[发明专利]基于路由验证和RREP捕获的大规模传感器网络路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)中路由协议，具体来讲，为了提高网络的生存周期，必须在保持其他指标性能无损失的前提下，设计一种路由协议减少网络的控制开销，进而降低总的能量消耗。

背景技术

WSN是一种特殊的ad hoc网络，广泛应用于入侵检测、灾难辅助抢救、数据收集等方面。WSN的显著特点是其网内节点可利用的资源受限，而直接影响其网络生存时间的一个因素是节点的能量有限，所以在减少能量消耗提高网络生存时间方面，设计一种有效的路由协议成为研究的热点，适用于ad hoc网络的路由协议分类如表1所示。

表1  AdHoc网络路由协议分类

总体来说有平面式路由、分层路由、地理位置辅助路由三类。平面式路由又根据协议获取路由和维护路由的方式分为Proactive和Reactive即表驱动路由和按需路由。

分层路适用于分层网络，即网络按照某种算法分成若干个簇，每个簇选举一个簇头节点，用于转发到另一个簇内的数据，但是簇头节点容易形成瓶颈，因为WSN中节点的能量较少，若簇内数据都转向簇头节点，容易造成簇头节点的能量耗尽，簇头节点的重新选举又会耗尽更多的系统资源。

地理位置辅助路由适用于可以获得节点的地理位置信息的网络，通过地理位置信息可以有效地降低路由算法中路由建立和维护的开销，但对于功能简单的传感器节点来说获取其他节点的地理位置信息，需要付出比较高的代价，所以地理位置辅助路由也不适合本发明中的传感器网络。

平面式网络中的节点都处于同一个层次上，即节点有大致相同的可用资源，这比较符合WSN中的场景描述，但其中的表驱动路由算法是通过周期性地广播路由信息，使网内节点都可以获得到达其他所有节点的路由，这样便产生大量的控制开销。相反按需路由是在节点有路由需求的时候才启动路由建立，虽然在得到路由之前经历一个比较大的时延，但可以大大减少控制开销。

研究发现按需路由协议中的Ad hoc On-demand Distance Vector(AODV，Ad hoc按需距离矢量)协议是一种比较简单有效的协议，相比表驱动式协议来说减少了频繁交换路由信息的事件数量，于是可以有效地减少节点能量的消耗。

AODV协议的工作流程可以分为路由建立和路由维护阶段。路由建立阶段是通过源节点发送路由请求分组即Route Request(RREQ)分组，目的节点或者中间节点回复路由响应分组即Route Reply(RREP)分组实现的，路由建立过程如图1所示。中间节点回复RREP的情形如图2所示，节点B回复RREP的条件是它有到达目的节点D的合法路由，并且其相应序列号与RREQ中包含的序列号相比更大或者至少相等。

而在路由维护阶段AODV协议采用的是HELLO机制，即节点间歇地发送HELLO分组使邻节点更新到本节点路由，同时本节点也会周期性地检测最近是否收到过某个节点的分组，若无，则判断为该节点不可达，于是产生一个路由出错分组(Route Error)，并转发给上游节点。发送HELLO分组示意图如图3所示。

在路由维护方面AODV协议还推荐了另外一种方法：链路层反馈机制，即AODV withLink Layer Feedback(AODV-LLF)。如果链路层协议支持信息反馈如IEEE 802.11，接收端收到数据后会回复Acknowledgment(ACK)分组，接收端在收到Request To Send(RTS)分组时也会回复一个ClearTo Send(CTS)分组，发送端可以利用这些信息判断接收端是否可达，从而起到了与HELLO机制相同的作用，而且该机制无需产生额外的控制开销，时延也比较小，比HELLO机制更加有效。

基于AODV的改进型协议AODVJr相比更简单，在该协议中只有目的节点才能回复RREP，并对同样的RREQ只回复一次，即路由建立选择的是最快的路由。AODVJr协议删除了HELLO机制，使得路由维护放在端到端进行，即目的节点会周期性地向源节点发送连接分组，以维护路由的连通性。如果端节点在一段时间内没有收到对方端节点任何分组，便认为路由发生了断路，同时置该路由为非法。