第五章-路由协议

1.        WSN路由协议的特点和要求：

特点：能量优先；基于局部拓扑信息；以数据为中心；应用相关。 

要求：能量高效；可扩展性；鲁棒性；快速收敛性

2.        路由协议分类：

按源节点获取路径策略划分（主动路由协议，按需路由协议，混合路由协议）。

按通信的逻辑结构划分（平面路由协议，层次路由协议）。

按路由的发现过程划分（基于地理位置路由协议、基于查询的路由协议）。 

3.        能量路由：

能量路由是最早提出的传感网路由协议之一，它根据节点的可用能量（PA）或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径。节点可用能量就是节点当前的剩余能量。

能量路由策略：最大PA路由，最小能量消耗路由，最小跳路路由，最大最小PA节点路由。 （PA，power available）

4.         能量多路径路由协议包括：路径建立，数据传播，路由维护三个过程   

5.        能量多路径路由的主要过程：

发起路径建立过程，判断是否转发路径建立消息，计算能量代价，节点加入路径条件，节点选择概率计算，代价平均值计算。 

6.        平面路由协议：洪泛路由协议（flooding）、闲聊路由协议（gossiping）、SPIN法。

7.        洪泛路由协议的定义：

洪泛路由协议是一种最早的路由协议，接收到消息的节点以广播的形式转发报文给所有的邻居节点。 

8.        洪泛法的优点和缺点：

优点是不用维护网络拓扑结构和路由计算，实现简单，适用于健壮性要求高的场合。       

缺点是存在信息内爆，重叠（重叠现象）以及资源盲点、资源消耗大等问题。 

9.        闲聊路由算法的定义：

是洪泛法的改进版本，为减少资源的无谓消耗，引入随机发送数据的方法。

10.    SPIN（sensor protocolfor information via negotiation）协议定义：

SPIN，基于信息协商机制的传感网协议是一种以数据为中心的自适应路由协议，是洪范路由协议的改进。考虑了WSN中数据冗余问题 

11.     SPIN协议基本概念（工作原理）：

元数据是原始感知数据的一个映射，用来描述原始感知数据。 

SPIN协议采用三次握手协议来实现数据的交互，协议运行过程中使用三种报文数据，分别为ADV,REQ和DATA。

SPIN协议有两种工作模式：SPIN1和SPIN2。  

SPIN协议特点：SPIN协议下，节点不需要维护邻居节点的信息，一定程度上能适应节点移动移动的情况。在能耗方面，比传统模式减少一半以上。不适用于高密度节点分布的情况。由于SPIN协议通过节点之间的协商，解决了flooding协议的内爆和重叠现象。SPIN协议不需要了解网络拓扑结构，适合在节点可以移动的WSN中使用。

SPIN协议通过使用协商机制和能量自适机制，节省了能量，解决了内爆的问题。SPIN协议引入了元数据的概念，通过这种数据压缩方法来减少数据的传输量。

12.      层次路由协议：LEACH协议，PEGASIS协议，TEEN协议。 

13.     LEACH协议（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy低功耗自适应聚类分级）：

低功耗自适应聚类分级（LEACH）协议采用层次路由算法，定义了轮的概念，每一轮有初始状态和稳定运行状态两种模式。 （轮流担任簇头，适用于单跳的小型网络）。

14.     LEACH节约能量的主要原因：

它运用了数据压缩技术和分簇动态路由技术，通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性，通过数据融合来减少发送的数据量，通过把节点随机的设置成“簇头节点”来达到在网络内部负载均衡的目的，防止簇头节点的过快死亡。 

15.     分簇式路由协议的执行过程是以轮为单位的，每轮循环的基本过程是：    

簇的建立阶段，数据传输阶段，重新成簇。 

16.     LEACH协议的工作分为两个阶段：

簇的建立阶段：负责簇的形式和簇头的选举                                

 稳定阶段：负责收集数据和给簇头传输数据  

17.     LEACH协议的特点（优点）：

利用了将区域划分成簇，簇内本地化协调和控制的形式有效的进行了数据收集；独特的选簇算法（随机轮换）；首次运用了数据融合的方式。 

18.     LEACH协议的缺点：

由于簇头节点负责接受簇内成员节点发送的数据，进行数据融合，然后将数据传送到基站，簇头消耗能量比较大，是网络中的瓶颈。    

 LEACH协议中簇头选举是随机循环选举。 簇头选举没有根据节点的剩余能量以及位置等因素，会导致有的簇过早死亡。     

LEACH协议要求节点之间以及汇聚节点之间均可以直接通信，网络的扩展性不强。 

试题：名词解释LEACH

LEACH是Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy的缩写。是最早的一种分层路由算法，主要考虑簇内节点能耗，簇头作为一定区域所有节点的代理，负责和Sink的通信。非簇头节点可以使用小功率和簇头节点通信；簇头节点可以对所辖区域节点数据进行融合，减少网络中传输的数据；簇头选举算法的设计成为本协议的重要问题，要求保证公平性。和网络生存周期最大。

19.     PEGASIS协议（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）：

高能效采集传感器信息系统， 借鉴了LEACH的分簇算法思想

20.     TEEN（Threshold-sensitive Energy-Efficient Sensor Network）协议：

阈值敏感的高效传感器网络协议 ，采用类似LEACH的分簇算法。

通常将传感器网络分为主动型（preactive）和响应型（reactive），主动型网络不断采集被检测对象的相关信息，并以特定时间间隔向汇聚节点发送这些信息；响应型网络主要用来监测某个特定事件的发生，传感器节点只有在节点检测到相关事件时才会向汇聚节点发送信息。

21.     基于查询的路由协议：定向扩散、谣传路由机制

22.     定向扩散路由：

定向扩散（DD，directed diffusion）路由协议是一种基于查询的路由方法。 

23.     定向扩散路由机制包括四个阶段：

周期性的兴趣扩散，梯度建立，数据传播与路径加强。

试题：简述DD路由协议的工作过程    

答：DD路由协议分为三个阶段：兴趣扩散（采用泛洪）；梯度建立（反向建立）；强化路径（Sink节点会收到多条路径，选最优路径，进行加强，以后的数据按照加强路径传送）（7分）

（1）.兴趣扩散阶段：Sink节点查询兴趣消息：兴趣消息采用泛洪的方法传播到网络；有和兴趣匹配数据的节点发送数据；兴趣扩散阶段建立节点到Sink的路径（1分）

（2）.数据传播阶段：当传感器节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率设定传感器模块采集数据的速率。（1分）

（3）.路径加强阶段：定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化修改数据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段是为了建立源节点到汇聚节点的数据传输路径，数据源节点以较低的速率采集和发送数据，称这个阶段建立的梯度为探测梯度（probegradient）。汇聚节点在收到从源节点发来的数据后，启动建立到源节点的加强路径，后续数据将沿着加强路径以较高的数据速率进行传输。加强后的梯度称为数据梯度（datagradient）。（1分）

24.     谣传路由机制

用于数据传输量较少的无线传感网。引入了查询消息的单播随机转发，克服了使用洪范方式带来的开销过大的问题。

基本思想：事件区域中的传感器节点产生代理消息沿随机路径向外扩散传播，同时汇聚节点发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播。

25.     定向扩散路由和谣传路由有何区别？ 

定向扩散路由协议（Directed Diffusion）简称DD路由协议，是一种典型BL1117C-33C 的以数据为中心，基于查询的路由机制。汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣(Interest)请求消息，并通过洪泛的方式将兴趣请求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。兴趣请求消息用来表示查询内容，反应终端用户希望获得全网不同类型的数据服务，例如，监测区域中环境的温度、湿度、光照度以及流媒体应用等。在进行兴趣消息洪泛发送过程的同时，每个节点根据缓存中的兴趣列表，沿着兴趣消息发送方向的反向建立数据传输梯度( Gradient)，当兴趣消息到达源节点后，源节点则将数据沿着之前建立好的传输梯度进行正向传输，直到汇聚节点。     定向扩散路由协议为了能够适应网络拓扑的动态变化，采用周期性地对网络进行路由维护与更新，其主要分为3个阶段：兴趣消息扩散、数据传输梯度建立、路径加强    

谣传路由（Rumor）协议.如果sink点的一次查询只需一次上报,Directed Diffusion协议开销就太大了,Rumor协议正是为解决此问题而设计的.该协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想.当节点监测到事件后将其保存,并创建称为Agent的生命周期较长的包括事件和源节点信息的数据包,将其按一条或多条随机路径在网络中转发.收到Agent的节点根据事件和源节点信息建立反向路径,并将Agent再次随机发送到相邻节点,并可在再次发送前在Agent中增加其已知的事件信息.sink点的查询请求也沿着一条随机路径转发,当两路径交叉时则路由建立;如不交叉,sink点可flooding查询请求.在多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况下,Rumor协议较为有效.但如果事件非常多,维护事件表和收发Agent带来的开销会很大。

26.     地理位置路由优缺点：

优点：利用位置信息       缺点：路由空洞，死胡同 

27.     基于地理位置的路由协议名词解释

GEAR路由协议（geographicaland energy aware routing）

贪婪算法：

路由空洞：（routing void）

GAF算法：（geographicadaptivefidility，地狱自适应保真），该算法的执行过程包括两个阶段（虚拟网络的划分、虚拟网络中簇头节点的选择），节点状态：发现，活动，睡眠。

GPSR路由协议：（greedy perimeterstateless routing，无状态的贪婪周边路由）

GEM路由协议：（graph embedding）

28.     传感网路由协议分为四类：

能量感知路由协议，平面路由协议，层次路由协议，基于查询的路由协议以及地理位置路由协议。  

29.      什么是贪婪（贪心）算法？ 

贪心算法（又称贪婪算法）是指，在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解，但对范围相当广泛的许多问题他能产生整体最优解或者是整体最优解的近似解。 贪婪算法（Greedy algorithm）是一种对某些求最优解问题的更简单、更迅速的设计技术。用贪婪法设计算法的特点是一步一步地进行，常以当前情况为基础根据某个优化测度作最优选择，而不考虑各种可能的整体情况，它省去了为找最优解要穷尽所有可能而必须耗费的大量时间，它采用自顶向下，以迭代的方法做出相继的贪心选择，每做一次贪心选择就将所求问题简化为一个规模更小的子问题，通过每一步贪心选择，可得到问题的一个最优解，虽然每一步上都要保证能获得局部最优解，但由此产生的全局解有时不一定是最优的，所以贪婪法不要回溯。   

 贪婪算法是一种改进了的分级处理方法。其核心是根据题意选取一种量度标准。然后将这多个输入排成这种量度标准所要求的顺序，按这种顺序一次输入一个量。如果这个输入和当前已构成在这种量度意义下的部分最佳解加在一起不能产生一个可行解，则不把此输入加到这部分解中。这种能够得到某种量度意义下最优解的分级处理方法称为贪婪算法。  

对于一个给定的问题，往往可能有好几种量度标准。初看起来，这些量度标准似乎都是可取的，但实际上，用其中的大多数量度标准作贪婪处理所得到该量度意义下的最优解并不是问题的最优解，而是次优解。因此，选择能产生问题最优解的最优量度标准是使用贪婪算法的核心。 

30.     GPSR协议数据转发模式有哪些？区别是什么？ 

传送模式：贪婪转发模式和周边转发模式。

贪婪转发模式：若节点是距离目的节点最近的一个中转节点，则源节点将分组转发至节点"，如果某个邻节点与网关接点的距离小于自身到网关的距离，则保持当前模式，同时转发给选定的邻节点，如果满足不了上述要求，则将数据分组中的模式判断标志位设置为就改变数据模式为周边转发模式 。

周边转发模式：该模式使用简单的平坦图遍历算法)其执行的过程如图,所示)实际上，当一个数据分组在节点(处进入周边转发模式时，"#$%$&会在平坦图&/"上逐步靠近目的节点%的面上按照右手法则将该数据分组转发到该面的第一条边上，节点(同时也确定了用于转发该数据分组的第一个面，这样的面被节点(到节点%的连线(%所分割!当一个数据分组进入到周边转发模式时，"#$%$&会记录下模式切换点$)的位置信息，并将它保留在数据分组中!保存$)位置信息的目的是为了在后面的转发过程中判断数据分组是否可恢复为贪婪转发模式!一旦某一节点收到了周边转发模式的数据分组，"#$%$&首先会对保存在数据分组中的位置信息$)和该节点的位置信息进行比较，如果该转发节点到目的节点%的欧氏距离比$)到目的节点%的欧氏距离小，则"#$%$&标志该数据分组为贪婪转发模式，重新进入模式-的转发执行过程)在周边转发模式中，如果所要遍历的面的下一条边在数据分组中已经有了记录，表明此时数据分组进入到了路由环路中，丢弃该数据分组 。

31.     基于QoS的路由协议名词解释

SPEED协议：由延迟估计机制、SNGF算法、邻居反馈策略、反向压力路由变更机制

SAR协议：（sequential assignmentrouting，有序分配路由）

ReInForM协议：（Reliable InformationForwarding using Multiple paths）

32.      什么路由空洞？如何产生的？怎样解决？ 

使用贪婪转发策略会出现所谓路由空洞缺欠。 

 

如图1所示S为源节点D为目的节点I、J是以T为圆心T的感应半径为半径的圆和以D为圆心TD为半径的圆的两个交点在这里我们称两个圆的交点为路由空洞的顶点。按照贪婪算法思想从S选择离D最近的邻居A为下一跳同理A选择T为下一跳。但是T的所有邻居都比自己到D的距离远也就是说产生了路由空洞如图1中阴影所示。要解决空洞现象，可以使用周边转发机制。