WSN路由协议主要分为以下四类:以数据为中心、分层次、基于位置和基于数据流模型。
以数据为中心的路由协议,如Flooding协议和Gossiping协议,通过广播和随机转发数据来传递信息。这类协议的缺点在于数据内爆、交叠和资源利用盲目。为了解决这个问题,科研人员提出了SPIN协议。SPIN协议利用数据描述ADV、数据请求REQ和数据DATA三种消息进行通信,从而避免数据内爆、交叠和资源利用盲目的问题。但是,SPIN协议的数据传输可靠性较低,且在特定场景下可能无法有效地传递数据。
定向扩散(DD)协议通过sink节点在整个网络或部分区域内flooding包含查询任务的Interest消息来建立路由。该协议的优点是采用多路径,健壮性好;使用数据聚合减少了数据通信量;sink点根据实际情况采取增强或减弱方式有效利用能量。然而,DD协议不适合环境监测等应用,且建立梯度开销很大,不适合多sink点网络。
Rumor协议则通过查询消息的单播随机转发来建立路由。该协议的优点是适用于多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况。但是,Rumor协议的数据传输路径不是最优,且在事件非常多的情况下,维护事件表和收发Agent带来的开销会很大。
分层次路由协议,如LEACH协议,将网络划分为多个簇,每个簇有一个簇头节点负责数据收集和转发。这类协议的优点是节能,且可以有效地降低数据传输延迟。但是,分层次路由协议在簇头选举过程中可能存在不平等现象,导致网络性能下降。
基于位置的路由协议,如GPSR协议,利用节点的地理位置信息来选择最优的路径。这类协议的优点是路径选择灵活,且可以实现较低的数据传输延迟。然而,基于位置的路由协议在节点分布不均匀的情况下可能无法有效地传递数据。
基于数据流模型的路由协议,如SPEED协议,将数据流划分为多个部分,并按照一定的策略进行传输。这类协议的优点是可以有效地降低数据传输延迟,且具有较高的数据传输可靠性。但是,基于数据流模型的路由协议在数据流动态变化的情况下可能无法有效地调整传输策略。
总的来说,WSN路由协议的选择需要根据具体的应用场景和需求来确定。在实际应用中,科研人员可以结合多种路由协议的优点,设计出更具适应性和高效性的路由协议。未来,随着WSN技术的不断发展,我们将看到更多创新的路由协议涌现,为无线传感网络的发展提供强大的支持。
目前国内外科研人员已设计了多种面向WSN的路由协议,将其分为四类:以数据为中心的、分层次的、基于位置的、基于数据流模型和服务质量(QoS)要求的。
(1)以数据为中心的路由协议
此类路由协议是基于查询和目标数据命名之上的,通过数据融合减少冗余的数据传输。
①Flooding协议和Gossiping协议:这是两个最经典和简单的传统网络路由协议,在Flooding协议中,节点产生或收到数据后向所有邻节点广播,数据包直到过期或到达目的地才停止传播。该协议具有严重缺陷:内爆(implosiON),节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据;交叠(overlap),节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据;资源利用盲目(resource blindness),节点不考虑自身资源限制,在任何情况下都转发数据。Gossiping协议是对Flooding协议的改进,节点将产生或收到的数据随机转发,避免了内爆,但增加了时延。这两个协议不需要维护路由信息,也不需要任何算法,简单但扩展性很差。
②SPIN协议:SPIN(sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation)协议节点利用三种消息进行通信:数据描述ADV、数据请求REQ和数据DATA。该协议以抽象的元数据对数据进行命名,命名方式没有统一标准。节点产生或收到数据后,用包含元数据的ADV消息向邻节点通告,需要数据的邻节点用REQ消息提出请求,然后将DATA消息发送到请求节点。该协议的优点是ADV消息减轻了内爆问题;通过数据命名解决了交叠问题;节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告,避免了资源利用盲目问题;与Flooding协议和Gossiping协议
相比,有效地节约了能量。其缺陷是:SPIN的广播机制不能保证数据的可靠传送,当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时,将导致数据不能继续转发,以致较远节点无法得到数据;而当某sink点对任何数据都需要时,其周围节点的能量容易耗尽。图1表示了SPIN协议的路由建立与数据传输。
图1 SPIN协议的路曲建立与数据传输
③定向扩散(directed diffusion,DD)协议:DD协议用一组属性值命名它生成的数据。为建立路由,sink节点在整个网络或部分区域内flooding包含查询任务的Interest消息;沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并,并根据Interest计算、创建包含数据上报率、下一跳等信息的梯度(gradient),从而建立多条指向sink点的路径。Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务,并周期性地上报数据,途中各节点可对数据进行缓存与聚合;sink点可在数据传输过程中通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的Interest,以增强或减弱数据上报率。该协议的优点是:采用多路径,健壮性好;使用数据聚合减少了数据通信量;sink点根据实际情况采取增强或减弱方式有效利用能量;使用查询驱动机制按需建立路由,避免了保存全网信息。其缺点是:不适合环境监测等应用;建立梯度开销很大,不适合多sink点网络;数据聚合采用时间同步技术,带来较大开销和时延。图2表示了Directed Diffusion协议的路由建立过程。
图2 Directed Diffusion协议的路由建立过程
④Rumor协议:Rumor协议引人了查询消息的单播随机转发。当节点监测到事件后将其保存,并创建称为代理(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中增加其已知的事仵信息。同时sink节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。该协议优点是:适用于多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况。其缺点是:如果事件非常多,维护事件表和收发Agent带来的开销会很大;且因Rumor协议使用随机方式生成路径,数据传输路径不是最优,甚至可能存在路由环路问题。图3表示了Rumor协议中Agent路径与查询路径的交叉情形。
图3 谣传路由原理图