第5章 无线传感器网络传输层协议

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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。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述
➢因此,无线传感器网络的传输层协议不能直接使用 传统的TCP协议,而应该根据无线传感器网络应用特 点和网络自身的条件设计自己的协议,归纳起来,主 要包括以下几点:
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述
➢ 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。
第五章 无线传感器网络传输层协议
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述 无线传感器网络传输层关键问题 无线传感器网络传输层协议分类 典型无线传感器网络传输层协议 无线传感器网格体系
第五章 无线传感器网络传输层协议
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。
④进入分流过程,节点将检测自己选择的下一跳节 点是否满足拥塞度和剩余能量值的要求。
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典型无线传感器网络传输层协议—— PSFQ
(2)拥塞 控制
⑤排除④中选择的下一跳节点,检测自己所有的下 游节点,确定一个节点的集合:
⑥如果存在极值情况,节点所有的下一跳节点都不 满足要求,拥塞度过大或者剩余能量值太小,节点 将转回WSN的网络层,让网络层来寻找最优的路 径转发节点,当然这不属于本协议讨论的范围。
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典型无线传感器网络传输层协议—— (2)拥塞控P制SFQ
①节点根据最小跳数协议初始化自己的路由表信息, 确定每个节点的下一跳节点。
②节点周期性地检测缓存占用率并将其作为拥塞信 息写入反馈数据包中,并向其邻居节点发送此报文。
③源节点收到下游节点反馈的拥塞信息后,立即将 此拥塞信息写入本地缓存的邻居节点拥塞表内。
(2)基于节点的优先级:节点类型不同,所在的位置不同, 节点的优先级也不同,例如接近汇聚节点附近的节点由于 容易发生拥塞,因此应该给予这些节点发送的数据包比较 高一点的优先级
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无线传感器网络传输层协议分类
➢主要的分类有: 基于可靠性保证 基于拥塞避免 基于跨层
Slowly Fetch quickly)也称为快取慢充协议,快取即节点向它的邻居节点 快速索取数据,慢充即等到所有的数据接收完整后再发送给它的下一跳节 点。
(1)基本思想
PSFQ协议要求:用户节点将数据分割成多个报文传输,每个报文被单独 当做一个分组,每个报文包含一些基本的消息,如剩余跳数TTL(TimeTo-live)、报告位、当前报文序号、文件所在报文的序号等。每一个用个 节点按照报文分割后的顺序,每隔一段固定的时间广播一个新的报文分组, 直到所有的报文都发送出去为止。
RCTP协议针对可靠性传输协议CTP(汇聚树协议)协议进行了一定的 改进,采用跨层设计的思想,考虑了网络层以及链路层对传输层协议 的影响,主要考虑了链路质量的估计和实时路由以及对上层的友好接 口。 1)基本思想 RCTP协议跟CTP协议一样,使用分簇体系结构,把WSN中的全部节点 看成由许多树组成的森林,每棵树有一个根节点,簇中的节点需要和 其他簇中的节点进行通信的时候必须通过根节点进行通信。
1.降低传输层协议Leabharlann Baidu能耗
2.进行有效的拥塞控制
3.保证网络的可靠性
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层关键问题
1.拥塞控制
造成WSN拥塞的原因有很多,如节点收到数据过多过快、处理能力 有限、冗余数据太多、缓存区太小等都可能造成拥塞,而WSN的汇 聚特性更加剧了靠近Sink节点附近网络的拥塞,因此快速检测并控制 拥塞就变得非常有意义
逐跳错误恢复机制:节点接收到所有的数据报文之后才向下一 跳节点发送数据。
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典型无线传感器网络传输层协议—— PECR
PECR协议是一种能够自适应调整的拥塞控制机制,在保证可靠性的基 础上,又能够最大限度地节省能量。PECR作为一种拥塞控制机制,该 机制包括两个阶段,即拥塞检测和拥塞控制。
2.丢包恢复
(1)如果在无线传感器网络中采用端到端的传输和丢包恢复,则需 要追踪整条链路的路径,传输延迟高,而且能量消耗也非常大,明 显不适于对实时性要求高的无线传感器网络。
(2)在反馈过程中,反馈控制消息需要经过所有中间节点,在此过 程中还需要维护每个节点的路径信息,而这些工作在逐跳网络中是 根本不必要的,而且浪费能量。
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无线传感器网络传输层的跨层设计
➢跨层的原因
无线传感器网络中节点的能量有限,节约能量及网络能量均衡使用, 进而延长整个网络的生存期是传感器网络协议设计的重要目标。
一方面,无线传感器网络中节点的移动、死亡以及新节点的加入等 都会引起网络拓扑结构的动态变化,导致从数据源节点到目的节点(通 常为Sink节点)之间的通信路径极不稳定,甚至在某些地区会出现路由 空洞。传统的端到端路由进行数据传输,是先建立路由,再进行MAC层 信道握手,最后进行数据传输,这种通信方式不能很好地适应网络拓扑 的动态变化。
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典型无线传感器网络传输层协议—— CODE
CODE协议是一种拥塞控制协议,中文名称为拥塞的发现与避免,包括一 个拥塞检测机制和两个拥塞缓解机制,也是基于逐跳的保证机制。
(1)拥塞的检测。CODE是一个比较成熟的WSN传输层协议,采用 的拥塞检测方法是信道监听和缓存队列检测相结合的方式。 (2)开环控制机制。若节点检测到拥塞后,立即以广播的形式将拥 塞通知所有的邻居节点拥塞信息,节点收到反馈信息后,立即进入 拥塞控制阶段。 (3)闭环调节反应机制。在无线传感器网络中,越靠近汇聚节点的 地方,数据流量越大,越容易生拥塞。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层关键问题
3.优先级策略
在无线传感器网络中,优先级也可以被分为两类。
(1)基于事件的优先级:在不同的源节点采集不同的数据 时,这些数据本身就有不同的优先级,如战场数据优先级 高,因此在数据包中这种事件要被标成紧急事件,这是采 用的在数据包头填充进优先级变量,变量值越大则证明这 个数据包应该先被处理。
对于规模稍微大一些的网络来说,发生拥塞之后,Sink节点的调 配信息经过广播形式到达源节点之后,可能这时已经不拥塞了, 因此不适用于大规模网络。
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典型无线传感器网络传输层协议—— PSFQ 协 议P提S出FQ得 较 早 , 是 逐 跳 可 靠 性 保 证 的 传 输 协 议 , PSFQ ( Pump
具体过程:
➢PECR在网络初始化时根据最小跳数路由协议来确定整个网络的路由表, 使得每个节点都能够确定每个节点的父节点和子节点。
➢节点周期性地检测节点队列缓存区的占用率和节点的剩余能量值,节 点将当前的拥塞值和节点剩余能量值通过明文方式向其上游节点反馈, 上游节点比较其所有的下一跳节点的拥塞度值和剩余能量值来实现分流。
另一方面,处于数据链路层MAC协议直接控制着耗能最多的无线通 信模块的活动,MAC协议的能效性直接影响着传感器网络的节能效果, 因此在基于面向应用的事件驱动的传感器网络中,如何高效利用无线通 信模块是我们设计传输协议时面临的主要问题。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层的跨层协议—— RCTP
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议分类
第五章 无线传感器网络传输层协议
典型无线传感器网络传输层协议—— ERST协议E是S一R种T自适应调整协议。能够将数据可靠、低能耗地传送到Sink节点,
是一种典型的可靠性协议。
(1)基本思想
ESRT在综合考虑节点现有的拥塞情况和可靠性情况下,确定最优策略使网 络性能达到最优。这个协议包括两个部分,一个是系统可靠性的测量,另一个 是根据可靠性做出相应的调整。如果系统的可靠性不符合网络系统所要求的可 靠性值,则ESRT会自动调节网络发送节点的发送速率,使之达到系统所要求的 可靠性指标;如果系统的可靠性超过了网络要求,则ESRT在不牺牲可靠性的条 件下,适当地降低源节点的发送速率,减小节点拥塞,最大限度地节省能量。 因此根据这种机制,ESRT将无线传感器网络系统分为5种状态:
第五章 无线传感器网络传输层协议
典型无线传感器网络传输层协议—— PSFQ
➢PFSQ为了保证网络的可靠性,采用了三种机制来确保数据的可靠传 输:
缓存机制:每个中间节点都缓存接收到的数据报文。
NACK确认机制:邻居节点收到源节点发出的数据包后,检查 数据包时发现数据包中序列号是不连续的,找出丢失的数据包 序号后,邻居节点通过广播NACK报文,从而向源节点或者有 丢失数据信息的节点索取丢失的数据包。
➢检测下一跳节点拥塞度是为了使分流之后形成的链路不会形成新的拥 塞,从而浪费时间和能量。检测下一跳节点的剩余能量值是为了避免新 链路形成以后节点因为能量耗尽而导致链路失效的情况发生。
第五章 无线传感器网络传输层协议
典型无线传感器网络传输层协议—— PSFQ
(1)拥塞检测。
PECR协议采用节点缓存的方法来检测拥塞。 假设节点在第k个时间采样点的缓存占用大小为b(k) ,因此在k到k+1个时间采样 点之间,数据增量c(k) 为
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。
典型无线传感器网络传输层协议—— ESRT的ES局R限T性:
ESRT要求Sink节点通信范围必须能够覆盖整个网络,对Sink节点 的硬件要求非常高,对于大规模的无线传感器网络来说,实现比 较困难。
Sink节点没有考虑到各个节点的优先级信息,对所有节点采取统 一的调配方案,假设节点在某个局部地区任务突然增加,ESRT 就不适用了。
➢传统的Internet主要采用TCP/IP协议,也有的使用UDP 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。
①可靠性的度量
第五章 无线传感器网络传输层协议
典型无线传感器网络传输层协议—— ②可靠性调E节SRT
监测到可靠性之后,一般来说网络都不是运行在最优状态,可靠性 和能量不是处于一个平衡状态,因此协议采用一定的调节机制来进行可 靠性和拥塞度的调节,以此来最大限度地节省能量,提高系统的性能。
第五章 无线传感器网络传输层协议
节点在k到k+1个时间点的时间间隔为
在网络流量没发生明显变化时,即假设在k到k+1个时间点内数据的增量等于k−1 到k时间点内数据的增量,即
将数据增量考虑在内以后,则可以计算k个时间点缓存区的拥塞度,即
若在时刻k+1时拥塞度CGT>a,a为拥塞阈值,则显示该节点处于拥塞状态,通 过广播的形式发送一个拥塞通告,告诉其上游节点不再对其发送信息,采用减慢 发送速率或者采取分流机制。
Si∈{ (NC,LR),(NC,HR),OOR,(C,HR),(C,LR) }
第五章 无线传感器网络传输层协议
典型无线传感器网络传输层协议—— ESRT
(2)关键技术
①逐跳错误恢复
②取充之间的关系
③数据连续发送
第五章 无线传感器网络传输层协议
典型无线传感器网络传输层协议—— (2)关键E技S术RT。
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