適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法MSAODV

引言
隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟,具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)這些信息進(jìn)行處理,獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。本文在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種全新的路由協(xié)議—MSAODV協(xié)議,這種路由算法適合在微型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xié)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(wǎng)絡(luò)上使用,又由于是基于AODV路由協(xié)議之上,故稱之為MSAODV(Micro- Sensor Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm)路由協(xié)議。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有區(qū)別,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最關(guān)心的是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成存周期,而傳統(tǒng)無線移動(dòng)網(wǎng)主要關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r下可靠傳輸質(zhì)量。微型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有體積小,功耗小,通信距離短等特點(diǎn),他們應(yīng)用的場(chǎng)合非常廣泛,像戰(zhàn)場(chǎng)敵方信息采集,森林火災(zāi)監(jiān)控等,這些場(chǎng)合往往是一些無人區(qū),傳感器節(jié)點(diǎn)拋撒到這些地方再回收的可能性非常小,所以節(jié)點(diǎn)的功耗決定了他的使用時(shí)間。針對(duì)這些特點(diǎn),MSAODV路由算法采用了按需查詢方式,他簡(jiǎn)單實(shí)用,易于擴(kuò)充,協(xié)議開銷小,應(yīng)用了這種路由算法傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都可以處在睡眠狀態(tài),這樣就延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間,適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用環(huán)境。
2.2 MSAODV路由算法原理
MSAODV路由協(xié)議算法是在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)演化而來的,他繼承了AODV路由算法的許多特點(diǎn),但是又與AODV路由協(xié)議算法有所不同。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)將有助于設(shè)計(jì)MSAODV路由協(xié)議算法,圖1顯示了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。
MSAODV路由算法同樣假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路都是雙向?qū)ΨQ的,即某個(gè)源節(jié)點(diǎn)通過一條路由可以到達(dá)無線網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)時(shí),該目的節(jié)點(diǎn)同樣也可以通過這條路由的反向路由回到源節(jié)點(diǎn)。MSAODV路由協(xié)議同樣是一種按需的距離向量路由協(xié)議,具有按需路由協(xié)議的特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要進(jìn)行通信時(shí)才發(fā)送路由分組,而不會(huì)周期性地交互路由信息以得到所有其它主機(jī)的路由:同時(shí)具有距離向量路由協(xié)議的一些特點(diǎn),即各節(jié)點(diǎn)路由表只維護(hù)本節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的路由,而無須掌握全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
MSAODV路由協(xié)議中只有兩種類型的消息控制幀:路由請(qǐng)求RREQ和路由應(yīng)答RREP。和AODV路由協(xié)議一樣,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)而又沒有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí),啟動(dòng)一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過程:向網(wǎng)絡(luò)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求包RREQ,中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該路由請(qǐng)求,收到請(qǐng)求的目的節(jié)點(diǎn)以單播的方式向源節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)RREP包,RREP沿著剛建立的逆向路徑傳輸回源節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)收到該RREP包后則開始向?qū)?yīng)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在路由請(qǐng)求包的正向傳播過程中,網(wǎng)絡(luò)中能收到該路由請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)都建立起了到源節(jié)點(diǎn)的反向路由,當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求而回送路由應(yīng)答時(shí),逆向路徑上的節(jié)點(diǎn)又建立了前向路由。整個(gè)MSAODV路由發(fā)現(xiàn)過程如圖2所示,a圖表示的是反向路由的建立過程,節(jié)點(diǎn)S需要和節(jié)點(diǎn)D通信,但是他沒有節(jié)點(diǎn)D的路由,所以節(jié)點(diǎn)S發(fā)起到節(jié)點(diǎn)D的路由請(qǐng)求,節(jié)點(diǎn)S廣播一個(gè)路由請(qǐng)求包,收到路由請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)S的請(qǐng)求,最終節(jié)點(diǎn)D收到了節(jié)點(diǎn)S的路由請(qǐng)求包,這個(gè)過程建立了節(jié)點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)D的反向路由;b圖表示的是由節(jié)點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)D前向路由的建立過程,當(dāng)節(jié)點(diǎn)D收到節(jié)點(diǎn)S的路由請(qǐng)求包后,他要給節(jié)點(diǎn)S回送一個(gè)路由應(yīng)答包,順著剛才建立的反向路由,應(yīng)答包最終被節(jié)點(diǎn)S成功接收,在此過程中節(jié)點(diǎn)S又建立了到節(jié)點(diǎn)D的前向路由。

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圖2 MSAODV路由建立過程
3 MSAODV路由中的路由表與協(xié)議幀的格式
3.1 MSAODV路由協(xié)議路由表
網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有這樣的一個(gè)路由表,該表保存了對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的路由信息,由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同,因而他們的路由表項(xiàng)也不相同,例如在圖2(b)中,a節(jié)點(diǎn)的路由表有兩項(xiàng),c節(jié)點(diǎn)的路由表也有兩項(xiàng),如表1所示。
表1 相關(guān)路由表

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由于MSAODV路由協(xié)議是AODV路由協(xié)議的改進(jìn)演化,所以與AODV路由協(xié)議幀類似,MSAODV路由協(xié)議也包括RR衛(wèi)Q協(xié)議幀和RREP協(xié)議幀,但不包含RERR協(xié)議幀。不包含RERR協(xié)議幀會(huì)導(dǎo)致MSAODV協(xié)議在路由維護(hù)和錯(cuò)誤處理上功能欠缺,但可以通過其他方法來彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。
1 RREQ協(xié)議幀格式

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2 RREP協(xié)議幀格式

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4 MSAODV路由協(xié)議的操作
    由于MSAODV路由協(xié)議是對(duì)AODV協(xié)議的改進(jìn)演化,所以MSAODV路由協(xié)議的操作與AODV路由協(xié)議的操作大同小異,為了清晰起見,對(duì)MSAODV協(xié)議的操作做一詳細(xì)的介紹還是有必要的。
4.1產(chǎn)生路由請(qǐng)求
無線網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要和網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí),他首先會(huì)查找自己的路由表,以確定是否有通往該目的節(jié)點(diǎn)的有效路由,如果有的話,從對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)中取出下一跳節(jié)點(diǎn)地址,然后構(gòu)造數(shù)據(jù)包并把該數(shù)據(jù)包發(fā)往下一節(jié)點(diǎn),如果不存在通往目的節(jié)點(diǎn)的路由,那么該節(jié)點(diǎn)就要發(fā)起一次路由請(qǐng)求。
4.2處理和轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求
處理和轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求是針對(duì)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的中間節(jié)點(diǎn)而言。這些中間節(jié)點(diǎn)可能不止一個(gè),在他們收到源節(jié)點(diǎn)廣播的RREQ路由請(qǐng)求幀之后,必需處理和轉(zhuǎn)發(fā)該路由請(qǐng)求幀。
在某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)廣播或者由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ請(qǐng)求幀后,他首先會(huì)判定該RREQ請(qǐng)求幀是否己經(jīng)被成功接收過,判斷的依據(jù)就是源節(jié)點(diǎn)的IP地址和廣播ID號(hào),如果發(fā)現(xiàn)由源節(jié)點(diǎn)和廣播ID唯一標(biāo)志的RREQ請(qǐng)求幀是新的,也就是沒收到過,就會(huì)根據(jù)此RREQ請(qǐng)求幀更新自己路由表中對(duì)應(yīng)的項(xiàng)。很顯然,該路由表項(xiàng)的目的節(jié)點(diǎn)IP字段就是是源節(jié)點(diǎn)IP地址,下一跳IP地址就是發(fā)送此RREQ請(qǐng)求幀的節(jié)點(diǎn)IP地址,有可能是源節(jié)點(diǎn)也有可能是另一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。接下來此中間節(jié)點(diǎn)判斷該RREQ請(qǐng)求幀的目的IP是不是就是自己,如果是就回送一個(gè)RREP回應(yīng)幀,不是就轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ請(qǐng)求幀。
4.3產(chǎn)生路由應(yīng)答
RREQ經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或者是直接到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后,目的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相應(yīng)的處理。
目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ請(qǐng)求包,首先會(huì)判斷是否已經(jīng)收到過此請(qǐng)求包,如果沒有收到過則更新自己相應(yīng)的路由表項(xiàng),目的節(jié)點(diǎn)把該路由表項(xiàng)的目的IP更新為源節(jié)點(diǎn)的IP地址,下一跳IP為發(fā)給他RR衛(wèi)Q請(qǐng)求幀的節(jié)點(diǎn)IP,目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)填上源節(jié)點(diǎn)的序列號(hào),該序列號(hào)在RREQ請(qǐng)求幀里,跳數(shù)直接從RREQ請(qǐng)求幀里拷貝。在確認(rèn)請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)就是自己后,目的節(jié)點(diǎn)要給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RREP應(yīng)答幀,接下來目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)RREP應(yīng)答幀并正確初始化該幀。類型字段為2,表示該幀是RREP應(yīng)答幀。跳數(shù)字段為0,因?yàn)槭悄康墓?jié)點(diǎn)發(fā)起的RREP應(yīng)答幀。目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)RREP應(yīng)答包之前,必需更新自己的序列號(hào),更新值為當(dāng)前序列號(hào)與RREQ請(qǐng)求包中的目的序列號(hào)兩者中的最大值,目的序列號(hào)字段被初始化為這個(gè)最大值。源IP地址指的是發(fā)起RREQ請(qǐng)求幀的源節(jié)點(diǎn)的IP地址,而不是指目的節(jié)點(diǎn)的IP地址,同樣的,目的IP地址就是目的節(jié)點(diǎn)的IP地址,也就是發(fā)起RREP應(yīng)答幀的節(jié)點(diǎn)IP地址。
在目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造好RREP回應(yīng)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(jié)點(diǎn)IP地址是發(fā)給他RREQ請(qǐng)求幀的節(jié)點(diǎn)地址,可能是某個(gè)中間節(jié)點(diǎn),也可能是源節(jié)點(diǎn)。一切準(zhǔn)備就緒,目的節(jié)點(diǎn)按照退避算法發(fā)送該幀。
4.4接收和轉(zhuǎn)發(fā)路由應(yīng)答
由于無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),盡管目的節(jié)點(diǎn)是以單播的形式向源節(jié)點(diǎn)回送RREP回應(yīng)幀,但是網(wǎng)絡(luò)中的很多節(jié)點(diǎn)也能接收到該幀,當(dāng)然,這些節(jié)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單的丟棄該幀,只有反向路由上的節(jié)點(diǎn)才會(huì)接收該RREP回應(yīng)幀。反向路由上的節(jié)點(diǎn)會(huì)沿著反向路由順利的把RREP回應(yīng)幀傳給源節(jié)點(diǎn),同時(shí)他們也根據(jù)此RREP回應(yīng)幀建立了前向路由。該節(jié)點(diǎn)下面要完成的工作就是把該RREP回應(yīng)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。他要知道下一跳節(jié)點(diǎn)的IP地址,以RREP回應(yīng)幀中的源節(jié)點(diǎn)IP地址為關(guān)鍵字查找路由表,得到下一跳節(jié)點(diǎn)的IP,這個(gè)表項(xiàng)是在建立反向路由時(shí)建立或更新的。該中間節(jié)點(diǎn)在完成上面的步驟后,以退避算法轉(zhuǎn)發(fā)該RREP回應(yīng)幀。與RREQ請(qǐng)求幀的轉(zhuǎn)發(fā)不同,R.REP回應(yīng)幀的轉(zhuǎn)發(fā)是單播的,他不會(huì)像R.REQ請(qǐng)求幀那樣可能被轉(zhuǎn)發(fā)多次,所以R.REP回應(yīng)幀的字段里不存在廣播ID。
4.5新節(jié)點(diǎn)加入
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在開機(jī)或重啟之后,會(huì)向網(wǎng)絡(luò)廣播一個(gè)RESET消息,網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)收到此RESET消息后會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該幀,最后主節(jié)點(diǎn)收到該幀。新節(jié)點(diǎn)在RESET消息幀里攜帶自己的IP地址,這樣當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到該幀后就可以知道是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)重啟。
收到RESET消息幀的其他節(jié)點(diǎn)首先查找自己的路由表看是否有主節(jié)點(diǎn)的IP地址,如果有就以單播的形式發(fā)送該幀,反之則繼續(xù)廣播此RESET消息幀。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要保存上一次他收到的RESET消息幀中的源節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)該幀,在經(jīng)過一段時(shí)間后,將保存值清零,這樣就避免了重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)同一個(gè)RESET消息幀,又避免了不再轉(zhuǎn)發(fā)下次的RESET消息幀。
4.6其他操作
除了前文描述的產(chǎn)生路由請(qǐng)求、處理和轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求、產(chǎn)生路由應(yīng)答、接收和轉(zhuǎn)發(fā)路由應(yīng)答、新節(jié)點(diǎn)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(chuàng)新點(diǎn)
AODV路由算法應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一定的局限性,不能很好得適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)移動(dòng)無線網(wǎng)著重點(diǎn)不同為依據(jù),本文提出了適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法MSAODV,并詳細(xì)敘述分析了MSAODV路由算法。