无线传感器网络路由协议的容错性研究

高秀娥

（大连大学 信息工程学院, 辽宁 大连 116622）

无线传感器网络路由协议的容错性研究

高秀娥

（大连大学 信息工程学院, 辽宁 大连 116622）

针对无线传感器网络能量有限、布置环境恶劣、通信能力有限等条件，具有容错能力的路由协议已经变成当前的热点问题，本文总结和分析了现有路由协议的容错性，为进一步的研究提供一定新的思路。

容错性；无线传感器网络；路由协议

1 引言

随着无线传感器网络的广泛应用，大量的路由协议成为研究的热点。而传感器网络节点通常会存在能量消耗大，硬件损坏，恶意攻击，通信失效等特点，这些势必影响整个网络的性能。移动自组织网络或者有线网络的协议并不能直接应用到无线传感器网络中，对无线传感器网络容错技术的研究，应当将无线通信网络容错技术和有线传感器网络容错技术有机的结合起来。

容错是保证网络节点的软、硬件出现故障时，能够通过应用一定的容错技术使整个系统自动调整或者自动重构，纠正错误，保证任务的正常执行，提高系统的可靠性和稳定性。

无线传感器网络的许多路由协议在文献[1,2]中进行了相关的论述。本文的核心是针对现有的具有典型意义的路由协议进行一定的容错分析，为进一步的容错研究提供一定的新的思路。

2 路由协议中的容错机制

容错机制可以提高系统的可靠性，可用性和持续稳定性。目前最常用的容错方法是多路径技术，即在路由协议的算法实现中始终维护着源节点到目标节点的多条路径。因此当一条路径因为节点发生故障时，能够迅速切换到另外一条路径，从而具有一定的容错性。这种容错机制通常分为2种类型，即重复发送策略和复制策略。

3 现有路由协议容错性分析

3.1 重复发送策略

重复发送是最受欢迎的一种策略，它能根据网络需要，在一定时间前提下，利用最短的跳数和最小的能量消耗，选择其中一条路径，重复发送数据包到目标节点。当数据包成功接收之后，目标节点发回一个确认信息。当源节点在一定时间内没有收到确认信息，则数据包重新发送。但是，这种策略会消耗更多的能量，同时在传送确认信息时会提高传输延迟以及因为碰撞产生的包丢失现象。因此，源节点需要更大的内存空间来处理这些过程。

基于这种策略的路由协议中，有DD（Directed Diffusion）协议[3]，HREEMR（Highly Resilient，Energy Efficient Multipath Routing）协议[4]，REAR（Reliable Energy Aware Routing）协议[5]。

3.1.1 DD协议

DD协议[3]中的最大特点就是利用加强机制。主路径上的中间节点可以在主路径出现故障后利用加强信号进行局部修复，出现路径故障的原因有节点能量耗尽，安全攻击，环境因素（比如出现障碍物）等。若主路径上某节点发现来自上游节点的信息数据速率突然减小，或者发现周围节点的信息传输速率突然增加，即此路径发生故障，然后此节点便会发送否定加强信号直到source节点。如图1(a)所示，当sink节点发现此主路径发生故障时，便会沿着主路径发送否定加强信息，主路径上的每个节点接收到否定加强信息后，便会将原来建立的加强的梯度消除。然而如图1(b)所示，当否定加强信息传到故障节点时，由于该节点已经发生故障，不能将此否定加强信息继续传播，因此，由于没有把从source到故障节点的路径删除，source节点还会继续向此路径发送数据信息，导致大量信息数据的丢失和能量的浪费。

图1 DD协议中移除故障节点

3.1.2 HREEMR协议

HREEMR协议[4]是在DD协议的基础上进行改进，避免了周期泛洪的成本，选取不相交的多条路径，便于在故障出现能迅速切换到另外一条备份路径上。协议的容错性主要体现在在源节点和目标节点之间建立多条路径，其中的一条路径作为主路径传递数据包，而备选路径只需要发送“Keep-alive”信号保证迅速切换路径即可。

3.1.3 REAR协议

REAR协议[5]主要思想是这个协议提出一种能量保存策略。当sink从source node收到an interest不在路由表里，sink建立两条不相交的路径到source，一条用来传数据，一条备用，两条路径的选取方法根据prbd的值，prbd是REAR中一个重要量，表示path-request broadcasting delay（prbd），当中间节点收到路径请求的时候，它并不立刻广播信息到他邻居节点，首先检查它的有效能量，看看够不够operation energy（比方定一个数量级是转发能量的2倍），如果不够，就放弃接受请求应答。如图2，有两个中间节点，a和b都收到路径请求，但是不同的路由策略建立的结果不同。

图2 REAR中路径的建立

图2表示了其他路由协议和REAR协议的区别。假设节点IN_b是到S_1和S_2的时间最短路径,按照传统的选择最短路径的方法，都选择IN_b作为中间节点来传输，但是中间节点因为能量有限，很快会消耗完，导致故障出现，而在REAR中IN_b是唯一连接s2的节点，则sink-b-s2建立，因为中间节点b的能量被预留，所以在判断节点的有效能量的时候就把节点b排除，进而选择a节点作为到S_1的中间节点。这样大大提高网络的使用寿命，提高网络的生命周期。

3.2 复制策略

基于复制策略的路由协议已经有大量的文献进行研究。它的主要思想是在多条路径上将同一个包发送多遍，以提高网络的可靠性。具有代表性的协议是Reliable Information Forwarding (ReInForm)[4]，它的主要主要思想是：

①源节点根据传输数据的可靠性需求计算需要的传输路径数目；

②在邻居节点中选择一些节点作为下一跳转发节点，并根据比例给每个选取的节点分配路径数目；

③源节点将分配的路径数作为数据报文中的一个字段发给邻居节点；

④收到源节点发来数据的每个邻居节点，将自己当做源节点，重复前面的源节点选路过程。

ReInForm的容错性是在随机选择的路径上，发送同一个包的多份拷贝到Sink节点。这种复制策略不仅仅是对源节点而言，中间的节点都采用这种策略，这样在网络中，即使原始的数据包丢失，后来的数据包也会传输到Sink节点，达到很高的传输率。但是，这种策略为了达到很高的可靠性，在数据包拆分、传送和重构过程中，会消耗很大的能量,所以在网络的可靠性和费用方面需要找到一个平衡点。

4 讨论与总结

本文选取的几种协议都是无线传感器路由协议中比较有典型意义的协议，并对它们进行了容错性分析，容错策略主要分为两类，即复制和重复发送策略。在以后的工作中，需要进行的研究应该包括（1）如何去权衡容错、能量消耗和内存使用以及延迟等多因素。（2）现有的路由协议多数是针对静止的传感器节点，而对移动节点没有给予考虑。

[1] KARAKIJN Al, KAMALA E. Routing techniques in wireless sensor networks: A survey [J]. IEEE Wireless Communications, 2004, 11(6): 6-28.

[2] AKKAYA K, YOUNIS M. A survey on routing protocols for wireless Sensor network [J]. Elsevier Ad Hoc Network Journal, 2005, 3(3): 325-349.

[3] INTANAGONWIWAT C, GOVINDAN R, ESTRIN D. Directed diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks [M]. AC MIntl. Conf. on Mobile Computing and Networking, 2000: 56-67.

[4] GANESAN D, GOVINDAN R, SHENKER S, et al. Highly resilient, energy-efficient multipath routing in wireless sensor networks [M]. ACM MobiHoc’01, CA, Long Beach, USA, 2001.

[5] HASSANEIN H, LUO J. Reliable energy aware routing in wireless sensor networks [J]. Second IEEE Workshop on Dependability and Security in Sensor Networks and Systems, 2006.

Research on Fault-Tolerant Routing Protocol for Wireless Sensor Networks

GAO Xiu-e

(College of Information Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)

For the reason of the limited energy of wireless sensor network, the bad environment, and the limited conditions of communication ability, the routing protocol with the fault tolerance has become the hot issue.This paper summarizes and analyzes the fault tolerance of the existed routing protocol to provide some new ideas for further study.

fault tolerance; wireless sensor networks; routing protocol

TP393

A

1008-2395(2012)03-0021-03

2012-03-09

高秀娥（1976-），女，博士研究生，讲师，研究方向：无线传感器网络，网络管理与监控。