基于NS2的定向擴散核心機制研究

陳瑤,李鳳麟

摘要：本文討論了定向擴散協議的概念，主要闡述了該協議的工作原理及機制，建立了仿真模型并基于NS2平臺根據不同參數設置場景，進行了仿真。

關鍵詞：WSN；定向擴散；NS2

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）47-0068-02

無線傳感器網絡（WSN）是一種分布式傳感網絡，由傳感器節點組成，這些節點不僅具有基本的數據感知功能，還可以進行簡單的數據處理并以無線的方式互相通信。該技術是當前的高校以及企業的研究熱點之一。定向擴散協議（Directive Diffusion）是無線傳感網中一種典型的路由協議，該協議確定了傳感器節點的命名機制、節點之間通信的模式，并有其獨有的擴散算法，在此基礎上具有可擴展的功能。

一、定向擴散協議概念及其原理

定向擴散協議是無線傳感網中的一種數據分發模式。首先該協議是以數據為中心的，具有其獨特的數據命名方法，命名主要采用屬性值的方式，參與傳播的數據都是已命名的數據。并且該協議是一種基于查詢的路由機制，該機制引入了興趣與梯度的概念。興趣即節點的查詢請求，包含其所需信息的特征，包括屬性列表、地理區域、數據類別等信息。梯度是在洪泛過程中建立的，包含屬性和方向等信息，并且根據興趣的擴散實時更新。節點之間的通信則采用發布—訂閱的模式。

定向擴散主要有以下三個步驟：興趣擴散、梯度建立和路徑加強。首先是興趣擴散。需要數據的節點采用洪泛的方式向其通信范圍內的所有鄰居節點發送興趣（Interest），請求其他節點查詢是否含有其所需的數據，收到興趣的節點如果不包含滿足興趣的信息則對興趣進行緩存與合并，即如果通過多條路徑收到同樣的興趣則進行合并，否則繼續轉播，直到遇到包含符合興趣的信息的目標節點。在此過程中同時建立該無線傳感網中各條路徑的梯度（Gradient），梯度中屬性值根據數據速率與地理信息等來確定，方向由接收興趣的節點指向發送興趣的那個鄰節點，同時也引導了數據擴散的方向。根據其梯度對不同路徑進行對比，選擇傳輸的最佳路徑。發送興趣的節點發現了滿足興趣的目標節點之后，沿建立梯度的方向發送一個探測數據。當中間結點收到來自不同路徑的探測數據后，根據一定的標準來選擇一條高效路徑進行加強。最后使用此加強路徑從目標節點向發送興趣的節點傳輸其所需的信息。

二、定向擴散協議核心機制研究

1.發布—訂閱模式。定向擴散協議不能用場景生成器的那種方法運行，因為定向擴散采用發布訂閱的模式通信，需要指定subscribe和publish，和其他adhoc路由協議的運行方法不一樣。比如在1個發送節點，4個接收節點的場景中，需如下定義：

#1 ping sender

for{set I 0}{$i<$opt（sndr）}{incr i}{

set src_（$i）[new Application/DiffApp/PingSender/TPP]

$ns_attach-diffapp $node_（[expr $i + 2]） $src_（$i）

$ns_ at [expr 0.123*[expr 1+$i]] “$src_（$i） publish”

$src_（$i） set fid_ 1

}

#4 pin receivers

for {set I 0} {$i < $opt（rcvr）}{incr i} {

set snk_（$i） [new Application/DiffApp/PingReceiver/TPP]

$ns_attach-diffapp $node_（[expr $opt（nn）-1-$i]）$src_（$i）

$ns_ at [expr 1.156*[expr 1+$i]] “$snk_（$i） subscribe”

}

把發布興趣的節點定義為Sinks即數據接收者。為數據接收者傳遞其采集的信息的節點定義為數據源。數據與任務都遵守其特定的命名機制。擴散算法則使數據源采集的信息能夠最高效地傳遞其數據接收者。

2.命名機制。定向擴散協議的命名機制比較靈活，不管是與應用層接口還是與本協議的通信方式都能保持一致，該機制在作用時以數據為出發點，這也是定向擴散協議的一個重要特點。即以數據需求為首要條件，命名時為對數據的要求，再來確定含有所需數據的節點，并確定路徑。而不是以節點為中心，先考慮哪些節點傳送數據。該機制也滿足點到多點的通信，非常方便靈活，不局限于端到端。

3.數據擴散算法。與其他Adhoc網絡協議相比，發布—訂閱模式是定向擴散協議的特有模式。該模式為應用層提供了標準接口以便傳感網相關編程。數據源與接收者的確定由命名機制決定。數據源與接收者之間具體傳輸數據的路徑則由數據擴散算法來決定。現今普遍使用的擴散算法主要有兩階段拉擴散、一階段拉擴散和一階段推擴散。

兩階段拉擴散算法中，第一步，數據接收者創建一個興趣，包含其所需信息的屬性。采用洪泛的方式把興趣傳遞給其通信范圍內的所有鄰居節點。第二步，其鄰居節點收到興趣之后，記錄該節點的標志，同時建立梯度。如該節點沒有滿足條件的數據，則繼續轉發興趣給鄰居節點。直到找到數據源節點。第三步，確定數據源節點之后，源節點用泛洪的方式發送一個探測數據給所有與之通信的鄰居節點。第四步，數據接收者收到最先發過來的探測數據后，確定該路徑為最高效路徑，向該路徑發送正增益，之后就可以通過該路徑與數據接收者進行數據的傳輸。而在一階段推擴散算法中，由本地記錄興趣屬性，數據源主動發送探測數據，以泛洪的方式傳遞到數據接收者。接收者對第一個收到的探測數據的路徑確定為最高效路徑，并發送增益消息，隨后的數據傳送都沿著該路徑。在一階段拉擴散算法中，直接以最先獲得興趣的路徑為最高效路徑，不需要泛洪一個探測數據，也不需要增益消息。直接沿著最先獲得興趣的路徑來傳輸數據。

三、用NS2對定向擴散協議進行仿真

NS2是一種功能強大的網絡仿真軟件，可以實現多種網絡層次結構以及組件的仿真。

對2階段拉算法在NS2之中的仿真，運行仿真腳本程序2pp-10n-1s-4r.tcl（一共有十個節點，1個發送節點，4個接收節點），可以得到一個nam文件和一個trace跟蹤文件。由nam文件得到如圖1所示傳感器網絡，其中節點總數為10，藍色圓圈表示向周圍節點洪泛興趣，黑色圓圈表示洪泛探測數據，藍點代表數據在起選擇的高效路徑上的傳遞。

圖2是對產生的trace文件用gawk進行分析得到，是對二階段拉算法十個節點和五個節點在每個時刻丟包率的分析。圖3是用awk ‘{print $2，$16} 2pp-10n-1s-4r.tr>2pp-10n-1s-4r.data語句對trace文件的第2列（表時間）和第16列（表節點能量）進行提取，存入data文件中，并用gnuplot進行繪圖。由圖可見，在100秒之內耗能幾乎為0，也印證了定向擴散協議的能量消耗是能小的。

四、結論

本文研究了定向擴散協議的基本概念，并闡述了定向擴散協議的核心工作機制，通過在NS2仿真器中進行仿真實驗從而對定向擴散協議的算法進行了仿真與分析。定向擴散協議是一種適用于無線傳感網的路由協議，是無線傳感器網絡中的關鍵技術數據融合與數據管理的基礎，通過對該協議的研究，利于傳感網的普適發展。

參考文獻：

[1]李善倉，張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.