dsr路由协议分析与仿真

dsr路由协议分析与仿真内容摘要：

制网络中搜索路由的范围，减少路由控制分组的数量，一般用于基于泛洪的路由协议的改进。 （2） 基于地理位置信息的路由协议。 该类协议直接使用地理位置信息建立路由，节点直接根据位置信息制定数据转发策略。 典型的基于地理位置信息的路由协议有位置辅助路由协议LAR，基于地理位置信息的路由协议GAF、GPSR、和GEAR。 WSN路由协议的发展 路由协议是无线传感器网络当前研究的热点之一，传感器网络由于其自身资源受限的特点，对路由协议的要求非常高，设计一个通用的路由协议是一件非常困难的事。 一般传感器网络路由协议的设计都专门对特定的应用场景，传感器网络应用场景的专一性，为设计高效专用的路由协议带来了可能性。 尽管如此，WSN的路由设计还是存在大量挑战，这些问题包括传统的Internet路由协议中碰到的问题，还包括由WSN自身的特点引入的问题。 尽管在WSN路由算法的研究上取得了很多进展，但还是有一些根本性的问题需要进一步地解决[10]。 在Internet路由协议中，当节点链路发生变化的时候，其设计思想是以最快的速度将该变化通知网络中的其他节点，并重新调整和计算最短路由。 链路变化越快，由此引起的路由开销也就越大。 WSN中显然不适合这种方法，一方面是因为无线链路的不稳定性，节点间链路发生变化的频率太高，维护起来代价太大；另一方面是因为WSN中节点的能量有限，处理能力低，无线通信带宽窄，而且存储空间也小，及时获得整个网络拓扑改变的信息几乎是不可能的。 WSN不适合采用传统的全局中心控制式路由算法精确计算优化路径以达到全局优化，适合WSN的是一些基于局部优化的分布式算法。 这要求网络中的每个节点在只与有限范围内的节点交互的前提下，实现局部优化。 局部优化算法具有简捷、鲁棒、可扩展等优点，但是由于只能获取局部信息，不能实现全局优化。 WSN中的QoS支持问题是如何动态地配置网络资源使数据传输更有效，效率更高。 WSN中QoS路由的工作主要包括两个方面：一是找到满足QoS需求的路由，在网络拓扑和信道状态频繁变化的情况下维护该路由；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的QoS之间找到最佳的平衡点。 无线信道的不稳定性、节点的移动性以及网络资源的有限性，都给QoS路由的设计带来了困难。 WSN通过无线链路来传送数据，无线通信的广播特性使其更容易受到窃听、假冒、篡改等攻击。 传感器网络路由的主要攻击有以下几种[11]： （1）虚假的路由信息。 通过欺骗、更改和重发路由信息，攻击者可以创建路由环，吸引或者拒绝网络信息流通量，延长或者缩短路由路径，形成虚假的错误信息、分割网络、增加端到端的时延等。 （2）选择性转发（selective forwarding）。 节点收到数据包后，有选择地转发或者根本不转发收到的数据包，导致数据包不能到达目的地。 （3）Sinkhole攻击。 攻击者通过声称自己电源充足、可靠而且高效等手段，吸引周围的节点选择它作为其路由路径中的点，然后和其他的攻击结合起来，达到攻击的目的。 （4）Sybil攻击。 在这种攻击中，单个节点以多个身份出现在网络中的其他节点面前，使其更易成为路由路径中的节点，然后和其他攻击方法结合使用，达到攻击的目的。 （5）Wormhole攻击。 这种攻击通常需要两个恶意节点相互串通，合谋进行攻击。 一般情况下，一个恶意节点位于Sink节点附近，另一个恶意节点离Sink较远。 较远的那个节点声称自己和Sink附近的节点可以建立低时延和高带宽的链路，从而吸引周围节点将数据包发到它这里。 在这种情况下，远离Sink的那个恶意节点其实也是一个Sinkhole。 Wormhole攻击可以和其他攻击结合使用。 （6）Hello flood攻击。 很多路由协议需要传感器节点定时发送Hello包，以声明自己是它们的邻居节点。 但是一个较强的恶意节点以足够大的功率广播Hello包时，收到Hello包的节点会认为这个恶意节点是它们的邻居。 在以后的路由中，这些节点很可能会使用这条到恶意节点的路径，向恶意节点发送数据包。 事实上，由于该节点离恶意节点距离较远，以普通的发射功率传输的数据包根本到不了目的地。 （7）确认欺骗。 一些传感器网络路由算法依赖于潜在的或者明确的链路层确认。 由于广播媒介的内在性质，攻击者能够通过偷听通向临近节点的数据包，发送伪造的链路层确认。 目标包括使发送者相信一个弱链路是强壮的，或者是相信一个已经失效的节点还是可以使用的。 因为沿着弱连接或者失效连接发送的包会发生丢失，攻击者能够通过引导目标节点利用那些链路传输数据包，从而有效地使用确认欺骗进行选择性转发攻击。 能量是WSN中一个重要的话题。 传感器节点一般都依靠电池提供能源，WSN路由协议需要考虑路由算法的能量效率问题，基本思想是尽量减少网络内的冗余数据，降低数据传送的次数和大小，采用自适应设计方法，根据网络状态，动态调整路由协议及参数，以达到高效利用能量，延长网络生命周期的目的。 常用的几种用于优化的方法有数据重命名机制、数据融合机制、节点休眠机制以及网络自适应机制。 由于前三种机制从理解上比较容易，所以在此不做累述，网络自适应机制是指节点根据自己的处理能力、剩余能量以及网络拓扑情况等一些因素，动态调整路由协议参数以及节点的功能和状态。 本章小结 本章主要叙述了无线传感器网络路由协议的概况、特点以及关键技术。 简要地介绍了几种典型的路由机制，即以数据为中心的平面路由、集群路由和地理位置信息路由，并且全面的介绍了无线传感器网络路由的发展趋势。 路由协议不仅要考虑节能，更要从整个网络系统的角度，根据具体的应用背景，考虑网络能量的均衡使用，最终延长整个网络的寿命。 第3章 DSR路由协议 DSR路由协议简介动态源路由协议(DSR,Dynamic Source Routing)是一种按需路由协议，也可以称作反应式路由协议，它允许节点动态地发现到达目的节点的多跳路由。 所谓源路由，是指在每个数据分组的头部携带有在到达目的节点之前所有分组必须经过的节点的列表，即分组中含有到达目的节点的完整路由[2]。 DSR是如今移动Ad hoc网络中典型的一种路由协议，但是由于移动Ad hoc网络与无线传感器网络在组网上的相似性，有理由相信DSR路由协议是能够移植到无线传感器网络当中的，但是要将其移植到传感器网络中，就必须对其的算法及思路非常熟悉，本次设计的主要工作在于分析与理解DSR路由协议，并在此基础上进行仿真运行，以便今后从路由建立过程以及能量效率上对其进行向无线传感器网络的移植和改进。 在DSR路由中，不用周期性地广播路由控制信息，DSR路由协议中的所有状态都是“软状态”，任何状态的丢失都不会影响DSR路由协议的正确操作，因为所有状态都是按需建立的，所有状态在丢失之后如果仍然需要的话则能够很容易得到迅速恢复，这样就能减少网络的带宽开销，节约电池能量消耗，避免无线传感器网络中大范围的路由更新。 DSR路由协议原理DSR协议主要包括路由发现（Route Discovery）和路由维护（Route Maintenance）两大部分[6]。 路由发现和路由维护协同工作保证了节点维持的到达目的节点的路由的及时和有效性。 [7]。 路由请求 路由应答 路由发现：当源节点S要发送一个数据分组到目的节点D，但是源节点并不知道到达目的节点的路由信息时，源节点就会发起一次路由发现过程。 为了建立一条路由，源节点广播一个路由请求（Route Request）分组，当该请求分组到达目的节点，或者是到达某个中间节点且该节点具有到达目标节点的路由信息时，这些节点就向源节点发送一个包含着S到D的完整路由信息的路由应答（Route Reply）分组，源节点S就会根据这些信息建立新的路由。 路由维护：由于网络中各节点的移动性，网络拓扑随时会发生变化，一条路径中的某两个节点可能会因距离超出双方的传输半径或其它的原因诸如中间节点故障等而导致现存路由信息的失效。 当路由维护指明某个源路由失效时，就使用路由错误（Route Error）分组通知源节点S，源节点S就会尝试使用其它可以到达目的节点D的路由路径，或者再一次发起路由发现过程来寻找一条新的路由路径。 这个过程被称为路由维护。 使用DSR协议进行通讯的任何节点都需要维护如下四个概念性数据结构，即路由缓存（Route Cache）、发送缓冲区（Send Buffer）、路由请求表（Route Request Table）和重传缓冲区（Retransmission Buffer）：路由缓存：一个使用DSR参与无线传感器网络的结点所需的所有路由信息都存储在路由缓存中。 网络中的每个节点维护自己的路由缓存。 当一个结点听到传感器网络中结点之间的新链路时会将该信息添加进缓存中；同样的当一个结点得知现存路由信息失效时，将会从缓存中删除该信息，如果路由缓存溢出，需要采用LRU（Least Recently Used）算法来进行淘汰处理。 发送缓冲区：结点的发送缓冲区是一些由于该结点没有一个到达目的节点的源路径而不能被该结点发送的分组组成的队列。 一般来讲，节点在将分组插入发送缓冲区的同时就会发起一个路由发现过程，如果路由发现过程成功的话，这些分组就会被发送出去。 在发送缓冲区中的每个分组都标记了它进入发送缓冲区的时间，当在被放入SEND_BUFFER_TIMEOUT秒后，它将被丢弃。 如果必须的话，可以采用FIFO策略将分组在没有超时时将其丢弃以防止发送缓冲区的溢出。 路由请求表：如果某节点发送或转发了发往某目的结点的路由请求分组，则在接下来的DSR_REQ_TIMEOUT时间间隔内，该节点将不允许再次向这个目的结点发送路由请求分组。 节点的路由请求表是最近该结点发出的或转发的路由请求分组的的集合，其中每一个条目都记录了其被插入路由请求表的时间，当超时后这些条目将会被删除，如果路由请求表溢出，需要采用LRU算法来进行淘汰处理。 重传缓冲区：DSR路由维护的基础就是每个节点需要在发出或者转发分组时保证分组能够顺利地被下一跳的节点所接收；如果不能确认下一跳已经成功接收到了的分组，该节点需要作出相应的反应，如重传分组或者到达最大重传次数MAX_RETRANSMITE_TIME后丢弃该分组，同时向源节点发送路由错误分组。 重传缓冲区是节点发送或转发的分组中那些尚未得到下一跳确认的分组的集合。 DSR在协议栈中的位置DSR协议的实现可以在链路层或者网络层完成，在链路层实现DSR具有如下的优势[8]：（1） 在链路层实现DSR，可以使无线传感器网络所支持的节点数目最大化，使得运行IPvIPv6以及IPX的节点可以做相同的路由处理。 （2） 历史的来讲，DSR从地址解析协议ARP和IEEE802源路由网桥发展而来，而这两者都是链路层的协议。 （3） 从技术来讲，DSR在链路层的实现会更加简单，可以透明地实现对于处在一个固定基站附近的节点的覆盖范围的扩展。 应用层传输层网络层（DSR）数据链路层物理层 但是，链路层无法解决对节点的多个网络接口的支持，而网络层是可以提供这种支持的唯一一层，因此DSR在提出时就是作为在网络层上实现路由协议。 同时考虑到无线传感器网络中节点多个网络接口可能存在的不同用途，仅对经过规定的无线传感器网络接口的分组使用DSR协议进行路由。 无线传感器网络接口可以规定为真实存在的网络接口，也可以使用虚拟的网络接口[9]。 DSR在网络协议栈中的位置 DSR分组结构DSR协议使用一个结构特殊的DSR头来携带控制信息，这个DSR头可以被任何已经存在的IP分组携带。 DSR头的开始部分是一个固定尺寸的结构体，采用了扩展性良好的TLV格式，除固定部分之外，不同类型的选项（Options）以TLV格式附加在固定部分之后。 Next HeaderFReservedPayload lengthOptions DSR分组结构当前许多学者对DSR协议的分组格式持有不同观点，大体上分为以下两种思路：第一种是采用IP分组的格式，只是将IP头部稍作变化，变为DSR头部即可，相应的字段要做相应的更改，例如，插入DSR头以后，IP头的结构无需改动但IP头中的若干个域需要修改以区分DSR分组与普通的IP分组：IP头中的protocol域需要修改为DSR头标识（DSR_PROTOCOL_ID）；由于DSR信息的插入，整个分组的长度，即IP头中的total length域也必须被修改；IP头的目的地址daddr应该被修改为DSR源路由中的下一跳的地址，如果是DSR路由请求分组则应该将置为广播地址；IP头中任意其它域的改动都会引起头部校验和（checksum）的变化，需要用函数ip_send_check重新计算；第二种就是本文所说的格式，在无线传感器网路中，能量效率是一个永恒的话题，在保证网络寿命满足要求的同时能够传输传输更多的数据是人们所更为期待的，因此，采用这种简捷的分组头形式能够减小网络开销，提高网络的有效性。 在DSR分组头中，Next Header代表了下一跳，F是标识符，能够从中识别出它是DSR分组，Reserved是保留字段，以便未来的扩展用途，Payload length为有效载荷长度，最后的Options作为不同阶段DSR分组的类型，Option由以下几种类型：（1） Route Request，路由请求。 它是在路由发现过程中源节点发出的路由请求分组中的Option类型；（2） Route Reply，路由应答。 它是在路由发现过程中目的节点或者能够到达目的区域的节点发给源节点的路由应答中的Option类型；（3） ACK Request，确认请求。 它是在路由维护阶段中间转发节点定期地向其下一跳所发出的确认路由分组中的Option的类型；（4） ACK，确认。 当在路由维护阶段，发出ACK Request报文节点的下一跳所使用的路由确认请求，用以确认路由的有效。