無線傳感器網(wǎng)絡第4講-傳輸層協(xié)議ppt課件

1、無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議目錄 可靠性要求 傳送single of packets 傳送 blocks of packets 傳送 streams of packetsFocus of this tutorial可靠性方面 Coverage & deployment當有事件發(fā)生時能否有足夠的節(jié)點可以監(jiān)測事件的發(fā)生？能當有事件發(fā)生時能否有足夠的節(jié)點可以監(jiān)測事件的發(fā)生？能否有足夠的節(jié)點可以準確地丈量數(shù)據(jù)否有足夠的節(jié)點可以準確地丈量數(shù)據(jù)?如何布置這些節(jié)點？如何布置這些節(jié)點？ Information accuracy哪些被丈量的數(shù)據(jù)必需被傳送到哪里以保證一定的準確性哪些被丈量的數(shù)據(jù)必需被傳送到哪

2、里以保證一定的準確性?如何在第一時間內處置那些不準確的丈量如何在第一時間內處置那些不準確的丈量? Dependable data transport 一旦確定哪些數(shù)據(jù)被傳送到哪里，如何保證它們準確地到達一旦確定哪些數(shù)據(jù)被傳送到哪里，如何保證它們準確地到達? How to deal with transmission errors and omission errors/congestion?可靠性協(xié)議 物理層 物理層是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通訊的基石，其可靠性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的容錯才干。物理層主要擔任數(shù)據(jù)的編碼調制、解調解碼、發(fā)送與接納。 對于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的通訊，為了使得數(shù)據(jù)可以被可靠

3、地傳輸或接納，必需求做到高的接納機靈敏度、低的背景噪聲及較強的抗干擾才干。 可靠性協(xié)議 鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層主要擔任數(shù)據(jù)流的多路選擇、數(shù)據(jù)幀偵測、媒介訪問、過失控制 ，保證了點到點、點到多點的可靠性鏈接。媒介訪問控制為數(shù)據(jù)傳輸建立通訊鏈路，并提供對共享媒介的公平、有效的訪問。它需求減少或防止媒介中的包沖突。 過失控制主要采用自動重發(fā)懇求ARQ和前向糾錯FEC。 可靠性協(xié)議 網(wǎng)絡層 建立部分多途徑可靠性協(xié)議 網(wǎng)絡層 定向洪泛Sink NodeVirtual ApertureSenderBA可靠性協(xié)議 傳輸層事件會聚到Sink可靠性協(xié)議 傳輸層 - 從會聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸 PSFQPump Sl

4、owly, Fetch Quickly為無線傳感器網(wǎng)絡的重編程或重新指定義務提供了可靠傳輸，并提供了到接納端延遲保證。源節(jié)點低速向網(wǎng)絡注入數(shù)據(jù)包以防止網(wǎng)絡擁塞，接納節(jié)點有足夠的時間來檢測這些數(shù)據(jù)包能否喪失，假設發(fā)生喪失就懇求重傳。當節(jié)點收到的包序號不等于上一個包序號加1，那么就以為有包喪失。這個節(jié)點在收到正確的包之前停頓繼續(xù)發(fā)送包。 可靠性協(xié)議 傳輸層 - 從會聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸 PSFQ重傳機制 可靠性: 術語 “可靠的是涵蓋性術語 主要目的 穩(wěn)態(tài)的可用性 probability that a system is operational at any given point in tim

5、e Assumption: System can fail and will repair itself 在時間t的可靠性 Probability that system works correctly during the entire interval 0,t) Assumption: It worked correctly at system start t=0 相應速度Responsiveness Probability of meeting a deadline Even in presence of some to be defined faults 包勝利的概率 Probabil

6、ity that a packet (correctly) reaches its destination Related: packet error rate, packet loss rate 誤碼率Bit error rate Probability of an incorrect bit Channel model determines precise error patterns可靠性約束 無線傳感器網(wǎng)絡為了可靠的傳輸數(shù)據(jù)需求思索的約束條件： Transmission errors over a wireless channel Limited computational resou

7、rces in a WSN node Limited memory Limited time (deadlines) Limited dependability of individual nodes 機制: 冗余 Redundancy in nodes, transmission Forward and backward error recovery Combinations are necessary!可靠的數(shù)據(jù)傳輸 背景 傳輸?shù)膶ο?Single packet Block of packets Stream of packets 保證程度 Guaranteed delivery Stoc

8、hastic delivery 有關實體Involved entities Sensor(s) to sink Sink to sensors Sensors to sensors50% delivered限制條件 能量 Send as few packets as possible Send with low power ! high error rates Avoid retransmissions Short packets ! weak Forward Error Correction FEC Balance energy consumption in network 處置功率 Onl

9、y simple FEC schemes No complicated algorithms (coding) 存儲器 Store as little data as briefly as possible Overview 可靠性要求 Delivering single packets Single path Multiple paths Gossiping-based approaches Multiple receivers Delivering blocks of packets Delivering streams of packets傳送單個數(shù)據(jù)包 主要選擇 目的接納器是什么? 單

10、個接納器? 多個接納器? 在周圍? 展開? 挪動的? 哪些路由構造可用? Unicast routing along a single path? Routing with multiple paths between source/destination pairs? No routing structure at all rely on flooding/gossiping? 單個包經(jīng)過單個途徑究竟單個接納器 單個多跳途徑可由某一路由協(xié)議得到 問題: 哪個節(jié)點 監(jiān)測丟包 (運用哪些指示器)? 要求重傳？ 執(zhí)行重傳？在單個包傳送的時候檢測包或信令喪失 檢測單個包喪失: 只需一定確認 posi

11、tive acknowledgements (ACK) 可行 否認Negative acks (NACK) 不可行 接納機通常不知道哪個包應該究竟，不能發(fā)NACK 哪個節(jié)點發(fā)ACKs (以防止重傳)? 在每個中間節(jié)點，在 MAC/link 層 通常伴隨著鏈路層重傳 通常有限定的重傳次數(shù) 在目的節(jié)點 傳輸層重傳 問題: 定時器選擇執(zhí)行重傳 鏈路層確認: 鄰居節(jié)點 傳輸層確認: 源節(jié)點 ! 端到端的重傳Question: Could an intermediate node help in an end-to-end scheme? How to detect need for retransmi

12、ssions? How to retransmit? Tradeoff: 端到端 vs. 鏈路層重傳 場景: 單個包,從源到目的節(jié)點經(jīng)過n 跳，二進制對稱信道 BSC channel 鏈路層，端到端重傳 鏈路層重傳: 最大重傳的次數(shù)是不同的 在其范圍內依然不勝利就丟棄包 ! 對于好的信道，運用端到端方案; 否那么運用部分重傳 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

13、r e e n d-to- e n dM A C 2 M A C 5 M A C 1 0 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. 鏈路層重傳 一樣的場景, 條數(shù)是變化的 BER=0.001

14、 of BSC channel fixed ! 鏈路層重傳僅適用于較長的路由 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 e + 0 6 1 e + 0 7 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5N u mb e r of ho p sp u r e e n d-to- e n dM A C 2 M A C 5 M A C 1 0 Expected energy cost多個途徑 類型 : 不相交disjoint or 編織的braided 運用默許的或可用的多條途徑 同時 發(fā)送一樣的包 發(fā)送多余的片段 例子: ReInForM多途徑: 不相交或編織的SourceSinkD

15、isjoint pathsPrimary pathSecondary pathSourceSinkBraided pathsPrimary path可靠數(shù)據(jù)傳輸呵斥數(shù)據(jù)包喪失的緣由主要有三個方面：無線傳感器網(wǎng)絡所運用的無線信道較之有線鏈路有更大的不穩(wěn)定性以及更高的誤碼率，很容易遭到周圍環(huán)境噪聲的影響呵斥數(shù)據(jù)包的喪失。另外在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點的布撒密度非常高，不同節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時極易發(fā)生信道競爭沖突以及碰撞呵斥數(shù)據(jù)包喪失。當無線傳感器網(wǎng)絡中發(fā)生擁塞時，擁塞節(jié)點緩沖區(qū)溢出呵斥數(shù)據(jù)包喪失。接納節(jié)點由于數(shù)據(jù)包到達過快來不及處置呵斥數(shù)據(jù)包喪失。過失防止可靠傳輸 ACK確認重傳機制確認重傳機制

16、數(shù)據(jù)包冗余傳輸機制數(shù)據(jù)包冗余傳輸機制 多途徑傳輸機制多途徑傳輸機制 FEC前向糾錯碼機制前向糾錯碼機制 單分組傳送： Reliable Information Forwardingusing Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM) ReInForm方法是基于在多條途徑上發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個拷貝來提高數(shù)據(jù)包傳輸可靠性。 從數(shù)據(jù)源節(jié)點開場，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性、信道質量以及傳感器節(jié)點到會聚節(jié)點的跳數(shù)，確定需求的傳輸途徑數(shù)目，以及下一跳節(jié)點數(shù)目和相應的節(jié)點。 鄰居節(jié)點在接納到數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)后，將本人視作數(shù)據(jù)源節(jié)點，反復上述數(shù)據(jù)源節(jié)點的選路過程。實現(xiàn)滿足可靠

17、要求的數(shù)據(jù)傳輸。 Example: Reliable Information Forwardingusing Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM) 目的: 經(jīng)過多條途徑發(fā)送數(shù)據(jù)包來滿足傳送概率P 假設: 獨立途徑,二進制對稱信道BSC 節(jié)點知道本地的包錯誤率e Step 1: 源節(jié)點決議運用哪些途徑 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

18、, 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 s

19、ufficient, use neighbors same hop distance If not sufficient, use further away neighborsSourceDesti-nationForwarder Packet contains Source & destination Forwarder identity Source packet error rate Number of paths each neighbor should construct圖 ReInform所需傳送概率為70%時數(shù)據(jù)轉發(fā)舉例。(A)圖是源節(jié)點在鏈路過失率為0時傳送1個數(shù)據(jù)包；

20、(B)圖是源節(jié)點在鏈路過失率為0時傳送10個數(shù)據(jù)包；(C)是源節(jié)點在鏈路過失率為30%時傳送1個數(shù)據(jù)包(D)是源節(jié)點在鏈路過失率為30%時發(fā)送10個單分組 圖 洪泛、單途徑轉發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多途徑轉發(fā)在鏈路出錯率添加時所能保證的可靠性比較 圖 洪泛、單途徑轉發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多途徑轉發(fā)在鏈路出錯率添加時為保證可靠性所引發(fā)的開銷 Overview Dependability requirements Delivering single packets Delivering blocks of packets Opportunity: Caching in inter

21、mediate nodes Example: Pump Slowly, Fetch Quickly (PSFQ) Example: Reliable Multisegment Transport (RMST) Delivering streams of packets數(shù)據(jù)塊傳輸 無線傳感器網(wǎng)絡中，有時需求傳輸大量的數(shù)據(jù)。比如在傳送圖像、聲音等數(shù)據(jù)時，或者當網(wǎng)絡需求重新配置，基站將新的代碼發(fā)送至節(jié)點。 相對于單數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸，保證數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)目煽啃詸C制有很大的不同。 數(shù)據(jù)塊傳輸 Goal: Deliver large amounts of data E.g., code update, la

22、rge 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 NACKs1 3 2Whereis packet 2?2? To answer NACK locally,

23、 intermediate nodes must cache packets Which packets? For how long?數(shù)據(jù)塊傳輸 在無線傳感器網(wǎng)絡中，無線鏈路不穩(wěn)定及易受干擾的特點是呵斥網(wǎng)絡傳輸不可靠的主要緣由. 除了在物理層實現(xiàn)高效的糾錯碼之外，如何在MAC層、傳輸層以及運用層提供可靠性是實現(xiàn)可靠傳輸?shù)闹匾ＷC。 在MAC層實現(xiàn)可靠性保證的重要性表達在，它除了能為傳輸層提供跳段之間的錯誤恢復之外，還是實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)及維持的保證。 數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST每跳鏈路出錯率為10%，數(shù)據(jù)傳輸 40跳時，傳輸勝利概率數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST數(shù)據(jù)傳輸6跳時，傳輸勝利概率比較 數(shù)據(jù)塊傳輸 802.

24、11中提供了數(shù)據(jù)包分片與重組的方法，但是并沒有提供傳輸可靠性保證。 而傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡中的傳輸層TCP協(xié)議提供的傳輸可靠保證主要是為處理網(wǎng)絡擁塞問題而提出的，并不適用于無線網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)塊傳輸l端到端選擇懇求NACK是當基站節(jié)點發(fā)現(xiàn)接納的數(shù)據(jù)包有喪失或損壞時，沿著基站到源節(jié)點的反向加強途徑發(fā)送重傳懇求。當重傳懇求到達源節(jié)點后，源節(jié)點將重傳所需數(shù)據(jù)。端到端選擇懇求NACK方法只需在基站和源節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，中間節(jié)點無需緩存數(shù)據(jù)。l跳段選擇懇求NACK方法是在路由途徑上的每個節(jié)點都緩存數(shù)據(jù)，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟或損壞時直接向其上一跳節(jié)點發(fā)送重傳懇求。Example: Pump Slowly Fetch Qui

25、ckly (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 PSFQPump Slowly, Fetch Quickly為無線傳感器網(wǎng)絡的重編程或重新指定義務提供了可靠傳輸，并提供了到接納端延遲保證。源節(jié)點低速向網(wǎng)絡注入數(shù)據(jù)包以防止網(wǎng)絡擁

26、塞，接納節(jié)點有足夠的時間來檢測這些數(shù)據(jù)包能否喪失，假設發(fā)生喪失就懇求重傳。當節(jié)點收到的包序號不等于上一個包序號加1，那么就以為有包喪失。這個節(jié)點在收到正確的包之前停頓繼續(xù)發(fā)送包。可靠性協(xié)議 傳輸層 - 從會聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸 PSFQ重傳機制 Overview Dependability requirements Delivering single packets Delivering blocks of packets Delivering streams of packets Additional opportunity: Control rate Control rate of in

27、dividual nodes: ESRT Control number of active nodes: Gur gameStreams 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擁塞控制 無線傳感器網(wǎng)絡

28、大部分時間都處于零負載或輕負載，只需在異常事件發(fā)生時，網(wǎng)絡中才會突發(fā)性的產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)非常重要，需求在不影響系統(tǒng)性能的前提下可靠的傳送給基站。但是這種突發(fā)性的大數(shù)據(jù)量傳輸很容易導網(wǎng)絡不同程度擁塞的發(fā)生。 網(wǎng)絡吞吐量隨源速率的添加而減小. 節(jié)點數(shù)量越大，實踐吞吐量減少的越大. 擁塞檢測和防止擁塞檢測和防止 CODA 擁塞控制方案擁塞控制方案擁塞場景 :節(jié)點密集分布的網(wǎng)絡中，當有異常事件發(fā)生時，源節(jié)點會突發(fā)性產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。在源節(jié)點附近(幾跳范圍內)構成繼續(xù)擁塞區(qū)域。 (2)在節(jié)點分布稀疏并且源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率較低的網(wǎng)絡中，不會在源節(jié)點附近產(chǎn)生繼續(xù)的擁塞，而能夠在遠離源節(jié)點的網(wǎng)絡區(qū)域中任意位置產(chǎn)生短暫的擁塞。 (3)在節(jié)點分布稀疏并且源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率較高的網(wǎng)絡中，有能夠在網(wǎng)絡區(qū)域的恣意位置發(fā)生短暫或繼續(xù)的擁塞。 CODA擁塞控制方案擁塞控制方案1. 基于接納者的擁塞檢測；2. 開環(huán)跳段反向壓力信標機制(open-loop hop-by-hop backpressure)；3. 閉環(huán)多源調整機制(closed-loop multi-source regulation) 。