無線傳感網(wǎng)絡傳輸協(xié)議綜述

標簽：WSN TCP

一、無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議棧的構成

無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、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。

無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議棧

物理層：數(shù)據(jù)收集、采樣、發(fā)送、接收，以及信號的調(diào)制解調(diào);

數(shù)據(jù)鏈路層：媒體接入控制，網(wǎng)絡節(jié)點間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節(jié)點提供可靠的通信通道;

網(wǎng)絡層：發(fā)現(xiàn)和維護路由;

應用層：提供安全支持，實現(xiàn)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，即便是在OSI 模型中也只有該層是負責總體數(shù)據(jù)傳輸和控制的，因此非常重要。

二、傳統(tǒng)協(xié)議的不足之處

傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡主要使用協(xié)議棧中傳輸層的UDP 和TCP 協(xié)議控制數(shù)據(jù)傳輸。UDP 協(xié)議是面向無連接的傳輸協(xié)議，不提供對數(shù)據(jù)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，如利用滑動窗口和AIMD 等機制進行擁塞控制，以及使用重傳進行差錯控制。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(shù)據(jù)包的傳輸控制任務被賦予網(wǎng)絡的端節(jié)點上，中間節(jié)點只承擔數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。而WSN 以數(shù)據(jù)為中心，中間節(jié)點可能會對相關數(shù)據(jù)進行在網(wǎng)處理(In-network Processing)，即根據(jù)數(shù)據(jù)相關性對多個數(shù)據(jù)包內(nèi)的信息進行綜合處理，得到新的數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收端，直接使用TCP 協(xié)議會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，耗時較長，不利于傳感器節(jié)點及時反饋被監(jiān)測對象的相關信息。WSN 網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化也給TCP 連接狀態(tài)的建立和維護帶來了一定的困難。

(3) TCP協(xié)議采用基于數(shù)據(jù)包(packet-based)的可靠性度量，即盡力保證所有發(fā)出的數(shù)據(jù)包都被接收節(jié)點正確收到。在WSN 中，可能會有多個傳感器節(jié)點監(jiān)測同一對象，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很強的冗余性和關聯(lián)性。只要最終獲取的監(jiān)測信息能夠描述對象的真實狀況，具有一定的逼真度(fidelity)，并不一定要求數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐耆煽?，這種方式也被稱為基于事件的(event-based)可靠性度量。

(4) TCP 協(xié)議中數(shù)據(jù)包重傳通過端節(jié)點之間的ACK 反饋和超時機制來保證。傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中所含的數(shù)據(jù)量相對較小，大量ACK 包的傳輸會加重傳輸負載和能量消耗。并且，每次ACK 確認和數(shù)據(jù)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(jié)點的能量消耗。

(5) WSN 中非擁塞丟包和多路傳輸?shù)纫鸬臄?shù)據(jù)包傳輸亂序，都會引發(fā)TCP 協(xié)議的錯誤響應，使得發(fā)送端頻頻進入擁塞控制階段，導致傳輸性能下降。

(6) TCP 協(xié)議要求每個網(wǎng)絡節(jié)點具有獨一無二或全網(wǎng)獨立的網(wǎng)絡地址。在大規(guī)模的WSN 中，為了減少長地址位帶來的傳輸消耗，傳感器節(jié)點可能只具有局部獨立的或地理位置相關的網(wǎng)絡地址或采用無網(wǎng)絡地址的傳輸方案，無法直接使用TCP 協(xié)議。

三、WSN 傳輸協(xié)議研究進展

當前對于無線傳感器網(wǎng)絡傳輸協(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(shù)據(jù)聚合和虛擬網(wǎng)關等;可靠保證則包括數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議;Fusion、CCF 是基于轉(zhuǎn)發(fā)速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議，適合要求數(shù)據(jù)逼真度較高的網(wǎng)絡;Buffer-based、PCCP、CODA 則是基于綜合速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議。ERST 考慮了可靠性和能耗的因素，通過調(diào)整報告速率來減輕擁塞;PORT 協(xié)議則將報告速率調(diào)整問題建模為優(yōu)化問題，解決ERST 的不足;IFRC 則著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個節(jié)點所分享。

Fusion 采用了令牌桶機制，節(jié)點要按照一定規(guī)則積累令牌，且發(fā)送一次數(shù)據(jù)就消耗一個令牌;CCF 用速率比較的方法，擁塞發(fā)生時節(jié)點將自身轉(zhuǎn)發(fā)速率與父節(jié)點告知的轉(zhuǎn)發(fā)速率比較，以其中較小的值來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

Buffer-based 采用基于緩沖區(qū)的輕量級控制機構。發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，要求節(jié)點監(jiān)聽鄰居節(jié)點的緩沖區(qū)溢出否;PCCP 對數(shù)據(jù)流賦與不同的加權優(yōu)先級，來保證調(diào)整公平性;CODA 結合了開環(huán)和閉環(huán)控制方式來解決擁塞。網(wǎng)絡流量突發(fā)導致局部短暫擁塞時就啟用開環(huán)控制。同時，若某被監(jiān)測事件的發(fā)生頻率低于設定的信道吞吐量，源節(jié)點即可自行調(diào)整報告速率，否則就啟動閉環(huán)擁塞控制。

多路分流就是通過多路轉(zhuǎn)發(fā)來分散流量，解決擁塞問題。其中，ARC 協(xié)議是利用網(wǎng)絡中的冗余節(jié)點構建新的轉(zhuǎn)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，以此來擴大轉(zhuǎn)發(fā)路徑的可選范圍。

數(shù)據(jù)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)絡劃分為大小相同的網(wǎng)絡，對來自同一網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進行聚合。

可靠性方面，數(shù)據(jù)重傳協(xié)議包括網(wǎng)關向節(jié)點、節(jié)點向網(wǎng)關和雙向可靠保證3 類;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)關向節(jié)點的。前者用緩發(fā)快取進行控制，后者則建立層次結構，進行階段性丟包恢復。RMST、RBC 是節(jié)點向網(wǎng)關的。前者是基于單路由協(xié)議設計的，除了原有的由數(shù)據(jù)源到網(wǎng)關的方向之外，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 后者是前者的一個變體。HHR 是最簡單的該類協(xié)議。協(xié)議中，某轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點將同一數(shù)據(jù)包向其下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行多次發(fā)送。只要下一跳節(jié)點收到重發(fā)數(shù)據(jù)包一份副本，它就會繼續(xù)發(fā)送。HHRA則要求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點等待來自接收者的應答包。若收到應答包，則終止本跳后續(xù)副本的轉(zhuǎn)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