無線傳感器網絡路由協議的容錯性研究

高秀娥

（大連大學 信息工程學院, 遼寧 大連 116622）

無線傳感器網絡路由協議的容錯性研究

高秀娥

（大連大學 信息工程學院, 遼寧 大連 116622）

針對無線傳感器網絡能量有限、布置環(huán)境惡劣、通信能力有限等條件，具有容錯能力的路由協議已經變成當前的熱點問題，本文總結和分析了現有路由協議的容錯性，為進一步的研究提供一定新的思路。

容錯性；無線傳感器網絡；路由協議

1 引言

隨著無線傳感器網絡的廣泛應用，大量的路由協議成為研究的熱點。而傳感器網絡節(jié)點通常會存在能量消耗大，硬件損壞，惡意攻擊，通信失效等特點，這些勢必影響整個網絡的性能。移動自組織網絡或者有線網絡的協議并不能直接應用到無線傳感器網絡中，對無線傳感器網絡容錯技術的研究，應當將無線通信網絡容錯技術和有線傳感器網絡容錯技術有機的結合起來。

容錯是保證網絡節(jié)點的軟、硬件出現故障時，能夠通過應用一定的容錯技術使整個系統自動調整或者自動重構，糾正錯誤，保證任務的正常執(zhí)行，提高系統的可靠性和穩(wěn)定性。

無線傳感器網絡的許多路由協議在文獻[1,2]中進行了相關的論述。本文的核心是針對現有的具有典型意義的路由協議進行一定的容錯分析，為進一步的容錯研究提供一定的新的思路。

2 路由協議中的容錯機制

容錯機制可以提高系統的可靠性，可用性和持續(xù)穩(wěn)定性。目前最常用的容錯方法是多路徑技術，即在路由協議的算法實現中始終維護著源節(jié)點到目標節(jié)點的多條路徑。因此當一條路徑因為節(jié)點發(fā)生故障時，能夠迅速切換到另外一條路徑，從而具有一定的容錯性。這種容錯機制通常分為2種類型，即重復發(fā)送策略和復制策略。

3 現有路由協議容錯性分析

3.1 重復發(fā)送策略

重復發(fā)送是最受歡迎的一種策略，它能根據網絡需要，在一定時間前提下，利用最短的跳數和最小的能量消耗，選擇其中一條路徑，重復發(fā)送數據包到目標節(jié)點。當數據包成功接收之后，目標節(jié)點發(fā)回一個確認信息。當源節(jié)點在一定時間內沒有收到確認信息，則數據包重新發(fā)送。但是，這種策略會消耗更多的能量，同時在傳送確認信息時會提高傳輸延遲以及因為碰撞產生的包丟失現象。因此，源節(jié)點需要更大的內存空間來處理這些過程。

基于這種策略的路由協議中，有DD（Directed Diffusion）協議[3]，HREEMR（Highly Resilient，Energy Efficient Multipath Routing）協議[4]，REAR（Reliable Energy Aware Routing）協議[5]。

3.1.1 DD協議

DD協議[3]中的最大特點就是利用加強機制。主路徑上的中間節(jié)點可以在主路徑出現故障后利用加強信號進行局部修復，出現路徑故障的原因有節(jié)點能量耗盡，安全攻擊，環(huán)境因素（比如出現障礙物）等。若主路徑上某節(jié)點發(fā)現來自上游節(jié)點的信息數據速率突然減小，或者發(fā)現周圍節(jié)點的信息傳輸速率突然增加，即此路徑發(fā)生故障，然后此節(jié)點便會發(fā)送否定加強信號直到source節(jié)點。如圖1(a)所示，當sink節(jié)點發(fā)現此主路徑發(fā)生故障時，便會沿著主路徑發(fā)送否定加強信息，主路徑上的每個節(jié)點接收到否定加強信息后，便會將原來建立的加強的梯度消除。然而如圖1(b)所示，當否定加強信息傳到故障節(jié)點時，由于該節(jié)點已經發(fā)生故障，不能將此否定加強信息繼續(xù)傳播，因此，由于沒有把從source到故障節(jié)點的路徑刪除，source節(jié)點還會繼續(xù)向此路徑發(fā)送數據信息，導致大量信息數據的丟失和能量的浪費。

圖1 DD協議中移除故障節(jié)點

3.1.2 HREEMR協議

HREEMR協議[4]是在DD協議的基礎上進行改進，避免了周期泛洪的成本，選取不相交的多條路徑，便于在故障出現能迅速切換到另外一條備份路徑上。協議的容錯性主要體現在在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立多條路徑，其中的一條路徑作為主路徑傳遞數據包，而備選路徑只需要發(fā)送“Keep-alive”信號保證迅速切換路徑即可。

3.1.3 REAR協議

REAR協議[5]主要思想是這個協議提出一種能量保存策略。當sink從source node收到an interest不在路由表里，sink建立兩條不相交的路徑到source，一條用來傳數據，一條備用，兩條路徑的選取方法根據prbd的值，prbd是REAR中一個重要量，表示path-request broadcasting delay（prbd），當中間節(jié)點收到路徑請求的時候，它并不立刻廣播信息到他鄰居節(jié)點，首先檢查它的有效能量，看看夠不夠operation energy（比方定一個數量級是轉發(fā)能量的2倍），如果不夠，就放棄接受請求應答。如圖2，有兩個中間節(jié)點，a和b都收到路徑請求，但是不同的路由策略建立的結果不同。

圖2 REAR中路徑的建立

圖2表示了其他路由協議和REAR協議的區(qū)別。假設節(jié)點IN_b是到S_1和S_2的時間最短路徑,按照傳統的選擇最短路徑的方法，都選擇IN_b作為中間節(jié)點來傳輸，但是中間節(jié)點因為能量有限，很快會消耗完，導致故障出現，而在REAR中IN_b是唯一連接s2的節(jié)點，則sink-b-s2建立，因為中間節(jié)點b的能量被預留，所以在判斷節(jié)點的有效能量的時候就把節(jié)點b排除，進而選擇a節(jié)點作為到S_1的中間節(jié)點。這樣大大提高網絡的使用壽命，提高網絡的生命周期。

3.2 復制策略

基于復制策略的路由協議已經有大量的文獻進行研究。它的主要思想是在多條路徑上將同一個包發(fā)送多遍，以提高網絡的可靠性。具有代表性的協議是Reliable Information Forwarding (ReInForm)[4]，它的主要主要思想是：

①源節(jié)點根據傳輸數據的可靠性需求計算需要的傳輸路徑數目；

②在鄰居節(jié)點中選擇一些節(jié)點作為下一跳轉發(fā)節(jié)點，并根據比例給每個選取的節(jié)點分配路徑數目；

③源節(jié)點將分配的路徑數作為數據報文中的一個字段發(fā)給鄰居節(jié)點；

④收到源節(jié)點發(fā)來數據的每個鄰居節(jié)點，將自己當做源節(jié)點，重復前面的源節(jié)點選路過程。

ReInForm的容錯性是在隨機選擇的路徑上，發(fā)送同一個包的多份拷貝到Sink節(jié)點。這種復制策略不僅僅是對源節(jié)點而言，中間的節(jié)點都采用這種策略，這樣在網絡中，即使原始的數據包丟失，后來的數據包也會傳輸到Sink節(jié)點，達到很高的傳輸率。但是，這種策略為了達到很高的可靠性，在數據包拆分、傳送和重構過程中，會消耗很大的能量,所以在網絡的可靠性和費用方面需要找到一個平衡點。

4 討論與總結

本文選取的幾種協議都是無線傳感器路由協議中比較有典型意義的協議，并對它們進行了容錯性分析，容錯策略主要分為兩類，即復制和重復發(fā)送策略。在以后的工作中，需要進行的研究應該包括（1）如何去權衡容錯、能量消耗和內存使用以及延遲等多因素。（2）現有的路由協議多數是針對靜止的傳感器節(jié)點，而對移動節(jié)點沒有給予考慮。

[1] KARAKIJN Al, KAMALA E. Routing techniques in wireless sensor networks: A survey [J]. IEEE Wireless Communications, 2004, 11(6): 6-28.

[2] AKKAYA K, YOUNIS M. A survey on routing protocols for wireless Sensor network [J]. Elsevier Ad Hoc Network Journal, 2005, 3(3): 325-349.

[3] INTANAGONWIWAT C, GOVINDAN R, ESTRIN D. Directed diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks [M]. AC MIntl. Conf. on Mobile Computing and Networking, 2000: 56-67.

[4] GANESAN D, GOVINDAN R, SHENKER S, et al. Highly resilient, energy-efficient multipath routing in wireless sensor networks [M]. ACM MobiHoc’01, CA, Long Beach, USA, 2001.

[5] HASSANEIN H, LUO J. Reliable energy aware routing in wireless sensor networks [J]. Second IEEE Workshop on Dependability and Security in Sensor Networks and Systems, 2006.

Research on Fault-Tolerant Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

GAO Xiu-e

(College of Information Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)

For the reason of the limited energy of wireless sensor network, the bad environment, and the limited conditions of communication ability, the routing protocol with the fault tolerance has become the hot issue.This paper summarizes and analyzes the fault tolerance of the existed routing protocol to provide some new ideas for further study.

fault tolerance; wireless sensor networks; routing protocol

TP393

A

1008-2395(2012)03-0021-03

2012-03-09

高秀娥（1976-），女，博士研究生，講師，研究方向：無線傳感器網絡，網絡管理與監(jiān)控。