无线传感器网络中三种经典路由协议： Directed Diffusion、LEACH、GPSR

无线传感器网络中三种经典路由协议： Directed Diffusion、LEACH、GPSR

无线传感器网络(WSN)由于其广泛的应用前景，近年来受到了广泛关注。路由协议作为WSN的关键技术之一，直接影响着网络的性能和安全性。本文将介绍三种经典的WSN路由协议：Directed Diffusion、LEACH和GPSR，并分析其优缺点和安全风险。

1. Directed Diffusion协议

Directed Diffusion是一种以数据为中心、查询驱动的路由协议，其路由机制包含兴趣扩散、初始梯度建立以及数据沿着加强路径传播三个阶段。

• 兴趣扩散: 汇聚节点周期性地广播兴趣消息，包含对象类型、目标区域、数据发送时间间隔等信息。节点收到兴趣消息后，更新或创建兴趣列表。
• 初始梯度建立: 节点记录邻居节点指定的数据发送率（梯度），并将匹配的兴趣消息发送到梯度上的邻居节点。
• 数据沿着加强路径传播: 汇聚节点选择延迟最低的路径作为加强路径，并通知路径上的节点更新兴趣列表，确保数据高效传输。

Directed Diffusion的特点:

• 以数据为中心的传输
• 基于强化适应性的经验最优路径
• 网络内数据汇聚和高速缓存

Directed Diffusion的缺点:

• 缺乏必要的安全防护，容易受到攻击，例如：
  • 伪装攻击：攻击者伪装成基站，监听目标数据。
  • 路径攻击：攻击者利用虚假路径信息，影响数据传输。
  • Sinkhole攻击：攻击者发送欺骗性数据，诱骗节点发送数据至错误路径。
  • Sybil攻击：攻击者伪造多个身份，阻止汇聚节点获取有效信息。

2. LEACH协议

LEACH是一种低能耗、自适应的基于聚类的协议，利用随机旋转的本地簇基站来均分网络中传感器的能量负荷。

LEACH的主要特点:

• 本地化协调与控制簇设置和操作
• 簇头节点随机旋转
• 本地数据压缩以减少全局通信量

LEACH的工作流程:

1. 节点随机生成一个数字，若小于阈值T(n)，则成为簇头节点。
2. 簇头节点广播信息，非簇头节点根据信号强度选择加入哪个簇。
3. 节点将数据发送至簇头节点，簇头节点融合数据后发送至汇聚节点。

LEACH的优点:

• 能量消耗较少

LEACH的缺点:

• 容易受到攻击者的攻击，例如：
  • 选择性转发攻击：恶意节点通过增强信号强度，吸引非簇头节点加入其簇，从而控制数据传输。
  • Sinkhole攻击：恶意节点成为簇头节点，丢弃接收到的数据。

LEACH的优点:

• 对虚假路由和Sybil攻击有一定的抵御能力，因为所有节点都可以与汇聚节点通信。

3. GPSR协议

GPSR是一种基于地理位置的路由协议，节点利用贪婪算法，根据邻居节点和自身的位置信息转发数据。

GPSR的工作流程:

1. 节点收到数据后，比较自身与邻居节点到目的节点的距离。
2. 若自身距离更近，则直接转发数据至目的节点；否则，转发至距离目的节点更近的邻居节点。
3. 若遇到“空洞”问题，即所有邻居节点都比自身距离目的节点更远，则采用右手法则绕过空洞区域。

GPSR的特点:

• 高效、灵活
• 适用于大规模网络

GPSR的缺点:

• 容易出现“空洞”现象，导致数据传输中断。
• 容易受到位置攻击，例如：攻击者发送虚假位置信息，导致节点将数据转发至错误路径，形成死循环。

总结

Directed Diffusion、LEACH和GPSR作为经典的无线传感器网络路由协议，各有优缺点。实际应用中，需要根据具体需求选择合适的协议，并采取相应的安全措施，提高网络的安全性。