無線傳感器網絡課件 第五章 無線傳感器網絡-傳輸協議

1、無線傳感器網絡的傳輸協議提綱5.1 概述5.2 傳輸協議設計目標和挑戰(zhàn)5.3 擁塞控制機制5.4 可靠傳輸基本機制5.5 一些典型傳輸協議WSN重要特點n包出錯率高n物理層發(fā)送速率低n 功率、信道質量等因素n緩存小n 現象：端到端包成功傳遞率不高 、 容易出現網絡擁塞、浪費節(jié)點能量主要功能和技術提供端到端可靠的數據傳輸服務 許多應用要求可靠的端到端傳輸協議 有些應用不要求可靠的端到端傳輸協議所使用的主要技術手段 差錯控制 擁塞控制 傳統(tǒng)TCP協議特點nTCP 建立和釋放鏈接采用握手機制nTCP的是為鏈路可靠的主干網絡設計，該類網絡數據包的丟失主要是由于路由器緩存溢出所引起nTCP保證每個包都能

2、成功傳輸到目的節(jié)點n所使用的反饋機制開銷大無線Ad Hoc網絡的傳輸協議為中小規(guī)模網絡設計網絡節(jié)點計算能力和存儲能力較強WSN傳輸協議特點節(jié)能優(yōu)先分為上行匯聚場景和下行傳輸場景以數據為中心應用相關性強WSN傳輸協議分類擁塞控制協議可靠傳輸協議擁塞控制協議和可靠傳輸協議混合協議設計目標能量效率傳輸可靠性：數據可靠性和任務可靠性自適應性可擴展性公平性技術挑戰(zhàn)滿足可靠傳輸和服務質量降低能耗、存儲空間消耗多對一傳輸模式，匯聚節(jié)點附件擁塞和能量消耗較多不同的應用對多個性能指標有不同的偏重、在不同的性能指標上實現最佳的平衡擁塞控制基本機制擁塞是一種網絡狀態(tài)：當網絡中傳輸的數據超過網絡的負載能力時，網絡性能

3、隨網絡負載的增加而急劇下降。具體表現：n碰撞造成的分組丟棄劇增n節(jié)點緩沖區(qū)溢出n排隊延遲大擁塞控制是擁塞控制是WSN服務質量保證的關鍵技術之一。服務質量保證的關鍵技術之一。具體方式擁塞控制擁塞控制擁塞避免擁塞消除擁塞避免機制n速率分配n 對網絡中各節(jié)點的傳輸速率進行合理的分配和嚴格的限制，來避免擁塞的產生。n n 由于網絡拓撲的不均衡和動態(tài)性、服務質量要求等，很難實現全網最優(yōu)的分布式速率分配。n n 相關研究還較少。擁塞避免機制2. 傳輸控制 節(jié)點根據一些網絡參數（如節(jié)點緩存狀態(tài)）決定是否轉發(fā)數據和確定轉發(fā)速率，以避免擁塞的發(fā)生。擁塞消除機制n擁塞檢測n基于緩沖區(qū)占用率的檢測n基于信道采樣的檢

4、測n基于包到達時間間隔和包服務時間n基于丟包率的檢測n 多種方法聯合使用擁塞消除機制2. 擁塞通知當某節(jié)點檢測到擁塞后，需要通知相關節(jié)點。顯示通知：發(fā)送控制包 隱式通知：數據包捎帶擁塞消除機制2. 擁塞通知端到端通知：由匯聚節(jié)點負責反饋擁塞信息 逐跳通知：由中間節(jié)點負責擁塞消除機制3. 擁塞緩解（1）速率控制 調節(jié)源節(jié)點數據產生速率 或 中間節(jié)點轉發(fā)速率。最常用、最直接的方法。 （2）流量調度 通過繞路、分流或重定向等方式來減小擁塞區(qū)域的數據流。（3） 數據處理 節(jié)點通過對數據進行丟棄、壓縮或融合來減少數據量。WSN可靠傳輸基本機制可靠傳輸基本機制n丟包檢測與反饋n ACK方式： 不適用數據包

5、較小或信道質量良好的情況n NACK方式：明確要求重發(fā)丟失的數據包n IACK方式：監(jiān)聽接收節(jié)點的數據傳輸n重傳恢復n 端到端重傳、逐跳重傳n 主要問題是：如何設置最大重傳次數丟包恢復機制丟包恢復機制5.4.2 冗余傳輸機制n多次發(fā)送同一個數據包的備份n多路徑方式n總的來說，冗余傳輸機制消耗的網絡資源較多。5.4.3 速率控制機制適用于基于任務的可靠傳輸。在保證完成任務的前提下，盡量降低源節(jié)點的數據速率，避免和緩解擁塞。具體方法：匯聚節(jié)點根據一個周期內成功接收數據包的數量計算傳輸可靠度。如果可靠度低于預定要求，則通知源節(jié)點提高發(fā)送速率；否則，減小發(fā)送速率。l無線傳感器網絡傳輸層協議分類擁塞控制

6、協議基于速率分配的擁塞避免基于速率分配的擁塞避免 1、CCF協議 基于多對一樹狀傳輸結構自上而下分配速率的擁塞避免協議。CCF協議確保所有子節(jié)點的發(fā)送速率總和不超過其父節(jié)點的發(fā)送速率，從而可以避免父節(jié)點的緩存溢出。 2、Flush協議 適用于直線拓撲的擁塞避免協議。協議中，每個節(jié)點只有在不干擾其他節(jié)點間通信、同時也不受其他節(jié)點干擾的情況下才允許發(fā)送數據，從而確保成功；同時一個節(jié)點的發(fā)送速率其向前節(jié)點上路徑的發(fā)送速率?；趥鬏斂刂频膿砣苊鈪f議 1、CALB協議 基于輕量級節(jié)點緩存狀態(tài)管理的擁塞避免協議。 節(jié)點發(fā)送數據時將自己剩余緩存空間信息捎帶在數據包頭中。節(jié)點通過監(jiān)聽相鄰節(jié)點的數據包獲得其剩

7、余空間信息。 2、CRA協議 結合多路徑路由的擁塞避免協議。CRA協議定義每個節(jié)點的下游節(jié)點與其上游節(jié)點數的比值為該節(jié)點的特征比率CR。可靠傳輸協議基于數據塊的可靠傳輸協議 PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）為無線傳感器網絡的重編程或重新指定任務提供了可靠傳輸，并提供了到接收端延遲保證。源節(jié)點低速向網絡注入數據包以避免網絡擁塞，接收節(jié)點有足夠的時間來檢測這些數據包是否丟失，假如發(fā)生丟失就請求重傳。當節(jié)點收到的包序號不等于上一個包序號加1，那么就認為有包丟失。這個節(jié)點在收到正確的包之前停止繼續(xù)發(fā)送包。PSFQ協議主要由Pump、Fetch、Report三種操作構成。Pump：匯聚節(jié)點給數據塊中的數據段分配序列號，并采用Mac層廣播的方式依次發(fā)送各數據段的操作。Fetch：節(jié)點發(fā)現某數據段丟失后暫停數據轉發(fā)，存儲該數據段并向上游節(jié)點發(fā)送Nack包請求重傳丟失的數據段，待收到所有丟失數據段后再按順序轉發(fā)。Report：匯聚節(jié)點要求距離較遠的節(jié)點逐跳匯報自己的地址和收包情況，節(jié)點的距離可根據收到的數據包中的TTL值來判斷。傳輸層 - 從匯聚