1 引言

隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內出現。由這些微型傳感器構成的傳感器網絡引起了人們的極大關注。這種傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。本文在AODV 路由協議的基礎上，提出了一種全新的路由協議—MSAODV 協議，這種路由算法適合在微型無線傳感器網絡上使用。

2 MSAODV 路由算法的基本思想與算法原理

2.1 路由算法的基本思想

在研究了 AODV 路由協議之后，本文提出了一種全新的路由算法，這種路由算法適合在微型無線傳感器網絡上使用，又由于是基于AODV 路由協議之上，故稱之為MSAODV（Micro-Sensor Ad-hoc On-Demand Distance Vector Algorithm）路由協議。

無線傳感器網絡與傳統無線移動網絡有區別，無線傳感器網絡最關心的是整個網絡的成存周期，而傳統無線移動網主要關心的是網絡拓撲變化情況下可靠傳輸質量。微型無線傳感器網絡中的節點具有體積小，功耗小，通信距離短等特點，他們應用的場合非常廣泛，像戰場敵方信息采集，森林火災監控等，這些場合往往是一些無人區，傳感器節點拋撒到這些地方再回收的可能性非常小，所以節點的功耗決定了他的使用時間。針對這些特點，MSAODV 路由算法采用了按需查詢方式，他簡單實用，易于擴充，協議開銷小，應用了這種路由算法傳感器節點大部分時間都可以處在睡眠狀態，這樣就延長了節點的使用時間，適合無線傳感器網絡的使用環境。

2.2 MSAODV 路由算法原理

MSAODV 路由協議算法是在AODV 路由協議的基礎上改進演化而來的，他繼承了AODV 路由算法的許多特點，但是又與AODV 路由協議算法有所不同。無線傳感器網絡的體系結構將有助于設計MSAODV 路由協議算法，圖1 顯示了無線傳感器網絡的體系結構。

MSAODV 路由算法同樣假設網絡中的所有鏈路都是雙向對稱的，即某個源節點通過一條路由可以到達無線網絡中的某個目的節點時，該目的節點同樣也可以通過這條路由的反向路由回到源節點。MSAODV 路由協議同樣是一種按需的距離向量路由協議，具有按需路由協議的特點，網絡中的每個節點在需要進行通信時才發送路由分組，而不會周期性地交互路由信息以得到所有其它主機的路由：同時具有距離向量路由協議的一些特點，即各節點路由表只維護本節點到其他節點的路由，而無須掌握全網拓撲結構。

MSAODV 路由協議中只有兩種類型的消息控制幀：路由請求RREQ 和路由應答RREP。

和AODV 路由協議一樣，當源節點需要發送數據而又沒有到目的節點的有效路由時，啟動一個路由發現過程：向網絡廣播一個路由請求包RREQ,中間節點轉發該路由請求，收到請求的目的節點以單播的方式向源節點返回一個RREP 包，RREP 沿著剛建立的逆向路徑傳輸回源節點，源節點收到該RREP 包后則開始向對應目的節點發送數據。在路由請求包的正向傳播過程中，網絡中能收到該路由請求的節點都建立起了到源節點的反向路由，當目的節點收到路由請求而回送路由應答時，逆向路徑上的節點又建立了前向路由。整個MSAODV 路由發現過程如圖2 所示，a 圖表示的是反向路由的建立過程，節點S 需要和節點D 通信，但是他沒有節點D 的路由，所以節點S 發起到節點D 的路由請求，節點S 廣播一個路由請求包，收到路由請求包的節點轉發節點S 的請求，最終節點D 收到了節點S 的路由請求包，這個過程建立了節點S 到節點D 的反向路由；b 圖表示的是由節點S 到節點D 前向路由的建立過程，當節點D 收到節點S 的路由請求包后，他要給節點S 回送一個路由應答包，順著剛才建立的反向路由，應答包最終被節點S 成功接收，在此過程中節點S 又建立了到節點D 的前向路由。

3 MSAODV 路由中的路由表與協議幀的格式

3.1 MSAODV 路由協議路由表

網絡中的每一個節點都有這樣的一個路由表，該表保存了對應節點的路由信息，由于各個節點在網絡中的位置不同，因而他們的路由表項也不相同，例如在圖2（b）中，a 節點的路由表有兩項，c 節點的路由表也有兩項，如表1 所示。

3.2 MSAODV 路由協議幀格式

由于 MSAODV 路由協議是AODV 路由協議的改進演化，所以與AODV 路由協議幀類似，MSAODV 路由協議也包括RR 衛Q 協議幀和RREP 協議幀，但不包含RERR 協議幀。不包含RERR 協議幀會導致MSAODV 協議在路由維護和錯誤處理上功能欠缺，但可以通過其他方法來彌補這個缺陷。

RREQ 協議幀格式

RREQ 路由請求協議幀如表2 所示。

RREP 協議幀格式

RREP 路由應答協議幀如表3 所示。

4 MSAODV 路由協議的操作

由于MSAODV 路由協議是對AODV 協議的改進演化，所以MSAODV 路由協議的操作與AODV 路由協議的操作大同小異，為了清晰起見，對MSAODV 協議的操作做一詳細的介紹還是有必要的。

4.1 產生路由請求

無線網絡中某個節點需要和網絡中的另一個節點通信時，他首先會查找自己的路由表，以確定是否有通往該目的節點的有效路由，如果有的話，從對應的目的節點路由表項中取出下一跳節點地址，然后構造數據包并把該數據包發往下一節點，如果不存在通往目的節點的路由，那么該節點就要發起一次路由請求。

4.2 處理和轉發路由請求

處理和轉發路由請求是針對源節點和目的節點之間的中間節點而言。這些中間節點可能不止一個，在他們收到源節點廣播的RREQ 路由請求幀之后，必需處理和轉發該路由請求幀。

該RREQ 請求幀是否己經被成功接收過，判斷的依據就是源節點的IP 地址和廣播ID 號，如果發現由源節點和廣播ID 唯一標志的RREQ 請求幀是新的，也就是沒收到過，就會根據此RREQ 請求幀更新自己路由表中對應的項。很顯然，該路由表項的目的節點IP 字段就是是源節點IP 地址，下一跳IP 地址就是發送此RREQ 請求幀的節點IP 地址，有可能是源節點也有可能是另一個中間節點。接下來此中間節點判斷該RREQ 請求幀的目的IP 是不是就是自己，如果是就回送一個RREP 回應幀，不是就轉發該RREQ 請求幀。

4.3 產生路由應答

RREQ 經過中間節點的轉發到達目的節點或者是直接到達目的節點后，目的節點要進行相應的處理。

目的節點收到 RREQ 請求包，首先會判斷是否已經收到過此請求包，如果沒有收到過則更新自己相應的路由表項，目的節點把該路由表項的目的IP 更新為源節點的IP 地址，下一跳IP為發給他RR 衛Q 請求幀的節點IP,目的節點序列號填上源節點的序列號，該序列號在RREQ請求幀里，跳數直接從RREQ 請求幀里拷貝。在確認請求的節點就是自己后，目的節點要給源節點發送一個RREP 應答幀，接下來目的節點構造一個RREP 應答幀并正確初始化該幀。類型字段為2,表示該幀是RREP 應答幀。跳數字段為0,因為是目的節點發起的RREP 應答幀。

目的節點產生一個RREP 應答包之前，必需更新自己的序列號，更新值為當前序列號與RREQ請求包中的目的序列號兩者中的最大值，目的序列號字段被初始化為這個最大值。源IP 地址指的是發起RREQ 請求幀的源節點的IP 地址，而不是指目的節點的IP 地址，同樣的，目的IP地址就是目的節點的IP 地址，也就是發起RREP 應答幀的節點IP 地址。

在目的節點構造好 RREP 回應幀后，就要把該幀以單播的形式沿著反向路由傳送，他的下一跳節點IP 地址是發給他RREQ 請求幀的節點地址，可能是某個中間節點，也可能是源節點。

一切準備就緒，目的節點按照退避算法發送該幀。

4.4 接收和轉發路由應答

由于無線網絡的特點，盡管目的節點是以單播的形式向源節點回送RREP 回應幀，但是網絡中的很多節點也能接收到該幀，當然，這些節點只是簡單的丟棄該幀，只有反向路由上的節點才會接收該RREP 回應幀。反向路由上的節點會沿著反向路由順利的把RREP 回應幀傳給源節點，同時他們也根據此RREP 回應幀建立了前向路由。該節點下面要完成的工作就是把該RREP 回應幀轉發出去。他要知道下一跳節點的IP 地址，以RREP 回應幀中的源節點IP地址為關鍵字查找路由表，得到下一跳節點的IP,這個表項是在建立反向路由時建立或更新的。該中間節點在完成上面的步驟后，以退避算法轉發該RREP 回應幀。與RREQ 請求幀的轉發不同，R.REP 回應幀的轉發是單播的，他不會像R.REQ 請求幀那樣可能被轉發多次，所以R.REP 回應幀的字段里不存在廣播ID。

4.5 新節點加入

無線傳感器網絡中的節點在開機或重啟之后，會向網絡廣播一個RESET 消息，網絡中的其他節點收到此RESET 消息后會轉發該幀，最后主節點收到該幀。新節點在RESET 消息幀里攜帶自己的IP 地址，這樣當主節點收到該幀后就可以知道是哪個節點重啟。

收到 RESET 消息幀的其他節點首先查找自己的路由表看是否有主節點的IP 地址，如果有就以單播的形式發送該幀，反之則繼續廣播此RESET 消息幀。每個節點都要保存上一次他收到的RESET 消息幀中的源節點IP 地址，下次再收到RESET 消息幀首先要比較源IP 地址是否和保存值相同，相同就不再轉發該幀，在經過一段時間后，將保存值清零，這樣就避免了重復轉發同一個RESET 消息幀，又避免了不再轉發下次的RESET 消息幀。

4.6 其他操作

除了前文描述的產生路由請求、處理和轉發路由請求、產生路由應答、接收和轉發路由應答、新節點加入等主要操作外，MSAODV 路由算法余下的操作可以參考第二章介紹的AODV 路由算法。

5 結語

AODV 路由算法應用在無線傳感器網絡中有一定的局限性，不能很好得適合無線傳感器網絡的體系結構。以無線傳感器網絡與傳統移動無線網著重點不同為依據，本文提出了適合無線傳感器網絡的路由算法MSAODV,并詳細敘述分析了MSAODV 路由算法。