无线传感器网络传输层协议

无线传感器网络传输层协议

作业

• 解释 UDP 和 TCP 不适合无线传感器网络的原因。

UDP：
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，因而不适用于WSN。

TCP：
（1）TCP 中丢包只可能是拥塞引起，WSN 中丢包可能是由拥塞或者链路质量差引起，若将 TCP 应用于 WSN，那么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。（最主要）
（2）TCP 协议提供端到端的可靠信息传输，而 WSN 中存在大量的冗余信息，要求中间节点能够对接收到的数据包进行简单处理。
（3）TCP 中采用的三次握手机制，时延较大，而且 WSN 中节点的动态性强，TCP没有相对应的处理机制。
（4）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，事件可靠即可，可以有一定的数据丢包或者删除。
（5）TCP 协议采用 ACK 反馈机制，这个过程中需要经历所有的中间节点，时延非常高而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。
（6）TCP 中，每一个节点都被要求有一个独一无二的 IP 地址，而在大规模的 WSN 中基本不可能实现，也没有必要。

• 画图并分析无线传感器网络中可靠性和拥塞程度随数据发送速率的变化关系。
  
  （1）起初数据发送频率比较低，网络不会拥塞，但丢包可能比较多因而可靠性比较低。
  （2）增加数据发送频率，网络达到最优状态。
  （3）在一定范围内增加数据发送频率，网络不会拥塞，可靠性也比较高。
  （4）继续增加数据发送频率，网络拥塞，因而丢包增加，可靠性降低。
  （5）继续增加数据发送频率，网络拥塞，虽然丢包增加，但到达的数据量比较大，可靠性还是比较高的。

• 分析基于节点缓存队列和基于信道采样的拥塞监测方法的优缺点。
  缓存检测：当缓存中的数据长度达到一个阈值时，认为此时网络拥塞。优点 是实现简单，不需要很大的开销；缺点是阈值如果较大，那么当数据占用缓冲区的大部分后才能检测到拥塞，不能及时控制拥塞。同时，缓冲区中数据长度只能反映接收速率与发送速率的关系，不能很好地反映整个网络的状况。
  信道检测：监听信道是否繁忙，若繁忙则认为此时网络拥塞。优点 是能反映整个网络的状况，缺点 是需要连续采样信道状态，能耗较高。

• 解释为什么无线传感器网络不采用端到端的可靠性机制。
  （1）WSN 中存在大量的冗余信息，要求中间节点能够对接收到的数据包进行简单处理，端到端的可靠性机制不能实现此功能。
  （2）如果在 WSN 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，传输延迟大，而且能量消耗也非常大，明显不适于对实时性要求高的 WSN。
  （3）反馈过程中，反馈控制信息需要经过所有中间节点，此过程中还需要维护每个节点的路径信息，这些工作在 WSN 中是根本不必要的。

• 解释 PSFQ 协议中快取和慢充的作用。
  每个中间节点都缓存接收到的数据报文，邻居节点收到源节点发出的数据包后，如果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，当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。这样做保证了逐跳传输的可靠性。

1、 WSN传输层协议概述

传输层是最靠近用户数据（应用层）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 拥塞控制，保证数据能够有效无差错地传输到目的节点。

TCP/IP 以及 UDP 协议不适用于WSN，原因已在作业中讲明。

2、WSN传输层关键问题

• 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、缓存区太小等都有可能造成拥塞，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 和 拥塞控制 就变得非常有意义，同时要考虑反馈信息尽可能少。

• 丢包恢复

（1）如果在 WSN 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，传输延迟大，而且能量消耗也非常大，明显不适于对实时性要求高的 WSN。
（2）反馈过程中，反馈控制信息需要经过所有中间节点，此过程中还需要维护每个节点的路径信息，这些工作在 WSN 中是根本不必要的。

• 优先级策略

（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，比如战场数据优先级高，因此在数据包中这种事件就要被标成紧急事件，这是采用的在数据包头填充进优先级变量，数值越大证明该数据应该被优先处理。
（2）基于节点的优先级：节点类型不同、所在位置不同、节点的优先级也不同，靠近 sink 的节点容易发生拥塞，应给予它们更高的优先级。

3、WSN典型传输层协议

ESRT (event to sink reliable transport)

该协议是一种 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

综合考虑节点现有的拥塞情况和可靠性，确定最优策略使得网络性能达到最优。这个协议包括两部分，一个是系统可靠性的测量，另一个是根据可靠性作出相应的调整。如果系统的可靠性不符合网络系统所要求的的可靠性的值，则ESRT会自动调节网络发送节点的发送速率，使之达到所要求的可靠性指标；如果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，最大限度节省能量。

（2）ESRT关键技术

1、可靠性 度量

2、可靠性 调节

（3）ESRT 局限性：不适合大规模 WSN

• ESRT要求sink节点的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，对所有节点采用统一的调配方案，假设节点在某个局部地区任务突然增加，ESRT就不适用了。（一视同仁）
• 对于规模稍大一些的网络来说，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。

PSFQ（pump slowly fetch quickly）

快取慢充协议，节点向他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

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、报告位、当前报文序号、文件所在的报文序号等。每一个节点按照报文分割后的顺序没个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。

（2）可靠传输机制

• 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（快取）：邻居节点收到源节点发出的数据包后，如果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（慢充）：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。

PECR（priority of congestion relief）

CODA（congestion discovery and avoidance）

RCTP

针对 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 。

思维导图