本发明专利技术公开了属于计算机网络技术领域的一种非对称链路下无线传感器网络分布式图路由协议建立方法。该方法设计了无中心管理服务器下的无线传感器网络分布式图路由计算方法；定义了图路由交互报文的格式；设计了非对称链路状态下行链路(DOWN-LINK)、上行链路(UP-LINK)、点到点(peer to peer,P2P)三种模式图路由的建立、交互、更新过程。该发明专利技术旨在解决无线传感器网络在非对称链路环境下建立路由时的路由不对称问题，同时，在缺少中心管理服务器的情况下，利用分布式路由计算方法，解决集中式图路由的硬件瓶颈问题。该发明专利技术提出的分布式图路由协议能够有效减少传统图路由的管理控制开销，增强网络的健壮性，整体优化了无线传感器网络路由性能。
【技术实现步骤摘要】
非对称链路下无线传感器网络分布式图路由协议建立方法
本专利技术属于计算机网络
特别涉及一种非对称链路下无线传感器网络分布式图路由协议建立方法。
技术介绍
无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSNs）技术是现代通信技术和计算机网络技术的重要组成部分，它是由分布在观测区域内的大量传感器节点组成，节点间通过无线通信技术构成一个多跳传输的自组织网络。各传感器节点感知的物理世界对象信息（如：温度、湿度、加速度、光强等），经过网络传输后，汇聚至网关、服务器以及观察者。近年来，随着物联网的兴起和发展，无线传感器网络技术受到了更多的关注，其逐渐成为实现物理世界和信息世界相互融合的重要保障。目前无线传感器网络技术已广泛应用于智能交通、智能电网、智能家居、工业控制、环境监测、医疗保健、军事等领域。随着无线传感器网络应用领域的扩展，无线传感器节点也呈现多样化趋势。这主要体现在两个方面，首先是节点功能的多样化，举例来说，采集温度、光强等简单信息只需要使用低处理能力、低功耗的单片机节点；而采集多媒体信息时则需要采用高处理能力的ARM节点。其次是生产厂家不同造成的节点异构性。不同厂家生产的传感器节点可能采用不同的通信标准和物理接口，从而导致设备之间的差异性。图1表示的是无线传感器网络系统的基本结构，一般包括：各种类型的传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和服务管理设备。无线传感器网络拥有数量众多、种类不同的节点设备，由于节点硬件资源受限，通常情况下，节点的无线信号覆盖范围较小(数十米至数百米)，数据包一般需要通过多跳中继传输，因此，路由协议的设计和实现直接关系到无线传感器网络的性能。图路由协议是一种新型的二层路由协议，其具有转发迅速、节省路由存储空间、可控可管性高等优点，因而被许多标准推荐（如ISA-100.a、WirelessHART等）。以下是图路由的一个实例，以说明具体的路由过程。图路由中的图是一系列路由信息的定向连接。每个图由一个图ID标识。图之间的链接由系统中心管理服务器设定。一个网络可能有很多种图，有些还可能重叠。每个设备可能有多个图通过，甚至通过同一个邻居节点。如图2所示，Node20利用图路由(图ID=1)与Node25通信。Node20可能将它发送至Node21或Node22。从不同的中间设备出发，数据包可能通过几种不同的路径，但无论哪条路径，数据包都将到达Node25。同样的，要与Node24通信，Node20可以通过Node021或Node22按照图路由(图ID=2)传送数据包，任一条路径都会发送数据包至Node24。为了使数据包按照图进行传输，路径上的每个设备都需要保存一个包含入口的图路由表，这些入口包括了图ID和邻居设备的地址。一个路由节点根据图ID进行查找然后将数据包送至任何一个合适的邻居设备。一旦邻居设备告知已收到数据包，源设备将从路由信息缓存中释放该数据包，反映了Node20图路由表内容。然而图路由也有其局限性，一般来说，图路由采用集中式处理，路由建立、更新过程须交由中心管理服务器计算和维护。然而无线传感器网络在许多部署环境下并无中心基础设备，特别是在一些户外应用中。同时，采用集中式处理过程也会带来额外的数据传输开销和时延，这会对某些时间敏感的应用产生较大的影响。此外，传统的图路由未考虑链路的非对称性。链路的非对称性主要是指由于节点间相互通信时彼此的无线信号覆盖范围或者接收灵敏度不同引起的数据传输非对称现象。举例来说，节点A发送数据信息，节点B能侦听到，但节点B发送的数据，节点A却可能无法接收到。在实际环境中，这种链路非对称现象主要是由于节点的异构性所产生的，此外，物理环境的差异(如障碍物等)也可能造成这种现象的产生。非对称链路可能导致在传统图路由协议建立、交互、更新路由的过程中，产生无效图或路由，因此需要对其进行改进和优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种非对称链路下无线传感器网络分布式图路由协议建立方法，包括：1）针对非对称链路的特殊性，重新定义四种路由交互报文，采用多次“握手”的方式，对上行链路（UP-LINK）和下行链路（DOWN-LINK）区分度量，最终建立、点对点（P2P）三种模式的路由图；2）针对无中心管理服务器的条件，所有路由交互过程均采用分布式处理，无需借助服务器计算路由结果；其特征在于，具体方案如下：（1）定义路由交互报文格式1.1，路由对象请求报文的格式，000类型的表示ROS（RouteObjectSolicitation,ROS）报文；ROS报文用于主动路由请求和P2P图建立请求过程；该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制和图ID；1.2.路由对象指示报文的格式：001类型的表示ROI（RouteObjectIndication,ROI）报文，用于广播网络路由信息和P2P图分配过程；该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、度量函数、等级、跳数限制、路由图ID和分配图ID；1.3.下行链路确认报文的格式，010类型的表示DLA（DOWN-LINKAcknowledgement,DLA）报文；用于度量下行链路路由，该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制、UP-LINK图ID、子节点数量、子节点地址、DOWN-LINK图ID和路由度量值；即该DLA报文包括子节点的地址信息、路由图信息以及路由度量信息。1.4上行链路确认报文，011类型的表示ULA（UP-LINKAcknowledgement,ULA）报文；用于度量上行链路路由，该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制和路由度量值；（2）建立DOWN-LINK、UP-LINK、P2P三种模式的路由图2.1.DOWN-LINK图建立2.1.1网络初始化阶段，所有节点重新开启电源，此时所有节点均未建立路由；2.1.2.以根节点开始，广播ROI报文，ROI报文包括源节点地址、路由度量函数、图ID和等级信息；该广播ROI报文的有效范围为一跳，即收到ROI报文的节点在处理该报文后应立即将其丢弃；2.1.3.收到该ROI信息的节点，解析路由头部字段，并根据其中的信息组装DLA数据包，随后单播回复ROI报文源节点；ROI报文的源节点收到DLA后，根据路由度量函数和路由度量值计算最优下行链路，利用计算结果更新DOWN-LINK图路由表；2.1.4，所有至子节点的路由都应利用DLA报文将信息传输至DOWN-LINK图的父节点，每当子节点路由信息改变时，则会触发DLA报文，向上进行路由更新；,2.2.UP-LINK图建立2.2.1.建立UP-LINK图即建立上行链路的过程，紧随在建立DOWN-LINK过程之后；在步骤2.1.3后，收到DLA数据报文的节点回复给产生该DLA报文的源节点一个ULA。收到ULA报文的节点经过路由度量函数的计算，选择最优上行链路，并更新UP-LINK图路由表；2.2.2.只有建立了UP-LINK图，拥有了到根节点路由的节点才能发送ROI报文；2.3.建立P2P图2.3.1.P2P图是指两个非根节点之间的路由图；首先以数本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非对称链路下无线传感器网络分布式图路由协议建立方法，包括：1）针对非对称链路的特殊性，重新定义四种路由交互报文，采用多次“握手”的方式，对上行UP‑LINK链路和下行链路DOWN‑LINK区分度量，最终建立DOWN‑LINK、UP‑LINK、点对点P2P三种模式的路由图；2）针对无中心管理服务器的条件，所有路由交互过程均采用分布式处理，无需借助服务器计算路由结果；其特征在于，具体方案如下：（1）定义路由交互报文格式1.1.路由对象请求报文的格式，000类型的表示ROS报文；ROS报文用于主动路由请求和P2P图建立请求过程；该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制和图ID；1.2.路由对象指示报文的格式：001类型的表示ROI报文，用于广播网络路由信息和P2P图分配过程；该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、度量函数、等级、跳数限制、路由图ID和分配图ID；1.3.下行链路确认报文的格式，010类型的表示DLA报文；用于度量下行链路路由，该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制、UP‑LINK图ID、子节点数量、子节点地址、DOWN‑LINK图ID和路由度量值；即该DLA报文包括子节点的地址信息、路由图信息以及路由度量信息。1.4.上行链路确认报文，011类型的表示ULA报文；用于度量上行链路路由，该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制和路由度量值；（2）建立DOWN‑LINK、UP‑LINK、P2P三种模式的路由图2.1.DOWN‑LINK图建立2.1.1.网络初始化阶段，所有节点重新开启电源，此时所有节点均未建立路由；2.1.2.以根节点开始，广播ROI报文，ROI报文包括源节点地址、路由度量函数、图ID和等级信息；该广播ROI报文的有效范围为一跳，即收到ROI报文的节点在处理该报文后应立即将其丢弃；2.1.3.收到该ROI信息的节点，解析路由头部字段，并根据其中的信息组装DLA数据包，随后单播回复ROI报文源节点；ROI报文的源节点收到DLA后，根据路由度量函数和路由度量值计算最优下行链路，利用计算结果更新DOWN‑LINK图路由表；2.1.4.所有至子节点的路由都应利用DLA报文将信息传输至DOWN‑LINK图的父节点，每当子节点路由信息改变时，则会触发DLA报文，向上进行路由更新；2.2.UP‑LINK图建立2.2.1.建立UP‑LINK图即建立上行链路的过程，紧随在建立DOWN‑LINK过程之后；在步骤2.1.3后，收到DLA数据报文的节点回复给产生该DLA报文的源节点一个ULA。收到ULA报文的节点经过路由度量函数的计算，选择最优上行链路，并更新UP‑LINK图路由表；2.2.2.只有建立了UP‑LINK图，拥有了到根节点路由的节点才能发送ROI报文；2.3.建立P2P图2.3.1.P2P图是指两个非根节点之间的路由图；首先以数据包源节点为起始，单播一个的ROS报文，该报文沿UP‑LINK图传输，目的地址字段填写数据包目的节点所对应的地址；2.3.2.数据包向上传输，直至某一父节点拥有至目的节点的下行路由；2.3.3.该父节点生成对应P2P图的图ID，并产生ROI报文，组播给P2P图中所有节点，随后，产生数据包的源节点和数据包需要到达的目的节点之间的数据包遵循该P2P图进行路由。...
【技术特征摘要】
1.一种非对称链路下无线传感器网络分布式图路由协议建立方法，包括：1)针对非对称链路的特殊性，重新定义四种路由交互报文，采用多次“握手”的方式，对上行UP-LINK链路和下行链路DOWN-LINK区分度量，最终建立DOWN-LINK、UP-LINK、点对点P2P三种模式的路由图；2)针对无中心管理服务器的条件，所有路由交互过程均采用分布式处理，无需借助服务器计算路由结果；其特征在于，具体方案如下：(1)定义路由交互报文格式1.1.路由对象请求报文的格式，000类型的表示ROS报文；ROS报文用于主动路由请求和P2P图建立请求过程；该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制和图ID；其中ROS为RouteObjectSolicitation的缩写，即ROS报文为路由器征寻报文；1.2.路由对象指示报文的格式：001类型的表示ROI报文，用于广播网络路由信息和P2P图分配过程；该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、度量函数、等级、跳数限制、路由图ID和分配图ID；其中，ROI为RouteObjectIndication的缩写，即ROI为路由对象指示；1.3.下行链路确认报文的格式，010类型的表示DLA报文；用于度量下行链路路由，该报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制、UP-LINK图ID、子节点数量、子节点地址、DOWN-LINK图ID和路由度量值；该DLA报文包括子节点的地址信息、路由图信息以及路由度量信息其中，DLA为DOWN-LINKAcknowledgement的缩写，即DLA报文为下行链路确认报文；1.4.上行链路确认报文，011类型的表示ULA报文；用于度量上行链路路由，该ULA报文包括以下字段：类型、优先级、地址压缩控制、地址信息、序列号、跳数限制和路由度量值；其中ULA报文为UP-LINKAcknowledgement的缩写，即ULA报文为上行链路确认报文；(2)建立DOWN-LINK、UP-LINK、P2P三种模式的路由图2.1.DOWN-LINK图建立，2.1.1.网络初始化阶段，所有节点重新开启电源，此时所有节点均未建立路由；2.1.2.以根节点开始，广播ROI报文，ROI报文包括源节点地址、路由度量函数、图ID和等级信息；该广播ROI报文的有效范围为一跳，即收到ROI报文的节点在处理该报文后应立即将其丢弃；2.1.3.收到该ROI信息的节点，解析路由头部字段，并根据其中的信息组装DLA数据包，随后单播回复ROI报文源节点；ROI报文的源节点收到DLA后，根据路由度量函数和路由度量值计算最优下行链路，利用计算结果更新DOWN-LINK图路由表；2.1.4.所有至子节点的路由都应利用DLA报文将信息传输至DOWN-LINK图的父节点，每当子节点路由信息改变时，则会触发DLA报文，向上进行路由更新；2.2.UP-LINK图建立，2.2.1.建立UP-LINK图即建立上行链路的过程，紧随在建立DOWN-LINK过程之后；在步骤2.1.3后，收到DLA数据报文的节点回...
【专利技术属性】
技术研发人员：王洪超，杨冬，段俊奇，高德云，张宏科，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。