UMAP协议簇论文四篇

UMAP协议簇论文 篇1

在层次路由协议中, 无线传感器网络被划分成多个簇, 每个簇由一个簇头节点 (Cluster Head) 及多个簇内成员节点 (Cluster Member) 构成, 多个簇头形成高一级网络。在高一级网络中, 又可以再分簇, 再次形成更高一级网络, 一直到最高级的汇聚节点为止。

层次结构中, 每个簇的形成常常是基于节点能量及与簇头的接近程度。簇头不仅要负责簇内信息的采集及融合处理, 还要负责簇间的数据转发, 它的可靠性和稳定性对于整个网络性能影响较大, 信息的收集和处理也将消耗簇头的大部分能量。

1LEACH协议

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 是为无线传感器网络设计的一种低功耗自适应的层次路由协议。它的基本思想是以循环方式随机选取簇头, 将网络的能量负载平均的分配到每一个节点之上, 从而降低能耗和延长网络生命周期。主要是通过随机选择簇头节点, 平均的分担转发通信任务来实现。

LEACH算法中通过引入“轮 (Round) ”的概念, 每轮由构建阶段 (Set-up) 以及稳态阶段 (Stead-state) 构成。构建阶段中节点被分成若干簇, 且产生相应簇头;稳态阶段中数据从非簇头节点被发给簇头节点, 在簇头节点上处理后发给汇聚节点。在簇的构建阶段, 簇头节点的选择根据所需的簇头总数以及迄今为止每一个节点已成为簇头的次数来决定。具体选择办法是每一个节点选择0～1之间的一个随机数, 如选的a小于某阈值T (n) , 那这个节点就成为簇头节点。T (n) 的计算公式为:

公式1的p是簇头数与总节点数的百分比;r是当前轮数;G是前r轮中未充当过簇头的节点集合。节点确定自己成为簇头节点之后, 广播自己成为簇头节点的消息, 非簇头节点根据接收信号强度来确定要加入到哪个簇中, 并且通知该簇头节点将成为它的一个成员节点。簇头回复一个TDMA消息给簇内的成员节点。稳态阶段, 各节点在其时隙内把所监测到的数据发给簇头, 簇头节点将接收到的数据融合, 最后把结果发给汇聚节点。

LEACH使用随机选簇头节点方式, 避免了簇头节点消耗过多能量, 采用数据融合方法来有效减少通信量, 因此和一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比, 可将网络生命周期延长15%。但LEACH协议是假设所有节点都可以直接与簇头、汇聚节点通信, 采用连续数据发送的模式及单跳路径选择的模式, 所以在大范围监测应用中是不适合的, 即使是在小规模网络中, 距离汇聚节点远的节点由于大功率通信, 也会导致生存时间比较短;并且动态地分簇也带来了拓扑变化和大量广播这样额外的开销, 会耗费过多能量。

此外, LEACH假设簇内成员节点在属于它们的时隙内都有数据发给簇头, 但实际情况有可能是节点只在监测到事件后才会发送。而且, LEACH中簇头节点都是随机的产生的, 并不考虑节点剩余能量, 有可能导致剩余能量少的簇头节点的能量尽早耗尽。

2问题描述

LEACH是在无线传感器网络中最早提出的路由协议, 并且是比较常用的分簇路由协议, LEACH协议可以使得所有节点在一个周期内都担任一次簇头, 均衡的分担能耗, 但簇头节点都是随机产生的, 并不考虑节点地理位置, 无法保证簇头节点均匀分布, 有可能产生的大部分簇头节点集中在某一区域, 或所产生的簇头节点分布在离基站较远的区域的情况, 而与基站距离较远时进行通信, 将消耗过多能量, 簇头可能会快速死亡, 影响传感器网络的生命周期;另外, 协议中簇头的选择没有考虑节点的剩余能量, 有可能导致某些剩余能量小的节点能量提早的耗尽;并且, 由于随机的选举簇头则簇头需负担的簇内节点数不同, 个别簇内节点相对较多的簇头负担会过重, 网络的负载平衡度随之下降。

3助理簇头ASCH算法

许多分簇算法在节能方面都相当有成效, 但是往往存在着簇头节点负担相对过重的问题, 本文是从减轻簇头负担, 以降低能耗这方面考虑, 提出了助理簇头算法ASCH (Assistant Cluster Head) , 此算法以LEACH为基础, 在其基础上进行改进, 算法根据簇头节点的剩余能量, 簇头距离基站的远近以及簇内成员节点数目等因素产生阈值公式, 来确定是否需要在簇内产生助理簇头ASCH, 所选择的助理簇头负责转发本簇簇头的数据给基站, 起到一个转发数据之功能, 以此来分担簇头节点的负担, 均衡能耗;然后, 在需要产生助理簇头的簇内的非簇头节点中选择ASCH的时候, 根据各成员节点发送数据的能耗以及它们自身的剩余能量情况, 选择出合适的节点成为本簇的助理簇头ASCH。

3.1网络类型说明

传感器节点随机的分布于一个正方形区域内, 对该传感器网络假设如下:①每一个节点都有唯一ID, 且节点初始能量相等;②传感器节点部署后, 不会随时间推移而移动;③基站位于离传感器区域较远的地方;④每一个节点都能与网络中其他任一个节点通信, 也能与基站直接通信;⑤节点可根据接收信号强度计算它到发射点的近似距离。

3.2ASCH的产生阈值

在网络的部署阶段, 基站需向网内广播信号, 每一个节点在接收到此信号之后, 由接收信号强度来计算它与基站的近似距离。算法仍采用LEACH算法构建阶段的簇头节点选择及成簇的方式, 先是产生出簇头节点并形成簇, 然后再产生助理簇头。而关键首先考虑的问题是要在哪些簇内产生助理簇头, 那么助理簇头ASCH的产生从3个方面来考虑, 即簇头节点的剩余能量、簇头与基站的距离, 及其簇内成员节点的数目。一般情况下, 在簇头剩余能量较少, 离基站较远, 以及簇内成员节点较多的簇内需产生助理簇头ASCH。由此, 可定义产生助理簇头ASCH的阈值TAS的公式, 其式如下:

其中, 0

3.3簇内产生ASCH

在需要产生助理簇头的簇内的非簇头节点中选择出一个助理簇头, 要考虑的是其接收和发送数据能耗ETx、ERx较少, 而其节点剩余能量Ere较多。

在LEACH 路由算法中使用的能量消耗的公式是一阶无线模型。根据这种模式, 将l位数据发送距离d的发送耗能和接收耗能, 由下面方程表示:

发送能耗:

接收能耗:

undefined

由公式 (3) 可知发送相同比特的数据时, 距离越远所耗的能量越多, 在我们选择ASCH时要求它的剩余能量多, 且接收簇头数据的能耗和发送数据到基站的能耗要少, 而由接收能耗公式 (4) 可知节点接收相同比特数据的能耗是相同的, 所以接收能耗我们就不予考虑了, 这里只考虑节点剩余能量Ere和发送能耗ETx, 由此可以产生如下的公式:

其中:Ere (i) 为节点i的剩余能量;ETx (i, b) 为节点i发送单位比特数据给基站的能耗, 当节点i与基站的距离d

3.4算法描述

采用LEACH算法构建阶段的簇头选择及成簇方式选择出簇头并成簇, 然后根据各簇头的自身情况确定是否需要在簇内产生助理簇头ASCH, 之后在这些需要产生助理簇头的簇内选择出一个合适的节点成为ASCH。在稳态阶段, 簇内节点在各自的时隙内向簇头节点发送数据, 该助理簇头ASCH不参与簇内数据采集等活动, 只负责监听簇头节点的活动, 簇头节点在收到数据后进行数据融合处理, 去除冗余数据信息, 提取关键的信息, 然后将数据转发给此助理簇头ASCH, 由此ASCH再传输给基站。

算法描述如下:

4仿真试验

下面使用MATLAB 2009对LEACH和ASCH进行仿真, 对两者做了比较。假定网络由200个传感器节点组成, 随机的分布在200m×200m的范围内, 所有节点都不移动, Eelec=50nJ/bit, εfs=10pJ/bit/m2。

图1是基站位于 (100, 300) 点时, 节点存活个数和网络工作时间 (轮数) 间的关系图, 由图可看出ASCH的节点运行时间要长于LEACH, 且第1个节点和最后一个节点的死亡时间较接近, 第一个节点的死亡时间延长了63%, 提高了网络寿命。

从图2中可看出, 在相同时间内ASCH的能耗要小于LEACH, 这是由于ASCH算法更好的使得每一个节点相对均匀的分担能耗, 更有利于能量的均衡, 节省了整个网络的能量。

图3是基站所处位置不同的时候与网络生存时间间的关系, 从图中可看出, 随着基站距离的增大, ASCH的网络寿命减少地相对较慢, 当基站位置从 (100, 250) 到 (100, 450) 时, ASCH网络寿命从713轮减少到436轮, 减少约39%, 其性能远优于LEACH。

5结束语

助理簇头ASCH算法可动态决定是否需要在簇内产生助理簇头ASCH, 并在需要产生ASCH的簇内选择合适的节点成为ASCH, 以此来减少簇头通信的能耗, 同时也解决了某些簇头与基站通信存在困难的问题。

摘要：基于对LEACH算法的研究, 提出助理簇头ASCH算法。该算法能够在无线传感器网络中, 根据簇头节点所处的地理位置、剩余能量及簇内成员节点数目, 动态决定是否需要在簇内产生助理簇头, 并在需要产生助理簇头的簇内选择合适的节点来减少簇头通信能耗, 同时解决某些簇头与基站通信可能存在困难的问题, 从仿真结果可见此算法能有效均衡及降低网络能耗, 达到延长网络的生存时间的目的。

关键词：无线传感器网络,LEACH算法,分簇算法,助理簇头,通信能耗

参考文献

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[8]赵泽, 崔莉.一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统[J].信息与控制, 2006 (2) .

UMAP协议簇论文 篇2

Ad Hoc网络是一种不需要依赖已有基础设施便可实现网络内任意节点间通信的临时自治系统,由于其分布式控制的特点,使得它存在一些固有的缺点,比如隐藏、暴露和入侵终端问题以及信道访问公平性不够理想等[1]。为了提高多跳无线Ad Hoc网络的性能,基于将流量本地化的思想,研究人员提出了许多基于簇的解决方案[2],但目的基本是通过实现层次式路由来提高网络的可扩展性。此外存在的多种基于多信道的解决方案大都需要复杂的信道分配工作[3],并且没有解决如何在多个非连通的网络中进行信道分配的问题。

本文结合分簇结构和多信道的优点,介绍了一种基于分簇结构的多信道媒体接入控制协议——CMMA(Cluster-based Multi-channel Medium Access)协议。CMMA协议的设计目标是实现一个对MAC层以上的各层协议透明的媒体接入协议,充分利用分簇结构和多信道的优势来达到多个网络共存的目的。协议分析和仿真结果表明CMMA协议不需要执行复杂的信道分配算法,能够很好地适应多网络共存的情形和网络拓扑的频繁快速变化,提供优质的多跳无线通信服务。

1协议的基本原理

1.1节点组成

在CMMA协议中,依据频分的方式将网络中所有可以使用的频道划分为3组:广播信道、控制信道和数据信道。广播信道用于广播分组的发射,其所使用的工作频率是全网唯一的;控制信道用于控制分组的发射;数据信道用于簇内数据分组的发射及簇间控制分组和数据分组的发射。控制信道和数据信道所使用的工作频率是簇内唯一的,由簇首通过执行信道重配置算法来动态指定和分配,在满足抗干扰性的前提下可以在不同的簇间复用。每个节点都配置有3个无线收发信机,分别工作在上述3个信道上。

1.2分簇算法

CMMA协议采用了有簇首的最小ID分簇算法[2]。在簇建立阶段节点在广播信道上发射HELLO分组通告自己的存在,然后具有最小ID的节点选举自己作为簇首,并随机选择当前簇控制信道和数据信道所使用的工作频率,并在广播信道上广播该选择结果。簇首的邻居节点在控制信道上发射簇加入申请,在接收到允许加入分组之后则成功地加入到该簇中,并在广播信道广播该簇加入结果。当在广播信道上接收到多个簇首声明时,则节点根据最新的簇首声明来确定待加入的簇。例如在图2中所示的5个子网中,各中心节点分别当选为其所在子网的簇首节点。在簇维持阶段,簇首节点在广播信道上周期性的广播和簇相关的信息;当发现其他的簇首节点时,则具有较大ID的节点失去簇首的身份,并转而加入到具有较小ID的簇首节点所在的簇中。对于簇成员节点来说,如果发现簇首已不可达,则重新执行成簇算法。

1.3信道重分配算法

为了避免复杂的信道分配工作,CMMA协议允许簇首节点随机选择簇控制信道和数据信道所使用的工作频率,这就不可避免地将在簇间产生信道复用冲突。在CMMA协议中,簇首节点和簇成员节点实时检测信道的工作状态,在下列任一事件发生时由簇首执行信道重配置算法:① 控制信道持续忙碌时间过长;② 控制信道连续分组接收错误次数超限;③ 数据信道持续忙碌时间过长;④ 数据信道连续分组接收错误次数超限;⑤ 控制信道握手成功,但数据信道连续数据分组发送失败次数超限;⑥ 控制信道握手连续失败,但广播信道却握手成功。当上述事件发生时,由簇首节点执行信道重配置算法:重新随机选择簇控制信道和数据信道的工作频率。随后的仿真结果表明,该算法具有低的网络开销和快速的收敛性,完全可以替代复杂的信道分配算法,非常适合于非连通的多网络共存的场景。

1.4数据传输协议

类似于IEEE 802.11协议[4],CMMA协议在发射单播数据分组之前通过RTS-CTS握手机制预约信道,并提供ACK确定功能。在CMMA协议中,如果目标节点是簇内节点,如图1(a)所示,收发节点在控制信道上进行RTS-CTS握手,握手成功之后在数据信道上发射数据分组。如果目标节点是簇间节点,如图1(b)所示,则源节点数据信道上的无线收发信机首先切换到目标节点所在簇控制信道的工作频率上,在RTS-CTS握手成功之后再切换到目标节点所在簇数据信道的工作频率上,完成数据的发送任务。当目标节点检测到数据信道忙时,则回送NCTS分组,源节点在接收到NCTS之后执行随机退避并在退避结束之后重复上述发送流程。对于因切换无线收发信机的工作频率所带来的时间开销,可以通过在数据交换序列中适当设置不同的帧间隔来予以补偿。

1.5协议分析

信道重配置算法基本上可以保证簇间控制信道和数据信道工作频率的无冲突复用,从而避免了普遍存在于多跳无线网络中的隐藏终端、暴露终端和入侵终端问题。由于目标节点始终在簇控制信道上监听,源节点始终切换到目标节点的簇控制信道上发起RTS-CTS握手请求,从而避免了多信道情况下的隐藏终端问题。在存在多个非连通子网的情况下,CMMA协议也可以快速发现并通过执行信道重配置算法来解决信道复用冲突问题,以下的仿真结果证明了这一点。

2仿真

在仿真软件NS-2中实现了CMMA协议。为了考查分簇算法的稳定性和CMMA协议在存在多个非连通子网的场景下的性能,选取了图2所示的网络场景。在图2中,共有5个子网,其中节点0,1,2,3,4分别为各个子网的中心节点,各子网中的边缘节点与中心节点相距200 m,子网1,2,3,4的中心节点与节点0相距1 km。子网0固定不动,子网1与3,子网2与4在10～210 s期间通过相向运动而交换位置,移动速度为10 m/s。在每个子网中建立起每个边缘节点到中心节点tcp类型的数据流。仿真选用的MAC协议分别是802.11和CMMA协议。当采用CMMA协议时,网络中可供选择的(控制信道,数据信道)频率对为64组,并且在网络初始化时各子网采用相同的工作频率。选用的路由协议为DSR,TCP版本为Reno,发送窗口为32,其他仿真参数如表1所示。考查的指标是在整个仿真运行期间各子网间吞吐量的不公平指数。令n为子网数目,Sit为子网i在t秒时的吞吐量,Savet为所有子网在t秒时的平均吞吐量,则时刻t的不公平指数Ft定义为:

undefined。

不公平指数越远离零,表明不同子网之间的吞吐量差异越大。从仿真结果图3可以看出,当各子网彼此靠近并能相互影响时,采用单信道的802.11协议无法为各子网提供公平的信道接入。仿真记录表明,此时在网络中存在有频繁的链路中断事件;而CMMA协议则可以迅速察觉出信道复用冲突,并通过执行信道重配置算法使各子网彼此独立工作。在图3中CMMA协议不公平指数不为零的原因是:由于节点的移动,导致原先处于同一子网中的收发节点现在处于不同的簇中,此时决定协议公平性指数的因素是协议所采用的随机退避算法所能提供的公平性,而不是协议解决隐藏终端和暴露终端问题的能力。与802.11协议一样,CMMA采用了BEB随机退避算法,而该算法无法提供公平的信道接入。仿真结果表明,CMMA协议还支持子网的融合和分裂操作,并且在整个仿真运行期间没有发生链路中断事件,是一个可以实际应用的媒体接入控制协议。

3结束语

在基于网络分簇的前提下,结合多信道的优势,本文介绍了CMMA协议。该协议可以适用于移动的拓扑多变的Ad Hoc网络,并且也可以提供有效的多个非连通网络共存的解决方案。下一步的研究方向是对协议进行优化来降低网络开销并在该协议的框架内提供QoS的支持。

参考文献

[1]XUS G,SAADAWI T.Does the IEEE802.11MAC Protocol Works Well in Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks.[J].IEEE Communications Magazine,2001,39(6):130-137.

[2]王海涛.分簇结构在Ad Hoc网络中的应用综述[J].重庆邮电学院学报,2003,15(4):92-98.

[3]王金龙,王呈贵,吴启晖,等.Ad Hoc移动无线网络[M].北京:国防工业出版社,2004.

无线传感器网络分簇路由协议研究 篇3

关键词 无线传感器网络 分簇算法 路由协议

无线传感器网络（WSN）是一种无线自组织网络，它包含成百上千的传感器节点，每一个节点有感知环境、执行简单的计算与其他临近节点或基站（ase station，简称BS）直接通信的能力，能在事先没有构建网络基础设施的环境下，由传感器节点临时组成的一种自组织、自管理的网络[1，2]。

路由是指从源节点选择一条节能、距离短的路径到目的节点，在形式上，可以将无线传感器网络看做无向图，从源节点到目的节点选择一条最短的路径是一个复杂组合问题（即NP完全问题）[3]，这其中要考虑很多因素，诸如：能量消耗、数据包传输时延、能量有效性。由于传感器节点的电源能量、计算能力和通信能力都非常有限，所以节能路由协议的设计，对无线传感器网络来说极其重要。

近来，科学界对无线传感器网路分簇协议[4]进行了深入的研究，分簇网络结构由于具有良好的网络扩展性，便于能量管理、平衡负载、资源分配等，成为目前国内外延长WSN生命周期、降低每一个节点的能耗的主要方法之一。

1 分簇算法相关的技术

1.1 定位技术

位置信息是传感器网络节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置的监测信息通常是毫无意义的，因此定位技术对于要求有精确位置信息的无线传感器网络分簇协议来说具有重要的意义。根据定位过程中是否测量节点间的距离和角度，把无线传感器网络中的定位技术分为基于距离的定位技术和距离无关的定位技术。

1.1.1 基于距离的定位技术

基于距离的定位机制是通过测量相邻节点间的实际距离或方位来确定位置节点的位置，通常采用测距、定位和修正等步骤实现。基于距离的定位机制分为基于TOA[5]的定位、基于TDOA[1]的定位、基于AOA[6]的定位和基于RSSI[7]的定位等。

1.1.2 距离无关的定位技术

距离无关的定位机制无须实际测量节点间的绝对距离或方位就能够确定未知节点的位置，目前提出的定位机制主要有质心算法[1]、DV-Hop[8]算法、Amorphous[9]算法和APIT[10]算法等。

1.2 同步技术

时间同步是需要协同工作的传感器网络分簇协议的一个关键机制。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。

（1）RBS机制[11，12]是基于接收者-接收者的时钟同步：一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现他们之间的时钟同步。

（2）TINY/MINI-SYNC是简单的轻量级的同步机制[1]：假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优匹配偏移量。

（3）TPSN[13，14]采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者——接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。

1.3 数据融合技术

数据融合技术[15]是指从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息。目前数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。在无线传感器分簇网络的设计中，只有面向应用需求设计具有针对性的数据融合方法，才能最大限度地获益。

2 基于分簇的传感器路由协议的优点

与传统的无线传感器网络路由协议相比，基于分簇的无线传感器路由协议优点有[16，17]：

（1）自适应性：通过簇头节点的周期性轮换以及簇成员的加入或者退出来实现持续的监测和数据采集。

（2）节能性：由于基站远离网络，节点与基站的通信是能耗最高的操作，对网络进行分簇后，簇头负责将整个簇的数据发送到基站，减少了与基站通信的节点数，大大降低了网络能耗。

（3）消除数据冗余：WSN中存在着大量的数据冗余，簇头在将本簇的数据发送到基站之前可进行数据融合和压缩操作以消除冗余，进一步减少与基站的通信量。

（4）鲁棒性：节点通过一种自组织的方式当选为簇首，收集当前簇内信息并在融合后转发给基站，把网络的负载均匀的分布在整个网络中，大大降低了通信过程中的能量消耗，也增强了网络的健壮性。

（5）局部/全局优化：与其他路由协议相比，分簇算法不仅能够对局部信息进行融合优化，而且还能够对全局信息进行优化。

（6）可扩展性：分簇算法容易与其他路由算法相结合，从而提高路由算法的性能。

3 基于分簇的无线传感器路由协议

LEACH[18]协议是一个典型的自适应分簇协议，它采用“轮”的概念，每轮分为簇的建立和数据传输两个阶段。簇的建立阶段：每个传感节点随机选择一个0～1 之间的值，如果小于给定的阈值T（n），则选择为簇首。T（n）的计算方法如下：

其中： P 为节点中成为簇头的百分数（大约占节点总数的5%-6%左右）[19]， r 是当前的轮数， G 是在过去的1/ P 轮没有被选择为簇头节点的集合，mod 是求模运算。一旦簇首被选定，它们便向周围节点广播这一信息，非簇首节点依据接收信号的强弱来选择它所要加入的簇，并通知相应的簇首节点，完成簇的建立。数据传输阶段：节点周期性的采集监测数据，基于时分复用（TDMA）的方式发送给簇首，簇首在进行必要的数据聚集和融合之后，将处理过的数据发送到基站。数据传输持续一段时间后，整个网络进入下一轮，不断循环。L EACH协议使用了分布式算法，使得任务被分散到每个传感器节点上，有效地减少了每个节点的负载，延长了传感器网络的生存时间。基于L EACH的路由协议是无线传感器网络中分簇路由协议中的研究基础，它采用随机簇头选择机制，能够较好地实现能量均衡消耗，但L EACH协议还存在以下缺点：①每一轮都进行一次簇重组，带来了大量额外开销；②根据公式（1）的簇首选举策略来选取簇首，可能造成簇首分布不均，簇内成员个数差异较大，使得各簇首负载不均衡，造成个别簇首较早死亡；③簇内的节点都直接与簇首通信，增加了簇首的能量消耗；④簇首采用单跳的方式直接和基站通信，当网络规模很大时，通信的距离很大，对于能量受限的传感器网络节点来说，加速了节点的能量消耗，降低了网络的生存时间。

HEED[20]协议主要根据主、次两个参数，通过将能耗平均分布到整个网络来延长网络生存时间。其中簇首选择的主参数依赖于剩余能量，用于随机选取出簇首集合，具有较多剩余能量的节点将有较大的概率成为簇首；次参数依赖于簇内通信代价，用于确定落在多个簇范围内的节点最终属于哪个簇，以及平衡簇首间的负载。HEED协议主要改进之处是在簇首的选择中考虑了节点的剩余能量， 并以主次关系引入了多个约束条件。HEED协议分簇更快，能产生分布更加均匀的簇首、更合理的网络拓扑。

网络工程师TCP协议簇总结 篇4

1、物理层

机械特性：接口的型状，尺寸的大小，引脚的数目和排列方式等。

电气特性：接口规定信号的电压、电流、阻抗、波形、速率及平衡特性等。功能特性：接口引脚的意义、特性、标准。电压表示范围的含义。

过程特性：确定数据位流的传输方式，事件发生顺序。如：单工、半双工或全双工。物理层协议有：

美国电子工业协会(EIA)的RS232，RS422，RS423，RS485等；

国际电报电话咨询委员会(CCITT)的X.25、X.21等；

物理层的数据单位是位比特(BIT)，典型设备是集线器HUB。

2、链路层

链路层屏蔽传输介质的物理特征，使数据可靠传送。

内容包括介质访问控制、连接控制、顺序控制、流量控制、差错控制和仲裁协议等。链路层协议有：

协议有面向字符的通讯协议(PPP)和面向位的通讯协议(HDLC)。

仲裁协议：802.3、802.4、802.5，即：

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)、TokenBus、Token Ring

链路层数据单位是帧，实现对MAC地址的访问，典型设备是交换机Switch。

3、网络层

网络层管理连接方式和路由选择。

连接方式：虚电路(Virtual Circuits)和数据报(Datagram)服务。

虚电路是面向连接的(Connection-Oriented)，数据通讯一次路由，通过会话建立的一条 通路。

数据报是非连接的(Connectionless-Oriented)，每个数据报都有路由能力。网络层的数据单位是包，使用的是IP地址，典型设备是路由器Router。这一层可以进行流量控制，但流量控制更多的是使用第二层或第四层。

4、传输层

提供端到端的服务。可以实现流量控制、负载均衡。

传输层信息包含端口、控制字和校验和。

传输层协议主要是TCP和UDP。

传输层位于OSI的第四层，这层使用的设备是主机本身。

5、会话层

会话层主要内容是通过会话进行身份验证、会话管理和确定通讯方式。一旦建立连接，会话层的任务就是管理会话。

6、表示层

表示层主要是解释通讯数据的意义，如代码转换、格式变换等，使不同的终端可以表示。还包括加密与解密、压缩与解压缩等。

7、应用层

应用层应该是直接面向用户的程序或服务，包括系统程序和用户程序，例如www、FTP、DNS、POP3和SMTP等都是应用层服务。

从功能角度可分为三组，1、2层解决网络信道问题，3、4层解决传输问题，5、6、7层处理对应用进程的访问。

从控制角度可分为二组，第1、2、3层是通信子网层，第4、5、6、7层是主机控制层。

二、TCP/IP 协议簇

TCP/IP协议簇分为四层，IP位于协议簇的第二层(对应OSI的第三层)，TCP位于协议簇的第三层(对应OSI的第四层)。

TCP和IP是TCP/IP协议簇的中间两层，是整个协议簇的核心，起到了承上启下的作用。

1、接口层

TCP/IP的最低层是接口层，常见的接口层协议有：

Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、Frame reley、HDLC、PPP等。

2、网络层

网络层包括：IP(Internet Protocol)协议、ICMP(Internet Control Message Protocol)

控制报文协议、ARP(Address Resolution Protocol)地址转换协议、RARP(Reverse ARP)反向 地址转换协议。

IP是网络层的核心，通过路由选择将下一跳IP封装后交给接口层。IP数据报是无连接服务

ICMP是网络层的补充，可以回送报文。用来检测网络是否通畅。

Ping命令就是发送ICMP的echo包，通过回送的echo relay进行网络测试。

ARP是正向地址解析协议，通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。

RARP是反向地址解析协议，通过MAC地址确定IP地址。比如无盘工作站和DHCP服务。

3、传输层

传输层协议主要是：传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)和用户数据报协 议UDP(User Datagram rotocol)。

TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯时完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于点对点的通讯。

TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。

UDP是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。UDP通讯时不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出丢包现象，实际应用中要求在程序员编程验证。

4、应用层

应用层一般是面向用户的服务。如FTP、TELNET、DNS、SMTP、POP3。

FTP(File Transmision Protocol)是文件传输协议，一般上传下载用FTP服务，数据端口 是20H，控制端口是21H。

Telnet服务是用户远程登录服务，使用23H端口，使用明码传送，保密性差、简单方便。DNS(Domain Name Service)是域名解析服务，提供域名到IP地址之间的转换。

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)是简单邮件传输协议，用来控制信件的发送、中转。POP3(Post Office Protocol 3)是邮局协议第3版本，用于接收邮件。

数据格式：

数据帧：帧头＋IP数据包＋帧尾(帧头包括源和目标主机MAC地址及类型,帧尾是校验字)

IP数据包：IP头部＋TCP数据信息(IP头包括源和目标主机IP地址、类型、生存期等)IP数据信息：TCP头部+实际数据(TCP头包括源和目标主机端口号、顺序号、确认

号、校

验字等)

三、TCP连接的建立

1、TCP连接通过三次握手完成。

client首先请求连接，发一个SYN包；Server收到后回应SYN_ACK包；Client收到后再发ACK包。即：

ClientServer

SYN--->收

<---SYN_ACK

ACK--->收

established表示建立状态，当某端发出数据包后收到了回应则进入established状态。在TCP/IP连接时，如果两端都是established状态，则握手成功，否则是无连接或半联接状态。

2、套接字Socket

套接字Socket由协议、IP地址和端口号组成，套接字表示一路通讯，一般是一个服务，如www服务是TCP的80端口，Telnet是TCP的23端口。

四、IP地址划分

1、IP地址分类

IP地址有四个段，包括网络标识和主机标识两部分：netid+hostid。

IP地址应用分为A、B、C三类，D、E类是保留和专用的。

Class A0******* xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx

Class B10****** ******** xxxxxxxx xxxxxxxx

Class C110***** ******** ******** xxxxxxxx

Class D1110**** ******** ******** ********

Class E1111**** ******** ******** ********

2、地址区间

址址类 地址区间网络数主机数

A 类 1.0.0.1～126.255.255.254 27-2=126 224-2=16777214

B 类 128.0.0.1～191.255.255.254 214-2=16382 216-2=65534

C 类 192.0.0.1～223.255.255.254 221-2=2097150 28-2=254

D 类 224.0.0.1～239.255.255.255 228=268435456 0

E 类 240.0.0.1～255.255.255.255 228=268435456 03、特殊地址

主机地址全0表示为一个网络地址。

主机地址全1表示为对应网络的广播地址。

全0的IP地址：0.0.0.0，表示本机地址，只在启动过程时有效。

全1的IP地址255.255.255.255，表示本地广播(有的软件不支持)。

私有地址：

10.0.0.0172.31.255.255

192.168.0.0-192.168.255.255

127.0.0.0网络是回环网络loopback，用于本机测试。例如：

ping 127.0.0.1 是测试本机网卡是否工作正常。

4、子网掩码

子网掩码用来区分网络地址和主机地址，标准的子网掩码为：

A 类： 1.0.0.1～126.255.255.254netmask：255.0.0.0

B 类：128.0.0.1～191.255.255.254netmask：255.255.0.0

C 类：192.0.0.1～223.255.255.254netmask：255.255.255.0

子网掩码和IP地址的“与”运算得出对应的网络地址。