劉鵬飛，劉 銘 ，劉赟卓，徐 楊（電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 成都 611731）

基于素數(shù)地址的動態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

劉鵬飛，劉 銘 ，劉赟卓，徐 楊
（電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 成都 611731）

針對分層式路由協(xié)議在建立整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜鬅o法動態(tài)維護(hù)的缺點，本文修改了現(xiàn)有分層路由機(jī)制中節(jié)點地址的分配方法，提出素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議。該協(xié)議利用素數(shù)乘積分解的唯一性，使得節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置能被明確表示出來且可以動態(tài)修改。通過仿真實驗，對比常見的LEACH、SPIN和DD這3種路由協(xié)議，本文提出的D-HiPr路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存時間、傳輸時延等方面表現(xiàn)更優(yōu)，很好地滿足異構(gòu)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

動態(tài)路由；分層路由；素數(shù)地址；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

基于上述研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于素數(shù)的動態(tài)分層路由協(xié)議（dynamical hierarchical routing protocol with prime numbers，D-HiPr）。該協(xié)議基于素數(shù)地址設(shè)計，實現(xiàn)分層路由協(xié)議，在低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中建立動態(tài)地址分配機(jī)制以支持節(jié)點的移動，滿足網(wǎng)絡(luò)動態(tài)化需求。

1 基于素數(shù)地址的分層路由協(xié)議

1.1 素數(shù)地址分配

D-HiPr路由協(xié)議是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分層路由協(xié)議，該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)形成樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的層次型路由協(xié)議支持的樹形結(jié)構(gòu)只適用于分布均勻的網(wǎng)絡(luò)，同時對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的動態(tài)性支持不完善。本文所介紹的素數(shù)動態(tài)分層路由適用于非均勻分布的網(wǎng)路，并對于節(jié)點的移動性能夠更好地進(jìn)行支持。

圖1 素數(shù)地址分配實例

基于素數(shù)地址分配協(xié)議為每個節(jié)點分配一個16位的素數(shù)地址Ap，作為其16位短地址，該地址在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時由網(wǎng)關(guān)為節(jié)點分配。由于基于素數(shù)地址分配協(xié)議沒有路由表協(xié)議，因此，為了標(biāo)識到各節(jié)點的路徑，還需要將從網(wǎng)關(guān)開始到該節(jié)點的這條鏈路上的所有節(jié)點的16位素數(shù)短地址相乘，以形成各節(jié)點的位置標(biāo)識LID［9］（location identifier）。當(dāng)一個節(jié)點連接到一個網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點除了得到一個網(wǎng)關(guān)分配的素數(shù)地址外，還得到一個父節(jié)點的位置標(biāo)識Qp，節(jié)點將自己的16位素數(shù)短地址與父節(jié)點的位置標(biāo)識相乘，就形成了自己的位置標(biāo)識Qc，Qc=Ap×Qp。位置標(biāo)識表示從網(wǎng)關(guān)節(jié)點到現(xiàn)在所在節(jié)點所經(jīng)過的路徑，例如所經(jīng)過的路徑包括節(jié)點的素數(shù)地址為A1，A2，…，Ac，則Qc=A1×A2×…×Ac。利用以上兩種數(shù)據(jù)，就可以確定數(shù)據(jù)需要經(jīng)過的鏈路狀況，從而實現(xiàn)路由功能。例如，在圖1中，16位短地址為17的節(jié)點的LID為663=1×3×13×17。需要說明的是，雖然數(shù)字1不是素數(shù)，但對于一個多節(jié)點的傳感器系統(tǒng)而言，起始根節(jié)點以1作為標(biāo)識將直接簡化實際地址分配過程的計算強(qiáng)度與復(fù)雜度且更容易辨識。

1.2 基于素數(shù)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

在素數(shù)動態(tài)分層路由協(xié)議中，為了避免地址重復(fù)，所有的16位短地址都由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分配。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點先使用無線網(wǎng)絡(luò)中的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議［10］，將所有一跳范圍內(nèi)的節(jié)點都作為鄰居節(jié)點儲存到鄰居列表里，接著選擇鏈路狀況最好的路由節(jié)點作為父節(jié)點。在本文所介紹的組網(wǎng)方式中，當(dāng)節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，首先發(fā)送路由請求報文（router solicitation，RS），而不是等待路由節(jié)點發(fā)送路由公告報文（router advertisement，RA），這是考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點加入的不確定性，采用定期的路由公告發(fā)送不利于能量節(jié)約。其組網(wǎng)的過程中具體算法如下。

算法1：基于素數(shù)地址的組網(wǎng)算法

基于素數(shù)地址的組網(wǎng)算法如算法1所示，在該算法中，節(jié)點遞歸地加入到網(wǎng)絡(luò)中。首先，待加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)其自身包括剩余能量、通信帶寬等數(shù)據(jù)定義自身能力值（第2行），之后待加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲取其鄰居信息，并根據(jù)獲得的鄰居能力值將鄰居進(jìn)行由大到小的排序（第3、4行），并從排序好的鄰居列表中選擇第一個能力值大于待加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的父節(jié)點，而且其子節(jié)點數(shù)未超過設(shè)定最大值。選擇好父節(jié)點之后，待加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點向其發(fā)送組網(wǎng)申請，并最終獲得其素數(shù)地址和LID（第5～9行），組網(wǎng)過程繼續(xù)，直到所有節(jié)點均加入網(wǎng)絡(luò)。

節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，通過定期簡單的“Hello”信息交換機(jī)制檢測鄰居節(jié)點是否可達(dá)。如果節(jié)點檢測到鄰居發(fā)生了變化，則會做出判斷，如果是父節(jié)點發(fā)生了變化（例如節(jié)點移動到另一個地方），則需要重新在鄰居節(jié)點中選擇一個可以作為路由器的父節(jié)點，同時改變自己的位置標(biāo)識。如果父節(jié)點發(fā)現(xiàn)子節(jié)點發(fā)生變化，則將子節(jié)點刪除，因為這樣的變化極有可能是子節(jié)點離開。必須注意的是，子節(jié)點必須隨時注意父節(jié)點是否發(fā)生變化，如果父節(jié)點發(fā)生變化，則必須同步改進(jìn)自己的位置標(biāo)識。

2 基于素數(shù)地址的動態(tài)路由

當(dāng)節(jié)點得到自己的素數(shù)地址與位置標(biāo)識LID后，必須向網(wǎng)關(guān)發(fā)送位置標(biāo)識，網(wǎng)關(guān)獲取所有節(jié)點的位置標(biāo)識后，才能進(jìn)行路由。圖2展示了數(shù)據(jù)包的路由過程，其中，數(shù)據(jù)包所在的當(dāng)前節(jié)點為Node C，該節(jié)點的位置標(biāo)識為Qc，當(dāng)前節(jié)點所連接的父節(jié)點是Node P，位置標(biāo)識為Qp。數(shù)據(jù)包接受目的節(jié)點Node D，位置標(biāo)識為Qd。當(dāng)前節(jié)點下面還連接的子節(jié)點為Node Ki，位置標(biāo)識為Qkr。路由算法如下：

算法2：D-HiPr路由算法

在路由過程中，首先，在進(jìn)行路由之前當(dāng)前節(jié)點必須檢測父節(jié)點和子節(jié)點是否有效，即通過Hello Message機(jī)制檢查父節(jié)點和子節(jié)點是否在鏈路上，如果父節(jié)點不在鏈路上必須重新搜索父節(jié)點，并改變自己的位置標(biāo)識Qc；如果子節(jié)點不在鏈路上則直接將其從鄰居表中刪除。在檢查完父節(jié)點和子節(jié)點的有效性之后，將目的節(jié)點的位置標(biāo)識Qd與自身位置標(biāo)識Qc進(jìn)行比較（第2行），若差值大于0則將數(shù)據(jù)包需要傳遞給其子節(jié)點。首先將每個子節(jié)點的位置標(biāo)識Qkr與Qd相除（第3～5行），如果能整除就表示目的節(jié)點為當(dāng)前節(jié)點的子孫節(jié)點，則將數(shù)據(jù)包傳遞到相應(yīng)的子節(jié)點處（第6、7行）。如果其子節(jié)點位置標(biāo)識均不能被目的節(jié)點位置標(biāo)識整除，說明目的節(jié)點不是當(dāng)前節(jié)點的子孫節(jié)點，則丟棄數(shù)據(jù)包（第8、9行）；若Qd與Qc的差值等于0則表示數(shù)據(jù)包就是發(fā)送給該節(jié)點的（第12、13行）；若Qd與Qc的差值小于0則表示目的節(jié)點不可能處于當(dāng)前節(jié)點子孫節(jié)點處，則將數(shù)據(jù)包傳遞給其父節(jié)點（第14、15行）；數(shù)據(jù)包在傳遞之后，新接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點對其進(jìn)行同樣的判斷，直到數(shù)據(jù)包傳到目的地，完成路由過程。

圖2 數(shù)據(jù)包傳遞過程

3 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性支持與維護(hù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其節(jié)點個體的移動性和分布式性質(zhì)，因此網(wǎng)絡(luò)具有很高的動態(tài)性。又由于素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)劃分成為一個樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點的移動性會產(chǎn)生端節(jié)點移動和網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點移動的不同情況，而素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議對于端節(jié)點和骨干節(jié)點發(fā)生移動的處理方式各有不同。

3.1 網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點移動響應(yīng)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的端節(jié)點的位置發(fā)生變化時，其地址的分配可看作是一個新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的過程，而與傳統(tǒng)動態(tài)路由協(xié)議不同的是，移動的節(jié)點依然會保留自身已被分配的素數(shù)地址，在其重新組網(wǎng)時無需再向網(wǎng)關(guān)申請新的素數(shù)地址，而只需尋找到其新父節(jié)點后計算出自身的新LID并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)記錄。

如圖3中所例，傳感器網(wǎng)絡(luò)中61號節(jié)點從虛線位置移動到箭頭所指位置后，通過基本的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制尋找能力值最優(yōu)鄰居節(jié)點作為其父節(jié)點；在重新加入網(wǎng)絡(luò)后，該節(jié)點素數(shù)地址仍為61不變，僅將其LID由662765變?yōu)?05并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)保持通信。

圖3 素數(shù)地址動態(tài)路由協(xié)議動態(tài)支持舉例

3.2 網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點失效響應(yīng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點由于能量耗盡、硬件故障以及不可預(yù)知的移動都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)路由出現(xiàn)錯誤，而其中骨干節(jié)點的失效直接使得節(jié)點間的通訊距離增大，增加傳輸能耗，甚至破壞網(wǎng)絡(luò)連通性。因此，針對骨干節(jié)點失效帶來的網(wǎng)絡(luò)連通問題，需要單獨考慮。在一個骨干節(jié)點失效后，失效骨干節(jié)點的每個子節(jié)點都重新加入一次網(wǎng)絡(luò)的話，這就使得網(wǎng)絡(luò)效能的開銷直接增大。

算法3：基于素數(shù)路由的網(wǎng)絡(luò)重組算法

基于素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議設(shè)計了一個網(wǎng)絡(luò)重組機(jī)制，如算法3所示。首先，失效父節(jié)點的子節(jié)點都形成后裔樹，而與失效父節(jié)點直接相連的每個子節(jié)點都為一棵后裔樹的根節(jié)點，每棵后裔樹的根節(jié)點都從鄰居中掃描可用的父節(jié)點，并在保持后裔樹成員節(jié)點連接的情況下，選擇最優(yōu)的進(jìn)行連接，每個后裔節(jié)點無需再發(fā)送入網(wǎng)申請，而直接可以從其父節(jié)點處獲得新的LID，之后向網(wǎng)關(guān)發(fā)送所有的LID更改。

4 實驗結(jié)果與分析

為了更直觀地展現(xiàn)素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可行性及其路由效果，使用NS2作為實驗仿真平臺，設(shè)計了相關(guān)仿真實驗。

考慮傳統(tǒng)802.15.4/ZigBee無線傳感器節(jié)點特性，選擇連續(xù)流速度自適應(yīng)模型（continuous flow with rate adaption，CFRA）作為網(wǎng)絡(luò)傳輸基礎(chǔ)模式。該模式中數(shù)據(jù)包以穩(wěn)定且連續(xù)的形式傳輸，傳輸速率可從預(yù)設(shè)定中選取，因此節(jié)點能耗可通過網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行統(tǒng)計和調(diào)節(jié)。整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信能耗即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點在通信階段所消耗能量的總和。假設(shè)傳感器接收和發(fā)送的能耗相同［11］，則傳感器節(jié)點每收到一個數(shù)據(jù)包的能耗可設(shè)定為：

式中，k為數(shù)據(jù)包長度；ecos為傳輸單位比特能耗。傳感器節(jié)點每傳遞一個數(shù)據(jù)包的能耗可設(shè)定為：

式中，dis表示傳輸距離；a表示節(jié)點硬件能耗。因此可以得出傳感器節(jié)點進(jìn)行中繼傳輸?shù)哪芎臑椋?/p>

基于上述多傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗模型，針對不同協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模設(shè)計相應(yīng)實驗，具體參數(shù)由相應(yīng)實驗場景設(shè)定。

4.1 多協(xié)議能耗對比

為了驗證本文設(shè)計的素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議降低網(wǎng)絡(luò)能耗的實際應(yīng)用效果，本文對比了其與傳統(tǒng)LEACH、SPIN以及定向擴(kuò)散（directed diffusion，DD）協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間。在本項實驗中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為10×10的規(guī)則柵格布局，所有節(jié)點都具有相同的初始能量值，且傳感器傳輸一個數(shù)據(jù)包消耗相同的能量值，即每一輪所有節(jié)點均發(fā)送/接受數(shù)據(jù)包，同時每個節(jié)點的能量值隨發(fā)送/接受的過程不斷減少，直到最后能量耗盡。實驗重復(fù)6 000次。

實驗結(jié)果如圖4所示，其中縱坐標(biāo)表示活躍節(jié)點數(shù)，橫坐標(biāo)便是數(shù)據(jù)包數(shù)次數(shù)，方格線代表本研究設(shè)計的素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議。通過實驗結(jié)果不難看出，LEACH協(xié)議在運行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，同時協(xié)議缺乏有效機(jī)制實現(xiàn)簇頭節(jié)點均勻分布。因此，隨機(jī)選取使得簇頭節(jié)點會以一定概率集中在某一區(qū)域，這樣就會使得一些節(jié)點的周圍沒有任何簇頭節(jié)點，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗分布不均勻，一旦簇頭節(jié)點死亡，會快速造成網(wǎng)絡(luò)中的能量黑洞區(qū)域。

SPIN路由協(xié)議的源節(jié)點在傳輸新數(shù)據(jù)時，直接向鄰居節(jié)點廣播消息。沒有考慮當(dāng)有多個鄰居節(jié)點都在能量充足，都愿擔(dān)任數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色時，將出現(xiàn)“盲目轉(zhuǎn)發(fā)”問題；同時由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量低于設(shè)定閾值或目的地超出當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)范圍等原因，也會導(dǎo)致部分“數(shù)據(jù)不可達(dá)”的問題；而DD路由協(xié)議在周期性的flooding機(jī)制影響下，其能量和時間開銷都比較大，同時節(jié)點需要維護(hù)一個興趣消息列表，代價較大。

圖4 不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間對比

因此，通過對比實驗可以看出，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中比較常見的LEACH、SPIN和DD三種路由協(xié)議來說，本研究設(shè)計的基于素數(shù)的動態(tài)路由協(xié)議，實驗中隨著數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的持續(xù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的生存時間遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的路由協(xié)議。

4.2 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下傳輸延遲對比

在本實驗中，主要對比在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，傳統(tǒng)的分層路由協(xié)議LEACH與素數(shù)動態(tài)路由的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延對比，實驗結(jié)果如圖5所示。統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點繁忙度從0～100％的有效實驗過程，實驗對比了在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，即網(wǎng)絡(luò)中具有100個、400個、700個和1 000個節(jié)點時傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議與素數(shù)動態(tài)路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時延對比。

圖5 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的傳輸時延對比

從如圖5所示的實驗結(jié)果中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的逐漸增加，任意網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中的繁忙節(jié)點數(shù)逐漸增加，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲也在不斷增加。其中LEACH協(xié)議的基本思想在于以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，LEACH協(xié)議在運行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用LEACH協(xié)議時，都需要有一個簇的建立時間，因此LEACH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)延遲一直較高。

本文設(shè)計的基于素數(shù)的動態(tài)路由協(xié)議實現(xiàn)了一種較直接的尋路方法，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包能夠更快地到達(dá)目的節(jié)點，快捷而簡單的計算方式大大降低了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的能耗。同時，有效改善了網(wǎng)絡(luò)中因簇頭或網(wǎng)關(guān)節(jié)點因頻繁轉(zhuǎn)發(fā)而帶來的高延遲和網(wǎng)絡(luò)擁塞。考慮實際應(yīng)用中，通常并非所有的數(shù)據(jù)包都需要發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，尤其是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，多終端的動態(tài)接入對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的查詢或調(diào)用，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負(fù)載往往過重。而素數(shù)動態(tài)分層路由協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點，只要知道目的地的乘積地址，即可實現(xiàn)直接路徑通信，從而有效減少網(wǎng)關(guān)處帶寬的壓力。

而隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變大，整個系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點處理時延和傳輸時延都有所上升，同時網(wǎng)內(nèi)繁忙節(jié)點數(shù)量的增加也加劇了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。通過不同規(guī)模的實驗可以發(fā)現(xiàn)，基于素數(shù)的動態(tài)路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的分層路由協(xié)議LEACH。

5 結(jié)論

本文提出并構(gòu)建了基于素數(shù)的動態(tài)分層路由協(xié)議，該協(xié)議適用于低功耗IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不需要路由表，只需要維護(hù)鄰居緩存的內(nèi)容即可完成網(wǎng)內(nèi)路由。基于素數(shù)短地址與其他節(jié)點的短地址乘積得出的位置標(biāo)識LID，即確定數(shù)據(jù)包發(fā)送的方向，進(jìn)而實現(xiàn)路由功能。該協(xié)議利用素數(shù)乘積分解的唯一性原理，使得節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置能被明確表示出來，且可以動態(tài)修改。最后基于網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，給出了對比試驗，分別在相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下網(wǎng)絡(luò)生存時間、不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下傳輸延遲方面，將提出的基于素數(shù)的路由協(xié)議與傳統(tǒng)路由協(xié)議進(jìn)行了對比，試驗結(jié)果也充分說明了基于素數(shù)路由的有效性和可行性。

最后，對本文工作有如下討論。首先，本論文的研究僅基于網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對提出協(xié)議進(jìn)行了驗證，還沒有在實際物理網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試，得出試驗數(shù)據(jù)與實際應(yīng)還有差距，整個協(xié)議的完整度和功能還有待進(jìn)一步提升；其次，協(xié)議的安全性是動態(tài)路由協(xié)議的一個核心問題。本文的設(shè)計建立在適用于家庭或醫(yī)院等低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為主要場景下。在這一場景下，對于安全性具有一定局限性并基于兩點假設(shè)：1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)同時作為防火墻防止互聯(lián)網(wǎng)惡意程序訪問網(wǎng)關(guān)內(nèi)的傳感器節(jié)點，并由網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全性和避免被惡意篡改。2）由于目前考慮的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大，并在應(yīng)用場景中可以在網(wǎng)絡(luò)部署階段對傳感器節(jié)點進(jìn)行安全性接入認(rèn)證，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部安全性比較容易保證。然而當(dāng)設(shè)計的基于素數(shù)的動態(tài)路由協(xié)議應(yīng)用于具有較大規(guī)?；虼嬖趷阂鈹?shù)據(jù)接入的應(yīng)用場景下時（例如在軍事應(yīng)用中），其安全性設(shè)計仍具有很大的挑戰(zhàn)，同時也是未來在素數(shù)路由協(xié)議機(jī)制研究上的一個重要工作。

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編輯 蔣 曉

The Dynamic Wireless Sensor Network Routing Protocol Based on Prime-Numbered Addresses

LIU Peng-fei，LIU Ming，LIU Yun-zhuo，and XU Yang
（School of Computer Science and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731）

One key disadvantage identified with the hierarchical routing protocol is the lack of capacity to dynamically maintain the network topology after the establishment of an entire network topology.In this paper，a new routing protocol is proposed for short address allocation，which named dynamical hierarchical routing protocol with prime numbers.This protocol utilizes a unique decomposition product of prime numbers，and makes the networked position of the node can be represented explicitly and can be modified dynamically.The analysis of simulation results proved that，the D-HiPr routing protocol takes more advantage than LEACH，SPIN and DD routing protocols in the fields of the network survival time and the transmission delay，in addition，the D-HiPr routing protocol well meet the heterogeneous wireless sensor network applications.

dynamical routing；hierarchical routing algorithm；prime numbered address；wireless sensor network基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1-2］是近年來一個熱門研究領(lǐng)域，而其中設(shè)計基于低功耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的快速路由機(jī)制更是一個研究熱點。文獻(xiàn)［3］對傳統(tǒng)的MANET（mobile Ad-hoc networks）應(yīng)用中動態(tài)地址分配算法和路由算法作了較全面的概述，其中一個特點就是，復(fù)雜的算法設(shè)計往往在節(jié)點過多或節(jié)點動態(tài)移動的情形下容易造成子節(jié)點地址的沖突或路由失效，算法執(zhí)行代價過高，如：重復(fù)地址檢測算法（duplicate address detection，DAD）［4］或者弱重復(fù)地址檢測算法（weakDAD）［5］雖然解決了地址分配的唯一性問題，但算法設(shè)計相對復(fù)雜；AAA算法［6］為即將加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點預(yù)先分配了一個地址區(qū)段，每個加入節(jié)點的地址都會從這個區(qū)段中進(jìn)行隨機(jī)選擇；MANETconf算法［7］假設(shè)每個節(jié)點都儲存著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點可能需要的地址，當(dāng)新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，從其鄰居節(jié)點就可以獲得需要的地址。但對于低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，這種硬件設(shè)計受限的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用限制是不適用的；文獻(xiàn)［8］提出基于小型系統(tǒng)的專用節(jié)點地址分配，然而對于無基站的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣不適用。

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.05.020

2015-02-21；

2015-06-15

國家自然科學(xué)基金（61370151，61202211）；國家科技重大專項（2015ZX03003012）

劉鵬飛（1985-），男，博士，主要從事分布式人工智能、傳感器網(wǎng)絡(luò)及多智能體系統(tǒng)方面的研究.