第3章网络层ppt课件.pptx

3.1路由协议的作用无线传感器网络路由协议是无线传感器网络的关键技术之一，对于整个网络的运行性能起着非常重要的作用。路由协议的作用是寻找一条或者多条从源节点到目的节点并且满足一定条件的路径，沿着所寻找的路径进行转发数据分组，它主要包括两个功能：一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是沿着优化路径转发数据分组。3.1路由协议的作用Ad Hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效的利用网络带宽。这些网络的路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信堵塞并均衡网络流量等。3.1路由协议的作用在无线传感器网络中，第一，结点的能量是有限的并且一般情况下没有能量的补充，因而在路由协议的设计中，需要考虑如何高效的利用能量；第二，传感器网络节点的数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径；第三，在传感器网络中，没有基站的支撑，由于节点失效、新节点的加入，导致网络拓扑结构的动态变化，使得网络路由协议必须能够支持自组织的动态网络。第四，传感器网络具有很强的应用相关性，不同路由协议反映的特点各有不同，没有一个通用的路由协议。第五，传感器网络的路由机制经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量来节省能量。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下的特征：1.能量优先传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。由于无线传感器网络中节点的能量有限，传感器网络路由协议设计的重要目标是延长整个网络的生存期，因此首要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下的特征：2.基于局部拓扑信息无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，因而不能进行太复杂的路由计算。所以，无线传感器网络的路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下的特征：3.以数据为中心无线传感器网络中大量节点是随机部署的，人们所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，网络运行不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下的特征：4.应用相关传感器网络应用环境的千差万别导致没有一个通用的路由协议适合所有的应用。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下的特征：5.与数据融合技术相结合 传感器网络的路由机制经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量来节省能量，在考虑节能的首要问题上，寻找最优路径。3.2路由协议的类型在众多的无线传感网络路由协议中，按照不同的分类方法就会产生不同的结果，以下是常用的几种分类方式：3.2路由协议的类型1.按网络管理的逻辑结构来分类可分为：平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议中，各节点在路由功能上的地位相同，没有特殊节点，网络中流量均匀分布，实现简单，适用于小规模网络。但是由于其跳数较多，所以其能耗较大。典型的平面路由协议有Flooding、Gossiping、SPIN等。3.2路由协议的类型分簇路由协议的关键是成簇协议，即在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇。每一个簇有一个簇首，簇与簇之间通过网关（可以使簇首，也可以是其他成员）通信。成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议构成了层次路由协议。层次路由协议扩展性好，适用于大规模的无线传感网络，但需要有较大的开销来维护簇。典型的层次路由协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等路由算法。3.2路由协议的类型2.按路由建立时机是否与查询有关来分类可分为：查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。对于查询驱动的路由协议，当有查询任务发生时，汇聚节点（查询节点）发出查询任务命令，传感器节点向汇聚节点报告采集的数据，没有查询任务发生时，一般不进行数据汇报。对于非查询驱动的路由协议，与查询任务是否发生无关。典型的基于查询的路由协议有DD、Rumor等。3.2路由协议的类型3.按是否利用节点的地理位置信息来分类：可分为基于地理位置的路由协议和无需地理位置的路由协议。在一些特殊应用中，常需要知道探测事件发生的地理位置，这时候就需要用到基于地理位置的路由协议。无线传感网络中的节点通过GPS或者BDS定位系统确定自己的地理位置信息，然后合理利用这些地理信息，实现无线传感网络路由、传输路径的选择和控制等目标。典型的基于地理位置路由协议有GPSR、GAF、GEAR等。3.2路由协议的类型4.按传输过程中采用路径的数目来分类可分为单路径路由协议和多路径路由协议。多路径路由协议通过增加的路径数，可以增加网络的等效带宽，能够在相同的数据量传输的前提下，缩短传输时延，增加了网络的可靠性。多路径路由容错性强，健壮性好，并且可以从众多路由中选择一条最优路由，提高了无线传感网络的可靠性和实时性，满足了对通信的QoS有较高要求的无线传感网络应用的需要。典型的基于QOS的多路径路由协议有SAR等。3.2路由协议的类型5.按路由发现策略来分类可分为主动路由和被动路由。主动路由的节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由，节点必须维护去往全网所有节点的路由。被动路由是只有在去往目的节点的时候，才按需进行路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。其优点是节省了一定的网络资源，节点无需周期性地广播。缺点是增加了时延，数据分组需要等待路由发现。3.3路由协议设计的原则在无线传感器网络中，节点数目多而且资源有限，随机分配节点的位置，节点间自行组织网络，节点间的数据转发与交换通过多跳路径来实现。因此无线传感器网络协议具有：能量优先、基于局部拓扑信息、以数据为中心、应用相关性、与数据融合相结合的特征。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：1.延长网络生存时间原则延长网络生存时间包括：优化能量消耗和均衡能量消耗两方面内容，避免频繁使用某条路径或某些节点，使节点的能耗不均衡，出现网络残缺覆盖，监测数据不完整等问题。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：2.可扩展性原则在无线传感器网络中，由于各种原因，会导致网络拓扑结构发生动态变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应节点的失效或加入。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：3.稳健性原则在数据传输的过程中可能会因为外界的环境影响、节点能量用尽、物理损坏等原因造成节点的失效，另外无线链路本身也存在一些缺陷。应该避免让节点的失效或链路的缺陷对网络的传输任务产生影响，这就需要路由协议拥有一定的容错能力，使得网络运行具有良好的稳健性。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：4.异构性原则由于应用的不同，传感接节点也会执行不同的功能，节点与链路的异构会在计算、通信与能量上出现差异。另外，特殊的传感器需要独立的配置。由于多种服务质量的需求，及时的数据采集与报告可能无法以相同速率传输，还可能遵循多种数据报告的模型。因此，节点与链路的异构问题再设计路由协议时需要认真考虑。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：5.数据的汇聚与融合原则数据的汇聚，就是指根据某种汇聚的功能，将不同源节点的的数据进行综合处理；而数据的融合是指采用信号的处理方法，实现更精确的信号。无线传感器网路在工作过程中会产生大量的冗余数据，因此大量的无线传感器网络路由协议采用了数据的汇聚与融合技术。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：6.快速收敛原则传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，同时减少通信协议的开销，提高信息传输的效率。3.4典型的路由协议 典型的路由协议包括平面路由协议、基于分簇的路由协议、基于查询的路由协议、基于地理位置的路由协议和基于QOS的路由协议五大类。3.4典型的路由协议常见的平面路由协议有Flooding、Gossiping、SPIN等。那么平面路由指的是什么呢？平面路由指的是在网络中各节点的路由功能地位相同，并且不引入分层管理机制。它的优点是易于实现，健壮性强，无特殊节点，网络流量均匀分散在网络中。它的缺点是能耗高，实现数据传输的跳数较多，在一定程度限制了网络的规模。因此，平面路由的适用范围是小规模网络。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议Flooding协议，又称洪泛协议，是一种以数据为中心的平面路由协议。Flooding协议在传感器网络应用时间较早，相应的它也是较为经典的一种平面路由协议。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议Flooding协议极易实现，它不需要维护网络拓扑结构和路由算法，且每个节点地位是等价的，节点只要将所收到的数据包广播出去，如此循环，直到数据包到达目的节点，或者直到数据包的传输达到最大跳TTL，亦或是所有节点都有此数据包副本时结束。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议以下图为例，简单描述Flooding协议的工作过程：假设源节点A需要将数据包p发送至汇聚节点D，则节点A首先将p的副本广播，则其邻居节点B接收到p的副本，然后节点B将p的副本通过广播的形式转发给E、F、C，以此类推，直到数据包到达汇聚节点D。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议通过上述工作过程描述不难发现，Flooding协议存在一个节点接收到多个同一数据包副本的问题。那么就可以窥见，洪泛协议在易于实现的同时，也存在很大的不足：3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议（1）信息内爆：即Implosion，是指网络中的一个节点接收到多个同一数据包副本的现象。在上述例子的工作过程中，节点CEF会同时收到多个同一数据包副本P。这种现象就是信息内爆。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议（2）部分重迭：即Overlap，在实际的无线传感器网络环境中，往往有密集的网络节点分布，那么则不免出现一些节点对同一事件做出相同反应，很显然地，这些节点的邻居节点也会收到相同的数据副本。这样的现象就称为部分重迭现象。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议（3）资源盲目利用：每个节点只负责数据的接收和广播，不考虑各节点实际能耗和可用状况，同时也不能预知下一跳的可行性，从而浪费了大量的资源。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议Gossiping协议，也称闲聊路由协议。它是由Flooding协议改变而来的。那么，Gossiping协议相较于Flooding协议，优点是什么呢？与Flooding协议不同，Gossiping协议不采用广播形式将数据包转发给所有节点的形式，而是通过一定概率随机选择一个节点或几个节点进行数据转发，而不是所有节点。每个节点都以这种方式转发数据直至数据到达汇聚节点。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议Gossiping协议可以避免信息内爆现象，并在一定程度上解决节点的能耗问题。很显然，Gossiping协议在得到改进的同时，也存在了一定的弊端。在数据转发过程中，每个节点在进行下一跳时，都是随机的，没有使用路径最优算法，因此会大大增加数据包的端到端传输的时延，或者在生命周期结束之前没有到达目的节点。同时，Gossiping协议也无法解决Flooding协议遗留下来的部分重迭和资源盲目利用的问题。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议如下图所示，节点S传递数据包到节点D，数据包的最大传输跳数TTL设置为6，(a)图是数据包正确到达节点D的可能路线之一，但是如果选择的路径是图(b)，则数据包就不能到达目的节点D。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议3.SPIN协议SPIN，即Sensor Protocols for Information via Negotiation，信息协商的传感器协议。它是一种以数据为中心的自适应路由协议，以节点之间的协商来确立传输路径。SPIN协议相较于Flooding协议和Gossiping协议而言，它完美地解决了信息内爆，部分重迭以及资源盲目利用等问题。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议3.SPIN协议SPIN协议的主要思想是：用ADV、REQ和DATA三种类型的消息进行节点之间的协商。ADV消息用于新数据广播，其大小远小于DATA；REQ消息表示请求发送数据；DATA消息表示真实要传输的数据。当一个节点有新数据需要转发时，首先向邻居节点广播ADV消息，根据ADV消息中对新数据的描述，对该数据感兴趣的邻居节点则会向该节点发送REQ消息，表示请求发送数据，然后该节点根据收到的REQ消息，向需要新数据的邻居节点发送DATA消息。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议3.SPIN协议下图表示了SPIN协议的数据转发过程3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议基于分簇的路由协议，即将监测区域内的节点按照一定的算法划分为若干个小区域，每个小区域称为簇，在每个小区域中选择一个节点作为簇首，负责组织簇内成员的通信。通常情况下，簇内成员只与簇首进行通信。簇首负责接收簇内成员的数据并进行数据融合，然后发送给基站节点，这样减少了向基站节点传送的数据量，从而达到节省能量的目的。分簇路由协议相对于平面路由协议来说有更好的可扩展性，能满足大型无线传感器网络的需求。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）的全称是低功耗自适应集簇分层型路由，由美国麻省理工学院Henizelman等人于2000年提出，是最早的分簇路由协议，许多后续的其他分簇路由算法都是基于LEACH改进的。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH的基本思想是：周期性的循环随机选择簇头节点，簇头节点接收簇内节点的数据后，将数据融合转发给基站节点，从而将整个网络的能量负载均衡分配到每个传感器节点上，以实现最大化网络生存时间、降低网络能耗的目的。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH的分簇结构图如图所示3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议是周期性进行的，一个周期称为一轮。每一轮分为：（1）簇的建立；（2）稳定的数据传输。一般来说，数据传输的时间远远长于簇建立的时间，以减少成簇的消耗。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立簇的建立过程又分为两步，第一步是簇头选举；第二步是簇的形成。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立簇头选举：簇头节点的选举采用随机方式，意味着网络中的每个节点均可被选举为簇头（以相同概率），这对均衡网络能耗起到了一定的作用。具体过程如下：每个节点生成一个01之间的随机数，若该随机数小于本轮循环的阈值T(n)，则该节点就当选为本轮的簇头。使用T(n)作为阈值，可以保证节点在近1/p轮内一定当选为簇头。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立T(n)的计算公式如下图所示：其中，p是簇头节点占全部节点的百分比，r是当前轮数，G是前1/p轮中还没有被选举为簇头的节点集合。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立在本轮中，若某节点已经作为簇头节点，则将T(n)赋值0，该节点不会再次被选为簇头。随着r的增大，T(n)越来越大，产生的随机数小于T(n)的概率也越来越大，还未当选过簇头的节点成为簇头的概率也随着增加。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立簇的形成：当簇头节点全部选举完成后，它们会通过广播方式告知整个网络它们是本轮的簇头节点。其它节点收到信息后，根据收到信号的强弱来决定加入哪个簇（加入离它最近的簇），并向相应的簇头发送加入信息。簇头节点收到这些信息后，就可以确定本簇的成员。基于簇的规模，簇头节点创建一个TDMA时隙表并广播给簇内成员，告诉它们什么时候开始传输数据，让其分别在对应的时间内传输，这样就可以保证簇内成员传输数据时不会发生冲突，完成簇的建立。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（2）稳定的数据传输若簇内节点要发送数据，则在簇头分配的时间内发送数据给簇头，不进行数据传输的节点则关闭无线信号，自动休眠，以减少节点能耗。当簇头节点收到簇内所有节点传输的数据后，进行数据融合，再发送给基站。数据融合的目的是去除冗余数据，减少传输量，降低传输能耗。当算法执行了一段时间后，网络重新启动，进入下一轮的簇头选举、成簇和稳定的数据传输阶段。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议的优点：采用分簇的思想将网络划分为多个簇，每个簇自治管理，簇头负责收集簇内成员的数据，并对接收的所有数据进行融合，消除冗余，减少传输给基站节点的数据量，从而减少节点能耗。整个过程十分简单，不需要维护复杂的路由信息，减少了路由控制的代价；3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议的优点：LEACH协议随机选举簇头节点，并且每隔一定时间后重新选举簇头，这样能量消耗可以平均分配到每个节点上，避免某些节点长期担当簇头节点因能量消耗过快而过早死亡，从而延长整个网络的生存时间。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议的缺点：随机选举簇头的机制虽能保证每个节点都能以相同概率当选为簇头，但未考虑节点的剩余能量，有可能还没有当选簇头时能量就很低，在当选簇头后因能量快速耗尽而死亡，导致网络异常；3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议的缺点：也有可能某个节点虽然当选过簇头，但剩余能量仍然很高，而LEACH算法不允许其再次当选为簇头；3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议的缺点：簇头和基站节点的通信采用一跳方式，当两者距离很远时，传输数据会消耗簇头大量能量，加速节点死亡，从而缩短网络生存时间；3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议的缺点：在成簇阶段，没有充分考虑簇的规模，导致有些簇过大从而使得簇头节点负担过重，影响整个网络的生存时间。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由无线传感网络路由协议按路由发现策略可分为主动路由和被动路由。主动路由协议持续监测周围的物质现象，并且以恒定的速率主动发送监测数据；被动路由协议只是在被观测变量发生变化时才传送数据。被动型无线传感器网络路由协议相比主动型路由协议更适合对时间敏感度的应用。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由阀 值 敏 感 的 高 能 效 无 线 传 感 网 络 路 由（Threshold sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol，TEEN ）是在LEACH协议的基础上发展来的。TEEN是第一个针对被动型无线传感器网络的分簇路由协议，主要思想是将网络划分为一个簇头节点和多个簇成员。簇头节点负责簇内成员的管理，并且完成簇内信息的收集和融合工作，同时还负责簇内信息数据的转发。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由TEEN的工作方式和LEACH的工作方式基本相同，只不过在每次重新选择簇组建簇区域之后，簇头节点需要向簇内成员广播以下三个参数。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由特征值特征值：用户所关心数据的物理参数。硬门限硬门限(Hard Threshold，HT)：监测数据特征值的绝对门限值。当节点监测的数据特征值超过这个门限，才启动发射机向簇头节点报告这个数值。软门限软门限(Soft Threshold，ST)：监测到特征值的小范围变化门限，从而触发节点启动发射机向簇首节点报告数据。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由在TEEN中定义了硬软两个门限值，以确定是否需要发射监测数据。具体工作过程：（1）节点持续不断的感应外界从而获取数据；（2）如果感知数据的特征值第一次超过了它的硬门限，节点就会启动发射机发送该感应数据，这个特征值也被存储在节点的外部变量中，称为感应值(Sensed value，SV)；3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由（3）当且仅当以下两个条件都成立时，节点才会启动下一次数据发送：当前感应到的特征值大于硬门限值；当前感应到的特征值与SV的差值大于等于软门限值；（4）SV设置的值为每次节点发送完当前感应的特征值数据。直到一个周期过去，新的簇形成，重新设置硬门限值。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由硬门限是根据用户对感兴趣的范围设定的，这样做减少了不必要的数据传输次数。如果感兴趣的数据和先前数据变化不大，就不必向簇头节点报告，这就是设置软门限的意义所在，也降低了不必要的数据传输次数。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由其次，软门限的数值也可以随时变动，完全取决于用户的需要。设置较小的软门限使网络数据更加精确，但代价是增大了传输过程的能量消耗，因此在工作的时候，要根据实际情况选择软门限。通过调节软门限的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡，这样就可以监测一些突发事件和热点地区，减小网络内信息包的数量。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由TEEN协议的优点如下：（1）通过设置硬阈值和软阈值两个参数，TEEN可以大大减少数据传输的次数，比LEACH节约能量。（2）由于软阈值可以改变，监控者可以设置不同的软阈值来达到平衡监测准确性与系统节能指标。（3）随着簇首节点的变化，用户可以根据需要重新设定2个参数的值，从而控制数据传输的次数。（4）协议适合于需要实时感知的应用环境中。 3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议2.TEEN路由 TEEN路由协议的缺点：不适用于需要周期性采集的数据的应用系统中，这是因为如果网络中的节点没有收到相关的阈值，节点就不会与汇聚点通信，用户也就完全得不到网络中的任何数据。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由传感信息系统的能耗有效聚集路由(Power Efficient Gathering in Sensor Information System，PEGASIS )是在LEACH基础上建立的路由协议，是为了避免LEACH协议中由于频繁更换簇头而导致的数据通信耗用较多的资源和能量的情况而改进的。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由尽管采用了动态选举簇首的思想，但网络中所有节点只形成一个簇，称之为链。链中的传感器节点只需要与它相连最近的邻居通信。各个传感器节点轮流成为链首。采集的数据在链中以点到点的方式传送、融合，最终由链首送到基站节点。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由在一个工作轮中，节点N2被选为链首（簇首），链首节点向周围节点传播链首标志信息，收到链首标志信息的节点N0将采集的信息传给节点N1；节点N1将收集到的N0节点数据和本身采集数据进行融合处理后，再将数据传给链首；节点N3、N4和链首节点N2间的数据传输也是类似的。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由在PEGASIS协议减少了LEACH簇重新产生的能量消耗，并且通过数据融合技术降低了节点的能量消耗，与LEACH协议相比，PEGASIS协议延长了网络生存周期大约2倍。PEGASIS协议比LEACH协议在以下几个方面节省能量。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由（1）在传感器节点进行本地数据通信阶段，PEGASIS协议的算法中，每个节点只需要和自己距离最近的邻居节点通信。在LEACH协议算法中，每个非簇头节点都要直接与所在簇的簇头节点通信。因此PEGASIS协议算法减少了每轮通信的各个节点的通信距离，从而减少了每个节点消耗的能量。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由（2）在PEGASIS协议算法中，链首节点最多只能接收两个邻居节点的数据以及向基站发送网络的数据。而在LEACH协议的算法中，簇头节点除了向基站发送数据之外，还要接收所在簇的所有非簇头节点的数据，簇头节点接收的数据量远远大于PEGASIS协议中链首节点接收的数据量。因此在LEACH的协议中，簇头节点的能量消耗很快，不利于均衡节点的能量消耗。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议3.PEGASIS路由（3）在每一轮通信的过程中，PEGASIS协议中只有一个链首节点与基站进行通信，而在LEACH协议中有许多簇头节点与基站进行通信。基站的位置是远离网络的，使网络中各个簇头节点的能量消耗过快，不利于节约能量。因此PEGASIS协议的网络生命周期比LEACH协议的网络生命周期长。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议定向扩散（Directed Diffusion）路由协议，简称DD路由协议，是一种基于查询的路由协议机制。汇 聚 节 点 根 据 不 同 的 需 求 定 义 不 同 的 兴 趣（Interest），通过兴趣信息发出请求消息，并采用洪泛方式将兴趣请求信息传播到全网或局部网络。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议兴趣信息用来表示查询的的任务，反应了汇聚节点在全网中希望获得的兴趣内容，例如，监测区域内的温度、湿度、光照等环境数据。在兴趣信息传播过程中，每个节点根据缓存中的兴趣列表，建立与兴趣信息发送方向相反方向的数据传输梯度（Gradient），传感器探测节点会把采集到的数据沿着梯度正方向传输到汇聚节点。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议定向扩散路由协议机制采用了周期性地对网络进行路由维护与更新，可分为三个阶段：兴趣扩散、梯度建立与路径加强。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（1）兴趣扩散在兴趣消息扩散阶段，汇聚节点周期性地向网络中的邻居结点洪泛广播兴趣信息，其中兴趣消息包括任务类型、发送节点号、目标区域、兴趣、数据发送速率、数据包类别、数据包大小、时间戳等参数。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（1）兴趣扩散每个节点本地保存一个兴趣列表，列表中都有一个表项记录发送该兴趣的邻居节点、数据速率和时间戳等相关信息，以便建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（1）兴趣扩散每个兴趣可能对应多个邻居节点，在节点接收到兴趣消息后会转发给它的每一个邻居节点，节点如果收到其发送过的一个兴趣消息，则将其丢弃，避免同一个消息在网络中形成消息循环。通过定义不同的梯度相关参数来适应不同的需求。每个表项还有一个字段用来表示该表项的有效时间值，超过这个时间后，节点将删除这个表项。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（1）兴趣扩散节点收到邻居节点的兴趣消息时，首先检查该兴趣消息是否已经收到，如果已经有对应的表项，就更新表项的有效时间值；如果是参数类型相同，但不包含发送该兴趣消息的邻居节点的话，就在响应的表项中添加这个邻居节点，并转发“兴趣”。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（2）梯度建立当传感器节点采集到与兴趣匹配的监测数据时将数据发送到梯度上的邻居节点，同时按照梯度上的数据传输速率设定传感器采集数据的速率。中间节点会检查兴趣列表中是否存在相匹配的“兴趣”，如果没有相匹配的“兴趣”则将丢弃数据包；如果存在相关的兴趣表项，则检查与这个兴趣对应的数据缓冲池（Data Cache）。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（2）梯度建立数据缓冲池用于保存最近转发的数据，如果数据缓冲池中存在与接收数据相匹配的兴趣消息，表明已经转发多该数据，需要将其丢弃，否则，再检查表项中的邻居信息。如记录的邻居节点发送速率超过接收的数据速率，就全部转发接收的数据，否则按照比例转发。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（2）梯度建立转发的数据都会在缓存中保留一个备份，且记录转发时间。这里需要说明一个节点可能收到多个邻居节点所发送的兴趣数据包，节点向多个邻居节点发送数据，因此汇聚节点收到的路径也可能为多条。对于转发的数据包，都必须在缓冲区保留副本并记录转发的时间。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（3）路径加强定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑修改数据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段建立了从源节点到汇聚节点的数据传输路径，称这个阶段建立的梯度为探测梯度（probe gradient），此阶段采集速率和发送速率比较低。汇聚节点收到从源节点发送过来的数据后，开始建立加强路径，后续的数据将沿加强路径进行传输，加强后的梯度称为数据梯度（data gradient），此路径数据以较高的速率进行传输。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（3）路径加强假设以数据传输延迟作为路径加强的标准，汇聚节点会首先选择最新发来数据的邻居结点作为加强路径的下一跳节点。在路径加强消息中，提高了数据发送的速率。邻居节点收到消息后，经过分析确定该信息描述的是一个已有的兴趣，只是增加了数据发送速率，则断定这是一条路径加强消息，从而更新相应兴趣表项的到邻居节点的发送数据速率。同时，按照同样的规则选择加强路径的下一跳邻居节点。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议（3）路径加强路由加强路径的标准并不唯一，可以选择一定时间内发送数据最多的节点作为路径的下一跳节点，也可以选择数据传输最稳定的节点最为路径加强的下一跳节点。在加强路径上的节点如果发现下一跳的节点的数据发送速率明显减小或收到来自其他节点的新位置估计，则推断加强路径的下一跳失败，使用上述的路径加强机制重新确定下一跳节点。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1. 定向扩散DD路由协议在定向扩散DD路由协议中，汇聚节点可以选择增强其中的一条路径用于数据的传输，当该条路径出现故障时，还可以选择其他的低速路径进行传输，这样的多路径传输机制，保证了WSN网络的健壮性。网络中的节点只需要和邻居节点通信，因而不需要全局的地址机制，使用查询驱动机制按需建立路由，避免了保存全网的信息。但是，在定向扩散DD路由协议中，梯度的建立开销较大，不适合多汇聚节点的网络。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor谣传路由协议（Rumor Routing Protocol）是在定向扩散路由协议的基础上建立起来的。由于在数据传输量较少或者已知事件区域，采用定向扩散路由洪泛传播和路径加强机制确定一条优化数据传输路径的机制并不高效，因此由Boulis等人提出的谣传路由更适合数据传输量小的传感器网络，被认为是SPIN路由协议与定向扩散DD路由协议的折中，并且加入了Gossiping随机转发给其某一邻居节点的转发机制。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor谣传路由机制引入了查询消息的单播随机转发，克服了洪泛方式建立转发路径造成的开销过大的问题。其从源节点产生代理数据包（Agent）沿随机路径对外发送，汇聚节点发送请求探测数据包随机进行下一跳的选择，直到两个数据包在某一节点上相交，就形成了一条可行的完整路径。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor谣传路由协议中，每个传感器节点维护一个邻居列表和事件列表，事件列表中每个表项都记录着事件的相关信息，当监测区域的传感器节点监测到一个事件发生时，就会在事件列表中添加一个表项，设置事件名称、跳数等消息，同时根据需要会随机产生一个代理消息。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor代理消息是包含了生命周期的相关事件信息的分组，它可以把事件信息传送到每个传感器节点。在传感器节点处，当收到代理信息时，首先检查事件列表中是否包含相关的表项，若存在相关事件，就会与代理消息中的跳数值进行比较，如果表项中的跳数值大于代理消息中的跳数值，就会更新表项中的跳数值，否则会更新代理消息中的跳数值。如果检查事件列表中没有代理消息中的事件，则会在表项中添加代理消息中的事件信息，且代理消息中的生存值减1，直到生存值为零，通过代理消息的传输形成了一条完整的事件区域路径。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor汇聚节点在查询消息和查询请求数据包时也是沿着一条随机的路径进行转发的，当查询消息和代理消息的路径交叉时，则路由建立。如果两条随机路径在生命周期内没有交叉，就认为查询消息没有到达事件区域，会选择重传、放弃或是洪泛查询消息。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor在多汇聚节点、查询请求数目较大、网络事件很少的情况下，谣传路由协议的性能较好，但是当网络监测区域事件频繁时，事件列表的维护开销就会增加，且需要发送较多的数据包。3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议2.谣传路由协议Rumor3.4.3基于查询的路由协议3.4典型的路由协议1.GAF路由协议GAF（Geographic Adaptive Fidelity），其全称为地理位置自适应保真路由，是一种基于地理位置的能量感知路由算法，最初设计目的主要是在移动Ad -Hoc 网络应用，但也适用于无线传感器网络。GAF算法需要解决的问题包括：等价节点的确定、状态转移、对节点移动性的自适应、与现有路由协议结合等关键技术问题。3.4.4基于地理位置的路由协议3.4典型的路由协议1.GAF路由协议（1）等价节点的确定在GAF路由算法中，网络区域首先被分为固定区域，并形成一个虚拟的网格。在每个区域中，传感器节点彼此协作并扮演不同的角色。例如，每个区域内的所有节点会选出一个传感器感应节点在每一段时间内保持活动状态，而其他节点都进入睡眠状态。3.4.4基于地理位置的路由协议3.4典型的路由协议1.GAF路由协议（1）等价节点的确定被选中的节点代表该区域中的所有节