无线传感网学习笔记（7）—— 路由和洪泛

一、WSN路由概述

1、路由（Routing）：从源节点到接收节点，跨越一个或多个传感器或中间处理设备而建立路径的过程。（网络层的关键职责）

2、路由的共同目标：沿最佳路径传递分组数据包，选择的基准如下：
 ① 根据链路状态（Link State）
 ② 根据距离矢量（Distance Vector）

3、通信模型：
 ① 直接通信模型：每个传感器都直接（单跳）与汇聚节点或基站通信。
 ② 多跳通信模型：传感器之间协作传输数据到汇聚节点或基站。

4、路由协议（Routing Protocol）：负责找寻并维护从源传感器节点到汇聚节点的路径，需要有能力适应网络的变化。

5、路由协议分类：

 ① 按网络组织结构划分：

• 基于平面的路由：所有节点都是平等的（平坦化控制）。
• 基于分层的路由：不同的节点角色不同，如簇头、簇成员。
• 基于位置的路由：节点的行为或角色依赖于位置信息。

 ② 按路由发现划分：

• 反应式路由：按需发现路径，例如自组网按需的距离矢量路由AODV（Ad hoc On-demand Distant Vector）
• 先应式路由：预先建立路径，例如目的节点序列的距离矢量路由DSDV（Destination-Sequenced Distance Vector）
• 混合式路由：综合了反应式和先应式路由的特征，例如ZRP路由、SHARP路由。

 ③ 按协议操作划分：

• 基于协商的路由：在数据传输之前，通过协商来传递必要的数据（控制信息）。
• 基于多路径的路由：同时维护多条路径。
• 基于查询的路由：接收端初始化路由。
• 基于服务质量的路由：满足特定服务质量QoS约束的路由。（QoS：Quality-of-Service）
• 基于相干式的路由：执行少量网内数据处理的路由。（路径中的节点进行数据融合）
  
  

二、重点的路由协议类别

1、先应式路由：预先建立路径
 ① 路由的维持信息是独立于通信需求的。
 ② 路由的更新信息周期性地发送至整个网络；当网络拓扑发生变化时，也会发送至整个网络。
 ③ 低延时，适用于实时流量，但是周期性更新路由信息会浪费宽带。

2、反应式路由：按需建立路径
 ① 无事件或活动发生时，可节省能量和宽带，适用于轻量级负载场景。
 ② 在高强度活动期间，可能出现拥塞问题。
 ③ 路由发现过程可能会带来较大的时延。（路由无法收敛）

3、基于分层式路由：节点以簇的形式组织
 ① 簇头控制簇成员，簇间可以进行通信。
 ② 分层级别可以分为一层或多层。

4、基于位置式路由：节点的行为或角色依赖于位置信息
 ① 地理位置信息需要在网络内传播。
 ② 在复杂的应用场景下，性能较高，但同时开销也较高。

三、路由协议性能度量指标

1、最小跳数（Minimum hop）
2、能量（Energy）：
 ① 每个数据包最小能量消耗
 ② 最长网络分区时间
 ③ 节点功率最小方差
 ④ 最大平均能量容量
3、服务质量（QoS）：
 ① 时延（delay）
 ② 吞吐量（throughput）
 ③ 丢包（packet loss）
 ④ 差错率（error rate）
4、鲁棒性（Robustness）：
 ① 链路质量
 ② 链路稳定性
（补充：goodput表示有效吞吐量）

四、洪泛（Flooding）

1、概念：一种简单的全网信息传播方法。

2、特点：简单、可靠、信息会传播至整个网络。

3、操作过程：
 ① 每个传感器节点都将自身或收到的传感数据包广播至它所有的邻居节点。
 ② 设置数据包的最大传播跳数限制广播传递的次数。
 ③ 设置数据包序号，唯一标识数据包，减少重复广播。

4、存在的问题：
 ① 内爆（Implosion）：一个收到数据包的节点会将该数据包广播到它所有的邻居节点，而不管这些节点是否已经从其他节点接收过该数据包的信息。
 ② 重叠（Overlap）：多个传感器的覆盖区域有重叠，导致相同信息被多次采集并传播，产生冗余（redundant information）。
 ③ 资源盲区（Resource blindness）：洪泛无法识别各节点的资源限制。

五、SPIN路由协议

1、概念：一种基于协商、以数据为中心和时间驱动的洪泛协议。（为了解决洪泛产生的问题）

2、采取的方法：

① 协商（Negotiation）

• 为解决内爆和资源重叠问题，SPIN协议中的节点在发送数据前会进行协商。
• 使用元数据描述传感数据。（元数据比传感数据更短，对于相同的传感数据，元数据必须相同，即元数据具有唯一性）

② 资源自适应（Resource Adaption）

• 为解决资源盲区问题，每个节点又拥有一个资源管理器，用于跟踪节点的能量资源消耗，使其可以根据资源可用性来调整路由和通信行为。

3、基本思想：
 ① 交换传感数据代价较高，但交换传感数据的描述信息（元数据）代价较低。
 ②节点必须监控自身的能量资源并随之改变策略。

4、消息传递的过程：
 ① 消息类型

• ADV：数据广播信息，内含元数据。
• REQ：数据请示消息，当节点想要接收数据时发送REQ。
• DATA：传感数据消息，内含实际的传感数据。

 ② 传递过程图示：

Step1：节点A先把数据广播消息（ADV）传送给邻居节点（B、C、D）。
Step2：无内含数据且有足够能量的邻居节点（B、D）在接收到ADV消息之后，会响应并返回数据请示消息（REQ）给节点A。
Step3：当节点A接收到REQ消息后，把传感数据信息（DATA）发送给相应的节点。