基于aodv協(xié)議的zigbee路由技術

1無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡分簇策略的提出zigba網(wǎng)絡技術將zigba技術與網(wǎng)絡技術的許多優(yōu)點結合起來，如zigba技術的油耗、電池壽命長、網(wǎng)絡成本低、網(wǎng)絡能力強等。此外，zigba技術還具有多跳轉技術、動態(tài)路徑和高可靠性等。但是，ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)技術也有一定的缺陷，如不適合傳輸大量數(shù)據(jù)，只能進行低速數(shù)據(jù)傳輸；雖然擴大了網(wǎng)絡的覆蓋范圍，但是過多的節(jié)點會增加消息傳遞的延遲和通信的開銷等。目前無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)狀網(wǎng)的實現(xiàn)是以AODV(Ad-hocOn-demandDistanceVector)路由方式為基礎的，網(wǎng)狀網(wǎng)絡之所以有這么高的可靠性，主要依賴于多跳技術——多跳是指數(shù)據(jù)不斷從一個節(jié)點跳到另一個節(jié)點。因為數(shù)據(jù)從一個節(jié)點不斷傳送到另一個節(jié)點，又因為網(wǎng)狀網(wǎng)絡有好多節(jié)點，所以任何一個節(jié)點到另一個節(jié)點之間的路徑總是不止一條。結果，要是某個節(jié)點因某種原因出了故障，從其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包就可以繞開它，走另一條路徑到達目的地。根據(jù)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的特點，采用何種路由選擇策略使得網(wǎng)絡吞吐量最大，可擴展性較好，成為無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡研究的一個關鍵性問題。ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網(wǎng)絡性能上都有著很大的優(yōu)勢。AODV路由協(xié)議是無線網(wǎng)絡中最經(jīng)典和最廣泛地被研究的按需路由協(xié)議之一。它的主要特點是使用系列號來標識一條路由的新舊程度，同時也利用系列號來避免路由環(huán)的產(chǎn)生。為了減少傳輸數(shù)據(jù)的首次延時，AODV允許具有積極路由的中間節(jié)點直接響應路由請求。當節(jié)點探測到路由失敗后，該節(jié)點可以先進行局部修復，修復不成功，再發(fā)送錯誤報告給上游節(jié)點，以便源節(jié)點重新建立路由。AODV協(xié)議大大提高了無線傳感器網(wǎng)絡的路由效率，然而由于AODV協(xié)議比較簡單，因此還存在著各種各樣的問題。AODV路由協(xié)議在通常情況下能工作得很好，但當節(jié)點數(shù)較多時，協(xié)議的性能就會急劇下降，這是因為AODV的路由發(fā)現(xiàn)本質上還是使用泛洪方式的擴散法，當網(wǎng)絡規(guī)模較大、節(jié)點數(shù)較多時，RREQ等路由控制報文激增，導致網(wǎng)絡超負荷運行和擁塞，大大降低了網(wǎng)絡的性能。因此，減少網(wǎng)絡中路由報文的數(shù)量，是提高性能的關鍵。本文提出了一種基于AODV的分簇策略，即AODV-Cluster。所謂簇，就是具有某種關聯(lián)的網(wǎng)絡節(jié)點組成的集合，在簇內(nèi)，通常有一個按一定的規(guī)則選舉產(chǎn)生的、被稱為簇頭的節(jié)點，用于管理或控制這個節(jié)點集合，除簇頭節(jié)點外，簇內(nèi)的其他節(jié)點可以被稱為成員節(jié)點，具有可擴展性好、便于管理等特點。2關于路由協(xié)議的設計2.1拉格爾在微信站以及將其所建由于AODV是一個被廣泛接受的路由協(xié)議，因此在設計協(xié)議的時候，在充分考慮了AODV協(xié)議的優(yōu)點基礎上又提高了協(xié)議的可擴展性，以適合更大規(guī)模的網(wǎng)絡。在AODV＿Cluster協(xié)議中，保留了AODV的所有的控制報文，如RREQ報文和RREP報文，并根據(jù)需要又增加了一些新的路由控制報文，如簇首廣播報文、路由更新報文等。在剛開始路由發(fā)現(xiàn)的時候采用了AODV的泛洪式路由發(fā)現(xiàn)機制，先廣播RREQ包的方式來找目的節(jié)點，只不過在形成路由過程以后，則同一個簇內(nèi)的節(jié)點都共享這條路由信息，從而減少了整個網(wǎng)絡的路由開銷。本協(xié)議在設計的時候首先把整個ZigBee網(wǎng)絡分成多個簇，每個簇又有多個節(jié)點組成，這些節(jié)點按功能又分成3種類型的節(jié)點：簇首(ClusterHead)，簇成員(ClusterMember)和網(wǎng)關節(jié)點(Gateway)，簇首作為簇的中心負責路由過程建立后向簇內(nèi)成員廣播和簇結構的建立，收集簇成員的數(shù)據(jù)，經(jīng)融合處理后發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點。2.2打造更合理的網(wǎng)絡配置AODV＿Cluster把ZigBee網(wǎng)絡分成多個簇組成，則簇的劃分有一個方法，這個方法是在下面的規(guī)則基礎上建立的：(1)中心節(jié)點是一個簇首。(2)簇首必須是有路由能力的節(jié)點，且網(wǎng)絡深度為偶數(shù)的節(jié)點。(3)深度為奇數(shù)的節(jié)點則屬于它的父節(jié)點的簇。(4)終端節(jié)點的簇屬于它的父節(jié)點的簇。簇首建立過程如圖1所示。簇建立的過程是在路由發(fā)現(xiàn)開始的時候形成的，根據(jù)節(jié)點分布的密集度來劃分。最后選為簇首的節(jié)點的短地址即是該簇的標簽。為了更合理地劃分簇，而且根據(jù)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)的特點，在隔一個深度的基礎上劃分，因為中心節(jié)點的深度為0，而且中心節(jié)點是一個簇首，所以選擇了深度為偶數(shù)的路由節(jié)點里面選擇一個簇首，而且每個簇的標識就是這個簇的簇首的短地址，比如以中心節(jié)點為簇首的一個簇，簇標識為0x00，除了中心節(jié)點為簇首形成一個簇以后，其他的簇首的選舉則是根據(jù)周圍節(jié)點的分布情況來確定的，本文采用了根據(jù)判斷信號強度RSSI的辦法來確定節(jié)點的密集程度，在成簇的最初階段，先判斷網(wǎng)絡深度，網(wǎng)絡深度為偶數(shù)的節(jié)點在向外廣播RREQ的時候，收到的節(jié)點都要向源節(jié)點發(fā)送一個確認信息，則發(fā)送RREQ的源節(jié)點把收到的確認信息根據(jù)所限定的最小信號強度值來判斷，如大于這個值，則把這個節(jié)點放在鄰居表里，則最后根據(jù)比較鄰居表里周圍節(jié)點的數(shù)目的辦法來確認節(jié)點數(shù)最多的點為簇首，這個節(jié)點的短地址號則為這個簇的標簽，節(jié)點一旦成為簇首節(jié)點，則向它的周圍節(jié)點發(fā)送簇首廣播報文，收到的節(jié)點在自己不是簇首的情況下發(fā)送簇加入報文，然后簇首發(fā)送應到后，即加入到該簇。簇首節(jié)點則維護一個所有簇成員列表，簇成員節(jié)點則維護一個簇首節(jié)點表。短地址的計算是根據(jù)這幾個參數(shù)來得出的：父設備擁有子設備數(shù)量的最大值Cm，網(wǎng)絡的最大深度為Lm，父設備將由路由器作為它的子設備的最大數(shù)為Rm。網(wǎng)關Gateway，即位于兩個或者多個簇域重疊區(qū)域的非簇首節(jié)點，這些節(jié)點將相鄰接的簇首連接起來，形成多跳路由路徑，如圖2所示。2.3路由請求過程AODV＿Cluster的路由請求過程類似于Z＿AODV的方式，當源節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目標節(jié)點時，它首先在自己的路由表中查尋到目標節(jié)點的路由，如果路由存在并且有效，則立刻開始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果相應的路由不存在或者路由存在但已經(jīng)標明為無效時，源節(jié)點就開啟一個泛洪路由發(fā)現(xiàn)過程。源節(jié)點創(chuàng)建一個路由請求包RREQ，并向其周圍節(jié)點廣播，如果鄰居節(jié)點收到RREQ，則根據(jù)上述計算簇標簽的方法計算出目的節(jié)點的簇標簽后，則在它的鄰居表中增加一個這個簇標簽的路由接入點，并在路由查找表中增加一個目的節(jié)點的網(wǎng)絡地址的路由接入點，當中間節(jié)點收到RREQ的時候，則與它的路由搜索表中的路由成本進行比較，如果這個路由成本比較低的話，則更新路由搜索表。然后繼續(xù)廣播，直到到達目的節(jié)點為止。路由請求過程如圖3所示。目標節(jié)點收到路由請求后，不再廣播路由請求，它先建立反向路徑，產(chǎn)生一個RREP,RREP中含有最新的系列號等信息，沿反向路徑單波給源節(jié)點。中間節(jié)點和源節(jié)點在收到RREP后會建立到目標節(jié)點的路由，并更新系列號等有關的信息。源節(jié)點收到RREP后即建立路由并開始傳輸數(shù)據(jù)。當這個路由過程建立完畢后，則原節(jié)點向它的簇首發(fā)送一個攜帶有路由信息的路由確認包RNOT(RoteNotify)，當簇首收到這個確認包以后，則簇首再廣播一個路由更新包RUPT(RouteUpdate)，當它的簇員收到這個信息后，則共享剛才節(jié)點新建立的路由信息。例如網(wǎng)絡地址為0x0A地址的節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)到目的地址為0x17的節(jié)點，則先對外廣播RREQ包直至到達目的節(jié)點，然后目的節(jié)點再發(fā)送RREP包確認，當源節(jié)點收到RREP響應后，則發(fā)送PNOT到網(wǎng)絡地址為0x02的簇首節(jié)點，然后由簇首節(jié)點在對外廣播，標簽為0x02的簇里面的路由節(jié)點則都可以共享這個路由信息，如圖4所示。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇成員一般只與自己的簇首進行通信，由簇首負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)。分簇算法既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，又在很大程度上節(jié)省了節(jié)點的能量。分簇思想具有很多優(yōu)點，例如，由簇首節(jié)點負擔數(shù)據(jù)融合的任務，減少了數(shù)據(jù)通信量分簇式的拓撲結構有利于分布式算法的應用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡由于大部分簇內(nèi)節(jié)點在相當長的時間內(nèi)關閉通信模塊，不參加數(shù)據(jù)轉發(fā)過程，因此顯著地延長整個網(wǎng)絡的生存時間。3源節(jié)點數(shù)目相同的情況下,aodv和cluder協(xié)議的時效差異為了便于比較，在相同的仿真環(huán)境下分別運行AODV和AODV-Cluster的仿真程序并比較仿真結果，圖5顯示了報文發(fā)送成功率，從途中可以明顯看出AODV-Cluster協(xié)議的數(shù)據(jù)報文發(fā)送成功率要高于AODV協(xié)議。圖6顯示了AODV協(xié)議和AODV＿Cluster協(xié)議在相同的源節(jié)點數(shù)目下網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包的平均端到端延時。從圖6中可以看出,延時會隨著源節(jié)點數(shù)目的增加而變大。在相同源節(jié)點數(shù)目的情況下,延時的總體趨勢是隨著節(jié)點數(shù)變多而變大,也是由于隨著源節(jié)點數(shù)目的增加會使網(wǎng)絡過于擁塞,包成功接收的時間變長,因此會使延時變大。而在源節(jié)點數(shù)目相同的情況下,AODV＿Cluster協(xié)議的延時時間還是相對較小的。兩協(xié)議路由負載的比較如圖7所示。這是根據(jù)每成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)報文網(wǎng)上需傳遞的路由控制報文的數(shù)量來繪制的。這里所說的路由控制報文包括網(wǎng)上傳輸?shù)腞REQ,RREP,RERR和Hello報文，AODV-Cluster還包括簇首廣播、路由確認包等。從圖6中也可看到，AODV在節(jié)點數(shù)超過120時路由負載急劇增加，而AODV-Cluster增加相對較為緩慢。這也證明了AODV-Cluste協(xié)議r確實能有效降低路由控制報文的數(shù)量。4新型分簇路由目前在ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡的研究中，路由協(xié)議的研究已經(jīng)成了無線傳感器網(wǎng)絡研究的熱點和難點。本文在ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)的基礎上，對AODV路由協(xié)議進行了簡單地分析，并且進行了改進，借鑒了ZigBee簇樹形的思想，提出了一種新型的分簇路由協(xié)議。由于同一