第4章
无线传感器网络的网络层

4.1　无线传感器网络网络层概述

在无线传感器网络中，路由协议主要用于确定网络中的路由，实现节点间的通信。由于受节点能量和最大通信范围的限制，两个节点之间往往不能直接进行数据交换，因而需要以多跳的形式进行数据交换。无线传感器网络的网络层主要负责多跳路由的发现和维护，这一层的路由协议主要包括两个方面：一是路由的选择，即寻找一条从源节点到目的节点的最优路径；二是路由的维护，保证数据能够沿着这条最优路径进行数据交换。

一般来说，无线传感器网络没有中心节点，所有的节点所处的地位都是相同的，各节点之间通过自组织的方式来形成一个网络，采用的算法是分布式算法。由于无线传感器网络的节点由电池供电，一般应用在无人值守的地区，电池不可替换，电池能量耗尽即节点失效，因此在无线传感器网络中能量的节省就成为协议设计的首要考虑问题。传统的无线路由协议的主要目的是减小网络拥塞，保持网络的数据交换，提供高质量的网络服务，主要专注于减小网络延迟、提高网络的利用率等。而无线传感器网络的节点能量有限，要在这种条件下完成传统协议所要求的所有性能是不可能的，另外由于无线信道的不稳定性，无线信道之间的相互干扰，节点的移动或者失效都可能导致无线传感器网络的拓扑结构发生变化，而且这种变化具有随机性，这些问题在传统网络中都不曾遇到过，因此传统的无线路由协议不能直接用于无线传感器网络中。相对于传统网络，无线传感器具有以下特征。

1）大规模分布式应用

一般来说，无线传感器节点因为价格低廉，所以被大量应用在各种应用中，节点分布密集、数量巨大。由于给每个节点都配一个全局的ID来表示它的地址是无法现实的，因此传统的以IP地址为基础的路由协议无法运用在无线传感器网络中。

2）以数据为中心

无线传感器网络的特殊应用要求多个源节点能够共同采集数据，将采集到的数据进行简单的处理后传送给Sink节点，不要求任意两点之间能够直接通信。按照对这种感知数据的要求，网络采用的是基本单一的数据通信模式，这给设计高效的无线传感器网络带来了可能。

3）基于局部拓扑信息

由于无线传感器网络节点的通信范围有限，同时为了节省能量，所以一般采取多跳的方式来进行节点间的通信。对于硬件条件非常有限的无线传感器网络节点来说，存储大量的路由信息是不可能的，复杂的协议计算显然也不适用于这种网络，因此无线传感器网络的路由协议要求节点能够利用局部的拓扑信息来选择合适的路径。

4）基于应用

无线传感器网络的路由协议和应用密切相关，不同应用的应用背景不相同，对路由协议的要求也不相同，并没有一种通用的路由协议。在设计路由协议时，应根据不同应用的需求，设计与之相对应的路由协议，这样可以简化协议、节省能量。

5）数据的融合

无线传感器网络旨在获得Sink节点感兴趣的一些数据，是基于事件的传输，不需要完全源端到目的端的可靠传输，只需保证有效数据被传送到节点即可。在无线传感器网络中，同一事件的数据可能被多个节点采集到，或者同一事件的数据可能被多次传输，因此网络中存在大量的冗余数据，路由协议的设计需要考虑这些冗余数据，尽可能简化通信量，提高带宽利用率。

上述特点使得无线传感器网络不能使用传统的路由协议，在设计无线传感器网络的路由协议时要考虑的问题非常多，但最终的目的是建立一个满足应用需求的网络，一般要求网络生存时间足够长。因此，无线传感器网络不仅关心单个节点的能耗，更在意整个网络能量消耗的平均情况，争取实现节点剩余能量均衡，这样就能够最大限度地延长网络的生命周期。另外，在无线传感器网络中还有特殊用途的协议，如基于地理位置的无线传感器网络，这种网络就需要配合网络的定位系统来实现。