第5章 无线传感器网络的传输协议-郑军

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。
5.3.2 拥塞消除机制
由于网络的动态性和应用的多样性等原因，完全避免拥塞时不现实的，传输 协议需要解决的问题是在拥塞发生后消除拥塞。拥塞消除由拥塞检测、拥塞通知 和拥塞缓解3个功能构成 1.拥塞检测 （1）基于缓冲区占用率的检测 传感器节点检测自己缓冲区的占用情况，当数据包接收速率大于发送速率， 缓冲区堆积到一定程度且超过某一限值时，预测拥塞即将发生。
不准确：当数据包重传达到最大次数后，节点将丢失该数据包，此时缓冲区占用率 可能下降，而信道拥塞状况未缓解
（2）基于信道采样的检测 传感器节点周期性地进行信道采样，以监测信道占用程度，评估信道 负载状况。若信道长时间处于繁忙状态，任务发生拥塞。
这种方法会消耗额外的能量进行信道检测，需要解决如何在尽可能减少开销的 情况下wenku.baidu.com确检测拥塞是否发生
5.4.2 冗余传输机制
发送节点多次发送同一数据包，只要接收节点收到至少一个数据包即可。 冗余传输也可采用多路径方式，发送节点将数据包发送到多条路径上进行传输 以提高传输可靠性。利用路径的空间不相关性来提高端到端数据传送的成功率。 冗余传输机制消耗的网络资源较多，并且存在传送成功率与复制数量之间 的折中关系。
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。
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。
5.2无线传感器网络传输协议设计 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
NACK只针对少量丢失的数据包反馈，相比ACK方式减少了负载和能量 消耗。缺点是源节点必须缓存所有发送数据，且目的节点必须知道首包和末 包的序列号。若只有单个数据包传输或是首末包丢失，NACK不能保证可靠传 输。
（3）IACK方式 发送节点发送数据包后缓存该包，监听接收节点的数据传输，若监听到 接收节点已将该数据包发给其下一跳节点，则认为传输成功并清除缓存。 IACK方式不需要控制开销，负载最小，但只能在单跳范围内使用，是一 种逐跳检测反馈机制。 IACK方式通常需要节点更多地侦听信道，以防漏听下一跳的转发确认， 并且IACK方式不适合路径上最后一跳的传输确认，因为目的节点不需要继续 向下转发数据。 2.重传恢复 对应丢包检测和反馈，重传恢复也分为端到端重传（恢复时间较长）和 逐跳重传。需要解决的主要问题是最大重传次数。
2.拥塞通知 当传感器节点检测到拥塞后，需将拥塞状态通知给相关节点。可分为 （1）显式通知
直接以控制包的形式通知拥塞信息
（2）隐式通知 用数据包捎带拥塞信息，并由相关节点侦听信道获得。
3.拥塞缓解
拥塞缓解是拥塞消除的重要部分，其性能对拥塞消除的效果有很大影响。 可以分为以下几种机制：
（1）速率控制 通过调节源节点数据产生速率或中间节点转发速率来缓解拥塞。 源节点速率控制：由目的节点根据接收数据的情况反馈给所有源节点控制信 息，来指示这些源节点如何调节发送速率 转发节点速率控制：逐跳调整，节点根据相邻节点的拥塞通知调整转发速率
5.3.1拥塞避免机制 通过速率分配和传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现拥塞。
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 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 确定转发速率，以避免拥塞的发生。
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。 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。
（3）数据处理 传感器节点通过对数据进行丢弃、压缩或融合来减少数据量。 由于WSN中存在大量冗余和相关性，只要传送到汇聚节点的信息满足应 用要求，节点即可以丢弃冗余数据。该方式是WSN中特有的拥塞控制方式
5.4 无线传感器网络的可靠传输基本机制
可靠传输的主要作用是解决传输过程中的数据包丢失问题，保证目的节 点能够获得完整有效的数据信息或能够准确地还原出原始事件状态从而完成 感知任务。为避免或减少丢包造成的影响，传输协议可以采用丢包恢复、冗 余传输和速率控制等基本机制来实现可靠传输。
（3）基于包间隔和包服务时间的检测
传感器节点可以根据从相邻节点收到的数据包到达的时间间隔以及数据包从到 达缓存区到被发送出去的服务时间来判断是否发生拥塞。若到达时间间隔或服务时 间过长则认为发生拥塞 （4）基于丢包率的检测 传感器节点可以根据丢包的次数或频度判断网络是否发生拥塞。检测功能只在 数据包被缓存或丢弃时触发。？拥塞并非丢包的唯一原因。 （5）基于负载强度的检测（综合性好） 负载强度是综合考虑节点的流量负载情况、信道竞争状况以及所有相邻节点的 本地流量信息计算出的一个综合性的度量值。当负载强度超过一定门限时，则认为 发生拥塞。 （3）基于数据逼真度的检测 通常由汇聚节点执行检测，通过检查收集到的感知数据的准确度来判断是否拥 塞
应答方式包括：
（1）ACK方式 接收节点每接受到一个数据包后返回一个ACK控制包，发送节点发送数 据后维护一个定时器，在定时器超时前收到接收节点的ACK则确认该数据包 成功传输，清除该包的缓存和定时；否则进行超时重传。 对于每个数据包，接收节点都需要反馈一个ACK,负载较大，不适合数据 量较小或信道质量良好的情况。 （2）NACK方式 源节点在发送的数据包中添加序列号，缓存发送的数据包。目的节点通 过检测数据包序号的连续性判断收包情况。若目的节点正确收到数据包，则 不反馈任何确认信息，若检测到数据包丢失，则向源节点返回NACK包，并明 确要求重发丢失的数据包。
5.3无线传感器网络的拥塞控制基本机制
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 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
5.1.1 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。 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。 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。
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 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
5.4.1 丢包恢复机制
在发生丢包的情况下，丢包恢复机制铜鼓重传数据包来实现数据的可 靠传输。由丢包检测和反馈与重传恢复等功能组成。 1.丢包检测和反馈 端到端检测反馈：由目的节点负责检测丢包并返回应答 逐跳检测反馈：由中间节点逐跳检测并返回应答 丢包检测最常用的方法是通过应答方式检测，即接受节点根据收包情 况返回应答，发送节点根据应答判断是否需要重传。
注：网络发生拥塞时，速率控制是最常用的拥塞缓解机制，大部分传输协 议都会采用速率控制机制
（2）流量调度 通过绕路、分流或则重定向等方式来减少拥塞区域的数据流，以缓解拥 塞。通常可与多路径路由协议相结合，路由协议可预先确定备用路径或是在 拥塞发生后快速生成备用路径。 网络正常工作状态，节点按照主路径路由数据。当拥塞发生后，节点可 快速启用备用路径，缓解主路径上的拥塞。
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 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）