MSAODV路由算法的原理及在无线传感器网络方面的应用

1 引言

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。本文在AODV 路由协议的基础上，提出了一种全新的路由协议—MSAODV 协议，这种路由算法适合在微型无线传感器网络上使用。

2 MSAODV 路由算法的基本思想与算法原理

2.1 路由算法的基本思想

在研究了 AODV 路由协议之后，本文提出了一种全新的路由算法，这种路由算法适合在微型无线传感器网络上使用，又由于是基于AODV 路由协议之上，故称之为MSAODV（Micro-Sensor Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm）路由协议。

无线传感器网络与传统无线移动网络有区别，无线传感器网络最关心的是整个网络的成存周期，而传统无线移动网主要关心的是网络拓扑变化情况下可靠传输质量。微型无线传感器网络中的节点具有体积小，功耗小，通信距离短等特点，他们应用的场合非常广泛，像战场敌方信息采集，森林火灾监控等，这些场合往往是一些无人区，传感器节点抛撒到这些地方再回收的可能性非常小，所以节点的功耗决定了他的使用时间。针对这些特点，MSAODV 路由算法采用了按需查询方式，他简单实用，易于扩充，协议开销小，应用了这种路由算法传感器节点大部分时间都可以处在睡眠状态，这样就延长了节点的使用时间，适合无线传感器网络的使用环境。

2.2 MSAODV 路由算法原理

MSAODV 路由协议算法是在AODV 路由协议的基础上改进演化而来的，他继承了AODV 路由算法的许多特点，但是又与AODV 路由协议算法有所不同。无线传感器网络的体系结构将有助于设计MSAODV 路由协议算法，图1 显示了无线传感器网络的体系结构。

MSAODV 路由算法同样假设网络中的所有链路都是双向对称的，即某个源节点通过一条路由可以到达无线网络中的某个目的节点时，该目的节点同样也可以通过这条路由的反向路由回到源节点。MSAODV 路由协议同样是一种按需的距离向量路由协议，具有按需路由协议的特点，网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组，而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由：同时具有距离向量路由协议的一些特点，即各节点路由表只维护本节点到其他节点的路由，而无须掌握全网拓扑结构。

MSAODV 路由协议中只有两种类型的消息控制帧：路由请求RREQ 和路由应答RREP。

和AODV 路由协议一样，当源节点需要发送数据而又没有到目的节点的有效路由时，启动一个路由发现过程：向网络广播一个路由请求包RREQ,中间节点转发该路由请求，收到请求的目的节点以单播的方式向源节点返回一个RREP 包，RREP 沿着刚建立的逆向路径传输回源节点，源节点收到该RREP 包后则开始向对应目的节点发送数据。在路由请求包的正向传播过程中，网络中能收到该路由请求的节点都建立起了到源节点的反向路由，当目的节点收到路由请求而回送路由应答时，逆向路径上的节点又建立了前向路由。整个MSAODV 路由发现过程如图2 所示，a 图表示的是反向路由的建立过程，节点S 需要和节点D 通信，但是他没有节点D 的路由，所以节点S 发起到节点D 的路由请求，节点S 广播一个路由请求包，收到路由请求包的节点转发节点S 的请求，最终节点D 收到了节点S 的路由请求包，这个过程建立了节点S 到节点D 的反向路由；b 图表示的是由节点S 到节点D 前向路由的建立过程，当节点D 收到节点S 的路由请求包后，他要给节点S 回送一个路由应答包，顺着刚才建立的反向路由，应答包最终被节点S 成功接收，在此过程中节点S 又建立了到节点D 的前向路由。

3 MSAODV 路由中的路由表与协议帧的格式

3.1 MSAODV 路由协议路由表

网络中的每一个节点都有这样的一个路由表，该表保存了对应节点的路由信息，由于各个节点在网络中的位置不同，因而他们的路由表项也不相同，例如在图2（b）中，a 节点的路由表有两项，c 节点的路由表也有两项，如表1 所示。

3.2 MSAODV 路由协议帧格式

由于 MSAODV 路由协议是AODV 路由协议的改进演化，所以与AODV 路由协议帧类似，MSAODV 路由协议也包括RR 卫Q 协议帧和RREP 协议帧，但不包含RERR 协议帧。不包含RERR 协议帧会导致MSAODV 协议在路由维护和错误处理上功能欠缺，但可以通过其他方法来弥补这个缺陷。

RREQ 协议帧格式

RREQ 路由请求协议帧如表2 所示。

RREP 协议帧格式

RREP 路由应答协议帧如表3 所示。

4 MSAODV 路由协议的操作

由于MSAODV 路由协议是对AODV 协议的改进演化，所以MSAODV 路由协议的操作与AODV 路由协议的操作大同小异，为了清晰起见，对MSAODV 协议的操作做一详细的介绍还是有必要的。

4.1 产生路由请求

无线网络中某个节点需要和网络中的另一个节点通信时，他首先会查找自己的路由表，以确定是否有通往该目的节点的有效路由，如果有的话，从对应的目的节点路由表项中取出下一跳节点地址，然后构造数据包并把该数据包发往下一节点，如果不存在通往目的节点的路由，那么该节点就要发起一次路由请求。

4.2 处理和转发路由请求

处理和转发路由请求是针对源节点和目的节点之间的中间节点而言。这些中间节点可能不止一个，在他们收到源节点广播的RREQ 路由请求帧之后，必需处理和转发该路由请求帧。

该RREQ 请求帧是否己经被成功接收过，判断的依据就是源节点的IP 地址和广播ID 号，如果发现由源节点和广播ID 唯一标志的RREQ 请求帧是新的，也就是没收到过，就会根据此RREQ 请求帧更新自己路由表中对应的项。很显然，该路由表项的目的节点IP 字段就是是源节点IP 地址，下一跳IP 地址就是发送此RREQ 请求帧的节点IP 地址，有可能是源节点也有可能是另一个中间节点。接下来此中间节点判断该RREQ 请求帧的目的IP 是不是就是自己，如果是就回送一个RREP 回应帧，不是就转发该RREQ 请求帧。

4.3 产生路由应答

RREQ 经过中间节点的转发到达目的节点或者是直接到达目的节点后，目的节点要进行相应的处理。

目的节点收到 RREQ 请求包，首先会判断是否已经收到过此请求包，如果没有收到过则更新自己相应的路由表项，目的节点把该路由表项的目的IP 更新为源节点的IP 地址，下一跳IP为发给他RR 卫Q 请求帧的节点IP,目的节点序列号填上源节点的序列号，该序列号在RREQ请求帧里，跳数直接从RREQ 请求帧里拷贝。在确认请求的节点就是自己后，目的节点要给源节点发送一个RREP 应答帧，接下来目的节点构造一个RREP 应答帧并正确初始化该帧。类型字段为2,表示该帧是RREP 应答帧。跳数字段为0,因为是目的节点发起的RREP 应答帧。

目的节点产生一个RREP 应答包之前，必需更新自己的序列号，更新值为当前序列号与RREQ请求包中的目的序列号两者中的最大值，目的序列号字段被初始化为这个最大值。源IP 地址指的是发起RREQ 请求帧的源节点的IP 地址，而不是指目的节点的IP 地址，同样的，目的IP地址就是目的节点的IP 地址，也就是发起RREP 应答帧的节点IP 地址。

在目的节点构造好 RREP 回应帧后，就要把该帧以单播的形式沿着反向路由传送，他的下一跳节点IP 地址是发给他RREQ 请求帧的节点地址，可能是某个中间节点，也可能是源节点。

一切准备就绪，目的节点按照退避算法发送该帧。

4.4 接收和转发路由应答

由于无线网络的特点，尽管目的节点是以单播的形式向源节点回送RREP 回应帧，但是网络中的很多节点也能接收到该帧，当然，这些节点只是简单的丢弃该帧，只有反向路由上的节点才会接收该RREP 回应帧。反向路由上的节点会沿着反向路由顺利的把RREP 回应帧传给源节点，同时他们也根据此RREP 回应帧建立了前向路由。该节点下面要完成的工作就是把该RREP 回应帧转发出去。他要知道下一跳节点的IP 地址，以RREP 回应帧中的源节点IP地址为关键字查找路由表，得到下一跳节点的IP,这个表项是在建立反向路由时建立或更新的。该中间节点在完成上面的步骤后，以退避算法转发该RREP 回应帧。与RREQ 请求帧的转发不同，R.REP 回应帧的转发是单播的，他不会像R.REQ 请求帧那样可能被转发多次，所以R.REP 回应帧的字段里不存在广播ID。

4.5 新节点加入

无线传感器网络中的节点在开机或重启之后，会向网络广播一个RESET 消息，网络中的其他节点收到此RESET 消息后会转发该帧，最后主节点收到该帧。新节点在RESET 消息帧里携带自己的IP 地址，这样当主节点收到该帧后就可以知道是哪个节点重启。

收到 RESET 消息帧的其他节点首先查找自己的路由表看是否有主节点的IP 地址，如果有就以单播的形式发送该帧，反之则继续广播此RESET 消息帧。每个节点都要保存上一次他收到的RESET 消息帧中的源节点IP 地址，下次再收到RESET 消息帧首先要比较源IP 地址是否和保存值相同，相同就不再转发该帧，在经过一段时间后，将保存值清零，这样就避免了重复转发同一个RESET 消息帧，又避免了不再转发下次的RESET 消息帧。

4.6 其他操作

除了前文描述的产生路由请求、处理和转发路由请求、产生路由应答、接收和转发路由应答、新节点加入等主要操作外，MSAODV 路由算法余下的操作可以参考第二章介绍的AODV 路由算法。

5 结语

AODV 路由算法应用在无线传感器网络中有一定的局限性，不能很好得适合无线传感器网络的体系结构。以无线传感器网络与传统移动无线网着重点不同为依据，本文提出了适合无线传感器网络的路由算法MSAODV,并详细叙述分析了MSAODV 路由算法。