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 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 无线传感器网络传输层协议概述 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 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 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 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 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 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 无线传感器网络传输层协议概述 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 无线传感器网络传输层协议概述 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 无线传感器网络传输层关键问题 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 无线传感器网络传输层关键问题 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 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 ERST协议是一种自适应调整协议 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 Si NC LR NC HR OOR C HR C LR 典型无线传感器网络传输层协议 ESRT 第五章无线传感器网络传输层协议 2 关键技术 逐跳错误恢复 取充之间的关系 数据连续发送 典型无线传感器网络传输层协议 ESRT 第五章无线传感器网络传输层协议 2 关键技术 可靠性的度量 典型无线传感器网络传输层协议 ESRT 第五章无线传感器网络传输层协议 可靠性调节监测到可靠性之后 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 典型无线传感器网络传输层协议 ESRT 第五章无线传感器网络传输层协议 ESRT的局限性 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 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 典型无线传感器网络传输层协议 ESRT 第五章无线传感器网络传输层协议 PSFQ协议提出得较早 是逐跳可靠性保证的传输协议 PSFQ PumpSlowlyFetchquickly 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 Time To 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 典型无线传感器网络传输层协议 PSFQ 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 典型无线传感器网络传输层协议 PSFQ 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 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 典型无线传感器网络传输层协议 PECR 第五章无线传感器网络传输层协议 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 典型无线传感器网络传输层协议 PSFQ 第五章无线传感器网络传输层协议 2 拥塞控制 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 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 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 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 典型无线传感器网络传输层协议 PSFQ 第五章无线传感器网络传输层协议 排除 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 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 2 拥塞控制 典型无线传感器网络传输层协议 PSFQ 第五章无线传感器网络传输层协议 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 典型无线传感器网络传输层协议 CODE 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 无线传感器网络传输层的跨层设计 第五章无线传感器网络传输层协议 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 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 RCTP协议的进行也包括两个阶段 一个是拥塞的监测 另一个是拥塞后的实时调度 拥塞的监测 采用缓存检测的方法 当实时队列和非实时队列中任意一个队列中缓存达到一半时 协议认为此时网络节点拥塞 实时调度 当拥塞发生后 RCTP协议调用相应的实时调度方法来缓解拥塞 并最终实现数据的转发 1 基本思想 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 2 关键技术 1 RCTP协议的实时调度 节点接收到数据后 根据RCTP数据包头中实时位R对数据包进行实时划分 R为1的为实时包 RT 进入实时队列 R为0的为非实时包 NRT 进入非实时队列 RCTP协议根据队长比例算法在两个队列中选择要发送的下一个数据包 2 队长比算法 队长比算法是指调度器按两个队列的队长比例来选择是从实时队列还是从非实时队列选取数据 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 无线传感器网络和网格结合起来可以有效弥补无线传感器网络的不足 并且有以下一些优势 1 可以利用网格处理无线传感器网络感知到的大量数据 网格拥有的计算资源和存储资源可以对无线传感器网络收集到的大量数据进行处理 分析和存储 2 一个无线传感器网络所得的数据可以同时被多个网格应用使用 同一个无线传感器网络所得数据可以通过网格平台同时被多个应用程序使用 传感数据使用更加方便 同时数据使用率也得到提高 3 利用网格可以得到无线传感器网络数据的新知识 在网格中可以利用数据挖掘 数据融合 分布式数据库等技术对其数据进行处理 获得传感数据的新知识 无线传感器网络的网格体系 第五章无线传感器网络传输层协议 网格层次结构 无线传感器网络接入层 该层的主要作用是多个无线传感器网络的无缝接入 对无线传感器网络进行抽象 使上层看到一致的数据层 该层主要完成网络协议转换 网格API映射 多个无线传感器网络接入 安全保证和任务健壮性等功能 任务管理层 该层的主要作用是多数据融合任务的合理调度 该层主要完成数据处理任务的合理分配和多传感任务的合理调度等功能 服务管理层 该层的主要作用是无线传感器网络的管理和无线传感器网络服务的形成与管理 该层主要完成无线传感器网络能量管理和服务质量控制等功能 无线传感器网络的网格体系 第五章无线传感器网络传输