适合无线传感器网络的路由算法MSAODV

引言
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。本文在AODV路由协议的基础上,提出了一种全新的路由协议—MSAODV协议,这种路由算法适合在微型无线传感器网络上使用。
2 MSAODV路由算法的基本思想与算法原理
2.1 路由算法的基本思想
在研究了AODV路由协议之后,本文提出了一种全新的路由算法,这种路由算法适合在微型无线传感器网络上使用,又由于是基于AODV路由协议之上,故称之为MSAODV(Micro- Sensor Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm)路由协议。
无线传感器网络与传统无线移动网络有区别,无线传感器网络最关心的是整个网络的成存周期,而传统无线移动网主要关心的是网络拓扑变化情况下可靠传输质量。微型无线传感器网络中的节点具有体积小,功耗小,通信距离短等特点,他们应用的场合非常广泛,像战场敌方信息采集,森林火灾监控等,这些场合往往是一些无人区,传感器节点抛撒到这些地方再回收的可能性非常小,所以节点的功耗决定了他的使用时间。针对这些特点,MSAODV路由算法采用了按需查询方式,他简单实用,易于扩充,协议开销小,应用了这种路由算法传感器节点大部分时间都可以处在睡眠状态,这样就延长了节点的使用时间,适合无线传感器网络的使用环境。
2.2 MSAODV路由算法原理
MSAODV路由协议算法是在AODV路由协议的基础上改进演化而来的,他继承了AODV路由算法的许多特点,但是又与AODV路由协议算法有所不同。无线传感器网络的体系结构将有助于设计MSAODV路由协议算法,图1显示了无线传感器网络的体系结构。
MSAODV路由算法同样假设网络中的所有链路都是双向对称的,即某个源节点通过一条路由可以到达无线网络中的某个目的节点时,该目的节点同样也可以通过这条路由的反向路由回到源节点。MSAODV路由协议同样是一种按需的距离向量路由协议,具有按需路由协议的特点,网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组,而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由:同时具有距离向量路由协议的一些特点,即各节点路由表只维护本节点到其他节点的路由,而无须掌握全网拓扑结构。

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图1 无线传感器网络体系结构
MSAODV路由协议中只有两种类型的消息控制帧:路由请求RREQ和路由应答RREP。和AODV路由协议一样,当源节点需要发送数据而又没有到目的节点的有效路由时,启动一个路由发现过程:向网络广播一个路由请求包RREQ,中间节点转发该路由请求,收到请求的目的节点以单播的方式向源节点返回一个RREP包,RREP沿着刚建立的逆向路径传输回源节点,源节点收到该RREP包后则开始向对应目的节点发送数据。在路由请求包的正向传播过程中,网络中能收到该路由请求的节点都建立起了到源节点的反向路由,当目的节点收到路由请求而回送路由应答时,逆向路径上的节点又建立了前向路由。整个MSAODV路由发现过程如图2所示,a图表示的是反向路由的建立过程,节点S需要和节点D通信,但是他没有节点D的路由,所以节点S发起到节点D的路由请求,节点S广播一个路由请求包,收到路由请求包的节点转发节点S的请求,最终节点D收到了节点S的路由请求包,这个过程建立了节点S到节点D的反向路由;b图表示的是由节点S到节点D前向路由的建立过程,当节点D收到节点S的路由请求包后,他要给节点S回送一个路由应答包,顺着刚才建立的反向路由,应答包最终被节点S成功接收,在此过程中节点S又建立了到节点D的前向路由。

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图2 MSAODV路由建立过程
3 MSAODV路由中的路由表与协议帧的格式
3.1 MSAODV路由协议路由表
网络中的每一个节点都有这样的一个路由表,该表保存了对应节点的路由信息,由于各个节点在网络中的位置不同,因而他们的路由表项也不相同,例如在图2(b)中,a节点的路由表有两项,c节点的路由表也有两项,如表1所示。
表1 相关路由表

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由于MSAODV路由协议是AODV路由协议的改进演化,所以与AODV路由协议帧类似,MSAODV路由协议也包括RR卫Q协议帧和RREP协议帧,但不包含RERR协议帧。不包含RERR协议帧会导致MSAODV协议在路由维护和错误处理上功能欠缺,但可以通过其他方法来弥补这个缺陷。
1 RREQ协议帧格式

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2 RREP协议帧格式

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4 MSAODV路由协议的操作
    由于MSAODV路由协议是对AODV协议的改进演化,所以MSAODV路由协议的操作与AODV路由协议的操作大同小异,为了清晰起见,对MSAODV协议的操作做一详细的介绍还是有必要的。
4.1产生路由请求
无线网络中某个节点需要和网络中的另一个节点通信时,他首先会查找自己的路由表,以确定是否有通往该目的节点的有效路由,如果有的话,从对应的目的节点路由表项中取出下一跳节点地址,然后构造数据包并把该数据包发往下一节点,如果不存在通往目的节点的路由,那么该节点就要发起一次路由请求。
4.2处理和转发路由请求
处理和转发路由请求是针对源节点和目的节点之间的中间节点而言。这些中间节点可能不止一个,在他们收到源节点广播的RREQ路由请求帧之后,必需处理和转发该路由请求帧。
在某个中间节点接收到源节点广播或者由其他节点转发的RREQ请求帧后,他首先会判定该RREQ请求帧是否己经被成功接收过,判断的依据就是源节点的IP地址和广播ID号,如果发现由源节点和广播ID唯一标志的RREQ请求帧是新的,也就是没收到过,就会根据此RREQ请求帧更新自己路由表中对应的项。很显然,该路由表项的目的节点IP字段就是是源节点IP地址,下一跳IP地址就是发送此RREQ请求帧的节点IP地址,有可能是源节点也有可能是另一个中间节点。接下来此中间节点判断该RREQ请求帧的目的IP是不是就是自己,如果是就回送一个RREP回应帧,不是就转发该RREQ请求帧。
4.3产生路由应答
RREQ经过中间节点的转发到达目的节点或者是直接到达目的节点后,目的节点要进行相应的处理。
目的节点收到RREQ请求包,首先会判断是否已经收到过此请求包,如果没有收到过则更新自己相应的路由表项,目的节点把该路由表项的目的IP更新为源节点的IP地址,下一跳IP为发给他RR卫Q请求帧的节点IP,目的节点序列号填上源节点的序列号,该序列号在RREQ请求帧里,跳数直接从RREQ请求帧里拷贝。在确认请求的节点就是自己后,目的节点要给源节点发送一个RREP应答帧,接下来目的节点构造一个RREP应答帧并正确初始化该帧。类型字段为2,表示该帧是RREP应答帧。跳数字段为0,因为是目的节点发起的RREP应答帧。目的节点产生一个RREP应答包之前,必需更新自己的序列号,更新值为当前序列号与RREQ请求包中的目的序列号两者中的最大值,目的序列号字段被初始化为这个最大值。源IP地址指的是发起RREQ请求帧的源节点的IP地址,而不是指目的节点的IP地址,同样的,目的IP地址就是目的节点的IP地址,也就是发起RREP应答帧的节点IP地址。
在目的节点构造好RREP回应帧后,就要把该帧以单播的形式沿着反向路由传送,他的下一跳节点IP地址是发给他RREQ请求帧的节点地址,可能是某个中间节点,也可能是源节点。一切准备就绪,目的节点按照退避算法发送该帧。
4.4接收和转发路由应答
由于无线网络的特点,尽管目的节点是以单播的形式向源节点回送RREP回应帧,但是网络中的很多节点也能接收到该帧,当然,这些节点只是简单的丢弃该帧,只有反向路由上的节点才会接收该RREP回应帧。反向路由上的节点会沿着反向路由顺利的把RREP回应帧传给源节点,同时他们也根据此RREP回应帧建立了前向路由。该节点下面要完成的工作就是把该RREP回应帧转发出去。他要知道下一跳节点的IP地址,以RREP回应帧中的源节点IP地址为关键字查找路由表,得到下一跳节点的IP,这个表项是在建立反向路由时建立或更新的。该中间节点在完成上面的步骤后,以退避算法转发该RREP回应帧。与RREQ请求帧的转发不同,R.REP回应帧的转发是单播的,他不会像R.REQ请求帧那样可能被转发多次,所以R.REP回应帧的字段里不存在广播ID。
4.5新节点加入
无线传感器网络中的节点在开机或重启之后,会向网络广播一个RESET消息,网络中的其他节点收到此RESET消息后会转发该帧,最后主节点收到该帧。新节点在RESET消息帧里携带自己的IP地址,这样当主节点收到该帧后就可以知道是哪个节点重启。
收到RESET消息帧的其他节点首先查找自己的路由表看是否有主节点的IP地址,如果有就以单播的形式发送该帧,反之则继续广播此RESET消息帧。每个节点都要保存上一次他收到的RESET消息帧中的源节点IP地址,下次再收到RESET消息帧首先要比较源IP地址是否和保存值相同,相同就不再转发该帧,在经过一段时间后,将保存值清零,这样就避免了重复转发同一个RESET消息帧,又避免了不再转发下次的RESET消息帧。
4.6其他操作
除了前文描述的产生路由请求、处理和转发路由请求、产生路由应答、接收和转发路由应答、新节点加入等主要操作外,MSAODV路由算法余下的操作可以参考第二章介绍的AODV路由算法。
5 本文作者创新点
AODV路由算法应用在无线传感器网络中有一定的局限性,不能很好得适合无线传感器网络的体系结构。以无线传感器网络与传统移动无线网着重点不同为依据,本文提出了适合无线传感器网络的路由算法MSAODV,并详细叙述分析了MSAODV路由算法。