无线传感器网络中路由协议的研究

软件２０１１年第３２卷第６期　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　国际ＩＴ传媒品牌　无线传感器ＺｉｇＢｅｅ网络的路由协议研究　罗中良　汪华斌　刘刚。　（１．惠州学院电子科学系，广东惠州５１６００７；２．惠州学院计算机科学系，广东惠州５１６００７；　３．华南师范大学南海校区计算机工程系，广东佛山５２８２２５）　摘要：ｚｉｇＢｅｅ是一种专门为无线低速传感器和控制网络而设计的通信协议。ｚｉｇＢｅｅ路由协议是ｚｉｇＢｅｅ网络的关键技术，　直接影响网络的实际效能。本文对常见ｚｉｇＢｅｅ网络中的几种路由协议进行分析和研究，并通过ＮＳ２进行了仿真。结果表明，由　Ｃｌｕｓｔｅｒ—Ｔｒｅｅ与ＡＯＤＶｊｒ结合的协议在分组投递率、端对端平均延时、网络生存时间方面有较好的表现，为无线传感器网络的路由　协议算法选择及改进提供了依据。　关键词：无线传感器网络；路由协议；网络仿真　中图法分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００３—６９７０．２０１１．０６．０２２　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｌｕｏ　Ｚｈｏｎｇ．１ｉａｎｇ　，Ｗａｎｇ　Ｈｕａ．ｂｉｎ　，ＬＩＵ　Ｇａｎｇ　（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅ，ＨｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｉｚｈｏｕ　５１６００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐｔ．ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＨｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｉｚｈｏｕ　５１６００７，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｄｅｐｔ．ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｈａｉ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｏｓｈａｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５２８２２５，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＺｉｇＢｅｅ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ　ＺｉｇＢｅｅ　ｒｏｕｔ—　ｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ａｎｄ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ＮＳ２　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｒａｔｅ，ｔｈｅ　ｅｎｄ—　ｔｏ—ｅｎｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｄｅｌａｙ，ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｕｒｖｉｖａｌ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ　ａｎｄ　ＡＯＤＶｊｒ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ；Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０引　言　１　ＺｉｇＢｅｅ网络路由协议　近年来，无线移动通信技术迅速发展，新的技术不断出现。　红外、ＨｏｍｅＲＦ、蓝牙和８０２．１１等技术的出现又推动了无线个　人域网络（ＷＰＡＮ）的发展。ＺｉｇＢｅｅ是一种低成本、低功耗、　低速率、短距离的无线通信标准，工作在２．４ＧＨｚ的ＩＳＭ频段　上，传输速率为２０　ｋｂ／ｓ－２５０　ｋｂ／ｓ，传输距离为１０ｍ－７５ｍ。　ＺｉｇＢｅｅ是专门为低速传感器和控制网络而设计的无线网络　的通信规范，由ＩＥＥＥ８０２．１５．４小组和ＺｉｇＢｅｅ联盟共同制定。　ＩＥＥＥ８０２．１５．４主要规定了ＺｉｇＢｅｅ协议栈中的物理层与ＭＡＣ　层［１－２１，ＺｉｇＢｅｅ联盟则制定了ＺｉｇＢｅｅ协议栈中的网络层和应用　层，并在网络层上制定了应用程序的接口［３－５１。随着ＺｉｇＢｅｅ技　术的发展与完善，它的广泛应用必将为人们的日常生活带来极　大的方便和快捷。然而，其路由协议对网络的生存和数据传输　效率具有决定性作用，协议及其改进形式众多，本文就ＺｉｇＢｅｅ　中涉及的主流协议从地址分配规则、路由算法进行对比分析研　究，并通过仿真对它们在分组投递率、端对端传输延时、能量开　销、网络生命周期等方面性能进行对比研究。　为降低系统布署成本，ＺｉｇＢｅｅ网络将设备分为全功能设　备（ＦＦＤ，Ｆｕｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ）和精简功能设备（ＲＦＤ，Ｒｅ－　ｄｕｃｅｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ），其中ＦＦＤ设备可以做为ＺｉｇＢｅｅ网　络中的协调器节点、路由器节点或终端节点，而ＲＦＤ设备只能　做为ＺｉｇＢｅｅ网络中的终端节点采集数据。ＦＦＤ设备可以与　ＦＦＤ设备或ＲＦＤ设备通信，而ＲＦＤ设备只能直接与ＦＦＤ设　备通信，ＲＥＤ设备之间的通信必须通过ＦＦＤ设备中转［６－８１０　ＺｉｇＢｅｅ网络标准支持三种网络拓扑，即星形拓扑、树形拓　扑、网状拓扑。如图１：　（＝）　ｌＩＩ　：　（　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　１酷拓３Ｉ＂　●蝴嚣　辅髓　国吓Ｄ设箍　图１　ＺｉｇＢｅｅ网络的拓扑结构　基金项目：广东省自然科学基金（１０１５１６０１５０１０００００５）；广东高校优秀青年创新人才培育项目（ＬＹＭ１０１２２）；惠州市科技计划项目　（２０１０Ｂ０２０００８０１　１，２Ｏ１ＯＢＯ２ＯＯ０８０１６）　作者简介：罗中良（１９６８一），男，硕士，教授，研究方向：无线传感网络及监测系统　．　６７　・　网状斩扑　

第５卷第１２期　２０１３年ｌ２月　当代教育理论与实践　Ｔｈｅｏ￣ａｎｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ＶＯ１．５　Ｎ０．１２　Ｄｅｃ．２０１３　

无线传感器路由协议改进与仿真研究　

程　拮　

（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙４１００８３）　

摘要：无线传感器网络的节点受到能量限制，如何提高能量利用率，节约能量始终是无线路由协议研究的重要方向。　本文提出一种ＬＥＡＣＨ协议的改进机制，在分簇簇头节点确定过程中，充分考虑能耗因素，同时结合能耗计算实现与汇聚节　点多跳通信，仿真结果表明该算法能够有效延长网络生命周期。　

关键词：无线传感器网络；分簇路由；簇头；多跳　中圈分类号：０２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—５８８４（２０１３）１２—０１８２—０３　

一无线传感器网络及协议　

无线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，简称ＷＳＮ）　由大量的静态或动态的传感器在一定地理区域内自组织　

成无线网络，通常以多跳的方式构成。各节点协作地感知　

处理信息，经过数据融合后最终把这些信息发送给网络基　站。无线传感网络主要特点有自组织、无中心、微型、低成　

本低功耗等，而这些特点也给无线传感器网络带来一系列　

新问题，例如确保抗毁性和环境自适应、网络规模与可靠　性之间关系等，其中能耗利用问题对于整体网络生命周期　

有决定性影响。　

无线传感器网络中的网络路由技术的选择往往决定　网络性能，因此对于路由技术的研究一直是研究中热点所　

在。目前针对多种环境已经开发出大量路由协议，主要集　

中在网络中的ＭＡＣ层或者网络层。在网络层协议中，　ＳＰＩＮ、定向扩散路由协议、分簇路由协议、两层数据分发协　

议是其中比较成熟的路由算法协议。ＬＥＡＣＨ分簇路由协　

议是一种典型的自适应、高能效路由协议，同时具有简单　的数据融合算法，在路由协议的研究中受到广泛关注。　

分簇路由协议基本思想是按照某种拓扑结构，通常是　

总第２７１期　２０１２年第５期　计算机与数字工程　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．５　７２　

无线传感器网络路由协议安全研究　

严斌宇白林林苟旭　

（四川大学电子信息学院成都６１００６５）　

摘要路由算法是无线传感器网络（Ｗｉｒｄｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＳＮｓ）感知信息传输和汇聚的基础，作为多跳网络，ＷＳＮｓ有其自身的特　点，特别是在路由的安全性方面，需要进行深入的研究。文章对近年来的ＷＳＮｓ路由协议安全进行了分析和总结，首先介绍ＷＳＮｓ安全路由的　

基本概念，接着对路由协议易受到的安全威胁和攻击进行了分类对比，最后对ＷＳＮｓ中几种典型路由协议的安全ｌ生进行了描述和分析。　关键词无线传感器网络；路由协议；安全威胁；安全路由　

中图分类号ＴＰ３９３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓ　ｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＹＡＮ　Ｂｉｎｙｕ　ＢＡＩ　Ｌｉｎｌｉｎ　ＧＯＵ　Ｘｕ　（Ｓｃｈｏｏ１　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００６５）　

Ａｂｓｔｒ￣ｔ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ａｓ　ａ　

ｍｕｌｔｉ—ｈｏｐ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮｓ　ｈａｖｅ　ｓｏｍｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｗｈｉｃｈ　ｎｅｅｄｓ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ＷＳＮｓ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｂｏｕｔ　ＷＳＮｓ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｅｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅａｔｓ　ａｎｄ　ａｔｔａｃｋｓ　ｔｈａｔ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ａｒｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ　ｔｏ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｌａｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　

无线传感器网络中的路由协议

随着科技的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor

Network，WSN）已经逐渐成为了一种被广泛研究和应用的技术。无线传感器网络拥有广泛的应用领域，如军事、环境监测、智能家居、健康管理等。在这些应用中，无线传感器网络的安全、可靠性和生命稳定性是至关重要的。为了保证上述三个要素，需要一个高效、稳定且可扩展的路由协议来管理无线传感器网络中的数据传输和路由决策。

无线传感器网络与传统的局域网和广域网不同，它不具有结构上的中心，而是由大量分散的节点构成，这些节点协同工作来达到目标。由于节点之间的距离很近，数据包在此类网络中往往是通过多跳传输。一个好的路由协议应当考虑网络中所有节点的负载以及能源消耗，尽可能地减少数据包的延迟和数据包的丢失。这是无线传感器网络中的路由协议需要考虑的主要问题。

在无线传感器网络中，有三种主要的路由协议：平面机制、分层机制和混合机制。

1. 平面机制

平面机制是指所有节点都属于同一层次，没有层次结构。节点之间通过广播协议（如Flooding protocol）相互传递数据。节点只需知道自己的邻居节点，数据包的传输是由遍布整个网络的节点负责的。这种方法简单且易于实现，但会导致网络不稳定，易出现死循环和数据洪泛问题。因此，在实际应用中很少使用。

2. 分层机制

分层机制是指将节点按照其功能和自己所处的位置划分为不同的层次。分层机制将一个大的无线传感器网络划分为多个小的子网络，每个子网络都有一个负责节点。子网络之间通过中继节点进行通信，可以减少数据的传播距离和提高传输速率。分层机制通常由三层组成：传感器层、联络层和命令层。传感器层负责数据的采集与传输，联络层负责中继和路由，命令层负责网络控制和管理。

分层机制的优点是可以有效降低网络负载和节点的能源消耗，提高网络的生存率和稳定性。常见的分层机制路由协议有链路状态广告协议(LSP protocol)、电子飞秋协议(EFQ protocol)等。