无线传感器网络第4讲-传输层协议.ppt

无线传感器网络传输层协议 目录 可靠性要求 传递single of packets 传递 blocks of packets 传递 streams of packets Focus of this tutorial 可靠性方面 Coverage 否则使用局部重 传 Expected energy cost The BSC is a binary channel; that is, it can transmit only one of two symbols (usually called 0 and 1). The transmission is not perfect, and occasionally the receiver gets the wrong bit. Tradeoff: 端到端 vs. 链路层重传 相同的场景, 条数是变化 的 BER=0.001 of BSC channel fixed ! 链路层重传仅适用于较 长的路由 Expected energy cost 多个路径 类型 : 不相交（disjoint） or 编织的（braided） 使用默认的或可用的多条路径 同时 发送相同的包 发送多余的片段 例子: ReInForM 多路径: 不相交或编织的 Source Sink Disjoint paths Primary path Secondary path Source Sink Braided paths Primary path 可靠数据传输 造成数据包丢失的原因主要有三个方面： 无线传感器网络所使用的无线信道较之有线链路有更大的不稳定性以及更 高的误码率， 很容易受到周围环境噪声的影响造成数据包的丢失。另外在无线传感器网络 中，传感器节点的布撒密度非常高，不同节点在发送数据时极易发生信道 竞争冲突以及碰撞造成数据包丢失。 当无线传感器网络中发生拥塞时，拥塞节点缓冲区溢出造成数据包丢失。 接收节点因为数据包到达过快来不及处理造成数据包丢失。 差错避免可靠传输 ACK确认认重传传机制 数据包冗余传输传输 机制 多路径传输传输 机制 FEC前向纠错码纠错码 机制 单分组传递 ： Reliable Information Forwarding using Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM) ReInForm方法是基于在多条路径上发送数据包的多个拷 贝来提高数据包传输可靠性。 从数据源节点开始，根据数据传输可靠性、信道质量以 及传感器节点到汇聚节点的跳数，确定需要的传输路径 数目，以及下一跳节点数目和相应的节点。 邻居节点在接收到数据源节点的数据后，将自己视作数 据源节点，重复上述数据源节点的选路过程。实现满 足 可靠要求的数据传输。 Example: Reliable Information Forwarding using Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM) 目标: 通过多条路径发送数据包来满足传递概率P 假设: 独立路径,二进制对称信道BSC 节点知道本地的包错误 率e Step 1: 源节点决定使用哪些路径 Success probability over a single path with ns hops: 1-(1-e)ns Success probability over P paths: 1-(1-(1-e)ns)P Should be rs, solve for P: Note there is no floor/ceiling in this formula ReInForM Forwarding to neighbors Source node picks a forwarder closer to destination than itself Remaining neighbors: P = P (1-es) Choose P neighbors to additionally forward packet If possible, only neighbors closer to destination If not sufficient, use neighbors same hop distance If not sufficient, use further away neighbors Source Desti- nation Forwarder Packet contains Source & destination Forwarder identity Source packet error rate Number of paths each neighbor should construct 图 ReInform所需传送概率为70%时数据转发举 例。(A)图是源节点在链路差错率 为0时传递 1个数据包；(B)图是源节点在链路差错率为0时传递 10个数据包；(C)是 源节点在链路差错率为30%时传递 1个数据包(D)是源节点在链路差错率为30%时 发送10个单分组 图 洪泛、单路径转发 以及40%、70%可靠性要求的多路径转发 在 链路出错率增加时所能保证的可靠性比较 图 洪泛、单路径转发 以及40%、70%可靠性要求的多路径转发 在 链路出错率增加时为 保证可靠性所引发的开销 Overview Dependability requirements Delivering single packets Delivering blocks of packets Opportunity: Caching in intermediate nodes Example: Pump Slowly, Fetch Quickly (PSFQ) Example: Reliable Multisegment Transport (RMST) Delivering streams of packets 数据块传输 无线传感器网络中，有时需要传输大量的数据。比如在 传送图像、声音等数据时，或者当网络需要重新配置， 基站将新的代码发送至节点。 相对于单数据包的可靠性传输，保证数据块传输 的可靠 性机制有很大的不同。 数据块传输 Goal: Deliver large amounts of data E.g., code update, large observations Split data into several packets (reduce packet error rate) Transfer this block of packets Main difference to single packet delivery: Gaps in sequence number can be detected and exploited For example, by intermediate nodes sending NACKs 1 3 2 Where is packet 2? 2? To answer NACK locally, intermediate nodes must cache packets Which packets? For how long? 数据块传输 在无线传感器网络中，无线链路不稳定及易受干扰的特 点是造成网络传输 不可靠的主要原因. 除了在物理层实现 高效的纠错码 之外，如何在MAC层、 传输层 以及应用层提供可靠性是实现可靠传输的重要保 证。 在MAC层实现 可靠性保证的重要性体现在，它除了能为 传输层 提供跳段之间的错误恢复之外，还是实现路由发 现及维持的保证。 数据块传输 :RMST 每跳链路出错率为10%，数据传输 40跳时，传输成功 概率 数据块传输 :RMST 数据传输6跳时，传输成功概率 比较 数据块传输 802.11中提供了数据包分片与重组的方法，但是并没有提 供传输可靠性保证。 而传统有线网络中的传输层 TCP协议提供的传输可靠保 证主要是为解决网络拥塞问题而提出的，并不适用于无 线网络。 数据块传输 l 端到端选择请 求NACK是当基站节点发现接收的数据 包有丢失或损坏时，沿着基站到源节点的反向增强路 径发送重传请求。当重传请求到达源节点后，源节 点将重传所需数据。端到端选择请 求NACK方法只需 在基站和源节点缓存数据，中间节点无需缓存数据 。 l 跳段选择请 求NACK方法是在路由路径上的每个节点 都缓存数据，当节点发现有数据包丢或损坏时直接 向其上一跳节点发送重传请求。 Example: Pump Slowly Fetch Quickly (PSFQ) Goal: Distribute block of packets to from one sender to multiple receivers (sink to sensors) E.g., code update ! losses are not tolerable, delay not critical Routing structure is assumed to be known PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）为无线传感器网 络的重编程或重新指定任务提供了可靠传输，并提供了 到接收端延迟保证。源节点低速向网络注入数据包以避 免网络拥塞，接收节点有足够的时间来检测这 些数据包 是否丢失，假如发生丢失就请求重传。当节点收到的包 序号不等于上一个包序号加1，那么就认为有包丢失。这 个节点在收到正确的包之前停止继续发 送包。 可靠性协议 传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输 PSFQ重传机制 Overview Dependability requirements Delivering single packets Delivering blocks of packets Delivering streams of packets Additional opportunity: Control rate Control rate of individual nodes: ESRT Control number of active nodes: Gur game Streams of packets may lead to congestion When several sensors observe an event and try to periodically report it, congestion around event may set it When many sensors stream data to a sink, congestion around the sink may occur 拥塞控制 无线传感器网络大部分时间都处于零负载或轻负 载，只有在异常事件发生时，网络中才会突发性 的产生较大的数据量。这些数据非常重要，需要在 不影响系统性能的前提下可靠的传送给基站。但是 这种突发性的大数据量传输很容易导网络不同程 度拥塞的发生。 网络吞吐量随源速率的增加而减小. 节点数量越大，实际吞吐量减少的越大. 拥拥塞检测检测 和避免（ CODA ）拥拥塞控制方案 拥塞场景 : 节点密集分布的网络中，当有异常事件发生时，源节点会突 发性产生大量数据。在源节点附近(几跳范围内)形成持续拥 塞区 域。 (2)在节点分布稀疏并且源节点数据发送速率较低的网络中，不会在 源节点附近产生持续的拥塞，而可能在远离源节点的网络区域中任 意位置产生短暂的拥塞。 (3)在节点分布稀疏并且源节点数据发送速率较高的网络中，有可能 在网络区域的任意位置发生短暂或持续的拥塞。 CODA拥拥塞控制方案 1. 基于接收者的拥塞检测； 2. 开环跳段反向压力信标机制(open-loop hop-by-hop backpressure)； 3. 闭环多源调整机制(closed-loop multi-source regulation) 。 CODA拥拥塞控制方案-拥塞检测 CODA将节点缓冲区管理方法与链路负载监测 方法二者 相结合，提出了一个能量高效基于接收者的拥塞检测方 法。 在CODA中，只有当节点缓冲区队列不为空时，才启动 链路负载监测 。当节点缓冲区队列为空时，表明没有拥 塞发生，链路负载监测 将关闭。 由于CSMA在发送数据前需要监听信道判断信道是否空闲 ，所以将链路负载监测 放在该段时间一起进行将不会带 来任何额外的开销。 CODA拥拥塞控制方案-开环环跳段反向压压力信标标机制 检测到网络发生拥塞时，节点将向邻居节点广播一个反 向压力信标，同时采用相应的数据包丢弃策略或调整数 据发送速率来防止拥塞的进一步传播。 当上游节点接收到反向压力信标后，它将根据局部拥塞 策略选择直接丢弃到来的数据包以防止缓冲区溢出，而 不继续