趙靈鍇洪志全

（1.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，四川成都610059；2.宜賓學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，四川宜賓644000）

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor network），是由大量智能傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的信息采集、傳送和處理的綜合智能信息網(wǎng)絡(luò)，具有環(huán)境適應(yīng)性、自組織和低成本的特點(diǎn)。在目標(biāo)入侵監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領(lǐng)域，WSN都具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。

2.SPIN協(xié)議描述

無線傳感器路由協(xié)議根據(jù)設(shè)計(jì)思路分為：簡單的無結(jié)構(gòu)路由、樹或類樹路由及地理位置路由[2]。在簡單無結(jié)構(gòu)路由中又包含三類：Flooding、Gossiping和SPIN。由于Flooding和Gossiping協(xié)議存在著“內(nèi)爆”和“重疊”問題[2]，從而導(dǎo)致了資源的盲目使用。針對(duì)這類傳統(tǒng)路由協(xié)議存在的缺點(diǎn)，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Joalma Kulik等人于1999年在一個(gè)由NTT和DARPA共同資助的項(xiàng)目中提出了SPIN[3](sensor protocol for information via negotiation)協(xié)議。

SPIN協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議[4]，假設(shè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)都可能是希望獲得數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都知道自己是否需要數(shù)據(jù)[5]。為了防止Flooding協(xié)議出現(xiàn)的信息“內(nèi)爆”和“重疊”問題，傳感器節(jié)點(diǎn)在傳送數(shù)據(jù)之前全部使用元數(shù)據(jù)(meta-data，即描述傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù))進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商機(jī)制可確保傳輸有用數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)的定義格式是與具體應(yīng)用相關(guān)的，SPIN協(xié)議沒有給出它的具體定義格式。

SPIN該協(xié)議使用三種類型的信息進(jìn)行通信，即ADV，REQ和DATA信息[6,7]。通過三次握手實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)A有需要傳送的數(shù)據(jù)DATA信息，在傳送前僅廣播包含元數(shù)據(jù)的ADV信息；

(2)其鄰居節(jié)點(diǎn)B在接收到ADV消息后，如對(duì)ADV中描述的信息感興趣并且此前沒有請(qǐng)求過該信息，則發(fā)送REQ消息提出數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求；

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)A在接收到相應(yīng)的REQ請(qǐng)求信息后，才向節(jié)點(diǎn)B單播發(fā)送包含原始數(shù)據(jù)的DATA數(shù)據(jù)包。

具體過程如圖1，SPIN協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖2。

圖1 SPIN三次握手過程

圖2 SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

SPIN家族的協(xié)議有很多，主要的兩個(gè)協(xié)議是SPIN-1和SPIN-2。SPIN-1協(xié)議就是前面闡述的基本三次握手協(xié)商機(jī)制。擴(kuò)展的SPIN-2協(xié)議是基于預(yù)設(shè)值資源提醒機(jī)制協(xié)議，當(dāng)資源充足時(shí)，SPIN-2使用的是三次握手協(xié)商機(jī)制；當(dāng)資源低于某個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)，它將減少參與數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)。總體上，SPIN-1和SPIN-2都是簡單高效的協(xié)議，不用維護(hù)每個(gè)鄰居的狀態(tài)。

3.SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)不可達(dá)問題描述[8]

SPIN協(xié)議的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)拓?fù)浜臀恢酶淖儠r(shí)，節(jié)點(diǎn)只需要知道單跳的鄰居，特別適用于傳感器是運(yùn)動(dòng)的場合。SPIN通過協(xié)商機(jī)制處理信息冗余，能夠節(jié)約大量能量，很好地解決傳統(tǒng)的Flooding和Gossiping協(xié)議所帶來的信息爆炸、信息重復(fù)及資源浪費(fèi)等問題。但其缺點(diǎn)是：在某種情況下，它會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不可傳遞性的問題。

如圖3，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)信息需要傳送時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)B、C發(fā)送ADV請(qǐng)求信息如圖3(a），而節(jié)點(diǎn)B和C由于自身能量或?qū)?shù)據(jù)“不感興趣”等原因未回應(yīng)節(jié)點(diǎn)A的ADV請(qǐng)求（圖3-b），那么這個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程就無法順利地進(jìn)行下去，出現(xiàn)了“數(shù)據(jù)不可達(dá)”問題，于是對(duì)該數(shù)據(jù)“感興趣”的后續(xù)節(jié)點(diǎn)D也將無法接收到這個(gè)數(shù)據(jù)。

圖3 SPIN協(xié)議“數(shù)據(jù)不可達(dá)”問題

4.SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)不可達(dá)問題的改進(jìn)

為了改進(jìn)SPIN協(xié)議中的數(shù)據(jù)不可達(dá)問題，需添加一種類型信息：CA（compulsory advice）用于發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出的ADV信息未得到任何REQ回應(yīng)時(shí)，向某節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制發(fā)送數(shù)據(jù)的通告信息；因?yàn)镾PIN-2協(xié)議在SPIN-1協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了能量管理功能，可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)收到CA而由于能量低于閾值，而不能回復(fù)REQ的情況，于是添加一個(gè)計(jì)數(shù)器COUNTER，用于記錄CA發(fā)送的次數(shù)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送CA達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)就停止發(fā)送CA信息。

對(duì)于SPIN-1協(xié)議，節(jié)點(diǎn)收到CA信息，將向發(fā)送該信息的節(jié)點(diǎn)返回REQ表示可以接收DATA數(shù)據(jù)；對(duì)于SPIN-2協(xié)議，如果收到CA信息并能量高于閾值也返回REQ，低于閾值則不響應(yīng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到DATA數(shù)據(jù)后，只用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，即對(duì)該數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送ADV信息請(qǐng)求其它節(jié)點(diǎn)接收，而該節(jié)點(diǎn)不保存該數(shù)據(jù)。協(xié)議運(yùn)行步驟為：

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)DATA需發(fā)送，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出ADV信息；

(2)鄰居節(jié)點(diǎn)在接收到A節(jié)點(diǎn)的ADV消息后，如正常收到REQ信息，則節(jié)點(diǎn)A傳送DATA數(shù)據(jù)并結(jié)束；如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到任何REQ信息，表明數(shù)據(jù)不可達(dá)問題出現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)A初始化計(jì)數(shù)器；

(3)節(jié)點(diǎn)A隨機(jī)選擇某鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出CA信號(hào)，通知該節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制接收數(shù)據(jù)，并COUNTER計(jì)數(shù)器自減1；

(4)鄰居節(jié)點(diǎn)收到CA信號(hào)，如能量未低于限定閾值，給傳感器節(jié)點(diǎn)A返回REQ信息；如低于閾值，則不做任何響應(yīng)；

(5)傳感器節(jié)點(diǎn)A如收到REQ信號(hào)，則向鄰居節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送包含原始數(shù)據(jù)的DATA數(shù)據(jù)包；如規(guī)定時(shí)限內(nèi)未收到REQ信號(hào)且計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)次數(shù)未達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，則返回步驟3）；如未收到REQ信號(hào)但計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，則結(jié)束；

改進(jìn)后的SPIN協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖4。

圖4 改進(jìn)后的SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

再次分析圖3，當(dāng)出現(xiàn)圖3(b)的情況時(shí)，節(jié)點(diǎn)A將通過隨機(jī)發(fā)送強(qiáng)制傳送通告CA信息（設(shè)節(jié)點(diǎn)B接收CA信號(hào)），B節(jié)點(diǎn)在收到CA并能量充足的情況下將返回REQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息，之后接收節(jié)點(diǎn)A發(fā)來的數(shù)據(jù)DATA信息，此時(shí)DATA數(shù)據(jù)由節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)B，B節(jié)點(diǎn)再按SPIN協(xié)議向其鄰居發(fā)送ADV，最終對(duì)該數(shù)據(jù)“感興趣”的D節(jié)點(diǎn)會(huì)順利接收到該數(shù)據(jù)，從而避免了圖3中數(shù)據(jù)不可達(dá)情況的發(fā)生。

對(duì)于計(jì)數(shù)器COUNTER的使用是避免出現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)因能量等問題全部無法返回REQ，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)多次試探發(fā)送CA信號(hào)無果后，終止發(fā)送數(shù)據(jù)（此時(shí)表明網(wǎng)絡(luò)已接近失效，網(wǎng)絡(luò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)能量幾乎消耗殆盡），進(jìn)而避免可能出現(xiàn)的由于能量過度消耗及帶寬大量消耗而帶來的網(wǎng)絡(luò)崩潰。

本文中，筆者討論了發(fā)送CA信息時(shí)隨機(jī)選擇僅一個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況，實(shí)際中，根據(jù)需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)隨機(jī)選擇多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送CA，以提高運(yùn)行效率。

5.結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也出現(xiàn)了多種路由協(xié)議，但SPIN協(xié)議仍然是主要路由協(xié)議之一，而SPIN協(xié)議中的數(shù)據(jù)不可達(dá)問題，一定程度制約了該協(xié)議的使用。本文從一個(gè)新的角度探討了解決該問題的方法，通過對(duì)協(xié)議的補(bǔ)充，增加一種新的信息CA及計(jì)數(shù)器，在不改變協(xié)議核心思想的情況下，讓數(shù)據(jù)不可達(dá)問題得到解決。

[1]AKYILDIZ I F，SU WL.SANKARASUBRAMANIAM Y.CAYIRCI E.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(8)：102–114.

[2]于宏毅等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[M].國防工業(yè)出版社.2008，9：143.

[3]JOANNA KULIK，WENDI RABINER，AND HARIBALAKRISHNAN.Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks[C]//The 5th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking 1999,174-185.

[4]CULLAR D,ESTRIN D,STRVASTAVA M.Overview of sensor network[J].Computer，2004，37(8)：41-47.

[5]崔鳳云.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPIN路由協(xié)議的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009，5：13.

[6]王潮，賈翔宇，林強(qiáng).基于可信度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全路由算法[J].通信學(xué)報(bào)，2008，29(11)：105-112.

[7]張文祥，馬銀花，郭繼坤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17(3)：617-619.

[8]任秀麗等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPIN協(xié)議的一種改進(jìn)方案[J].化工自動(dòng)化及儀表，2006，33(2)：35-38.