现代通信技术课程12

1、5、 传输层协议分析传输层协议分析 5.1 UDP和和TCP 5.2 传感网络的传输层协议传感网络的传输层协议 现代通信技术课程现代通信技术课程主讲：宋梁，主讲：宋梁，LSONGIEEE.ORGLSONGIEEE.ORGQQQQ群：群：3149458743149458742014-20152014-20152内容安排内容安排 可靠性要求 传递single of packets 传递 blocks of packets 传递 streams of packets可靠性方面Focus of this tutorialCoverage & deploymentCoverage & d

2、eployment 当有事件发生时是否有足够的节点可以监测事件的发生？是否有足够的节点可以精确地测量数据? 如何布置这些节点？Information accuracyInformation accuracy 哪些被测量的数据必须被传送到哪里以保证一定的精确性? 如何在第一时间内处理那些不精确的测量? Dependable data transport Dependable data transport 一旦确定哪些数据被传送到哪里，如何保证它们准确地到达? How to deal with transmission errors transmission errors and omission

3、 omission errors/congestionerrors/congestion?可靠性协议物理层 物理层是实现无线网络通信的基石，其可靠性能的优劣直接影响到整个系统的容错能力。物理层主要负责数据的编码调制、解调解码、发送与接收。 对于无线传感器网络节点间的通信，为了使得数据能够被可靠地传输或接收，必须要做到高的接收机灵敏度、低的背景噪声及较强的抗干扰能力。 可靠性协议链路层 数据链路层主要负责数据流的多路选择、数据帧侦测、媒介访问、差错控制 ，保证了点到点、点到多点的可靠性链接。媒介访问控制为数据传输建立通信链路，并提供对共享媒介的公平、有效的访问。它需要减少或避免媒介中的包冲突。

4、差错控制主要采用自动重发请求（ARQ）和前向纠错（FEC）。 可靠性协议网络层 建立局部多路径可靠性协议网络层 定向洪泛Sink NodeVirtual ApertureSenderBA可靠性协议 传输层事件汇聚到Sink可靠性协议传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输 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

5、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 可靠性: 术语 “可靠的”是涵盖性术语主要指标 （稳态的）可用性（稳态的）可用性 probability that a system is operational at any given point in timeAssumption: System can fail and will repair itself在时间在时间t t的可靠性的可靠性 Probability that system works correctly during the entire interval 0,t)As

6、sumption: It worked correctly at system start t=0相应速度相应速度Responsiveness Responsiveness Probability of meeting a deadlineEven in presence of some to be defined faults 包成功的概率包成功的概率 Probability that a packet (correctly) reaches its destinationRelated: packet error rate, packet loss rate 误码率误码率Bit error

7、 rate Bit error rate Probability of an incorrect bitChannel model determines precise error patterns可靠性约束无线传感器网络为了可靠的传输数据需要考虑的约束条件：Transmission errors over a wireless channelLimited computational resources in a WSN nodeLimited memoryLimited time (deadlines)Limited dependability of individual nodes 机制

8、: 冗余Redundancy in nodes, transmissionForward and backward error recoveryCombinations are necessary!可靠的数据传输 背景 传输的对象Single packetBlock of packetsStream of packets保证水平Guaranteed deliveryStochastic delivery有关实体Involved entitiesSensor(s) to sinkSink to sensorsSensors to sensors50% delivered限制条件能量Send as

9、 few packets as possibleSend with low power ! high error ratesAvoid retransmissionsShort packets ! weak Forward Error Correction （FEC ）Balance energy consumption in network处理功率Only simple FEC schemesNo complicated algorithms (coding)存储器Store as little data as briefly as possible Overview可靠性要求Deliver

10、ing single packetsDelivering single packetsSingle pathMultiple pathsGossiping-based approachesMultiple receiversDelivering blocks of packetsDelivering streams of packets传递单个数据包 主要选择目的接收器是什么?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?Unicast routing along a single pathsingle path?Routing with multiple pathsm

11、ultiple paths between source/destination pairs? No routing structure at all rely on flooding/gossipingflooding/gossiping? 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？在单个包传递的时候检测包或信令丢失检测单个包丢失: 只有肯定确认 positive acknowledgements (ACK) 可行否定Negative acks (NACK) 不可行 接收机通常不知道哪个包应该到底，不能

12、发NACK哪个节点发ACKs (以避免重传)?在每个中间节点，在 MAC/link 层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? Tradeoff: 端到端 vs. 链路层重传 场景: 单个包,从源到目的节点经过n 跳，二进制对称信道（ BS

13、C channel） 链路层，端到端重传 链路层重传: 最大重传的次数是不同的 在其范围内仍然不成功就丢弃包 对于好的信道，使用端到端方案; 否则使用局部重传 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 e + 0 6 1 e + 0 7 1 e - 0 6 1 e - 0 5 0 . 0 0 0 1 0 . 0 0 1 0 . 0 1B it e r r or pr o b a b i l i typ u r e e n d-to- e n dM A C 2 M A C 5 M A C 1 0 The BSC is a binary channel; that is, i

14、t 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. 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SourceSinkDisjoint pathsPrimary pathSecondary pathSource

15、SinkBraided pathsPrimary 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。差错避免可靠传输单分组传递： Reliable Information Forwardingusing Multiple Paths in

16、Sensor Networks(ReInForM)Example: Reliable Information Forwardingusing 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eStep 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

17、Should be rs, solve for P:Note there is no floor/ceiling in this formula ReInForM Forwarding to neighbors Source node picks a forwarderforwarder closer to destination than itselfRemaining neighbors: P = P (1-es)Choose P neighbors to additionally forward packetIf possible, only neighbors closer to de

18、stinationIf not sufficient, use neighbors same hop distanceIf not sufficient, use further away neighborsSourceDesti-nationForwarder 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

19、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 OverviewDependability requirementsDelivering single packetsDelivering blocks of packetsDelivering blocks

20、 of packetsOpportunity: Caching in intermediate nodesExample: Pump Slowly, Fetch Quickly (PSFQ)Example: Reliable Multisegment Transport (RMST) Delivering streams of packets数据块传输数据块传输Goal: Deliver large amounts of dataE.g., code update, large observationsSplit data into several packets (reduce packet

21、 error rate)Transfer this block of packets Main difference to single packet delivery: Gaps in sequence number can be detected and exploitedFor example, by intermediate nodes sending NACKs1 3 2Whereis packet 2?2? To answer NACK locally, intermediate nodes must cache packets Which packets? For how lon

22、g?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

23、塞问题而提出的，并不适用于无线网络。数据块传输端到端选择请求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。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 mult

24、iple 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

25、点在收到正确的包之前停止继续发送包。Overview传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输 PSFQ重传机制 OverviewDependability requirementsDelivering single packetsDelivering blocks of packetsDelivering streams of packetsDelivering streams of packetsAdditional opportunity: Control rateControl rate of individual nodes: ESRTControl number of active n

26、odes: Gur gameStreams of packets may lead to congestionWhen several sensors observe an event and try to periodically report it, congestion around event may set itWhen 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. 拥塞检测和避免（ CODA ）拥塞控制方案拥塞场景 :(1)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