第5章 无线传感器网络的传输协议-郑军

第5章 无线传感器网络的传输协议
运行在传输层的网络协议，主要作用是利用下层提供的服务向上 层提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。因此，传输协议需要 支持拥塞控制和差错控制等功能，以提高数据传输的可靠性和网络 的服务质量。同时传输协议的设计必须考虑网络的能量效率，以延 长网络的生存事件。
许多WSN应用要求传感器网络必须具备可靠地端到端的数据传 输功能，虽然高效的MAC协议和路由协议能够在一定程度上缓解网 络拥塞的发生，但仍不够，为了提高数据传输的可靠性和网络的服 务质量，需要采用有效的传输协议来进一步避免或减轻网络中的拥 塞现象。
5.1.1 无线传感器网络传输协议的特点
由于无线传感器网络自身的特点，TCP协议不能直接用于无线传感器 网络，原因如下：
1. TCP协议提供的是端到端的可靠信息传输，而WSN中存在大量的冗余信息， 要求节点能够对接收到的数据包进行简单的处理。
2. TCP协议采用的三次握手机制，而且WSN中节点的动态性强，TCP没有相对 应的处理机制。
5.1无线传感器网络传输层协议概述
传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和目标之间提供 可靠的、性价比合理的数据传输功能。为了实现传输层对上层透明， 可靠的数据传输服务，传输层主要研究端到端的流量控制和拥塞的 避免，保证数据能够有效无差错地传输到目的节点。
传统的IP主要采用TCP协议（传输控制协议），也有的使用UDP协议(用户 数据报协议) ，其中UDP采用的是无连接的传输，虽然能够保证网络的实时 性，时延非常小，但其数据丢包率较高，不能保证数据可靠传输，不适用于 无线传感器网络。 TCP协议提供的是端到端的可靠数据传输，采用重传机制 来确保数据被无误地传输到目的节点。
拥塞控制的目标是避免拥塞或及时检测并缓解网络中出现的拥塞现象，拥塞 控制的设计需要考虑以下几方面：
能量有效性 拥塞控制的开销尽量小，以节省能耗，同时避免因控制开销加剧拥塞的程度
实时性 能够及时地检测到网络的拥塞状况，并且能够在网路发生用赛后短时间内缓
解拥塞，避免拥塞进一步加剧
公平性 保证所有需要发送的节点都有机会发送数据，保证传输的公平性
确定转发速率，以避免拥塞的发生。
基于缓存状态的传输控制主要解决如何避免网络拥塞时的缓存溢出问 题，采用该控制机制，发送节点仅在接受节点的缓存由足够的剩余接收空 间时才向其发送数据，避免了接收节点因缓存溢出而造成的丢包。合理设 置剩余空间的门限值是这种机制需要解决的关键问题。
面向应用 拥塞控制可以采用丢弃过时数据包或调整数据源汇报速率的方法实现，这些
方法的引入会一定程度上影响到感知任务的质量，拥塞控制的设计应满足应用基 本要求为前提
拥塞控制可分为拥塞避免和拥塞消除两种机制
5.3.1拥塞避免机内出现拥塞。
1.速率分配 对网络中各个节点的传输率进行合理的分配和严格的限制来避免拥塞的
6. 最后一点也最重要，在TCP协议中，每个节点都被要求有一个独一无二的 IP地址，而在大规模的无线传感器网络中基本上不可能实现的，也是没 有必要的。
无线Ad Hoc网络是与无线传感器网络最类似的一类网络，其传输协议 也不能直接用于无线传感器网络，原因如下：
1. 无线传感器网络规模较大，一般大规模部署节点，其节点数可能达到无 线Ad Hoc网络的几十倍甚至几千倍。
3. TCP协议的可靠性要求很高，而WSN中只要求目的节点接收到源节点发送 的事件，可以有一定的数据包丢失或者删除。
4. TCP协议中采用的ACK反馈机制，这个过程中需要经历所有的中间节点， 时延非常高且能量消耗也特别大；而WSN中对时延的要求比较高，能量也 非常有限。
5. 对于拥塞控制的WSN协议来说，有时非拥塞丢包是比较正常的，但是在 TCP协议中，非拥塞的丢包会引起源端进入拥塞控制阶段，从而降低网络 的性能。
用户提供可靠的数据传输服务。根据传输数据单位，可分为： 基于数据包的可靠传输
保证单个数据包传输的可靠性 基于数据块的可靠传输
用于网络指令分发等需要大量数据的场合 基于数据流的可靠传输
周期性数据采用汇报适用于数据流的可靠传输
还可以分为基于数据的可靠传输和基于任务的可靠传输（WSN特用的）
5.2无线传感器网络传输协议设计
产生。要求网络中节点能够很好地协调与合作。
理想状况下，合理控制各个节点的传输速率能够有效地避免拥塞和丢包， 提高网络的吞吐量、传输可靠性和其他服务质量指标。但是，考虑到网络 的拓扑、数据准确性、服务质量要求以及无线信道的共享特性等因素，很 难实现全网最优的分布式速率分配。
2.传输控制 节点根据网络参数（节点缓存状态、网络拓扑等）决定是否转发数据或
2. 传感器节点的计算能力和能量存储有限，远小于无线Ad Hoc网络节点。 3. 无线Ad Hoc网络的任务是保证移动借点之间的互联，允许用户动态的移
动、加入或离开，较多使用对等通信方式（P-to-P）；而无线传感网则 以数据为中心，以感知数据及监测为主要任务，主要采用多对一的传输 模式。
2.无线传感器网络传输协议的特点
（1）节能优先 （2）多对一传输模式
上行汇聚传输：拥塞控制和差错控制，实现可靠传输 下行传输：保证指令或查询消息能可靠传达 （3）以数据为中心 （4）应用相关性强
5.1.2 无线传感器网络传输协议的分类
根据功能划分为拥塞控制协议、可靠传输协议、拥塞控制和可靠传输混 合协议三类。
1）拥塞控制协议 用于防止网络拥塞的产生，或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现
1.设计目标
能量效率、传输可靠性（数据，任务）、可扩展性、自适应性、服务质量、公平性
2.技术挑战
如何再满足可靠传输和服务质量的情况下尽量降低能耗、减少使用的存储空间是 一个技术挑战 解决局部或全网拥塞控制和能量消耗不均 在不同的性能要求中实现最佳的平衡是一个技术难点
5.3无线传感器网络的拥塞控制基本机制
象，根据控制机制可分为： 面向拥塞避免的协议
通过速率分配或传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现数 据流量超过网络传输能力而造成拥塞的局面。 面向拥塞消除的协议
在网络发生拥塞后通过采用速率控制、丢包等方法来缓解拥塞，并 进一步消除拥塞
2）可靠传输协议 用于保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输到汇聚节点，向