陳瑤,李鳳麟

摘要：本文討論了定向擴(kuò)散協(xié)議的概念，主要闡述了該協(xié)議的工作原理及機(jī)制，建立了仿真模型并基于NS2平臺(tái)根據(jù)不同參數(shù)設(shè)置場(chǎng)景，進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞：WSN；定向擴(kuò)散；NS2

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）47-0068-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)不僅具有基本的數(shù)據(jù)感知功能，還可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理并以無(wú)線的方式互相通信。該技術(shù)是當(dāng)前的高校以及企業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。定向擴(kuò)散協(xié)議（Directive Diffusion）是無(wú)線傳感網(wǎng)中一種典型的路由協(xié)議，該協(xié)議確定了傳感器節(jié)點(diǎn)的命名機(jī)制、節(jié)點(diǎn)之間通信的模式，并有其獨(dú)有的擴(kuò)散算法，在此基礎(chǔ)上具有可擴(kuò)展的功能。

一、定向擴(kuò)散協(xié)議概念及其原理

定向擴(kuò)散協(xié)議是無(wú)線傳感網(wǎng)中的一種數(shù)據(jù)分發(fā)模式。首先該協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的，具有其獨(dú)特的數(shù)據(jù)命名方法，命名主要采用屬性值的方式，參與傳播的數(shù)據(jù)都是已命名的數(shù)據(jù)。并且該協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制，該機(jī)制引入了興趣與梯度的概念。興趣即節(jié)點(diǎn)的查詢請(qǐng)求，包含其所需信息的特征，包括屬性列表、地理區(qū)域、數(shù)據(jù)類別等信息。梯度是在洪泛過(guò)程中建立的，包含屬性和方向等信息，并且根據(jù)興趣的擴(kuò)散實(shí)時(shí)更新。節(jié)點(diǎn)之間的通信則采用發(fā)布—訂閱的模式。

定向擴(kuò)散主要有以下三個(gè)步驟：興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)。首先是興趣擴(kuò)散。需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)采用洪泛的方式向其通信范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送興趣（Interest），請(qǐng)求其他節(jié)點(diǎn)查詢是否含有其所需的數(shù)據(jù)，收到興趣的節(jié)點(diǎn)如果不包含滿足興趣的信息則對(duì)興趣進(jìn)行緩存與合并，即如果通過(guò)多條路徑收到同樣的興趣則進(jìn)行合并，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)播，直到遇到包含符合興趣的信息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在此過(guò)程中同時(shí)建立該無(wú)線傳感網(wǎng)中各條路徑的梯度（Gradient），梯度中屬性值根據(jù)數(shù)據(jù)速率與地理信息等來(lái)確定，方向由接收興趣的節(jié)點(diǎn)指向發(fā)送興趣的那個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也引導(dǎo)了數(shù)據(jù)擴(kuò)散的方向。根據(jù)其梯度對(duì)不同路徑進(jìn)行對(duì)比，選擇傳輸?shù)淖罴崖窂健０l(fā)送興趣的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了滿足興趣的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之后，沿建立梯度的方向發(fā)送一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)中間結(jié)點(diǎn)收到來(lái)自不同路徑的探測(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇一條高效路徑進(jìn)行加強(qiáng)。最后使用此加強(qiáng)路徑從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向發(fā)送興趣的節(jié)點(diǎn)傳輸其所需的信息。

二、定向擴(kuò)散協(xié)議核心機(jī)制研究

1.發(fā)布—訂閱模式。定向擴(kuò)散協(xié)議不能用場(chǎng)景生成器的那種方法運(yùn)行，因?yàn)槎ㄏ驍U(kuò)散采用發(fā)布訂閱的模式通信，需要指定subscribe和publish，和其他adhoc路由協(xié)議的運(yùn)行方法不一樣。比如在1個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，4個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景中，需如下定義：

#1 ping sender

for{set I 0}{$i<$opt（sndr）}{incr i}{

set src_（$i）[new Application/DiffApp/PingSender/TPP]

$ns_attach-diffapp $node_（[expr $i + 2]） $src_（$i）

$ns_ at [expr 0.123*[expr 1+$i]] “$src_（$i） publish”

$src_（$i） set fid_ 1

}

#4 pin receivers

for {set I 0} {$i < $opt（rcvr）}{incr i} {

set snk_（$i） [new Application/DiffApp/PingReceiver/TPP]

$ns_attach-diffapp $node_（[expr $opt（nn）-1-$i]）$src_（$i）

$ns_ at [expr 1.156*[expr 1+$i]] “$snk_（$i） subscribe”

}

把發(fā)布興趣的節(jié)點(diǎn)定義為Sinks即數(shù)據(jù)接收者。為數(shù)據(jù)接收者傳遞其采集的信息的節(jié)點(diǎn)定義為數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)與任務(wù)都遵守其特定的命名機(jī)制。擴(kuò)散算法則使數(shù)據(jù)源采集的信息能夠最高效地傳遞其數(shù)據(jù)接收者。

2.命名機(jī)制。定向擴(kuò)散協(xié)議的命名機(jī)制比較靈活，不管是與應(yīng)用層接口還是與本協(xié)議的通信方式都能保持一致，該機(jī)制在作用時(shí)以數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，這也是定向擴(kuò)散協(xié)議的一個(gè)重要特點(diǎn)。即以數(shù)據(jù)需求為首要條件，命名時(shí)為對(duì)數(shù)據(jù)的要求，再來(lái)確定含有所需數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，并確定路徑。而不是以節(jié)點(diǎn)為中心，先考慮哪些節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。該機(jī)制也滿足點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，非常方便靈活，不局限于端到端。

3.數(shù)據(jù)擴(kuò)散算法。與其他Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，發(fā)布—訂閱模式是定向擴(kuò)散協(xié)議的特有模式。該模式為應(yīng)用層提供了標(biāo)準(zhǔn)接口以便傳感網(wǎng)相關(guān)編程。數(shù)據(jù)源與接收者的確定由命名機(jī)制決定。數(shù)據(jù)源與接收者之間具體傳輸數(shù)據(jù)的路徑則由數(shù)據(jù)擴(kuò)散算法來(lái)決定。現(xiàn)今普遍使用的擴(kuò)散算法主要有兩階段拉擴(kuò)散、一階段拉擴(kuò)散和一階段推擴(kuò)散。

兩階段拉擴(kuò)散算法中，第一步，數(shù)據(jù)接收者創(chuàng)建一個(gè)興趣，包含其所需信息的屬性。采用洪泛的方式把興趣傳遞給其通信范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)。第二步，其鄰居節(jié)點(diǎn)收到興趣之后，記錄該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志，同時(shí)建立梯度。如該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有滿足條件的數(shù)據(jù)，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)興趣給鄰居節(jié)點(diǎn)。直到找到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)。第三步，確定數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)之后，源節(jié)點(diǎn)用泛洪的方式發(fā)送一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)給所有與之通信的鄰居節(jié)點(diǎn)。第四步，數(shù)據(jù)接收者收到最先發(fā)過(guò)來(lái)的探測(cè)數(shù)據(jù)后，確定該路徑為最高效路徑，向該路徑發(fā)送正增益，之后就可以通過(guò)該路徑與數(shù)據(jù)接收者進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。而在一階段推擴(kuò)散算法中，由本地記錄興趣屬性，數(shù)據(jù)源主動(dòng)發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)，以泛洪的方式傳遞到數(shù)據(jù)接收者。接收者對(duì)第一個(gè)收到的探測(cè)數(shù)據(jù)的路徑確定為最高效路徑，并發(fā)送增益消息，隨后的數(shù)據(jù)傳送都沿著該路徑。在一階段拉擴(kuò)散算法中，直接以最先獲得興趣的路徑為最高效路徑，不需要泛洪一個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)，也不需要增益消息。直接沿著最先獲得興趣的路徑來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

三、用NS2對(duì)定向擴(kuò)散協(xié)議進(jìn)行仿真

NS2是一種功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)以及組件的仿真。

對(duì)2階段拉算法在NS2之中的仿真，運(yùn)行仿真腳本程序2pp-10n-1s-4r.tcl（一共有十個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，4個(gè)接收節(jié)點(diǎn)），可以得到一個(gè)nam文件和一個(gè)trace跟蹤文件。由nam文件得到如圖1所示傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為10，藍(lán)色圓圈表示向周圍節(jié)點(diǎn)洪泛興趣，黑色圓圈表示洪泛探測(cè)數(shù)據(jù)，藍(lán)點(diǎn)代表數(shù)據(jù)在起選擇的高效路徑上的傳遞。

圖2是對(duì)產(chǎn)生的trace文件用gawk進(jìn)行分析得到，是對(duì)二階段拉算法十個(gè)節(jié)點(diǎn)和五個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)刻丟包率的分析。圖3是用awk ‘{print $2，$16} 2pp-10n-1s-4r.tr>2pp-10n-1s-4r.data語(yǔ)句對(duì)trace文件的第2列（表時(shí)間）和第16列（表節(jié)點(diǎn)能量）進(jìn)行提取，存入data文件中，并用gnuplot進(jìn)行繪圖。由圖可見(jiàn)，在100秒之內(nèi)耗能幾乎為0，也印證了定向擴(kuò)散協(xié)議的能量消耗是能小的。

四、結(jié)論

本文研究了定向擴(kuò)散協(xié)議的基本概念，并闡述了定向擴(kuò)散協(xié)議的核心工作機(jī)制，通過(guò)在NS2仿真器中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)從而對(duì)定向擴(kuò)散協(xié)議的算法進(jìn)行了仿真與分析。定向擴(kuò)散協(xié)議是一種適用于無(wú)線傳感網(wǎng)的路由協(xié)議，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)該協(xié)議的研究，利于傳感網(wǎng)的普適發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李善倉(cāng)，張克旺.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.