第5章 无线传感器网络传输层协议
第5章 无线传感器网络的传输协议
11
5.3
WSN的拥塞控制基本机制
拥塞控制的设计要考虑： 1)能量有效性 2)实时性 3)公平性 4)面向应用
12
5.3.1拥塞避免机制
速率分配 传输控制
13
拥塞避免机制1-速率分配
对网络中各节点的传输速率进行合理的分配和严格的限制，来 避免拥塞的产生 难点：很难实现全网最优的分布式速率分配 现状：关于WSN速率分配的研究还较少，主要都是基于一些简 单的网络拓扑
第 5 章
无线传感器网络的传输协议
1
WSN的传输协议
主要作用是利用下层提供的服务向上层提供端到端可靠、透明 的数据传输服务 拥塞控制和差错控制 能量效率
2
5.1概述
在WSN中，发生网络的拥塞，导致感知数据的丢失
3
5.1.1 WSN传输协议的特点
1.传统传输协议 UDP 无连接 TCP 重传 窗口机制 TCP适用于WSN
1) TCP遵循的原则是:一切功能实现都由网络的端节点负责 2) TCP假设网络链路是可靠的，数据包的丢失是由于路由器缓存溢 出或拥塞所引起;而WSN中的包丢失可能由于链路传输差错、碰撞 等原因引起，并具有随机性 3) TCP要求每个网络节点具有唯一的网络地址;WSN节点不需要分 配类似IP的网络地址 4) TCP建立和释放链接的过程复杂 5) TCP采用基于数据包的可靠传输，而WSN只要成功传输足够的数 据即可完成任务 6) IP网络中的数据包一般较大，而WSN中的数据包相对较小
5)基于负载强度的检测 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。 当负载强度越过一定门限时，则可以认为发生了拥塞。 更加合理 实现比较复杂 6)基于数据逼真度的检测 由汇聚节点执行检测 通过检查收集到感知数据的“准确度“来判断是否拥塞
无线传感器网络协议开发与实现
无线传感器网络协议开发与实现一、前言无线传感器网络是由无线传感器节点组成的多跳网络，它有无线传感器网络协议（Wireless Sensor Network Protocol）管理。
目前，无线传感器网络协议已经成为了大学生及企业工程技术人员研究的热点。
本文将介绍在无线传感器网络中协议的开发与实现。
二、组成部分及作用1.网络层协议网络层协议主要是进行无线传感器网络的拓扑构建和数据转发。
2.物理层协议物理层协议主要是完成了无线传感器网络的节点与节点之间的无线信号传输。
3.应用层协议应用层协议主要是为无线传感器网络的节点提供更具具体的功能，例如传感器节点。
三、基本设计思想1.多通道机制由于在一个网络中会存在多个节点，如果采用单通道机制，将有不少的节点在同一时间段进行通信信道竞争，造成大量冲突而严重影响通信效果，为了避免这种情况的发生，需要采用多通道机制。
2.多路转发机制当每个节点能够多路转发达到的节点是固定的情况下，在多种应用场景中会导致一些问题，为了避免这种情况的发生，我们使用多路转发机制，将目标节点的转发路径调用其他节点的转发路径形成一定的虚拟路线。
3.低功率协议应用无线传感器节点是通过自带电池供电的，为了节省能源，需要采用低功率协议。
四、协议实现1.协议验证在开发一个协议的过程中，需要对其进行验证。
若发现有错误或漏洞，则进行修改。
一般来说，验证的过程需要建立一个测试平台，包括无线传感器节点、传感器模拟器等设备。
2.协议测试需要针对协议进行全面测试。
一般情况下，为保障测试结果的准确性和可靠性，需要针对协议的性能指标和功能性指标进行多种测试，例如网络拓扑结构、数据转发、能耗等。
3.协议部署经过验证和测试之后，需要将协议正式部署到无线传感器网络中，此时需要考虑设备及节点的部署位置和数量、交互模式等。
五、总结本文对无线传感器网络协议开发和实现进行了介绍。
在未来，无线传感器网络将会被广泛应用于农业、工业、环保等领域，为人们的生产和生活带来更多便利。
物联网中的无线传感器网络协议分析
物联网中的无线传感器网络协议分析随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络在物联网中的应用越来越广泛。
无线传感器网络协议作为实现传感器节点之间通信和数据交换的重要手段，对于实现高效、可靠的通信具有重要意义。
本文将分析物联网中常用的无线传感器网络协议，并探讨其特点和应用。
在物联网中，无线传感器网络协议扮演着关键的角色，它负责传感器节点之间的通信和数据传输。
无线传感器网络协议根据其设计目标和特点可以分为多种类型，包括网络层协议、传输层协议和应用层协议等。
首先，网络层协议是无线传感器网络中最基础的协议之一，它负责传感器节点之间的路由选择和数据包转发。
其中，LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种常用的网络层协议，它通过将传感器节点分为簇来实现能量均衡，延长网络寿命。
LEACH协议能够有效地解决能量不平衡和网络拓扑变化的问题，被广泛应用于无线传感器网络中。
其次，传输层协议是保证数据传输可靠性和效率的关键环节。
在物联网中，常用的传输层协议包括RTP（Real-time Transport Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。
RTP协议常用于实时传输需要低延迟和高可靠性的数据，如视频和音频数据。
而UDP协议则适用于传输不需要100%可靠性保证的数据，如传感器数据。
传输层协议的选择需根据具体应用场景和需求进行。
最后，应用层协议是无线传感器网络中实现各种应用功能的重要手段。
物联网中，常见的应用层协议包括MQTT （Message Queuing Telemetry Transport）、CoAP （Constrained Application Protocol）和DDS（Data Distribution Service）等。
这些协议具有轻量级、低能耗、可扩展性强等特点，可以满足物联网中各类应用的需求。
例如，MQTT协议常用于低带宽、高延迟的环境中，适用于传感器数据的发布和订阅。
无线传感器网络通信协议
CATALOGUE目录•无线传感器网络概述•无线传感器网络通信协议基础•典型的无线传感器网络通信协议•无线传感器网络通信协议的性能评价与优化•无线传感器网络通信协议的未来发展趋势无线传感器网络概述无线传感器网络定义•定义：无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由一组自主、分布式、无线连接的传感器节点组成的网络，用于监测和记录环境参数，并将数据传输到中心节点进行处理和分析。
传感器节点具有自主性，能够独立完成数据采集和传输任务，同时具备分布式处理能力，能够实现节点间的协同工作。
自主性和分布式采用无线通信技术，实现节点间的数据传输和通信，降低了网络布线的成本和复杂性。
无线连接传感器节点通常具有有限的计算、存储和能量资源，需要在资源受限的情况下实现高效的数据采集和传输。
资源受限无线传感器网络的特点用于监测环境参数，如温度、湿度、气压、光照等，广泛应用于农业、林业、气象等领域。
环境监测监测工业生产过程中的参数，如温度、压力、流量等，实现工业自动化控制和优化。
工业控制用于智能家居系统中的环境参数监测和设备控制，提高家居生活的舒适性和智能化程度。
智能家居监测人体生理参数，如体温、心率、血压等，实现远程医疗和健康管理。
医疗健康无线传感器网络的应用场景议基础通信协议是一种规定设备间如何进行数据交互的规则和标准。
定义在无线传感器网络中，通信协议确保了各个传感器节点能够准确、高效地交换信息，是实现协同工作和数据收集的基础。
重要性通信协议的定义与重要性用于媒体访问控制，决定无线信道的使用方式，如何分配通信资源等。
MAC协议路由协议数据融合协议确定数据在传感器节点间的传输路径，以保证数据的可靠传输和能量的高效利用。
用于减少数据冗余，提高信息的质量，同时降低能量消耗。
030201无线传感器网络通信协议的分类能量高效可扩展性可靠性安全性无线传感器网络通信协议的设计目标01020304由于传感器节点通常能量受限，因此协议需要优化能量消耗，延长网络寿命。
无线传感器网络概论第5章 无线传感器网络的传输层
r/R
描述了当前传输的可靠性程度。当 1 时，当前传
输是足够可靠的；而当 1时，当前传输是不可靠的。
图5.3为在一个典型的应用环境中， 随f 的变化情况。
5.1 无线传感器网络传输层概述 5.1.3 无线传感器网络传输层协议分类
5.1 无线传感器网络传输层概述
5.1.1 无线传感器网络传输层简介
1. 采用事件到汇聚点的可靠性模型
如下图所示，一部分传输协议对衡量目前传输过 程中可靠性程度的量化标准做出了简要而准确的描述， 这些标准中指出汇聚点依照接收到报文的数量或者其 它特征进行估测。依照目前的可靠性水平和网络状况， 汇聚点将自适应地对流量进行支配。
3. 优先级策略
（1）基于事件的优先级
具备比较高的优先级的战场数据，在数据包的接受 过程中将要被表示为紧急事件，该方式是通过在数据包 头加入优先级变量实现的，该优先级的变量值越大，那 么该数据包就越提前被处理。
（2）基于节点的优先级
距离汇聚节点较近的其他节点产生拥塞的可能性较 高，为了避免发生拥塞，规定将这些节点传送出去的数 据包设置成较高一级的优先级。
5.1 无线传感器网络传输层概述
5.1.3 无线传感器网络传输层协议分类
如果上一步中的下一跳节点不符合要求，则排除 该节点，接着检测剩下的下游节点，得到一个节点的 集合：
m i n { P k ( U s e r I D X 1 , U s e r I D X 2 ,, U s e r I D X k ) } p
第5章 无线传感器网络的传输层
5.1 无线传感器网络传输层概述
第5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。
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。
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。
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。
无线传感器网络协议体系结构
➢ 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路。 ➢ 传输数据。 ➢ 其他管理工作（如：信道状态评估物理接口的四个特性进行了描述，这四个特性
的内容是指：
➢ 机械特性：
规定了物理链接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。
物理层
扩频技术
直接序列扩频：直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端 用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。
跳频：利用整个带宽（频谱）并将其分割为更小的子通道。发送方和接收方在每个通道上工作一 段时间，然后转移到另一个通道。发送方将第一组数据放置在一个频率上，将第二组数据放置在 另一个频率上，以此类推。
物理层
调制技术
➢调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息(即信源) 含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输 信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于 进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。 ➢调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化 而变化。解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解 的过程。 ➢根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制(Amplitude Modulation， AM)、频率调制(Frequency Modulation，FM)和相位调制(Phase Modulation， PM)
➢ (1)调制机制。 ➢ (2)与上层协议结合的跨层优化设计。 ➢ (3)硬件设计。
物理层的设计
1．传输介质
无线传感网知识点
第一章无线传感网概述1.无线传感器网络的概念：无线传感器网路是一种由多个无线传感器节点和几个汇聚节点构成的网络，能够实时的检测、感知和采集节点部署区域的环境或感兴趣的的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后一无线的方式发送出去。
2.WSN的特点及优势1）WSN与Ad hoc共有的特征：自组织；分布式；节点平等；安全性差2）WSN特有的特征：计算能力不高；能量供应不可代替；节点变化性强；大规模网络3.无线传感器网络架构：1）协议：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层物理层：负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。
数据链路层：（1）媒体访问控制。
（2）差错控制。
网络层：负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。
传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。
应用层：主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。
这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。
2）管理平台：（1）能量管理平台（2）移动管理平台（3）任务管理平台（1）管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。
（2）检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
（3）在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。
4.无线传感器网络所面临的挑战：低能耗，实时性，低成本，安全和抗干扰，协作第二章无线传感网物理层设计1.WSN物理层频率的选择：一般选用工业，科学和医疗频段。
ISM（医疗）频段的主要优点是无需注册的公用频段、具有大范围可选频段、没有特定标准、灵活使用。
欧洲使用433MHZ，美国使用915MHZ频段2.WSN结构采用的是无线射频通信第三章数据链路层1.MAC协议分类：1）按节点的接入方式：侦听（间断侦听：DEANAdeng），唤醒（低功耗前导载波侦听MAC协议），调度（主要使用在广播中）2）按信道占用数划分：单信道（主要采用），双信道，多信道3）信道分配方式：竞争型（S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC），跨层型2.分配型MAC协议采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技术3.数据链路层的关键问题：能量效率问题，可扩展性，公平性，信道共享，网络性能的优化4.记忆竞争的S-MAC协议，具有以下特点：（1）周期性的侦听和睡眠（2）使用虚拟载波侦听和物理载波侦听进行冲突避免（3）自适应侦听（4）将长消息分成子段进行消息传递5.基于竞争的T-MAC协议：为了改进S-MAC协议不能根据网络负载调整自己的调度周期的缺点，T-MAC协议根据一种自适应占空比的原理，通过动态地调整侦听与睡眠时间的比值，从而实现节省能耗的目的。
无线传感器网络的路由协议
无线传感器网络的路由协议无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布式无线传感器节点组成的网络，用于感知环境、采集数据并传输给终端节点。
由于传感器节点资源有限，传统的路由协议在WSN中不适用。
因此，研究人员开展了大量的工作，提出了许多适用于WSN的路由协议。
以下是WSN常见的路由协议：基于平面的路由协议将传感器节点所处的平面划分为不同的区域，利用区域之间的连接关系进行数据传输。
其中一种经典的基于平面的路由协议是LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy），它基于分簇的思想将传感器节点分为不同的簇，每个簇有一个簇首节点负责数据聚合和传输。
基于层次的路由协议是WSN中常见的一种路由方式，它将节点组织成多个层次。
每个层次中的节点具有不同的功能和职责。
经典的基于层次的路由协议包括TEEN（Threshold-sensitive Energy Efficient Sensor Network）和PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）。
基于多跳的路由协议允许节点通过中转节点将数据传输到目的节点，从而延长网络的传输范围。
常见的基于多跳的路由协议包括SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）和Directed Diffusion。
SPIN协议利用分布式算法对节点进行数据交换和传输，Directed Diffusion协议则通过沿着数据梯度传播的方式进行数据传输。
由于传感器节点能量有限，基于能量的路由协议非常重要。
这些协议通过考虑节点能量状态来决定数据传输路径，以延长网络的生命周期。
例如，E-SEP（Energy-Efficient Stable Election Protocol）、GEDIR （Gateway-Efficient, Deterministic and Energy-Aware Routing）和ENERGY-LL（Energy-Efficient, Low Latency Routing）都是基于能量的路由协议。
无线传感器网 第五章 传输层协议
消耗较大能量、计算和存储资源； 2、不具备应用相关性； 3、不能满足不同传输方向上传输的数据对可靠性的要求。（多对一、 一对多）
传输协议分类
拥塞控制协议 ——面向拥塞避免的协议、面向拥塞消除的协议 可靠传输协议 ——基于数据包、基于数据块、基于数据流的可靠传输 拥塞控制和可靠传输混合协议 ——同时支持拥塞控制和可靠传输功能
通常伴随着链路层重传 通常有限定的重传次数
在目的节点
传输层重传 问题: 定时器选择
执行重传
链路层确认: 邻居节点
传输层确认:
源节点 ! 端到端的重传
Question: Could an intermediate node help in an end-to-end scheme? How to detect need for retransmissions? How to retransmit?
目的接收器是什么?
单个接收器? 多个接收器?
在周围? 展开?
移动的?
哪些路由结构可用?
单个包经过单个路径到底单个接收器
单个多跳路径可由某一路由协议得到
问题: 哪个节点 监测丢包 (使用哪些指示器)? 要求重传？ 执行重传？
传输协议——可靠端到端数据传输
拥塞控制协议
（2）Fusion协议 拥塞检测——缓存占用率、信道采样（当缓存占用率或信道 采样负载超过给定门限值时，使用隐式通告） 拥塞缓解——1）当节点监听到父节点的拥塞为1时，停止转 发数据； 2）令牌方式。 （3）SenTCP 该协议中拥塞检测采用拥塞度检测和缓存占用率检测相结合 的方法，其中拥塞度由包间隔时间和包服务时间计算得到。
无线传感器网络通讯协议
校验和
*
1
uInt8
说明:
1.一些计算时用到的参数请参阅《传感器参数》文档
2.每块板子都有不同的传感器参数，在获取到节点信息时向节点发送传感器校准参数请求消息，一旦获取
到参数即可停止请求。
3.三个校准参数为量化值
1.1.13. 资源数据传送消息
下传节点资源数据
段名
内容
消息头
@
消息长
*
会话 ID
*
段长 1 1 2
说明 具体某种资源的数据后面有定义
1.1.7. 上传母板资源数据消息
上传节点资源数据
段名
内容
消息头
@
消息长
*
会话 ID
*
消息代码 0x24
节点地址
*
母板类型
*
资源代码
*
资源数据
*
校验和
*
段长 1 1 2 1 2 1 2 * 1
数据类型 Char uInt8 uInt16 uInt8 uInt8 uInt8 uInt16 不定 uInt8
z 以下是各种资源的数据定义
1.1.14. AD采样控制
AD 采样控制(下传数据)
段名
内容 段长 数据类型
说明
通道组合
*
1
uInt8 举例:0x0C(00001100)表示采集第 5,6 通道的数据
采样精度
*
1
uInt8
采样速率
*
2
uInt16
采样模式
*
0-停止采集 1-单次采集 2-连续采集 (停止采集或单次采集
uInt8 0x04-115200
继电器 Relay8 Relay7 Relay6 Relay5 Relay4 Relay3 Relay2 Relay1
无线传感器网络通信协议
要点二
基于协调的MAC协议
节点通过与其它节点协调，分配无线 信道的使用权，例如TDMA（Time Division Multiple Access）和 FDMA（Frequency Division Multiple Access）等。
要点三
基于混合的MAC协议
结合了竞争和协调两种方式，例如 CDMA（Code Division Multiple Access）和OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）等。
用于农田管理、作物协议的重要性
无线传感器网络通信协议是WSN的核心技术之一， 对于网络的性能和稳定性起着至关重要的作用。
通信协议需要满足低功耗、可扩展性、安全性、可 靠性等要求，以适应不同的应用场景和需求。
采用高效的通信协议可以提高网络的寿命、降低能 耗，同时保证数据传输的实时性和准确性。
常见的MAC协议比较
01
02
03
04
05
CSMA/CA和CSMA/CD ：这两种协议简单易实现 ，适用于小型网络。但它 们在大型网络中性能较差 ，因为它们不能很好地处 理节点之间的干扰和碰撞 。
TDMA：TDMA将时间划 分为多个时隙，每个节点 只能在特定的时隙内进行 数据传输。它适用于大型 网络，但实现较为复杂。
安全与隐私保护研究
• 总结词：安全与隐私保护是无线传感器网络通信协议的重要 研究课题，旨在保障网络数据安全和用户隐私。
• 详细描述：无线传感器网络面临着多种安全威胁和隐私泄露 风险，如恶意攻击、数据窃取、节点伪造等。因此，研究安 全与隐私保护机制至关重要。目前，研究工作主要集中在加 密算法、访问控制、安全认证等方面。例如，基于公钥加密 算法的密钥分配机制，保证数据传输和存储的安全性；基于 属性基密码的访问控制机制，根据用户属性授予相应权限； 基于联邦学习的安全认证机制，保护节点身份隐私和数据安 全。此外，还有一些研究工作致力于开发轻量级安全协议和 隐私保护技术，提高网络安全性。
无线传感器网络中的网络协议与数据传输研究
无线传感器网络中的网络协议与数据传输研究无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是一种由大量分布式、自组织的传感器节点组成的网络系统。
这些节点具有感知、处理和通信能力，能够实时收集环境信息并将其传输到目标节点。
在WSN中，网络协议和数据传输技术起着至关重要的作用，它们决定了网络的性能和可靠性。
本文将探讨无线传感器网络中的网络协议和数据传输的相关研究。
1. 网络协议在无线传感器网络中的作用网络协议是在网络中进行通信和数据传输时必不可少的一种技术。
在无线传感器网络中，网络协议扮演着路由选择、数据传输、能量管理等重要角色，直接影响网络的性能和效率。
（1）路由选择协议：在无线传感器网络中，节点通常具有有限的电量和计算能力。
因此，设计高效的路由选择协议是保证网络能量效率和延迟的关键。
例如，基于蚁群优化的路由选择协议（Ant Colony Optimization-based Routing Protocol）能够利用分布式的机制来自适应地选择最佳路径，减少能量消耗和延迟。
（2）MAC层协议：MAC（Medium Access Control）层协议对无线传感器网络中的节点进行调度和协调，以实现多个节点之间的协同工作。
典型的MAC层协议包括TDMA（Time Division Multiple Access）和CSMA（Carrier Sense Multiple Access）。
TDMA协议通过划分时间片来给节点分配通信时间，而CSMA协议利用空闲信道时隙进行碰撞检测，以避免冲突。
（3）数据传输协议：无线传感器网络中的数据传输协议需考虑到节点间的高丢包率、频谱稀缺和能量限制等因素。
传统的TCP/IP协议在这种环境下并不适用，因此需要设计专门的数据传输协议。
例如，基于概率的可靠性数据传输协议（Probabilistic Reliable Data Transmission Protocol）采用概率性的重传机制，以适应不可信的无线信道和能量限制。
无线传感器网络传输层协议
Tradeoff: 端到端 vs. 链路层重传
• 相同旳场景, 条数是变化旳
• BER=0.001 of BSC channel fixed
• 同步使用
• 经过某些或全部旳途径同步发送完整旳数据包 • 经过几条途径发送包旳片段
• 但是发送带冗余旳片段 • 只有某些片段能够重构原来旳数据包
Example: Reliable Information Forwarding using Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM)
• 机制: 冗余
• Redundancy in nodes, transmission • Forward and backward error recovery • Combinations are necessary!
可靠旳数据传播 – 背景
• 传播旳对象
• Single packet • Block of packets • Stream of packets
in an end-to-end scheme? How to detect
need for retransmissions? How
to retransmit?
Tradeoff: 端到端 vs. 链路层重传
• 场景: 单个包,从源到目旳节 点经过n 跳，二进制对称信 道（ BSC channel）
• 链路层，端到端重传
• 链路层重传: 最大重传旳次 数是不同旳
• 在其范围内依然不成功就丢 弃包
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络的通信协议为五层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
其中通信部分位于数据链路层和物理层，采用的标准是IEEE 802.15.4。
通信部分采用的通信技术可以是有线、无线、红外等，其中无线技术可以是ZigBee、蓝牙、超带宽（UWB）等。
组网技术主要在传输层和网络层。
支撑技术主要在应用层实现，包括时间同步技术、定位技术、数据融合技术、能量管理和安全机制等，主要作用是保证用户功能的正常运行。
物理层作用是为终端设备提供数据传输的通路。
主要任务是信号的调制、数据收发速率、通信频段的选择以及传输介质的选取。
数据链路层作用是建立可靠的点到点、点到多点的通信链路，保证源节点发出的信息可以正确的传输到目标节点。
主要任务是数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制和功率控制。
网络层作用是将数据由传感器节点可靠的传输到汇聚节
点。
主要任务是路由的发现和维护，确保终端的连通/无连通情况，路由的可达性以及寻找传感器节点和汇聚节点之间最优路径（能量消耗最小、延时最小）。
传输层作用是进行数据流的传输控制进而保证网络通信质量
应用层要为传感器网络应用提供时间同步服务、节点定位机制、节点管理协议、任务协议和数据广播管理协议。
无线传感器网络课件 第五章 无线传感器网络-传输协议
传输层
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从汇聚节点到传感节点的传输
基于数据流的可靠传输协议 1、ESRT协议 主要针对以数据为中心的应用，通过自动 配置网络来实现可靠数据传输。 ESRT协议要求汇聚节点根据一个周期内 成功接收到的数据包流量计算可靠度，通过 调整源节点发送速率来调节网络状态。
PSFQ协议主要由Pump、Fetch、Report三种操 作构成。 Pump：汇聚节点给数据块中的数据段分配序列号， 并采用Mac层广播的方式依次发送各数据段的操 作。 Fetch：节点发现某数据段丢失后暂停数据转发， 存储该数据段并向上游节点发送Nack包请求重 传丢失的数据段，待收到所有丢失数据段后再按 顺序转发。 Report：汇聚节点要求距离较远的节点逐跳汇报自 己的地址和收包情况，节点的距离可根据收到的 数据包中的TTL值来判断。
WSN可靠传输基本机制
丢包恢复机制
1.
2.
丢包检测与反馈 ACK方式： 不适用数据包较小或信道质量良好的情况 NACK方式：明确要求重发丢失的数据包 IACK方式：监听接收节点的数据传输 重传恢复 端到端重传、逐跳重传 主要问题是：如何设置最大重传次数
5.4.2 冗余传输机制
1.
多次发送同一个数据包的备份
基于传输控制的拥塞避免协议 1、CALB协议 基于轻量级节点缓存状态管理的拥塞避 免协议。 节点发送数据时将自己剩余缓存空间信 息捎带在数据包头中。节点通过监听相邻 节点的数据包获得其剩余空间信息。 2、CRA协议 结合多路径路由的拥塞避免协议。CRA 协议定义每个节点的下游节点与其上游节 点数的比值为该节点的特征比率CR。
端到端通知：由汇聚节点负责反馈拥塞信息 逐跳通知：由中间节点负责
拥塞消除机制
无线传感器网络路由协议
无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。
路由协议：数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端，因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。
路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：1.寻找源节点和目的节点间的优化路径。
2.将数据分组沿着优化路径正确转发。
无线传感器与传统的无线网络协议不同之处，它受到能量消耗的制约，并且只能获取到局部拓扑结构的信息，由于这两个原因，无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。
传感器由于它很强的应用相关性，不同应用中的路由协议差别很大，没有通用的路由协议。
无线路由器的路由协议应具备以下特点：（1）能量优先。
需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。
（2）基于局部拓扑信息。
WSN为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息和资源有限的情况下实现简单高效的路由机制，这是WSN的一个基本问题。
（3）以数据为中心。
传统路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而WSN由于节点的随机分布，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，要形成以数据为中心的消息转发路径。
（4）应用相关。
设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。
现介绍几种常见的路由协议（平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议）：一、平面路由协议平面路由协议中，逻辑结构时平面结构，节点间地位平等，通过局部操作和反馈信息来生成路由。
当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据，其中的数据不能采用全局统一的ID，而是要采用基于属性的命名机制进行描述。
平面路由的优点是结构简单、鲁棒性（即路由机制的容错能力）较好，缺点是缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。
其中典型的平面路由协议有以下几种：1.1.洪泛式路由（Flooding）：这是一种传统的网络通信路由协议。
无线传感器网络的多层协议栈设计与实现策略分享
无线传感器网络的多层协议栈设计与实现策略分享无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布式的、自组织的、无线通信的传感器节点组成的网络。
它具有广泛的应用前景，包括环境监测、智能交通、无线医疗等领域。
在WSN的设计与实现过程中，多层协议栈的设计是至关重要的一环。
一、物理层与数据链路层设计物理层和数据链路层是WSN协议栈的底层，负责传输和接收数据。
在物理层的设计中，需要考虑传感器节点的功耗、传输距离和传输速率等因素。
一种常用的设计策略是采用低功耗的调制解调器，以及自适应调制技术，根据信道质量自动选择合适的调制方式。
数据链路层的设计主要包括链路接入控制、数据帧的组织和错误检测等功能。
在WSN中，由于节点数量庞大且分布广泛，节点之间的通信容易受到干扰，因此链路接入控制非常重要。
一种常用的设计策略是采用分布式的媒体访问控制（MAC）协议，如CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议，以实现节点间的协调通信。
二、网络层设计网络层是WSN协议栈的中间层，负责路由选择和数据包转发等功能。
在网络层的设计中，需要考虑到网络拓扑结构、能量消耗和网络负载均衡等因素。
一种常用的设计策略是采用分层路由协议，将网络分为多个层次，每个层次负责不同范围的路由选择。
在WSN中，能量消耗是一个重要的问题。
为了延长整个网络的寿命，需要采用能量高效的路由算法。
一种常用的设计策略是采用基于能量的路由协议，如LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议，通过节点间的动态聚类和轮流工作的方式，实现能量的均衡消耗。
三、传输层与应用层设计传输层和应用层是WSN协议栈的上层，负责数据传输和应用程序的交互。
在传输层的设计中，需要考虑到数据的可靠传输和拥塞控制等问题。
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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
（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。
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。
➢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。
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。
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．降低传输层协议的能耗
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
（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
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
➢主要的分类有： 基于可靠性保证 基于拥塞避免 基于跨层
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）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。
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。
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。
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 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
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。
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—— 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。
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。
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。
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：
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。
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—— 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。
➢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
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。
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。