馮立波，李 全，張 梅，羅桂蘭

（大理學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，云南大理 671003）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、生態(tài)環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、空間探索、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域〔1〕。在WSN中，路由安全對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的特殊性，其更易受到攻擊〔2〕。如何增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被攻擊時的抗攻擊性，以及如何使得網(wǎng)絡(luò)具備更高的吞吐量、降低丟包率，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是當(dāng)前研究的重點〔3〕。

基于信息協(xié)商的傳感器協(xié)議SPIN（Sensor Protocol for Information via Negotiation）協(xié)議采用高級的描述符即元數(shù)據(jù)（meta-data）來描述數(shù)據(jù)，節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，廣播數(shù)據(jù)的描述信息，感興趣的節(jié)點在收到數(shù)據(jù)的描述信息后，返回請求信息，只有在收到相應(yīng)的請求后，節(jié)點才向目的地發(fā)送數(shù)據(jù)〔4〕。國內(nèi)外很多學(xué)者對其進(jìn)行研究，取得了較為顯著的成果〔5〕。但是SPIN安全路由協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過于復(fù)雜、重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)相同數(shù)據(jù)包的問題影響了SPIN 協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)時的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增加了丟包率，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生命周期〔6〕。

本文在研究了SPIN 協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種動態(tài)路由信息協(xié)商傳感器協(xié)議D-SPIN（Directional-routing Sensor Protocol for Information via Negotiation）協(xié)議，其在SPIN 協(xié)議基礎(chǔ)上加入了動態(tài)路由表建立算法和驗證下一跳id選擇性轉(zhuǎn)發(fā)策略，并利用NS2 仿真軟件對算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，D-SPIN 算法在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、丟包率和網(wǎng)絡(luò)時延等性能參數(shù)上有較大的提高。

1 SPIN協(xié)議算法思想及過程

SPIN 是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)比較復(fù)雜，重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)相同數(shù)據(jù)包，這給系統(tǒng)性能帶來了較為嚴(yán)重的影響。它通過使用節(jié)點間的協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機制，解決了傳統(tǒng)協(xié)議所存在的內(nèi)爆，重疊以及盲目使用資源問題。 SPIN 協(xié)議有3 種數(shù)據(jù)包類型，即ADV、REQ和DATA。ADV 用于元數(shù)據(jù)的廣播，REQ 用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA 為傳感器采集的數(shù)據(jù)包〔7〕。SPIN協(xié)議通過兩個關(guān)鍵的革新，即信息協(xié)商（negotiation）和資源自適應(yīng)（resource-adaptation）克服了flooding協(xié)議的內(nèi)爆和重疊問題〔8〕。

1.1 元數(shù)據(jù)與消息類型SPIN 協(xié)議使用元數(shù)據(jù)（meta-data）簡潔而完美地描述傳感器所收集的數(shù)據(jù)。SPIN協(xié)議沒有特殊地規(guī)定元數(shù)據(jù)格式，這種格式是基于實際應(yīng)用的〔9〕。例如，覆蓋的地理區(qū)域不相交的傳感器可以簡單地把自己獨有的標(biāo)識作為元數(shù)據(jù)。由于每個實際應(yīng)用中的元數(shù)據(jù)格式可能都不一樣，所以SPIN根據(jù)每個應(yīng)用來解釋和綜合元數(shù)據(jù)。

SPIN協(xié)議包含3個消息類型，分別是：

①ADV（advertisement）消息（廣播消息）：用于新數(shù)據(jù)的廣播。當(dāng)一個采用SPIN 協(xié)議的節(jié)點有新數(shù)據(jù)時，通過發(fā)送一個包含元數(shù)據(jù)的ADV廣播消息通知其鄰居節(jié)點。

②REQ（request）消息（請求消息）：用于請求數(shù)據(jù)。當(dāng)一個節(jié)點收到其鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)包廣播，亦即ADV廣播消息，若達(dá)到規(guī)定條件并且需要接收該數(shù)據(jù)包時可以發(fā)送一個REQ 消息向發(fā)送節(jié)點請求該數(shù)據(jù)包。

③DATA：實際數(shù)據(jù)包。DATA是含有攜帶著一個元數(shù)據(jù)報頭（meta-data header）的傳感器采集的實際數(shù)據(jù)包。

將這些有新數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)而發(fā)送ADV 消息的節(jié)點統(tǒng)稱為“發(fā)送節(jié)點”，其中網(wǎng)絡(luò)中第一個封裝并廣播ADV 數(shù)據(jù)包的節(jié)點稱為“源節(jié)點”。將所有發(fā)送REQ 請求的節(jié)點以及所有接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的節(jié)點統(tǒng)稱為“接收節(jié)點”，即接收節(jié)點接收的數(shù)據(jù)可能是ADV、REQ或DATA中的任何一類或幾類〔10〕。

1.2 SPIN協(xié)議工作過程SPIN協(xié)議工作過程大致分為3個步驟（又稱為“三次握手”）：

步驟1：當(dāng)一個傳感器節(jié)點（源節(jié)點）有新數(shù)據(jù)需要傳輸時，使用ADV數(shù)據(jù)包對其所有的鄰居進(jìn)行廣播，等待接收REQ響應(yīng)消息。

步驟2：當(dāng)鄰居節(jié)點收到這個廣播消息時，首先檢查其自身的能量值是否低于設(shè)定閾值，若能量充足則檢查是否已經(jīng)接收過或請求過該廣播的數(shù)據(jù)；若請求接收該數(shù)據(jù)，且其擁有足夠的能量，就發(fā)送REQ消息請求接收新的數(shù)據(jù)；若已經(jīng)接收過或請求過該數(shù)據(jù)或能量低于設(shè)定閾值，則不響應(yīng)。

步驟3：若源節(jié)點沒有收到REQ消息，則進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)傳輸；若源節(jié)點收到REQ消息，則發(fā)送數(shù)據(jù)DATA 給請求節(jié)點。接收節(jié)點若不是匯聚節(jié)點，在接收數(shù)據(jù)后就變?yōu)樵垂?jié)點，返回到第一步，繼續(xù)執(zhí)行。

這個過程重復(fù)下去，直到數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。

2 D-SPIN協(xié)議算法

針對SPIN 存在的問題，文章在分析了SPIN 協(xié)議的基礎(chǔ)上，加入了動態(tài)路由表建立算法和驗證下一跳id選擇性轉(zhuǎn)發(fā)策略，提出了一種基于動態(tài)路由的信息協(xié)商傳感器協(xié)議D-SPIN協(xié)議。

2.1 D-SPIN協(xié)議改進(jìn)方法

2.1.1 初始化路由建立算法 D-SPIN協(xié)議在SPIN協(xié)議基礎(chǔ)上增加了動態(tài)路由算法，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段（以下簡稱“初始化階段”）建立可用路由記錄表，這樣在節(jié)點有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的時候直接查找路由表中的下一跳節(jié)點id，將節(jié)點id 封裝到ADV 包中，接收節(jié)點收到ADV 包后首先匹配id，只有當(dāng)ADV 包中的id 信息（用變量nexthop_表示）與自身id 相同時，才判斷是否已經(jīng)有該數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行后續(xù)的工作。從而保證了一個數(shù)據(jù)包只被無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一條鏈路傳輸。

D-SPIN協(xié)議在建立路由表階段，將可用的鄰居節(jié)點（處于正常工作狀態(tài)并且可以到達(dá)的鄰居節(jié)點）id 都記入路由表中，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)時，使用隨機選擇算法從路由表中隨機選擇節(jié)點直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

此路由建立算法用在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，通過此算法在每個節(jié)點上建立可用路由表。當(dāng)節(jié)點監(jiān)測到檢測對象變化情況或者網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)需要節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時，節(jié)點即可隨機讀取可用路由表中的一條記錄作為下一跳地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

與SPIN協(xié)議的原始過程相對比，路由建立算法在節(jié)點“有數(shù)據(jù)需要發(fā)送”這一狀態(tài)和“發(fā)送ADV消息”這一動作之間。見圖1。

圖1 D-SPIN協(xié)議路由建立算法

2.1.2 D-SPIN 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)正常工作階段算法改進(jìn)D-SPIN 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)初始化完成以后即進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)正常工作階段，以下簡稱“正常工作階段”。在正常工作階段，協(xié)議的算法比起初始化階段大為簡化，相比SPIN 協(xié)議原始工作流程圖僅僅多了維護(hù)可用路由表的工作。只要節(jié)點路由表中還有可用路由（可用路由記錄指：該路由表nexthop_變量所代表的節(jié)點可達(dá)，并且處于正常工作狀態(tài)或可以被喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)），就不會再次啟用路由建立算法。只有當(dāng)節(jié)點路由表中已經(jīng)沒有可用路由才會使用路由建立算法重建可用路由表。

維護(hù)可用路由表的工作分為兩部分，分別由發(fā)送節(jié)點（源節(jié)點或者轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點）和接收節(jié)點完成。分工如下。

①發(fā)送節(jié)點：在原始流程中“生成ADV包”動作之后，“發(fā)送ADV消息”之前這個區(qū)間內(nèi)加入了對下一跳路由記錄（本文中等價于“下一跳id 記錄”，即變量“nexthop_”所示）的判斷，并且隨機讀取一個下一跳id記錄到ADV包中專門預(yù)留的地址字段，文章中用變量“id_”表示。如果無可用的下一跳id 則節(jié)點自動啟用路由建立算法獲取并更新可用路由表。如果成功讀取了可用的下一跳id 并已經(jīng)正確添加到ADV包的“id_”字段，則發(fā)送該ADV包，接下來的工作與SPIN原始協(xié)議流程圖相同。見圖2。

圖2 發(fā)送節(jié)點算法改進(jìn)

②接收節(jié)點：在正常工作狀態(tài)，接收節(jié)點在收到ADV消息后，先讀取ADV包中的“nexthop_”變量（即上一跳節(jié)點指定的id字段值），將讀取的nexthop_存放到一個臨時變量hop 中，判斷hop 的值是否等于自身的id，如果不相等，則不作進(jìn)一步的判斷，直接丟棄ADV 包；如果hop 的值與自身id 相等，則表示該包確實是發(fā)給自己的，就對ADV聲明的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，同時核對自己是否已經(jīng)有該數(shù)據(jù)包DATA，如果已經(jīng)有該DATA，就對該ADV 消息進(jìn)行簡要記錄，以便在一段時間內(nèi)用于判斷是否有重復(fù)的包送達(dá)，在一段規(guī)定的時間后，該ADV 自動失效。接下來的過程與原始SPIN協(xié)議流程一致。見圖3。

圖3 接收節(jié)點算法改進(jìn)

2.2 D-SPIN適用環(huán)境D-SPIN協(xié)議，保留了SPIN協(xié)議的諸多特點：平面路由協(xié)議，以數(shù)據(jù)為中心，能量管理機制，資源自適應(yīng)，使用元數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)等。因此SPIN 協(xié)議適用的環(huán)境D-SPIN 協(xié)議都適用。具體而言，主要用于可以形成平面或者直線的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)均可以采用D-SPIN協(xié)議，比如橋梁監(jiān)控，公路路況監(jiān)控，交通監(jiān)控，鐵路監(jiān)控，甚至通過在潛艇上部署以用來檢測水流速等。

在移動環(huán)境中D-SPIN協(xié)議仍然適用。D-SPIN協(xié)議對節(jié)點使用了唯一標(biāo)識，并且必須保證下一跳信息即“nexthop_”變量與使用的唯一標(biāo)識一致，這樣的設(shè)計保證了對移動節(jié)點的有效標(biāo)識。但為了準(zhǔn)確地對移動節(jié)點引起的路由變化進(jìn)行準(zhǔn)確的識別并更新，不論是否還有可用路由記錄，必須根據(jù)移動節(jié)點的移動速度制定具體的路由更新計劃。如果移動節(jié)點的移動速度快，即需要縮短更新周期，如果移動節(jié)點的移動速度較慢，就可以將路由表更新周期相應(yīng)延長。

3 性能分析

為了對新協(xié)議D-SPIN 的性能進(jìn)行評價，本文利用NS2 仿真平臺對SPIN，D-SPIN 兩個協(xié)議進(jìn)行仿真。仿真環(huán)境在100M*100M 的區(qū)域內(nèi)隨機部署100個節(jié)點，仿真參數(shù)包括系統(tǒng)吞吐量、丟包率和節(jié)點的傳輸時延。通過編寫tcl腳本對協(xié)議測試，編寫awk 腳本對仿真結(jié)果提取數(shù)據(jù)計算協(xié)議的參數(shù)指標(biāo)，使用gnuplot畫圖工具繪制效果圖。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比圖，見圖4。從實驗結(jié)果來看，D-SPIN 協(xié)議的吞吐量在網(wǎng)絡(luò)工作一段時間后比起SPIN協(xié)議有所提高，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段略低于SPIN 協(xié)議，但是在系統(tǒng)穩(wěn)定之后，D-SPIN 協(xié)議比SPIN協(xié)議在吞吐量方面提高約5.6%。

圖4 系統(tǒng)吞吐量對比圖

兩個協(xié)議的對比曲線，見圖5。D-SPIN 協(xié)議丟包率全程都低于SPIN，并且穩(wěn)定在一個較低的范圍，同時可以看出，D-SPIN協(xié)議比SPIN協(xié)議的丟包率減少了11%。

圖5 丟包率對比曲線

傳輸時延比對比圖，見圖6，傳輸時延在網(wǎng)絡(luò)開始時比較明顯，高于SPIN 協(xié)議，但是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后維持在一個較低的比值范圍，D-SPIN 協(xié)議比SPIN 協(xié)議的傳輸時延節(jié)省約45%，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖6 傳輸時延比對比圖

由于網(wǎng)絡(luò)初始化階段需要建立路由，而沒有現(xiàn)成的可用路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的時間會比SPIN協(xié)議長，表現(xiàn)出的特征就是前期時延比較大。在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，由于節(jié)點已經(jīng)建立了可用路由表，可直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而節(jié)點在接收數(shù)據(jù)時使用了id 匹配后才接收，這樣不僅傳輸效率提升了，網(wǎng)絡(luò)吞吐量即有所上升，丟包率和傳輸時延有所下降并保持在一個較低水平。

4 結(jié)論

在分析SPIN 協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種動態(tài)路由信息協(xié)商傳感器協(xié)議D-SPIN 協(xié)議，其在SPIN 協(xié)議基礎(chǔ)上加入了動態(tài)路由表建立算法和驗證下一跳id選擇性轉(zhuǎn)發(fā)策略，并利用NS2仿真軟件對算法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，D-SPIN 算法在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、丟包率和網(wǎng)絡(luò)時延等性能參數(shù)上有較大的提高。同時，D-SPIN 協(xié)議仍然保持了SPIN 協(xié)議的諸多優(yōu)點，而提供了較多的可改進(jìn)和擴展空間。但是路由表的建立同樣會增加節(jié)點負(fù)擔(dān)，增加能耗成本，這將是下一步工作的方向。

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