无线传感器网络路由协议概述：Directed Diffusion、LEACH、GPSR

无线传感器网络路由协议概述：Directed Diffusion、LEACH、GPSR

无线传感器网络（WSN）在环境监测、灾害预警、智能家居等领域有着广泛的应用。路由协议是WSN的关键技术之一，它负责将传感器节点收集的数据传输到汇聚节点。本文将介绍三种典型的无线传感器网络路由协议：Directed Diffusion、LEACH和GPSR，分析它们的路由机制、特点和优缺点，以及它们可能遭受的攻击和防范措施。

1. Directed Diffusion协议

Directed Diffusion是一个典型的以数据为中心、查询驱动的路由协议，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。

在兴趣扩散阶段，由汇聚节点周期性地广播兴趣消息到其邻居节点上，兴趣消息包含对象类型、目标区域数据发送时间间隔、持续时间等部分。当节点收到邻居节点的兴趣消息时，如果该消息的参数类型不存在于节点的兴趣列表中，那么就建立一个新表项存储该消息；如果节点中存在与该消息的某些参数相同的表项，则对该表项中的数据进行更新；如果该消息和刚刚转发的某条消息一样，则直接丢弃。初始梯度建立和兴趣扩散同时进行，在兴趣扩散过程中，节点在创建兴趣列表时，记录中已经包含邻居节点指定的数据发送率即梯度。当节点具有与兴趣消息相匹配的数据项时，就把兴趣消息发送到梯度上的邻居节点，并以梯度上的数据传输速率为参照标准对传感器模块采集数据速率进行设定。鉴于自身有多个邻居节点在网络环境中进行广播兴趣消息，汇聚节点有可能在这个阶段通过不同的路径接收到相同的数据。汇聚节点通过多个节点从源节点收到数据之后，将这条路径建立为加强路径，以保证接下来的数据能通过这条加强路径以较高的速率进行传输。现在对于路径加强都是以类似于链路质量、传输延迟等数据为标准进行选择，这里以传输延迟为例进行概述。汇聚节点会最先选定最近发来数据的邻居节点作为这条加强路径的下一跳，并向该邻居节点发送相应的路径加强信息以确保其及时地对自身的兴趣列表进行更新，接下来该邻居节点会重复上面的步骤来确定自己的下一跳，这样的步骤持续进行直至路径加强信息传至源节点。

Directed Diffusion具有一些新特点，以数据为中心的传输，基于强化适应性的经验最优路径，以及网络内数据汇聚和高速缓存。由于Directed Diffusion缺少必要的安全防护，即使拥有这些优越的特性以及很好的健壮性，Directed Diffusion仍然承受不了攻击者的攻击。基于Directed Diffusion的特点，攻击者可以对其造成如下威胁：

① 攻击者将自己伪装成一个基站，广播兴趣消息，当节点接收到此信息并转发时，攻击者可以对目标数据进行监听； ② 攻击者可以利用不真实的加强或减弱路径以及假冒的匹配数据，以达到影响数据传输的目的； ③ 攻击者通过向上游节点发送欺骗性的低延迟、高速率的数据来发动Sinkhole或Wormhole攻击； ④ 通过对Sink节点发动Sybil攻击，可以阻止Sink节点获取任何有效信息。

2. LEACH协议

LEACH是一种低能耗、自适应的基于聚类的协议，它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使用本地化的协作来启用动态网络的可扩展性和鲁棒性，并采用数据融合的路由协议以减少必须发送到基站的数据量。LEACH 的主要特点包括三个方面：

① 对于簇设置和操作的本地化协调与控制； ② 簇基站或簇头以及相应簇的随机旋转； ③ 本地压缩以减少全局通信量。

接下来简述一下LEACH筛选簇头节点的过程：一个节点自身随机生成一个0和1之间的数字，如果这个随机生成数小于阈值T(n)，则广播自身成为簇头节点的消息。之后在每一次的循环中，簇头节点都会将自身阈值重置为0，以保证自身不会再次成为簇头节点。随着循环的不断进行，其余未当选过簇头节点的节点成为簇头时的阈值也渐渐增大。

其中，p是所需的簇头百分比（如p=0.05），r是当前轮次，G是这一轮中没有成为过簇头节点的节点的集合。当簇头被选出以后，它开始向整个网络广播信息，网络中的非簇头节点根据接收到的广播信号的强弱来判读自身属于哪个簇，并向自己所属的那个簇的簇头节点发出相应的反馈信息。当整个网络正常工作以后，节点将自身收集到的数据发送给簇头节点，再由簇头节点将这些数据进行融合进一步发送给汇聚节点。

利用大多数节点小发射距离的优点，我们设计能够发送数据到基站的簇模式，只需要少数节点向基站发送长距离。LEACH优于经典的聚类算法，利用自适应簇和旋转簇头，使系统的能源需求分布到所有的传感器。此外，LEACH能够在每个簇中执行本地计算，以减少必须发送到基站的数据量，这就实现了能量消耗的大幅度减少。

鉴于网络中的各个非簇头节点选择自己属于哪个簇是通过信号强弱来判定的，这就给了攻击者机会，那些恶意节点可以通过增大自身信号强度来吸引那些非簇头节点，让节点们误以为它就是簇头节点，以至于遭受选择性转发或黑洞攻击。由于LEACH在设计的过程中令所有节点都能与BS通信，这就保证自身对于虚假路由和Sybil攻击有一定的抵御能力。

3. GPSR协议

GPSR是一种无线数据报网络的新型路由协议，协议设计每个节点可以利用贪心算法依据邻居与自身位置信息自转发数据。算法的大致流程是：当节点接收到数据以后，便开始根据该数据为标准对本身存储的邻居节点列表进行处理，如果自身到基站的距离大于列表中的邻居节点，那么节点就会将这个数据转发给它的邻居节点。

但是在实际的网络环境中，转发过程经常会出现“空洞”现象，在这个拓扑结构中，X到基站BS的距离要小于W和Y，根据贪心算法的转发机制，X不会将W和Y作为自身转发列表中的下一跳。面对空洞问题时，我们可以利用右手法则来解决。当节点接收到通过右手法则转发过来的数据时，节点本身开始进行比较，一旦自己到基站的距离大于邻居节点到基站的距离，那么再启用贪心算法对数据进行转发。

另外，GPSR也有可能遭受到位置攻击，攻击者通过虚假信息将节点B的错误位置信息告知节点C，让C误以为节点B在(21)，于是将数据转发给B，而真实的节点B又会根据贪心算法将数据再发还给节点C，如此下去就会导致整个网络因死循环而陷入瘫痪。

总结

Directed Diffusion、LEACH和GPSR是三种典型的无线传感器网络路由协议，它们各有优缺点。Directed Diffusion以数据为中心，能够快速适应网络变化，但缺乏安全保障。LEACH利用聚类机制，能够有效降低能耗，但也容易受到信号强度攻击。GPSR基于位置信息，具有高效性和可扩展性，但容易受到位置攻击。在实际应用中，需要根据具体应用场景选择合适的路由协议，并采取相应的安全措施来提高网络的安全性。