基于內容尋址的無線傳感器網絡路由協議

張麗娟，陳志奎

(大連理工大學軟件學院 遼寧 大連 116620)

基于內容尋址的無線傳感器網絡路由協議

張麗娟，陳志奎

(大連理工大學軟件學院 遼寧 大連 116620)

提出了一種基于內容尋址的無線傳感器網絡路由協議——CAWSN路由協議。將有線P2P網絡的結構化分布式哈希表(DHT)思想與CAN算法引入到了無線傳感器網絡，使節點之間以廣播的方式直接進行信息交互，共同完成感知任務，減少了單一節點工作量。通過ns2網絡模擬實驗平臺對該協議進行大量仿真實驗，驗證了CAWSN路由協議對無線傳感器網絡性能的提高具有重要意義。

CAN算法; DHT; ns2; P2P路由協議; 無線傳感器網絡

近年來，由于無線傳感器網絡在醫療護理、軍事領域、環境檢測等領域有了重要的應用，所以受到了越來越多人的關注。傳統的無線傳感器網絡，消息通過多跳的方式轉發到中心服務器(C/S模式)，常導致網絡擁塞、耗電量快、資源浪費、節點易失效，從而使網絡變得不穩定、效率低甚至不可用[1]。針對這一問題，本文提出了一種基于內容尋址的無線傳感器網絡路由協議(CAWSN)，引入了CAN路由協議中的確定鄰居節點的方法，并讓傳感器節點只與其鄰居節點直接進行信息交互，形成小范圍的P2P網絡，共同完成感知任務。本文通過ns2網絡模擬平臺，對不同數目的節點分別進行C/S模式、P2P模式、CAWSN模式通信，并從網絡吞吐量、網絡延時、網絡抖動率方面對這3種路由形式進行了比較，得出了CAWSN路由協議可以有效查找鄰居節點，并使WSN網絡更加穩定、高效的結果。

1 國內外研究現狀

無線傳感器網絡中，引入P2P思想，受到了國內外研究者的重視。文獻[2]對WSN中以P2P方式能更清晰準確地感知目標事物進行了研究。文獻[3]介紹了無線傳感器網絡如何以P2P方式聯網構建移動的小型P2P傳感器網絡。文獻[4]提出了P2P管道時間切分模型，并給出了P2PWSNDAS體系結構。文獻[5]基于WSN和P2P網絡特點，提出了ITS網絡體系結構。文獻[6]介紹了無線傳感器網絡中P2P算法原理。它們都從不同的方面將P2P思想與WSN網絡結合起來，從而提高WSN網絡性能。本文將進一步研究P2PWSN路由協議。

2 P2P對等網絡與無線傳感器網絡

P2P網絡是為了完成感知任務，節點與節點之間直接進行數據傳輸、資源共享、協同工作的雙向互動過程。每個節點與其周圍的鄰居節點形成小范圍內的網絡系統，因為每個節點都是對等的，所以如果一個節點失效，不會影響整個系統[7]，非常適用于節點易失效的傳感器網絡。并且由于傳感器節點體積小、計算能力有限、電池儲備少，要完成一項感知任務，最好是多個節點協同工作，從而減少單一節點工作量，使感知工作更加準確、高效，所以引入P2P思想對WSN網絡來說具有重要的意義。

3 CAWSN路由協議

3.1 對等無線傳感器網絡的實現

為了使傳感器中的每個節點處于對等位置，即可以相互交換信息，需要使對等網絡中每個節點擁有一個相同并且最新的全局狀態變量 。根據凸函數最優解原理[8]，通過計算凸函數得到的局部最優解，也為全局(整個網絡)的最優解。所以對于WSN網絡，主要任務就是求得該最優解。

估量最優解的求解過程如下：

其次是網絡拓撲圖的構成：分布式散列表的邏輯視圖映射到真實視圖(后文詳細介紹)后，再經式(3)計算下一跳鄰居節點：

由此產生的網絡拓撲如圖1所示。

圖1 網絡拓撲圖

該網絡拓撲實質為一條馬爾科夫鏈[10]，它是一種狀態序列，其下一狀態值取決于當前網絡狀態。

3.2 分布式散列表DHT

P2P網絡也可以說是節點與其鄰居節點直接進行信息處理的網絡，那么鄰居節點的發現就顯得非常重要。對于鄰居節點的發現機制，本文采用的是分布式散列表方法[11]，即：對節點如何進行內部管理并分割它們的地址空間，使每個節點只存儲其若干個鄰居節點的信息。分布式散列表中的地址空間由巨大的數值組成，如范圍為0～ (2160?1)。對地址空間上的所有元素數量執行取模，從而產生的環狀拓撲如圖2所示。

圖2 地址空間操作示意圖

圖中給出了分布式散列表的邏輯視圖映射到真實拓撲的示意圖。可以看出它是將地理位置信息轉換為簡單的數學拓撲。

3.3 鄰居節點發現機制

當節點信息的地理位置映射為邏輯拓撲后，需要繼續確定節點的鄰居節點。本文主要借鑒了有線P2P網絡中的基于內容尋址路由協議(CAN)。在CAN中定位對象和路由消息是非常簡單的，因為它僅需要關于一個節點直接鄰居的信息，但是CAN引入了多維標識符空間的概念，與單維空間中線性遍歷相比，路由效率得到了極大的提高[12]。一個CAN標識符空間能夠看作是一個Chord或Pastry標識符空間的l維版本。標識符空間每一維中在標識符上的所有算術運算對最大坐標執行取模，本文采取的是對網絡中節點數N進行取模運算。如果l維空間中兩個節點的坐標在一個維度內重疊，并在其他l?1維中相鄰，則這兩個節點被認為是鄰居，如圖3所示。

圖3 鄰居節點示意圖

圖中，節點N2和N6是鄰居，因為它們在x維重疊，并在y維相互鄰接。同時，N5和N6不是鄰居，因為它們不在任一維內重疊。而N2和N3在y維重疊，但在x維不相鄰，所以它們不是鄰居(注意以上操作是針對傳感器節點地理信息取模后進行的)。在一個l維的標識符空間中，標識符空間被分割成大小相等的區，每個節點便具有了2l個鄰居。因此，參與到一個CAN系統中的節點數量能夠增長至巨大，而每個節點的必要鄰居節點路由信息則保持為常數。

對于無線傳感器網絡中失效離開的節點，本文對節點間的通信設置檢查超時，更新鄰居指針表，從而確保故障節點從指針表中被去除。因為網絡中節點是對等的，沒有節點扮演不同角色，一個節點的離開或特意去除不會對DHT的功能產生明顯影響，因此對于隨機性故障和攻擊，分布式散列表被認為是非常魯棒的。改進的CAN算法選擇鄰居節點的方式采用了節點間直接通信(P2P)模式，但其鄰居節點的確定是隨機任意指定的，本文稱為RP2P模式。CAWSN模式更準確、穩定，下面的仿真實驗驗證了這一結論。

4 仿真實驗

本文實驗是在網絡仿真平臺ns2[13]上實現的。程序語言由C++、Otcl腳本共同完成。實驗設置了5、10、25個節點的無線場景，它們分別以C/S模式、RP2P模式、CAWSN模式進行數據交換，并從網絡延時、網絡抖動率(衡量網絡穩定性)、網絡吞吐量對網絡性能的影響進行比較。圖4為CAWSN模式的nam文件在某一時刻截取到的運行場景圖。

圖4 CAWSN模式運行圖

如圖5可知，RP2P與CAWSN網絡的網絡延時都只有0.019 s左右，CAWSN比RP2P延時略大0.002 s，這是因為CAWSN在計算鄰居節點時需要有少量計算而耗時，但因為都已經特別小，可忽略不計。

圖5 RP2P與CAWSN網絡延時比較圖

由于C/S模式常造成消息排隊等待，所以網絡延時大。由圖6可知，C/S模式網絡平均延時為1.3 s，是RP2P、CAWSN方式的50倍左右。

圖6 C/S網絡延時示意圖

CAWSN模式借鑒了CAN路由算法，所以較隨機發現鄰居節點方式更穩定。由圖7可知，CAWSN網絡抖動率比RP2P抖動率小，充分說明了CAWSN網絡確實更加穩定。

圖7 RP2P與CAWSN網絡抖動率比較圖

由圖8可知，C/S模式抖動率比RP2P模式、CAWSN模式小，說明C/S網絡穩定，這是由于P2P網絡及C/S網絡各自的特點決定的。

圖8 C/S網絡抖動率示意圖

當節點數目少時，C/S模式的網絡吞吐量會略大。由圖9可知，10個節點時，C/S吞吐量大于CAWSN模式，略大于RP2P模式。

圖9 RP2P、CAWSN、C/S網絡吞吐量比較圖

當節點數設為5、10、25個時，分別以C/S模式、RP2P模式、CAWSN模式進行通信，通過27組仿真實驗，得到的網絡延時、網絡抖動率、網絡吞吐量等相關數據如表1～表3所示。

表1 C/S、RP2P、CAWSN網絡吞吐量比較

由表1可知，當節點數增加時，C/S模式吞吐量會逐漸減少，這是由于節點數增加時，導致了更多的節點向中心節點發送數據時需要排隊等待。而RP2P和CAWSN模式隨節點增多而逐漸增加，并且CAWSN網絡吞吐量總是大于RP2P模式，這是由于節點之間直接進行數據傳輸，節點數越多，某一時刻網絡吞吐量也隨之增加。

表2 C/S、RP2P、CAWSN網絡延時比較

由表2數據可知，當節點數增多時，網絡延時均會增加，但RP2P模式和CAWSN模式始終遠小于C/S模式，這是由于C/S模式消息等待排隊的結果。而CAWSN略大于RP2P，這是由于CAWSN模式需要一定的計算量。

表3 C/S、RP2P、CAWSN網絡抖動率比較

由表3可知，當節點數增加后，CAWSN、RP2P模式網絡抖動率逐漸減少，而C/S模式抖動率增加，由此說明C/S模式當節點數量增多后，網絡變得越來越不穩定。相反CAWSN、RP2P網絡卻變得越來越穩定，并且CAWSN的抖動總小于RP2P模式，說明了CAWSN模式要比RP2P模式穩定。

綜上所述，對于節點數目龐大的無線傳感器網絡，將P2P思想引入無線傳感器網絡后，能夠有效地提高網絡性能、降低網絡延時、增強數據傳輸效率。

5 結 束 語

本文對基于內容尋址的無線傳感器網絡路由協議進行了深入研究，介紹了如何實現P2P無線傳感器網絡，并且對鄰居節點的發現機制借鑒了CAN路由協議，通過網絡模擬平臺ns2對C/S模式、RP2P模式、CAWSN模式分別進行了仿真實驗，比較網絡延時、抖動率、吞吐量3方面，得知了CAWSN更適合數量龐大的傳感器網絡，可以有效提高網絡性能。而對于如何將P2P思想全面應用于無線傳感器網絡的各個方面，如數據分布式對等存儲、資源共享、目標探測等，還有待于進一步的研究。

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Content Addressing Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

ZHANG Li-juan and CHEN Zhi-kui

(School of Software, Dalian University of Technology Dalian Liaoning 116620)

A content address for wireless sensor networks (CAWSN) routing protocol is put forward in this paper. Adding both P2P structured distributing hash table and CAN algorithm to wireless sensor networks makes the nodes exchange information directly in the way of broadcasting and complete the perception task together so as to reduce the work of a single node. Finally, the experiments of simulation based on the ns2 verify that CAWSN Routing Protocol has the important effect on the improvement of functionality of wireless sensor networks.

content addressable network algorithm; distributed Hash table; ns2; P2P routing protocol;wireless sensor networks

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.027

2009 ? 11 ? 25

張麗娟(1984 ? )，女，碩士生，主要從事P2P無線傳感器網絡方面的研究.

編 輯 漆 蓉