SPIN路由算法

SPIN协议是一类基于协商、以数据为中心的路由协议。SPIN协议假设所有的网络节点都是潜在的Sink节点，某一个要发送数据的节点把数据传送给任何需要该数据的节点，并通过协商机制减少网络中数据传输的数据量。节点只广播其他节点没有的数据以减少冗余数据，从而有效地减少了能量消耗。

SPIN协议在节点过程中使用三种类型的数据包：

ADV：广播数据包，当一个节点需要发送数据时，就向周围广播一个带有本节点属性、类型等信息的一个数据包该数据包通常要远远小于数据本身的大小。（元数据）

REQ：请求包，如果接收到ADV的节点需要该数据就发送一个REQ请求包。

DATA：数据包，接收REQ后，要发送数据的节点就发送一个DATA包，DATA中包含有效数据。

本实验使用matlab简单仿真SPIN协议，创建200*200的图形，随机创建400个节点，不断随机选择一个源节点，经如下操作：

（1）结点A采集到数据m。向外广播带有m元数据（元数据指数据的属性）的adv数据包。

（2）邻居结点B收到A的adv数据包，根据其携带的元数据判断自身是否需要数据m。如果不需要，则销毁adv数据包。需要则生成相应的req数据包，向外广播。

（3）结点A收到B的req数据包请求，生成相应的data数据包相外广播。

（4）结点B收到A的data数据包，进行数据m的存储。

（5）结点B继续向外广播带有m元数据的adv数据包，从而数据m在网络中被传递。将数据遍历整个网络，直到有某个节点能量小于0时，结束循环。

该实验仿真了SPIN协议的基本工作，还有待优化完善。

clear;%清除内存变量
l=200;
w=200;%区域边长200m
R=20;   %通信半径
node_num=400;%采集节点数目
data=1000;%数据包（比特）
min_data=100;%元数据包（bit）
 
Eo=5; %初始能量
%threshold_E=0.5; %能量阈值 
Eda=5*0.000000001;%传输能量
Eelec=50*0.000001;%接受能量 J/bit
Efs=10*0.000000001;%耗散能量，小于临界值。J/bit/m^2
Emp=0.0013*0.000000001;%耗散能量，大于临界值. J/bit/m^2
d0=sqrt(Efs/Emp);%临界值
 
sink_x=100;%基站坐标
sink_y=100;
 
figure(1);
%画基站与节点：
plot(sink_x,sink_y,'p','markerfacecolor','yellow','Linewidth',5)
hold on
 
%随机设置节点
for i=1:node_num
    Node{i}.x=l*rand(1,1);
    Node{i}.y=w*rand(1,1);
    plot(Node{i}.x,Node{i}.y,'ob','markerfacecolor','blue')
    %用蓝o表示
    hold on
    N_E(i)=Eo;%设置初始能量为E0
    Node{i}.flag = 0;%0表示未接收ADV和数据，1表示已接收ADV，2表示已有数据
    Node{i}.adv = 0;%记录节点接收来自哪一个节点的adv
    Node{i}.req{1}.ip= 0;%记录谁发来的req
end
 
Node{node_num+1}.x=sink_x;
Node{node_num+1}.y=sink_y;
N_E(node_num+1)=Eo;%设置初始能量为E0
Node{node_num+1}.flag = 0;
Node{node_num+1}.adv = 0;%记录节点接收来自哪一个节点的adv
Node{node_num+1}.req{1}.ip= 0;%记录谁发来的req
 
%记录每个节点的邻居信息
for i=1:node_num
    k=0;
    for j=1:node_num+1
        if (i~=j)&&(sqrt((Node{j}.x-Node{i}.x)^2+(Node{j}.y-Node{i}.y)^2)<=R)
            k=k+1;
            Node{i}.Neb{k}.x=Node{j}.x;
            Node{i}.Neb{k}.y=Node{j}.y;
            Node{i}.Neb{k}.ip=j;
        end
    end 
    Node{i}.Neb_num=k;
end
 
 
t=0;
turn = 0; %传递数据的次数
is_die = 1; %网络死亡则为0
 
while 1
    turn = turn + 1
    
    %随机选取发送数据的源节点
    order = round(rand(1,1)*node_num-1)+1;
    plot(Node{order}.x,Node{order}.y,'ob','markerfacecolor','red');%用红o表示
    Node{order}.flag = 2;
    run_list(1) = order;
    while is_die
        t=t+1;
        frame=getframe(gcf);%绘制git动图
        imind=frame2im(frame);
        [imind,cm] = rgb2ind(imind,256);
        if t==1
            imwrite(imind,cm,'3.gif','gif', 'Loopcount',inf,'DelayTime',1e-4);
        else
            imwrite(imind,cm,'3.gif','gif','WriteMode','append','DelayTime',1e-4);
        end
        for i=1:length(run_list)
            id = run_list(i);
            if id == node_num+1
                continue
            end
            for j = 1:Node{id}.Neb_num    %画‘ADV’
                if Node{Node{id}.Neb{j}.ip}.flag == 0
                    Node{Node{id}.Neb{j}.ip}.flag=1;
                    Node{Node{id}.Neb{j}.ip}.adv = id;
                    text((Node{id}.x+Node{id}.Neb{j}.x)/2+3,(Node{id}.y+Node{id}.Neb{j}.y+3)/2,'\fontsize{5}ADV','Color','blue');        
                    X = [Node{id}.x;Node{id}.Neb{j}.x];
                    Y = [Node{id}.y;Node{id}.Neb{j}.y];
                    line(X,Y,'color','k','LineWidth',1)
                    %画邻居节点
                    plot(Node{id}.Neb{j}.x,Node{id}.Neb{j}.y,'ob','markerfacecolor','green');
                    hold on
                    %发送ADV能量损耗
                    d = sqrt((X(2)-X(1))^2+(Y(2)-Y(1))^2);
                    if d<=d0
                        N_E(id)=N_E(id)-min_data*Eelec-min_data*Efs*d^2;
                    else
                        N_E(id)=N_E(id)-min_data*Eelec-min_data*Emp*d^4;
                    end
                    if N_E(id)<=0                        
                        plot(Node{id}.x,Node{id}.y,'ob','markerfacecolor','black');
                        text(Node{id}.x,Node{id}.y,{id},'FontSize',7)
                        is_die = 0
                        break
                    end
                    %接收ADV能量损耗
                    N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)=N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)-min_data*Eelec; 
                    if N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)<=0
                        plot(Node{id}.Neb{j}.x,Node{id}.Neb{j}.y,'ob','markerfacecolor','black');
                        text(Node{id}.Neb{j}.x,Node{id}.Neb{j}.y,{Node{id}.Neb{j}.ip},'FontSize',7)
                        is_die = 0
                        break
                    end
                end
                if is_die==0
                    break
                end
            end
            if is_die==0
                break
            end
        end
        frame=getframe(gcf);%绘制git动图
        imind=frame2im(frame);
        [imind,cm] = rgb2ind(imind,256);
        for g=1:10
            imwrite(imind,cm,'3.gif','gif','WriteMode','append','DelayTime',1e-4);
        end
 
        if is_die==0
            break
        end
                
        for i=1:length(run_list)    %画‘REQ’   
            id = run_list(i);
            if id == node_num+1
                Node{id}.req_num=0;
                continue
            end
            n=0;
            for j = 1:Node{id}.Neb_num    
                if (Node{Node{id}.Neb{j}.ip}.flag == 1)  % &&(N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)>threshold_E)
                    if Node{Node{id}.Neb{j}.ip}.adv==id
                        n=n+1;
                        Node{id}.req{n}.ip= Node{id}.Neb{j}.ip;
                        text((Node{id}.x+Node{id}.Neb{j}.x)/2,(Node{id}.y+Node{id}.Neb{j}.y)/2,'\fontsize{5}REQ','Color','green');
                        %发送REQ能量损耗
                        d = sqrt((Node{id}.x-Node{id}.Neb{j}.x)^2+(Node{id}.y-Node{id}.Neb{j}.y)^2);
                        if d<=d0
                            N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)=N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)-min_data*Eelec-min_data*Efs*d^2;
                        else
                            N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)=N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)-min_data*Eelec-min_data*Emp*d^4;
                        end
                        
                        if N_E(Node{id}.Neb{j}.ip)<=0
                        plot(Node{id}.Neb{j}.x,Node{id}.Neb{j}.y,'ob','markerfacecolor','black');
                        text(Node{id}.Neb{j}.x,Node{id}.Neb{j}.y,{Node{id}.Neb{j}.ip},'FontSize',7)
                        is_die = 0
                        break
                        end
                        %接收REQ能量损耗
                        N_E(id)=N_E(id)-min_data*Eelec;
                        if N_E(id)<=0                        
                        plot(Node{id}.x,Node{id}.y,'ob','markerfacecolor','black');
                        text(Node{id}.x,Node{id}.y,{id},'FontSize',7)
                        is_die = 0
                        break
                        end
                    end
                end
            end
            if is_die==0
                    break
            end
            Node{id}.req_num=n;
        end
        frame=getframe(gcf);%绘制git动图
        imind=frame2im(frame);
        [imind,cm] = rgb2ind(imind,256);
        for g=1:10
            imwrite(imind,cm,'3.gif','gif','WriteMode','append','DelayTime',1e-4);
        end
        if is_die==0
                    break
        end
        list=[];
        m=0;
        for i=1:length(run_list)    %发送 DATA
            id = run_list(i);
            if Node{id}.req_num == 0
                continue
            end
            for k=1:Node{id}.req_num 
                m=m+1;
                Node{Node{id}.req{k}.ip}.flag = 2;
                list(m)=Node{id}.req{k}.ip;
                text((Node{id}.x+Node{Node{id}.req{k}.ip}.x)/2-3,(Node{id}.y+Node{Node{id}.req{k}.ip}.y)/2-3,'\fontsize{7}DATA','Color','black');        
                %画邻居节点
                plot(Node{Node{id}.req{k}.ip}.x,Node{Node{id}.req{k}.ip}.y,'ob','markerfacecolor','red');
                hold on
                %发送DATA能量损耗
                d = sqrt((Node{id}.x-Node{Node{id}.req{k}.ip}.x)^2+(Node{id}.y-Node{Node{id}.req{k}.ip}.y)^2);
                if d<=d0
                    N_E(id)=N_E(id)-data*Eelec-data*Efs*d^2;
                else
                    N_E(id)=N_E(id)-data*Eelec-data*Emp*d^4;
                end
                if N_E(id)<=0                        
                        plot(Node{id}.x,Node{id}.y,'ob','markerfacecolor','black');
                        text(Node{id}.x,Node{id}.y,{id},'FontSize',7)
                        is_die = 0
                        break
                end
                %接收ADV能量损耗
                N_E(Node{id}.req{k}.ip)=N_E(Node{id}.req{k}.ip)-data*Eelec; 
                if N_E(Node{id}.req{k}.ip)<=0
                        plot(Node{Node{id}.req{k}.ip}.x,Node{Node{id}.req{k}.ip}.y,'ob','markerfacecolor','black');
                        text(Node{Node{id}.req{k}.ip}.x,Node{Node{id}.req{k}.ip}.y,{Node{id}.req{k}.ip},'FontSize',7)
                        is_die = 0
                        break
                end
            end
            if is_die==0
                    break
            end
        end
        frame=getframe(gcf);%绘制git动图
        imind=frame2im(frame);
        [imind,cm] = rgb2ind(imind,256);
        for g=1:10
            imwrite(imind,cm,'3.gif','gif','WriteMode','append','DelayTime',1e-4);
        end
        if is_die==0
              break
        end
        is_end = 1;
        for i=1:node_num+1
            if Node{i}.flag ~= 2
                is_end = 0;
            end
        end
        if is_end
            break
        end
        run_list = list;
 
    end
    
    if is_die==0
        turn
        break
    end  
    clf;
    run_list=[];
    for i = 1:node_num+1
        plot(Node{i}.x,Node{i}.y,'ob','markerfacecolor','blue');
        Node{i}.flag = 0;%0表示未接收ADV和数据，1表示已接收ADV，2表示已有数据
        Node{i}.adv = 0;%记录节点接收来自哪一个节点的adv
        Node{i}.req{1}.ip= 0;%记录谁发来的req
        hold on;
    end
end      
figure(2)
A = cat(2,N_E);     %绘制剩余能量图
axis equal;
axis([0,55,0,0.5]);
bar(A);
title('剩余能量图','Fontsize',20,'Color','m');

数据传递：

剩余能量：