無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議綜述

標簽：WSN TCP

一、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的構成

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧由物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、應用層5 部分組成，和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧

物理層：數據收集、采樣、發(fā)送、接收，以及信號的調制解調;

數據鏈路層：媒體接入控制，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節點(diǎn)提供可靠的通信通道;

網(wǎng)絡(luò )層：發(fā)現和維護路由;

應用層：提供安全支持，實(shí)現密鑰管理和安全組播;

傳輸層：為端到端的連接提供可靠的傳輸、流量控制、差錯控制、QoS 等服務(wù)，即便是在OSI 模型中也只有該層是負責總體數據傳輸和控制的，因此非常重要。

二、傳統協(xié)議的不足之處

傳統IP 網(wǎng)絡(luò )主要使用協(xié)議棧中傳輸層的UDP 和TCP 協(xié)議控制數據傳輸。UDP 協(xié)議是面向無(wú)連接的傳輸協(xié)議，不提供對數據包的流量控制及錯誤恢復;TCP 協(xié)議則提供了可靠的傳輸保證，如利用滑動(dòng)窗口和AIMD 等機制進(jìn)行擁塞控制，以及使用重傳進(jìn)行差錯控制。但TCP 協(xié)議卻不能直接用于WSN，主要原因如下：

(1) TCP 協(xié)議遵循端到端(end-to-end)的設計思想，數據包的傳輸控制任務(wù)被賦予網(wǎng)絡(luò )的端節點(diǎn)上，中間節點(diǎn)只承擔數據包的轉發(fā)。而WSN 以數據為中心，中間節點(diǎn)可能會(huì )對相關(guān)數據進(jìn)行在網(wǎng)處理(In-network Processing)，即根據數據相關(guān)性對多個(gè)數據包內的信息進(jìn)行綜合處理，得到新的數據包發(fā)送給接收端，直接使用TCP 協(xié)議會(huì )導致將此視為丟包而引發(fā)重傳。

(2) TCP 協(xié)議建立和釋放連接的握手機制相對比較復雜，耗時(shí)較長(cháng)，不利于傳感器節點(diǎn)及時(shí)反饋被監測對象的相關(guān)信息。WSN 網(wǎng)絡(luò )拓撲的動(dòng)態(tài)變化也給TCP 連接狀態(tài)的建立和維護帶來(lái)了一定的困難。

(3) TCP協(xié)議采用基于數據包(packet-based)的可靠性度量，即盡力保證所有發(fā)出的數據包都被接收節點(diǎn)正確收到。在WSN 中，可能會(huì )有多個(gè)傳感器節點(diǎn)監測同一對象，使得監測數據具有很強的冗余性和關(guān)聯(lián)性。只要最終獲取的監測信息能夠描述對象的真實(shí)狀況，具有一定的逼真度(fidelity)，并不一定要求數據包傳輸的完全可靠，這種方式也被稱(chēng)為基于事件的(event-based)可靠性度量。

(4) TCP 協(xié)議中數據包重傳通過(guò)端節點(diǎn)之間的ACK 反饋和超時(shí)機制來(lái)保證。傳感器網(wǎng)絡(luò )數據包中所含的數據量相對較小，大量ACK 包的傳輸會(huì )加重傳輸負載和能量消耗。并且，每次ACK 確認和數據包重傳都要從發(fā)送端發(fā)出經(jīng)歷多跳傳輸路徑到達目的端，引發(fā)整條路徑上所有節點(diǎn)的能量消耗。

(5) WSN 中非擁塞丟包和多路傳輸等引起的數據包傳輸亂序，都會(huì )引發(fā)TCP 協(xié)議的錯誤響應，使得發(fā)送端頻頻進(jìn)入擁塞控制階段，導致傳輸性能下降。

(6) TCP 協(xié)議要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有獨一無(wú)二或全網(wǎng)獨立的網(wǎng)絡(luò )地址。在大規模的WSN 中，為了減少長(cháng)地址位帶來(lái)的傳輸消耗，傳感器節點(diǎn)可能只具有局部獨立的或地理位置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )地址或采用無(wú)網(wǎng)絡(luò )地址的傳輸方案，無(wú)法直接使用TCP 協(xié)議。

三、WSN 傳輸協(xié)議研究進(jìn)展

當前對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議研究的工作還是側重于擁塞控制和可靠保證。該研究將擁塞控制分為流量控制、多路分流、數據聚合和虛擬網(wǎng)關(guān)等;可靠保證則包括數據重傳、冗余發(fā)送。

流量控制中，ERST、PORT 和IFRC 協(xié)議是基于報告速率調節的擁塞控制協(xié)議;Fusion、CCF 是基于轉發(fā)速率調節的擁塞控制協(xié)議，適合要求數據逼真度較高的網(wǎng)絡(luò );Buffer-based、PCCP、CODA 則是基于綜合速率調節的擁塞控制協(xié)議。ERST 考慮了可靠性和能耗的因素，通過(guò)調整報告速率來(lái)減輕擁塞;PORT 協(xié)議則將報告速率調整問(wèn)題建模為優(yōu)化問(wèn)題，解決ERST 的不足;IFRC 則著(zhù)重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個(gè)節點(diǎn)所分享。

Fusion 采用了令牌桶機制，節點(diǎn)要按照一定規則積累令牌，且發(fā)送一次數據就消耗一個(gè)令牌;CCF 用速率比較的方法，擁塞發(fā)生時(shí)節點(diǎn)將自身轉發(fā)速率與父節點(diǎn)告知的轉發(fā)速率比較，以其中較小的值來(lái)轉發(fā)數據包。

Buffer-based 采用基于緩沖區的輕量級控制機構。發(fā)送數據包之前，要求節點(diǎn)監聽(tīng)鄰居節點(diǎn)的緩沖區溢出否;PCCP 對數據流賦與不同的加權優(yōu)先級，來(lái)保證調整公平性;CODA 結合了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制方式來(lái)解決擁塞。網(wǎng)絡(luò )流量突發(fā)導致局部短暫擁塞時(shí)就啟用開(kāi)環(huán)控制。同時(shí)，若某被監測事件的發(fā)生頻率低于設定的信道吞吐量，源節點(diǎn)即可自行調整報告速率，否則就啟動(dòng)閉環(huán)擁塞控制。

多路分流就是通過(guò)多路轉發(fā)來(lái)分散流量，解決擁塞問(wèn)題。其中，ARC 協(xié)議是利用網(wǎng)絡(luò )中的冗余節點(diǎn)構建新的轉發(fā)路徑，CAR 與ARC 方法相近，BGR 則是在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來(lái)擴大轉發(fā)路徑的可選范圍。

數據聚(融)合的必要性和重要性前文已述。協(xié)議包括CONCERT 和PREI。前者采用適應性聚合，后者將網(wǎng)絡(luò )劃分為大小相同的網(wǎng)絡(luò )，對來(lái)自同一網(wǎng)格的數據進(jìn)行聚合。

可靠性方面，數據重傳協(xié)議包括網(wǎng)關(guān)向節點(diǎn)、節點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)和雙向可靠保證3 類(lèi);冗余發(fā)送則包括拷貝發(fā)送(AFS、Rein form、MMSPEED、GRAB)和編碼冗余。

PSFQ、GARUDA 是網(wǎng)關(guān)向節點(diǎn)的。前者用緩發(fā)快取進(jìn)行控制，后者則建立層次結構，進(jìn)行階段性丟包恢復。RMST、RBC 是節點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)的。前者是基于單路由協(xié)議設計的，除了原有的由數據源到網(wǎng)關(guān)的方向之外，增加了后向路徑，用于反饋丟包。BRTM 是雙向可靠保證的。

此外還有5 種隨機投遞傳輸協(xié)議并分別對它們建模分析，在仿真對比的基礎上做出了相關(guān)結論。這些協(xié)議包括：

1)逐跳可靠傳輸協(xié)議HHR、帶應答的逐跳可靠傳輸協(xié)議

HHRA 后者是前者的一個(gè)變體。HHR 是最簡(jiǎn)單的該類(lèi)協(xié)議。協(xié)議中，某轉發(fā)節點(diǎn)將同一數據包向其下一跳轉發(fā)節點(diǎn)進(jìn)行多次發(fā)送。只要下一跳節點(diǎn)收到重發(fā)數據包一份副本，它就會(huì )繼續發(fā)送。HHRA則要求轉發(fā)節點(diǎn)等待來(lái)自接收者的應答包。若收到應答包，則終止本跳后續副本的轉發(fā)。

2)逐跳廣播傳輸協(xié)議HHB、帶應答的逐跳廣播傳輸協(xié)議