無線傳感器網(wǎng)絡的SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)不可達問題的改進

趙靈鍇洪志全

（1.成都理工大學信息工程學院，四川成都610059；2.宜賓學院計算機與信息工程學院，四川宜賓644000）

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡WSN（wireless sensor network），是由大量智能傳感器節(jié)點構成的信息采集、傳送和處理的綜合智能信息網(wǎng)絡，具有環(huán)境適應性、自組織和低成本的特點。在目標入侵監(jiān)測、目標跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險救災以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領域，WSN都具有廣闊的應用前景[1]。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。

2.SPIN協(xié)議描述

無線傳感器路由協(xié)議根據(jù)設計思路分為：簡單的無結構路由、樹或類樹路由及地理位置路由[2]。在簡單無結構路由中又包含三類：Flooding、Gossiping和SPIN。由于Flooding和Gossiping協(xié)議存在著“內(nèi)爆”和“重疊”問題[2]，從而導致了資源的盲目使用。針對這類傳統(tǒng)路由協(xié)議存在的缺點，麻省理工學院計算機科學實驗室Joalma Kulik等人于1999年在一個由NTT和DARPA共同資助的項目中提出了SPIN[3](sensor protocol for information via negotiation)協(xié)議。

SPIN協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應通信路由協(xié)議[4]，假設所有傳感器節(jié)點都可能是希望獲得數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點，每個傳感器節(jié)點都知道自己是否需要數(shù)據(jù)[5]。為了防止Flooding協(xié)議出現(xiàn)的信息“內(nèi)爆”和“重疊”問題，傳感器節(jié)點在傳送數(shù)據(jù)之前全部使用元數(shù)據(jù)(meta-data，即描述傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù))進行協(xié)商，協(xié)商機制可確保傳輸有用數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)的定義格式是與具體應用相關的，SPIN協(xié)議沒有給出它的具體定義格式。

SPIN該協(xié)議使用三種類型的信息進行通信，即ADV，REQ和DATA信息[6,7]。通過三次握手實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

(1)傳感器節(jié)點A有需要傳送的數(shù)據(jù)DATA信息，在傳送前僅廣播包含元數(shù)據(jù)的ADV信息；

(2)其鄰居節(jié)點B在接收到ADV消息后，如對ADV中描述的信息感興趣并且此前沒有請求過該信息，則發(fā)送REQ消息提出數(shù)據(jù)傳送請求；

(3)傳感器節(jié)點A在接收到相應的REQ請求信息后，才向節(jié)點B單播發(fā)送包含原始數(shù)據(jù)的DATA數(shù)據(jù)包。

具體過程如圖1，SPIN協(xié)議中節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖2。

圖1 SPIN三次握手過程

圖2 SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

SPIN家族的協(xié)議有很多，主要的兩個協(xié)議是SPIN-1和SPIN-2。SPIN-1協(xié)議就是前面闡述的基本三次握手協(xié)商機制。擴展的SPIN-2協(xié)議是基于預設值資源提醒機制協(xié)議，當資源充足時，SPIN-2使用的是三次握手協(xié)商機制；當資源低于某個預設值時，它將減少參與數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)?？傮w上，SPIN-1和SPIN-2都是簡單高效的協(xié)議，不用維護每個鄰居的狀態(tài)。

3.SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)不可達問題描述[8]

SPIN協(xié)議的一個優(yōu)點是當拓撲和位置改變時，節(jié)點只需要知道單跳的鄰居，特別適用于傳感器是運動的場合。SPIN通過協(xié)商機制處理信息冗余，能夠節(jié)約大量能量，很好地解決傳統(tǒng)的Flooding和Gossiping協(xié)議所帶來的信息爆炸、信息重復及資源浪費等問題。但其缺點是：在某種情況下，它會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不可傳遞性的問題。

如圖3，當節(jié)點A有數(shù)據(jù)信息需要傳送時，對節(jié)點B、C發(fā)送ADV請求信息如圖3(a），而節(jié)點B和C由于自身能量或對數(shù)據(jù)“不感興趣”等原因未回應節(jié)點A的ADV請求（圖3-b），那么這個數(shù)據(jù)轉發(fā)的過程就無法順利地進行下去，出現(xiàn)了“數(shù)據(jù)不可達”問題，于是對該數(shù)據(jù)“感興趣”的后續(xù)節(jié)點D也將無法接收到這個數(shù)據(jù)。

圖3 SPIN協(xié)議“數(shù)據(jù)不可達”問題

4.SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)不可達問題的改進

為了改進SPIN協(xié)議中的數(shù)據(jù)不可達問題，需添加一種類型信息：CA（compulsory advice）用于發(fā)送節(jié)點發(fā)出的ADV信息未得到任何REQ回應時，向某節(jié)點強制發(fā)送數(shù)據(jù)的通告信息；因為SPIN-2協(xié)議在SPIN-1協(xié)議的基礎上增加了能量管理功能，可能會出現(xiàn)節(jié)點收到CA而由于能量低于閾值，而不能回復REQ的情況，于是添加一個計數(shù)器COUNTER，用于記錄CA發(fā)送的次數(shù)，發(fā)送節(jié)點發(fā)送CA達到預設次數(shù)就停止發(fā)送CA信息。

對于SPIN-1協(xié)議，節(jié)點收到CA信息，將向發(fā)送該信息的節(jié)點返回REQ表示可以接收DATA數(shù)據(jù)；對于SPIN-2協(xié)議，如果收到CA信息并能量高于閾值也返回REQ，低于閾值則不響應。當節(jié)點接收到DATA數(shù)據(jù)后，只用于數(shù)據(jù)中轉，即對該數(shù)據(jù)對外發(fā)送ADV信息請求其它節(jié)點接收，而該節(jié)點不保存該數(shù)據(jù)。協(xié)議運行步驟為：

(1)傳感器節(jié)點A有數(shù)據(jù)DATA需發(fā)送，向鄰居節(jié)點發(fā)出ADV信息；

(2)鄰居節(jié)點在接收到A節(jié)點的ADV消息后，如正常收到REQ信息，則節(jié)點A傳送DATA數(shù)據(jù)并結束；如在規(guī)定時間內(nèi)未收到任何REQ信息，表明數(shù)據(jù)不可達問題出現(xiàn)，節(jié)點A初始化計數(shù)器；

(3)節(jié)點A隨機選擇某鄰居節(jié)點發(fā)出CA信號，通知該節(jié)點強制接收數(shù)據(jù)，并COUNTER計數(shù)器自減1；

(4)鄰居節(jié)點收到CA信號，如能量未低于限定閾值，給傳感器節(jié)點A返回REQ信息；如低于閾值，則不做任何響應；

(5)傳感器節(jié)點A如收到REQ信號，則向鄰居節(jié)點單播發(fā)送包含原始數(shù)據(jù)的DATA數(shù)據(jù)包；如規(guī)定時限內(nèi)未收到REQ信號且計數(shù)器計數(shù)次數(shù)未達到預設次數(shù)，則返回步驟3）；如未收到REQ信號但計數(shù)器計數(shù)次數(shù)達到預設次數(shù)，則結束；

改進后的SPIN協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖4。

圖4 改進后的SPIN協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

再次分析圖3，當出現(xiàn)圖3(b)的情況時，節(jié)點A將通過隨機發(fā)送強制傳送通告CA信息（設節(jié)點B接收CA信號），B節(jié)點在收到CA并能量充足的情況下將返回REQ數(shù)據(jù)請求信息，之后接收節(jié)點A發(fā)來的數(shù)據(jù)DATA信息，此時DATA數(shù)據(jù)由節(jié)點A轉發(fā)至節(jié)點B，B節(jié)點再按SPIN協(xié)議向其鄰居發(fā)送ADV，最終對該數(shù)據(jù)“感興趣”的D節(jié)點會順利接收到該數(shù)據(jù)，從而避免了圖3中數(shù)據(jù)不可達情況的發(fā)生。

對于計數(shù)器COUNTER的使用是避免出現(xiàn)全部節(jié)點因能量等問題全部無法返回REQ，在發(fā)送節(jié)點多次試探發(fā)送CA信號無果后，終止發(fā)送數(shù)據(jù)（此時表明網(wǎng)絡已接近失效，網(wǎng)絡多個節(jié)點能量幾乎消耗殆盡），進而避免可能出現(xiàn)的由于能量過度消耗及帶寬大量消耗而帶來的網(wǎng)絡崩潰。

本文中，筆者討論了發(fā)送CA信息時隨機選擇僅一個節(jié)點的情況，實際中，根據(jù)需要發(fā)送節(jié)點可以同時隨機選擇多個鄰居節(jié)點發(fā)送CA，以提高運行效率。

5.結束語

隨著技術的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡也出現(xiàn)了多種路由協(xié)議，但SPIN協(xié)議仍然是主要路由協(xié)議之一，而SPIN協(xié)議中的數(shù)據(jù)不可達問題，一定程度制約了該協(xié)議的使用。本文從一個新的角度探討了解決該問題的方法，通過對協(xié)議的補充，增加一種新的信息CA及計數(shù)器，在不改變協(xié)議核心思想的情況下，讓數(shù)據(jù)不可達問題得到解決。

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