無線傳感器網絡路由協議——directeddiffusion路由原理與仿真-資料下載頁

【導讀】無線傳感器網絡的產生和發展。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感。采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。構成了傳感器網絡的三個要素。無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融。合在一起，改變人類與自然界的交互方式。美國商業周刊和MIT技術評論在預測未來技術。傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產業。種典型應用，但它與傳統的AdHoc網絡相比又有許多不同之處。它采用的是數據為中心的。廣播通信體制，屬于多跳的數據傳輸網絡，而多跳的數據傳輸離不開路由協議。線傳感器網絡路由協議劃分為多種類型。本文對各類路由協議中的經典路由算法作了一定。的說明并重點對定向擴散協議作了詳細的分析。它是應用于無線傳感器網絡中的一種新的數據分發模式。等協議的仿真提供了強有力的支持。NS2是一個面向對象的、離散的、事件驅動的網絡仿真。路由協議的認識和了解。

　　

【正文】 se Pull D iffusion )；一階段拉擴散 (One2Phase Pull Diffusion ) 和 一 階 段 推 擴 散 (One2Phase Push Diffusion ) 。 兩階段拉擴散算法中，數據接收者創建一個具有特定屬性的興趣 分組。每一個接收到興趣分組的傳感器節點記錄下發送此興趣分組的相鄰節點標志，并與其建立梯度關系，梯度導引數據流的方向以及流速。中間節點轉發接收到的興趣分組給其鄰居節點。數據源節點最初發送的數據消息定義為探測數據 ( Exp loratory Data)，并且泛洪給所有與之建立梯度的相鄰節點。數據接收者在收到第一個探測數據分組之后，對發送此探測數據的相鄰節點發送正的增益 ( Reinforcement) 消息，以后的數據則都將沿著這條增益的梯度方向被傳送給數據接收者。 一階段推擴散算法中，數據接收者是被動的，本 地記錄了興趣分組的屬性；數據源是主動的，產生的探測數據泛洪到數據接收者。與兩階段拉相似，數據接收者對第一個發送探測數據的節點發送增益消息，則創建了具有增益的梯度，隨后的數據則沿著有增益的梯度傳輸到數據接收者。 一階段拉擴散算法中，數據源接收到興趣分組，按照最先到達為最優路徑的理論，沿著相應梯度方向開始傳輸數據。與兩階段拉算法不同的是：數據源不將第一次發送的數據作為探測數據泛洪。一階段拉不需要增益消息，通過最短延遲路徑隱式地得到增益。圖 描述了這三種算法中數據源和接收者之間的交互過程，它們分別使用在不同的 應用領域中。 丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 18 圖 基本擴散算法中數據源和接收者之間的交互 在興趣擴散階段，匯聚節點周期性地向鄰居節點廣播消息。興趣消息中含有任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數。每個節點在本地保存一個興趣列表，對于每一個興趣，列表中都有一個表項記錄發來該興趣消息的鄰居節點、數據發送速率和時間戳等任務相關信息，以建立該節點向匯聚節點傳遞數據的梯度關系。每個興趣可能對應多個鄰居節點，每個鄰居節點對應一個梯度信息。通過定義不同的梯度相關參數，可以適應不同的應用需求。每個表項還有一個字段用來表示該表項的有 效時間值，超過這個時間后，節點將刪除這個表項。 當節點收到鄰居節點的興趣消息時，首先檢查興趣列表中是否存有參數類型與收到興趣相同的表項，而且對應的發送節點是該鄰居節點。如果有對應的表項，就更新表項的有效時間值；如果只是參數類型相同，但不包含發送該興趣消息的鄰居節點，就在相應表項中添加這個鄰居節點；對于任何其他情況，都需要建立一個新表項來記錄這個新的興趣。如果收到的興趣消息和節點剛剛轉發的興趣消息一樣，為避免消息循環則丟棄該信息。否則，轉發收到的興趣消息。 下面舉例說明興趣怎樣通過傳感器網絡擴散。假定一個任務有指定的類型和坐標，持續時間為 10 分鐘而間隔為 10ms，間隔參數指明了一個事件數據率；這樣，相當于指定的數據率是每秒 100 個事件。匯聚節點記錄任務；當興趣屬性設定的持續時間超出后任務從匯聚節點清除出去。圖 顯示了 DD 協議興趣廣播的過程。 圖 Directed Diffuxion 協議興趣廣播過程 2020屆通信工程專業畢業設計（論文） 19 梯度在 Interest 擴散過程中動態建立，反映路徑與 sink 所請求的數據的匹配程度，梯度越大表示路徑越適合于向 sink 傳輸數據 。 梯度的具體內容可以 根據需要進行選擇， DD 協議討論了 2 種形式的梯度 [ 8]。 （ 1）基于路徑時延的梯度。在 Interest 泛洪過程中 ， 接收到 Interest 的節點依據 Interest到達的先后，確定由自己返回上一跳節點的路徑的梯度值。節點向 sink 傳送數據過程中，依據正比于梯度值的概率，隨機選取下一跳節點，最終到達 sink。 （ 2）基于傳輸數據率的梯度。梯度大的路徑的數據傳輸率高，在 Interest 泛洪階段，所有節點均以低數據率設定梯度 source 收到 Interest 后，首先以低數據率發送試探性數據包，待 sink 接到 該數據包后，根據某種路徑加強標準，提高某些節點的數據率。最終建立全網梯度場，數據逐跳沿梯度最大的鏈路高速傳回 sink。 對于每個當前的任務，匯聚節點定期地廣播興趣消息給它的每個鄰居。這個最初的興趣包括指定的坐標和持續時間屬性，也包括一個間隔屬性。直觀上看，這個最初的興趣可能被認為是探索；它試著確定是否確實有任何傳感器節點在檢測目標。為了做到這一點，最初的興趣指定了一個低數據率。最初的興趣以下列形式出現： 類型 =四足動物 間隔 =1秒 坐標 =[100， 200， 200， 400] 時間信息 =01： 20： 40 終止 時間 =01： 30： 40 在描述興趣怎樣被處理前，我們強調興趣被匯聚節點定期地刷新。具體做法是，匯聚節點以一個單調增加的時間信息屬性簡單重發相同的興趣，因為興趣不會通過網絡可靠地傳輸。 網絡中的每個節點維持一個興趣緩沖。緩沖區的每個表項對應一個不同的興趣。在本文的例子中，如果它們的類型屬性不同、間隔屬性不同或坐標屬性不同都認為是不同的興趣。 興趣緩沖區的興趣表項有幾個字段。時間信息字段只是最后收到匹配興趣的時間信息；梯度字段指向節點的每一個鄰居。每個梯度包括一個被指定鄰居請求的數據率字段，源于興趣的時間間隔屬 性；它也包括一個持續時間字段，源于興趣的時間信息和終止時間屬性，用于只是興趣大致的生命期。 當一個節點收到一個興趣后，它檢查自己的興趣緩沖區，如果沒有匹配的興趣表項，節點會新建一個興趣表項并實例化其興趣參數。這個興趣表項有一個梯度以指定的事件數據率指向收到興趣的鄰居。為此，它必須能區分不同的鄰居，任何局部唯一的鄰居標識都可能用于這個目的。如果存在一個興趣表項，但是沒有指向發送者的梯度，那么節點會在相應的表項中增加一個梯度，同時也適當地 更新 興趣的時間信息和持續字段。如果存在匹配的興趣且該興趣是指向傳來興趣的鄰 居節點，那么該節點會簡單地更新時間信息和持續字段。 丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 20 下面描述梯度的使用狀況。當梯度期滿時，它被從它的興趣表項中撤銷。并非全部的梯度都將同時終止。例如，兩個不同的接收者在不同的終止時間內，發出了獨特的興趣請求，在網絡內的部分節點可能在不同的時間有不同的興趣輸入。當一個興趣表項的所有梯度都終止時，興趣表項本身就會被從緩沖區撤銷。 在收到一興趣之后，一節點可能決定再發送興趣給一些它的相鄰節點。對它的鄰居節點來說，雖然興趣可能來自一個遠方的接收者，但是這興趣看起來起源于這個傳送節點，這是局部相互作用的結果。這樣，興 趣在整個網絡內擴散。不是所有收到的興趣都被轉發，如果一個節點最近發出了一個興趣，那么它可能會丟棄新收到的一個同樣的興趣。 圖 和圖 分別是節點發送和接收興趣的流程圖： 開 始接 收 點 以 低 速 率 發 送 一個 興 趣有 傳 感 器 節 點在 檢 測 目 標以 高 速 率 給 某 些 節 點 發 送 興趣 以 拉 出 真 正 的 數 據為 避 免 丟 失 數 據 ， 隔 一 段 時間 再 次 發 送 相 同 興 趣不 再 發 送 ， 數 據率 降 為 0結 束YN 圖 節點發送興趣時的流程圖 2020屆通信工程專業畢業設計（論文） 21 開 始節 點 收 到 一 個 興 趣興 趣 存 在 于緩 沖 區 中更 新 時 間 信 息不 再 發 送 ， 數 據率 降 為 0YYN存 在 指 向 興 趣發 送 者 的 梯 度結 束發 送 已 收 到 的 興 趣給 所 有 鄰 居 節 點N 圖 節點接收興趣時的流程圖 興趣的數據結構：為了實現興趣的傳播，本文將興趣的數據結構定義如下： typedef struct { string type。 //興趣類型 float interval。 //興趣的時間間隔 int x。 //節點的 X 坐標 int y。 //節點的 Y 坐標 int timestamp。 //興趣的時間信息 int expireAt。 //興趣的終止時間 } interest 興趣緩沖表的變化：為了更進一步理解興趣的傳播過程，本文用圖 來表示興趣緩沖區隨時間的變化情況。 途中的 I1， I2和 I3分別表示不同的興趣。 丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 22 I1I2I1I3I2I2I3節 點 收 到 興 趣 I3興 趣 I1 超 時 或 所 有 梯 度 降 為 0 圖 興趣緩沖區變化圖 圖 只是大致的表示了一下興趣緩沖區的變化情況，為了更進一步說明問題，用圖 和 表示出緩沖區中每個興趣的變化情況。以興趣 I1為例，首先應該明確的是，不同的興趣對應不同的興趣表項，只有兩個興趣有相同的類型、完全重疊的坐標屬性情況下，有時候它們可以簡單地用一個興趣表項來表示。主要分下列兩種種情況： 有興趣表項且有梯度： 時 間 信 息 = 1 : 2 0 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 0 : 0 0E n t r y = 類 型 、 坐 標鄰 節 點 1 梯 度 = 1鄰 節 點 2 梯 度 = 2興 趣 E n t r y時 間 信 息 = 1 : 2 5 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 5 : 0 0E n t r y = 類 型 、 坐 標鄰 節 點 1 梯 度 = 1鄰 節 點 2 梯 度 = 2興 趣 E n t r y收 到 鄰 節 點 1 的 興 趣 圖 有興趣表項和梯度時的興趣表項變化圖 在這種情況下，節點只需要更新興趣表項的時間信息和終止時間即可。 沒有匹配的興趣表項或有興趣表項但不存在梯度的情況： 時 間 信 息 = 1 : 2 0 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 0 : 0 0E n t r y = 尺 寸 、 坐 標鄰 節 點 1 梯 度 = 0鄰 節 點 2 梯 度 = 0興 趣 E n t r y時 間 信 息 = 1 : 2 5 : 0 0終 止 時 間 = 1 : 3 5 : 0 0E n t r y = 類 型鄰 節 點 1 梯 度 = 1鄰 節 點 2 梯 度 = 0興 趣 E n t r y收 到 鄰 節 點 1 的 興 趣 圖 沒有匹配興趣表項或有興趣表項但沒有梯度時興趣表項變化圖 沒有匹配的興趣表項時，節點會新建一個興趣 表項 并加入相應的屬性信息；而有興趣表項但不存在梯度時，節點就在相應的興趣表項添加梯度，并更新時間信息和終止時間。 2020屆通信工程專業畢業設計（論文） 23 梯度的建立 在定向擴散中， 梯度是在興趣發布的過程 中建立起來的。其大體過程是， 網關節點首先向自己的鄰居節點廣播興趣。當一個中間節點從鄰居節點收到興趣之后， 它會建立指向興趣轉發者的梯度，然后這個節點再對興趣執行廣播。 這樣重復進行，興趣報文被廣播到整個網絡。當廣播周期結束之后，整個網絡中也就建立了相應的梯度。 梯度指明了數據率和發送事件的方向，簡單地將，一個梯度指明了數值和方向。圖 為基本梯度生成算法的優先狀態機描述，需要說明的是圖中只標注了算法中節點主要狀態間的轉換。 圖 基本梯度生成算法的有限狀態機描述 首先， sink 節點會生成一個 興趣報文，這個興趣描述了所要查詢的數據的屬性，然后把興趣 “注入” 到網絡當中去。 對于 sink 節點而言， 在興趣廣播出去之后， 它將會等待接收數據。如果 sink 節點收到鄰居的興趣， 而自己正好是這個興趣的源節點， sink 節點將會丟棄這個興趣報文。 中間節點對于興趣報文的處理是這個算法的關鍵之處。當中間節點第一次收到這個興趣報文的時候， 它把這個興趣報文放置到興趣緩沖區當中， 建立指向興趣轉發者的梯度，進行一個服從某個均勻分布的很小的隨機延時，延時結束后再把興趣報文廣播到自己的鄰居。在這段隨機延時的 過程中，如果節點又一次從其它的鄰居收到了這個興趣，那么節點還會建立梯指向轉發者的梯度。而當延時完畢興趣已經轉發之后，又一次收到這個興趣報文的時候，這個興趣報文會被丟棄，節點不會進行梯度的建立。 這樣可以保證對于同一種興趣，鄰居節點之間不會有直接的環路存在，因為鄰居節點只有一個梯度，而且這個梯度的方向是從興趣轉發時間晚的節點指向興趣轉發時間早的節點。 這樣興趣報文就會在整個網絡當中進行廣播， 到達廣播域中的每一個節點。需要強調一點， 在一次興趣傳播過程當中， 對于同一個興趣報文，每個傳感器節點只是轉發一次。 源節點在產生數據之后， 如果發現興趣緩沖區中有相應的興趣，它會沿著與這個興趣相對應的梯度所建立的路徑來傳輸數據。如果有多個梯度與這個興趣相對應，節點可以隨機丁仿敏：無線傳感器網絡路由協議 —— Directed