把該路由表項的目的IP 更新為源節點的IP 地址,下一跳IP 為發給他RR 衛Q 請求幀的節點IP,目的節點序列號填上源節點的序列號,該序列號在RREQ 請求幀里,跳數直接從RREQ 請求幀里拷貝。在確認請求的節點就是自己后,目的節點要給源 節點發送一個RREP 應答幀,接下來目的節點構造一個RREP 應答幀并正確初始化該幀。類 型字段為2,表示該幀是RREP 應答幀。跳數字段為0,因為是目的節點發起的RREP 應答幀。 目的節點產生一個RREP 應答包之前,必需更新自己的序列號,更新值為當前序列號與RREQ 請求包中的目的序列號兩者中的最大值,目的序列號字段被初始化為這個最大值。源IP 地址 指的是發起RREQ 請求幀的源節點的IP 地址,而不是指目的節點的IP 地址,同樣的,目的IP 地址就是目的節點的IP 地址,也就是發起RREP 應答幀的節點IP 地址。

　　在目的節點構造好 RREP 回應幀后,就要把該幀以單播的形式沿著反向路由傳送,他的下 一跳節點IP 地址是發給他RREQ 請求幀的節點地址,可能是某個中間節點,也可能是源節點。 一切準備就緒,目的節點按照退避算法發送該幀。

　　4.4 接收和轉發路由應答

　　由于無線網絡的特點,盡管目的節點是以單播的形式向源節點回送RREP 回應幀,但是網 絡中的很多節點也能接收到該幀,當然,這些節點只是簡單的丟棄該幀,只有反向路由上的節 點才會接收該RREP 回應幀。反向路由上的節點會沿著反向路由順利的把RREP 回應幀傳給 源節點,同時他們也根據此RREP 回應幀建立了前向路由。

　　該節點下面要完成的工作就是把 該RREP 回應幀轉發出去。他要知道下一跳節點的IP 地址,以RREP 回應幀中的源節點IP 地址為關鍵字查找路由表,得到下一跳節點的IP,這個表項是在建立反向路由時建立或更新 的。該中間節點在完成上面的步驟后,以退避算法轉發該RREP 回應幀。與RREQ 請求幀的 轉發不同,R.REP 回應幀的轉發是單播的,他不會像R.REQ 請求幀那樣可能被轉發多次,所以 R.REP 回應幀的字段里不存在廣播ID。

　　4.5 新節點加入

　　無線傳感器網絡中的節點在開機或重啟之后,會向網絡廣播一個RESET 消息,網絡中的 其他節點收到此RESET 消息后會轉發該幀,最后主節點收到該幀。新節點在RESET 消息幀 里攜帶自己的IP 地址,這樣當主節點收到該幀后就可以知道是哪個節點重啟。 收到 RESET 消息幀的其他節點首先查找自己的路由表看是否有主節點的IP 地址,如果 有就以單播的形式發送該幀,反之則繼續廣播此RESET 消息幀。

　　每個節點都要保存上一次他 收到的RESET 消息幀中的源節點IP 地址,下次再收到RESET 消息幀首先要比較源IP 地址 是否和保存值相同,相同就不再轉發該幀,在經過一段時間后,將保存值清零,這樣就避免了重 復轉發同一個RESET 消息幀,又避免了不再轉發下次的RESET 消息幀。

　　4.6 其他操作

　　除了前文描述的產生路由請求、處理和轉發路由請求、產生路由應答、接收和轉發路由應答、新節點加入等主要操作外,MSAODV 路由算法余下的操作可以參考第二章介紹的 AODV 路由算法。

　　5 本文作者創新點

　　AODV 路由算法應用在無線傳感器網絡中有一定的局限性,不能很好得適合無線傳感器 網絡的體系結構。以無線傳感器網絡與傳統移動無線網著重點不同為依據,本文提出了適合 無線傳感器網絡的路由算法MSAODV,并詳細敘述分析了MSAODV 路由算法。