1 引言

隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開(kāi)始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。本文在AODV 路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的路由協(xié)議—MSAODV 協(xié)議，這種路由算法適合在微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上使用。

2 MSAODV 路由算法的基本思想與算法原理

2.1 路由算法的基本思想

在研究了 AODV 路由協(xié)議之后，本文提出了一種全新的路由算法，這種路由算法適合在微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上使用，又由于是基于AODV 路由協(xié)議之上，故稱之為MSAODV（Micro-Sensor Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm）路由協(xié)議。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有區(qū)別，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最關(guān)心的是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成存周期，而傳統(tǒng)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)主要關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r下可靠傳輸質(zhì)量。微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有體積小，功耗小，通信距離短等特點(diǎn)，他們應(yīng)用的場(chǎng)合非常廣泛，像戰(zhàn)場(chǎng)敵方信息采集，森林火災(zāi)監(jiān)控等，這些場(chǎng)合往往是一些無(wú)人區(qū)，傳感器節(jié)點(diǎn)拋撒到這些地方再回收的可能性非常小，所以節(jié)點(diǎn)的功耗決定了他的使用時(shí)間。針對(duì)這些特點(diǎn)，MSAODV 路由算法采用了按需查詢方式，他簡(jiǎn)單實(shí)用，易于擴(kuò)充，協(xié)議開(kāi)銷小，應(yīng)用了這種路由算法傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都可以處在睡眠狀態(tài)，這樣就延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間，適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用環(huán)境。

2.2 MSAODV 路由算法原理

MSAODV 路由協(xié)議算法是在AODV 路由協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)演化而來(lái)的，他繼承了AODV 路由算法的許多特點(diǎn)，但是又與AODV 路由協(xié)議算法有所不同。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)將有助于設(shè)計(jì)MSAODV 路由協(xié)議算法，圖1 顯示了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

MSAODV 路由算法同樣假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路都是雙向?qū)ΨQ的，即某個(gè)源節(jié)點(diǎn)通過(guò)一條路由可以到達(dá)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，該目的節(jié)點(diǎn)同樣也可以通過(guò)這條路由的反向路由回到源節(jié)點(diǎn)。MSAODV 路由協(xié)議同樣是一種按需的距離向量路由協(xié)議，具有按需路由協(xié)議的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要進(jìn)行通信時(shí)才發(fā)送路由分組，而不會(huì)周期性地交互路由信息以得到所有其它主機(jī)的路由：同時(shí)具有距離向量路由協(xié)議的一些特點(diǎn)，即各節(jié)點(diǎn)路由表只維護(hù)本節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的路由，而無(wú)須掌握全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

MSAODV 路由協(xié)議中只有兩種類型的消息控制幀：路由請(qǐng)求RREQ 和路由應(yīng)答RREP。

和AODV 路由協(xié)議一樣，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)而又沒(méi)有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程：向網(wǎng)絡(luò)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求包RREQ,中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該路由請(qǐng)求，收到請(qǐng)求的目的節(jié)點(diǎn)以單播的方式向源節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)RREP 包，RREP 沿著剛建立的逆向路徑傳輸回源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)收到該RREP 包后則開(kāi)始向?qū)?yīng)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在路由請(qǐng)求包的正向傳播過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中能收到該路由請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)都建立起了到源節(jié)點(diǎn)的反向路由，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求而回送路由應(yīng)答時(shí)，逆向路徑上的節(jié)點(diǎn)又建立了前向路由。整個(gè)MSAODV 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖2 所示，a 圖表示的是反向路由的建立過(guò)程，節(jié)點(diǎn)S 需要和節(jié)點(diǎn)D 通信，但是他沒(méi)有節(jié)點(diǎn)D 的路由，所以節(jié)點(diǎn)S 發(fā)起到節(jié)點(diǎn)D 的路由請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)S 廣播一個(gè)路由請(qǐng)求包，收到路由請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)S 的請(qǐng)求，最終節(jié)點(diǎn)D 收到了節(jié)點(diǎn)S 的路由請(qǐng)求包，這個(gè)過(guò)程建立了節(jié)點(diǎn)S 到節(jié)點(diǎn)D 的反向路由；b 圖表示的是由節(jié)點(diǎn)S 到節(jié)點(diǎn)D 前向路由的建立過(guò)程，當(dāng)節(jié)點(diǎn)D 收到節(jié)點(diǎn)S 的路由請(qǐng)求包后，他要給節(jié)點(diǎn)S 回送一個(gè)路由應(yīng)答包，順著剛才建立的反向路由，應(yīng)答包最終被節(jié)點(diǎn)S 成功接收，在此過(guò)程中節(jié)點(diǎn)S 又建立了到節(jié)點(diǎn)D 的前向路由。

3 MSAODV 路由中的路由表與協(xié)議幀的格式

3.1 MSAODV 路由協(xié)議路由表

網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有這樣的一個(gè)路由表，該表保存了對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的路由信息，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同，因而他們的路由表項(xiàng)也不相同，例如在圖2（b）中，a 節(jié)點(diǎn)的路由表有兩項(xiàng)，c 節(jié)點(diǎn)的路由表也有兩項(xiàng)，如表1 所示。

3.2 MSAODV 路由協(xié)議幀格式

由于 MSAODV 路由協(xié)議是AODV 路由協(xié)議的改進(jìn)演化，所以與AODV 路由協(xié)議幀類似，MSAODV 路由協(xié)議也包括RR 衛(wèi)Q 協(xié)議幀和RREP 協(xié)議幀，但不包含RERR 協(xié)議幀。不包含RERR 協(xié)議幀會(huì)導(dǎo)致MSAODV 協(xié)議在路由維護(hù)和錯(cuò)誤處理上功能欠缺，但可以通過(guò)其他方法來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。

RREQ 協(xié)議幀格式

RREQ 路由請(qǐng)求協(xié)議幀如表2 所示。

RREP 協(xié)議幀格式

RREP 路由應(yīng)答協(xié)議幀如表3 所示。

4 MSAODV 路由協(xié)議的操作

由于MSAODV 路由協(xié)議是對(duì)AODV 協(xié)議的改進(jìn)演化，所以MSAODV 路由協(xié)議的操作與AODV 路由協(xié)議的操作大同小異，為了清晰起見(jiàn)，對(duì)MSAODV 協(xié)議的操作做一詳細(xì)的介紹還是有必要的。

4.1 產(chǎn)生路由請(qǐng)求

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要和網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，他首先會(huì)查找自己的路由表，以確定是否有通往該目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，如果有的話，從對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)中取出下一跳節(jié)點(diǎn)地址，然后構(gòu)造數(shù)據(jù)包并把該數(shù)據(jù)包發(fā)往下一節(jié)點(diǎn)，如果不存在通往目的節(jié)點(diǎn)的路由，那么該節(jié)點(diǎn)就要發(fā)起一次路由請(qǐng)求。

4.2 處理和轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求

處理和轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求是針對(duì)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的中間節(jié)點(diǎn)而言。這些中間節(jié)點(diǎn)可能不止一個(gè)，在他們收到源節(jié)點(diǎn)廣播的RREQ 路由請(qǐng)求幀之后，必需處理和轉(zhuǎn)發(fā)該路由請(qǐng)求幀。

該RREQ 請(qǐng)求幀是否己經(jīng)被成功接收過(guò)，判斷的依據(jù)就是源節(jié)點(diǎn)的IP 地址和廣播ID 號(hào)，如果發(fā)現(xiàn)由源節(jié)點(diǎn)和廣播ID 唯一標(biāo)志的RREQ 請(qǐng)求幀是新的，也就是沒(méi)收到過(guò)，就會(huì)根據(jù)此RREQ 請(qǐng)求幀更新自己路由表中對(duì)應(yīng)的項(xiàng)。很顯然，該路由表項(xiàng)的目的節(jié)點(diǎn)IP 字段就是是源節(jié)點(diǎn)IP 地址，下一跳IP 地址就是發(fā)送此RREQ 請(qǐng)求幀的節(jié)點(diǎn)IP 地址，有可能是源節(jié)點(diǎn)也有可能是另一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。接下來(lái)此中間節(jié)點(diǎn)判斷該RREQ 請(qǐng)求幀的目的IP 是不是就是自己，如果是就回送一個(gè)RREP 回應(yīng)幀，不是就轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ 請(qǐng)求幀。

4.3 產(chǎn)生路由應(yīng)答

RREQ 經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或者是直接到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，目的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相應(yīng)的處理。

目的節(jié)點(diǎn)收到 RREQ 請(qǐng)求包，首先會(huì)判斷是否已經(jīng)收到過(guò)此請(qǐng)求包，如果沒(méi)有收到過(guò)則更新自己相應(yīng)的路由表項(xiàng)，目的節(jié)點(diǎn)把該路由表項(xiàng)的目的IP 更新為源節(jié)點(diǎn)的IP 地址，下一跳IP為發(fā)給他RR 衛(wèi)Q 請(qǐng)求幀的節(jié)點(diǎn)IP,目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)填上源節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)，該序列號(hào)在RREQ請(qǐng)求幀里，跳數(shù)直接從RREQ 請(qǐng)求幀里拷貝。在確認(rèn)請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)就是自己后，目的節(jié)點(diǎn)要給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RREP 應(yīng)答幀，接下來(lái)目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)RREP 應(yīng)答幀并正確初始化該幀。類型字段為2,表示該幀是RREP 應(yīng)答幀。跳數(shù)字段為0,因?yàn)槭悄康墓?jié)點(diǎn)發(fā)起的RREP 應(yīng)答幀。

目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)RREP 應(yīng)答包之前，必需更新自己的序列號(hào)，更新值為當(dāng)前序列號(hào)與RREQ請(qǐng)求包中的目的序列號(hào)兩者中的最大值，目的序列號(hào)字段被初始化為這個(gè)最大值。源IP 地址指的是發(fā)起RREQ 請(qǐng)求幀的源節(jié)點(diǎn)的IP 地址，而不是指目的節(jié)點(diǎn)的IP 地址，同樣的，目的IP地址就是目的節(jié)點(diǎn)的IP 地址，也就是發(fā)起RREP 應(yīng)答幀的節(jié)點(diǎn)IP 地址。

在目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造好 RREP 回應(yīng)幀后，就要把該幀以單播的形式沿著反向路由傳送，他的下一跳節(jié)點(diǎn)IP 地址是發(fā)給他RREQ 請(qǐng)求幀的節(jié)點(diǎn)地址，可能是某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，也可能是源節(jié)點(diǎn)。

一切準(zhǔn)備就緒，目的節(jié)點(diǎn)按照退避算法發(fā)送該幀。

4.4 接收和轉(zhuǎn)發(fā)路由應(yīng)答

由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，盡管目的節(jié)點(diǎn)是以單播的形式向源節(jié)點(diǎn)回送RREP 回應(yīng)幀，但是網(wǎng)絡(luò)中的很多節(jié)點(diǎn)也能接收到該幀，當(dāng)然，這些節(jié)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單的丟棄該幀，只有反向路由上的節(jié)點(diǎn)才會(huì)接收該RREP 回應(yīng)幀。反向路由上的節(jié)點(diǎn)會(huì)沿著反向路由順利的把RREP 回應(yīng)幀傳給源節(jié)點(diǎn)，同時(shí)他們也根據(jù)此RREP 回應(yīng)幀建立了前向路由。該節(jié)點(diǎn)下面要完成的工作就是把該RREP 回應(yīng)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。他要知道下一跳節(jié)點(diǎn)的IP 地址，以RREP 回應(yīng)幀中的源節(jié)點(diǎn)IP地址為關(guān)鍵字查找路由表，得到下一跳節(jié)點(diǎn)的IP,這個(gè)表項(xiàng)是在建立反向路由時(shí)建立或更新的。該中間節(jié)點(diǎn)在完成上面的步驟后，以退避算法轉(zhuǎn)發(fā)該RREP 回應(yīng)幀。與RREQ 請(qǐng)求幀的轉(zhuǎn)發(fā)不同，R.REP 回應(yīng)幀的轉(zhuǎn)發(fā)是單播的，他不會(huì)像R.REQ 請(qǐng)求幀那樣可能被轉(zhuǎn)發(fā)多次，所以R.REP 回應(yīng)幀的字段里不存在廣播ID。

4.5 新節(jié)點(diǎn)加入

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在開(kāi)機(jī)或重啟之后，會(huì)向網(wǎng)絡(luò)廣播一個(gè)RESET 消息，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)收到此RESET 消息后會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該幀，最后主節(jié)點(diǎn)收到該幀。新節(jié)點(diǎn)在RESET 消息幀里攜帶自己的IP 地址，這樣當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到該幀后就可以知道是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)重啟。

收到 RESET 消息幀的其他節(jié)點(diǎn)首先查找自己的路由表看是否有主節(jié)點(diǎn)的IP 地址，如果有就以單播的形式發(fā)送該幀，反之則繼續(xù)廣播此RESET 消息幀。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要保存上一次他收到的RESET 消息幀中的源節(jié)點(diǎn)IP 地址，下次再收到RESET 消息幀首先要比較源IP 地址是否和保存值相同，相同就不再轉(zhuǎn)發(fā)該幀，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，將保存值清零，這樣就避免了重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)同一個(gè)RESET 消息幀，又避免了不再轉(zhuǎn)發(fā)下次的RESET 消息幀。

4.6 其他操作

除了前文描述的產(chǎn)生路由請(qǐng)求、處理和轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求、產(chǎn)生路由應(yīng)答、接收和轉(zhuǎn)發(fā)路由應(yīng)答、新節(jié)點(diǎn)加入等主要操作外，MSAODV 路由算法余下的操作可以參考第二章介紹的AODV 路由算法。

5 結(jié)語(yǔ)

AODV 路由算法應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一定的局限性，不能很好得適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)著重點(diǎn)不同為依據(jù)，本文提出了適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法MSAODV,并詳細(xì)敘述分析了MSAODV 路由算法。