4.2　无线传感器网络网络层研究现状和发展

无线传感器网络的应用背景各不相同，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而研究人员设计了众多的路由协议。为说明无线传感器网络路由协议的特点，可以根据路由协议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点表示和传递方式等策略，运用多种方法对其进行分类。

（1）根据节点在路由过程中是否有层次结构，作用是否有差异，路由协议可分为平面路由协议和层次路由协议。平面路由协议简单、鲁棒性好，但建立和维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络；层次路由协议将网络划分为多个簇，每个簇由一个簇首和多个簇成员组成，该协议的扩展性好，适用于大规模网络，但簇的维护开销大，且簇首是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。

（2）根据路由建立时机与数据发送的关系，路由协议可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。主动路由协议建立和维护路由的开销大，对资源要求高；按需路由协议在传输前需要计算路由时延；混合路由协议综合利用了这两种方式。

（3）根据传输过程中采用路径的多少，路由协议可分为单路径路由协议和多路径路由协议。单路径路由协议可节约存储空间，数据通信量少；多路径路由协议的容错性强，鲁棒性好，且可从众多路由中选择一条最优路由。

（4）根据节点是否编址、是否以地址表示目的地，路由协议可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。基于地址的路由协议是指在路由建立时考虑时延、丢包率等QoS参数，从众多可行路由中选择一条最适合QoS应用的路由。

（5）根据数据在传输过程中是否进行数据融合处理，路由协议可分为数据融合的路由协议和非数据融合的路由协议。数据融合的路由协议能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并会使传输时延增加。

（6）根据是否以地理位置来表示目的节点、路由计算中是否利用地理位置信息，路由协议可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。大量的无线传感器网络应用需要知道突发事件的地理位置，这要运用基于位置的路由协议，但需要GPS定位系统或其他定位方法来协助节点计算位置信息。

（7）根据是否以节点的可用能量或传输路径上的能量需求作为选择路由的根据，路由协议可分为能量感知路由协议和非能量感知路由协议。能量感知路由协议可以根据节点的可用能量或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径，从而高效地利用能量。

（8）根据路由建立是否与查询相关，路由协议可分为查询驱动路由协议和非查询驱动路由协议。查询驱动路由协议能够节约节点存储空间，但是数据时延较大，不适合环境监测等需要紧急上报的应用。

无线传感器网络是当今一个重要的研究领域，路由协议的研究在无线传感器网络的研究中占据非常重要的地位。由于无线传感器网络受自身硬件条件的限制，对路由协议的设计要求非常高，其中重要的一点就是能量的节省。一般无线传感器网络针对不同的应用场景会设计不同的路由协议，由于不同的路由协议都有侧重点，所以针对特定应用的高效专用协议已经实现。尽管如此，无线传感器网络路由协议的发展还不够完善，随着科技的进步，无线传感器网络将会朝着以下几个方面发展。

1. 最优路径选择

路径的选择是无线传感器网络路由协议最重要的一环，在Internet路由协议中，当节点的通信链路断开或者发生拥塞时，协议会尽快通知网络中的其余节点并重新调整和计算路由，路由协议的开销跟通信链路的这种变化速率成正比。无线传感器网络明显不适用于这一点，一方面无线信道不稳定，不适应通信链路高频变化，维护需要的代价太大；另一方面无线传感器网络的硬件条件决定了这种协议的处理方式是不可能实现的，能量消耗过大，协议处理太过复杂，对存储容量的要求也大。传统的全局控制路由算法不适用于无线传感器网络，而无线传感器网络是一种无中心结构的网络，每个传感器节点的最大通信范围有限，基于局部优化的一些路由算法能够很好地适用于无线传感器网络，局部优化路由算法简单、可扩展性好，使得无线传感器网络路由协议得到了进一步的发展。

2. 安全性

无线传感器网络中数据的交换是通过无线信道来完成的，而无线信道大多采用广播形式，因此更容易受到窃听。由于路由协议的简单，并没有专门的协议来保护路由信息，整个网络的安全性得不到保障，因此路由协议的安全性也是无线传感器网络的一个重点考虑因素。无线传感器网络和传统网络一样需要保证信息的机密性、完整性和有效性。传统的网络安全通常采用基于公钥的密码机制，需要由中心节点来统一调配。在无线传感器网络中，节点的地位相同，不存在中心节点，同时无线传感器网络的处理能力和能量有限，加密/解密算法由于其复杂性而无法在无线传感器网络中大量使用，因此设计一套可以在无线传感器网络中使用的安全机制是无线传感器网络路由协议的一个研究重点。

3. QoS保证

无线传感器网络中的QoS保证是指如何动态地配置网络资源，使数据传输更有效。一般来说，无线传感器网络中的QoS保证主要包括两部分：一是尽量找到满足网络QoS要求的路由，并在后面的数据传输过程中维护该路由不被破坏；二是要尽量提高网络资源的利用率，在降低能耗和保证网络QoS之间找到一个最佳的平衡点。无线信道的不稳定性、节点的移动性和网络资源的有限性给QoS保证带来了巨大的挑战。

4. 能量高效利用和均衡

在无线传感器网络中，能效一直是最先要考虑的因素。节点的能量一般来自电池，而电池是不可替换的，因此无线传感器网络路由协议要综合考虑路由算法的能量利用情况，采用得最多的方法就是选择能耗较少的路径、减少数据发送次数、减少冗余数据，一般路由协议需要根据网络的状况动态地调整路由协议及其参数，以此来延长网络生命周期。常用的方法有数据融合、节点睡眠等，在前面已经有所描述。

为了使整个网络的生存时间更长，除了延长单个节点的生存时间，能量均衡也是考虑的重要因素。假想一条链路建立之后，由于能量的不均衡，其中一个节点耗能极为严重而且又没有算法来缓解这种情况，那么不久之后这条链路将会由于这个节点的失效而断开，导致网络通信中断。无线传感器网络作为一个数据采集网络，大量的信息由各个传感器节点流向Sink节点，越靠近Sink节点，数据流量也就越大，节点消耗的能量也就越多，因此还有待开发更加有效的协议来实现能量高效利用和均衡。