Zigbee路由算法AODVjr分析

何智勇

摘要：Zigbee技術作為物聯網關鍵技術之一，在無線傳感器網絡中得到廣泛的應用，ZigBee 網絡節點主要是依靠電池供電，路由算法是Zigbee協議棧核心部分，Zigbee路由協議AODVjr作為經典的路由算法，本文對路由過程進行具體分析。

關鍵詞：Zigbee網絡? AODVjr路由

1引言

隨著無線通信技術的發展，Zigbee技術憑借低功耗、構架簡單和通信高效優勢在無線網絡中應用廣泛，作為物聯網核心技術Zigbee，在工業領域應用廣泛，由于該技術主要針對低速率和低功耗的無線傳感器網絡進行設計，在網絡的部署過程中，節點主要通過電池進行供電，由于電池容量的限制，對于長期使用的網絡而言，降低節點的功耗是最重要的內容，降低節點功耗的方法主要是通過減少節點上無效數據包的轉發來實現，在Zigbee網絡中，降低節點功耗主要是針對網絡協議進行優化，優化路由發現過程中數據包的轉發過程，降低網絡中高層節點的負擔一直是Zigbee技術研究的熱點。在Zigbee路由協議的實現過程中，通過Cluster-Tree和AODVjr 算法實現網絡路由功能，Cluster-Tree通過節點間的樹型結構來進行網絡中數據包的轉發，網絡中節點在加入網絡時，對節點進行分類，父節點主要負責維護子節點的數據轉發，父節點在收到發現路由報文的過程中，按節點記錄信息，對數據進行轉發。AODVjr 路由是一種按需路由機制。

AODVjr算法是AODV路由算法的簡化版本，是一個輕量級的AODV路由算法，在AODV相比算法基礎上改進的AODVjr路由算法與傳統的AODV算法相比，不使用目的節點序列號，對最先到達節點的請求報文RREQ進行響應，這樣大大簡化了網絡中路由發現過程，對路由表結構進行優化，當網絡中由于節點能量耗盡等發生鏈路中斷，AODVjr啟動本地修復機制來進行修復路由，大大提高了故障修復響應速度，減少向網絡中廣播發現報文對有限節點無用的能量消耗，有效控制鏈路開銷。

2 AODVjr路由分析

Zigbee網絡中的路由技術主要是為網絡中的數據包提供最優化路徑，數據包通過網絡發送到目的節點，在網絡層實現路由功能，實現網絡中節點路徑發現。在網絡傳輸過程中，為了實現源節點和目的節點之間的協同，路由協議是Zigbee網絡中不可缺少的一部分，在網絡中充當中非常重要的角色，它的主要作用是實現網絡中路由發現和路由信息維護，當網絡拓撲結構發生變化，負責網絡中節點路由的重新發現，建立新的路由，為源節點和目的節點進行數據轉發，Zigbee網絡是一種低功耗的網絡，協議中主要提供兩種經典的網絡路由協議：按需距離矢量路由和樹型網絡結構路由。在ZigBee網絡結構采用樹狀網絡，網絡中節點可以使用Cluster-Tree來進行路由選擇和數據轉發，每一個節點在收到數據包后都把數據轉發給對應的子節點，節點通過路由算法判斷節點是不是自己的后裔節點，如果不是自己的后代節點，數據會轉發給上一級的父節點，由上一級節點進行數據轉發處理，啟動路由發現算法，把數據轉發到目的節點，Cluster-Tree路由算法通過節點本身來判斷數據的轉發方向，實現網絡中的路由功能，但是Cluster-Tree路由算法效率不高，對網絡中核心節點的數據轉發功能沒有做到有效保護，網絡中節點都承擔相同的轉發功能，對于一些處在網絡核心高頻率節點而言，頻繁的數據轉發，節點的能量有限，很容易把自己身的能量消耗盡，形成網絡中斷和孤島出現，網絡中數據轉輸的效率下降。

AODVjr路由時一種按需分配，在節點路由啟動RREQ過程中，網絡中節點在收到數據報文之后進行解析，并且查看節點的路由表是否為數據包的目的地址，對于數據包中目的地址不是路由表中記錄的節點信息，重新啟動路由發現過程，對數據的實時傳輸要求不高，AODVjr路由算法，網絡中節點在發現路由時，會向網絡中廣播大量的RREQ發現報文，由由于是向Zigbee全網進行發現報文廣播，會發送大量冗余的報文在網絡中出現，增加網絡的負擔，在網絡的運行過程中，需要盡量控制網絡中無效的數據報的轉發，因為網絡中節點的能量有限，節省網絡中節點的能量尤其重要，有利于延長網絡使用壽命。由于Zigbee網絡基于樹型結構，網絡中高層節點需要負責網絡中所有子節點數據和路由報文的轉發，還要負責自身節點的相關數據的轉發，當高層節點的能量消耗盡，網絡會出現分割，影響網絡運行效率。

因此AODVjr路由算法在ZigBee網絡中應用非常廣泛。AODVjr路由算法的路由建立主要由以下三個步驟組成：

第一步：路由發現。

第二步：反向路由建立。

第三步：正向路由的建立。

經過以上路由建立的三個步驟，節點通過RREQ路由請求過程，在源節點和目的節點之間建立一條通信的路由，網絡中傳輸的數據包可以通過建立的路由來進行發送， AODVjr路由算法通過RREQ路由請求、RREP路由回復、RERR路由錯誤來控制實現的。

（1）路由發現過程

在數據包發達的過程中，網絡中間節點收到RREQ報文時，會去查詢自身維護的路由表信息，在路由表中查詢到對應的路由信息，通過路由表中的信息進行數據的發送，如果路由表中沒有對應地址信息，則通過向網絡中廣播RREQ來進行路由發現過程。如果該節點是第一次收到路由發現報文RREQ，檢查數據包中的目的地址是否為自己，目的地址不是自己的時候，保留信息建立反向路由。

（2）反向路由建立過程

在Zigbee網絡中，網絡中節點在數據轉發過程中，中間節點通過RREQ消息存儲相關反向路由信息，可以維護目的節點到源節點的路由相關信息，節點維護的反向路由信息將會維持一定時間，讓節點返回的確認報文RREP。

（3）正向路由建立過程

在網絡路由維護過程中，節點通過反向路由信息，可以為節點與目的節點之間建立一條通路，當源節點收到確認報文RREP，路由建立過程完成，源節點到目的節點的數據發送可以通過已建立路由進行傳送。

按建立網絡路由主要步驟，網絡中路由Zigbee網絡中節點分為3類，負責路由協調器、路由節點;在加入網絡時，作為高層節點來分配地址，而終端節點為網絡中傳感器的加載節點，是網絡中的基礎節點，主要負責全網數據轉發，自身不具備路由功能。為了減少Zigbee網絡中高層節點的死亡率，在啟動路由發現的過程中，可以對節點進行分類和引入能量平衡機制，按節點剩余能量的水平進行劃分區域，保護能量低的節點，主要負責網絡中核心發現路由啟動過程。對于能量充足的節點，進行數據轉發，在路由發現的過程中，盡量避免選擇能量不足的節點來進行數據轉發，在數據轉發的過程中，節點在啟動發現路由過程中，可以首先按Cluster-Tree 路由算法，按節點間的父子關系，首先判斷RREQ發現報文方向，可以不采用泛洪的方式在全網中進行數據的轉發，特別是對沒有父子關系的節點進行轉發，有效避免節點向相反方向進行數據報文的發送進行路由的發現過程，減少網絡中無效的數據報文在網絡中出現。

3 結束語

Zigbee技術作為一種常見的無線傳輸方式，在工業界得到廣泛的應用，路由算法AODVjr作為Zigbee技術的核心內容，分析AODVjr路由算法的的詳細過程是非常有實際意義的。

參考文獻

[1]王寧.ZigBee無線傳感網中AODVjr路由協議研究[J].計算機數字與工程，2018，3：552-554.

項目編號

南京工業職業技術學院學校科研基金項目（YK17-02-04）