第5章-无线传感器网络的传输协议-郑军.ppt

1、第 5章 无线传感器网络的传输协议运行在传输层的网络协议，主要作用是利用下层提供的服务向上层提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。因此，传输协议需要支持 拥塞控制 和 差错控制 等功能，以提高数据传输的可靠性和网络的服务质量。同时传输协议的设计必须考虑网络的能量效率，以延长网络的生存事件。许多 WSN应用要求传感器网络必须具备可靠地端到端的数据传输功能，虽然高效的 MAC协议和路由协议能够在一定程度上缓解网络拥塞的发生，但仍不够，为了提高数据传输的可靠性和网络的服务质量，需要采用有效的 传输协议 来进一步避免或减轻网络中的拥塞现象。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

2、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 IP主要采用 TCP协议 （传输控制协议） ，也有的使用 UDP协议 (用户数据报协议 ) ，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。 5.1无线传感器网络传输层协议概述 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

3、络，原因如下 ：1. 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 。2. 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。3. 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。4. 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。5. 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

4、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。6. 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。5.1.1 无线传感器网络传输协议的特点 无线 Ad Hoc网络 是与无线传感器网络最类似的一类网络，其传输 协议也 不能直接用于无线传感器网络，原因如下 ：1. 无线传感器网络规模较大，一般大规模部署节点，其节点数可能达到无线Ad Hoc网络的几十倍甚至几千倍。2. 传感器节点的计算能力和能量存储有限，远小于无线 Ad Hoc网络节点 。3. 无线 Ad Hoc网络的任务是保证移动借点之间

5、的互联，允许用户动态的移动、加入或离开，较多使用对等通信方式（ P-to-P）；而无线传感网则以数据为中心，以感知数据及监测为主要任务，主要采用多对一的传输模式。2.无线传感器网络传输协议的特点（ 1）节能优先（ 2）多对一传输模式上行汇聚传输：拥塞控制和差错控制，实现可靠传输下行传输：保证指令或查询消息能可靠传达（ 3）以数据为中心（ 4）应用相关性强5.1.2 无线传感器网络传输协议的分类根据功能划分为 拥塞控制协议 、可靠传输协议、 拥塞控制和可靠传输混合协议 三类。1）拥塞控制协议用于防止网络拥塞的产生，或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现象，根据控制机制可分为：面向拥塞避免的协议通过速

6、率分配或传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现数据流量超过网络传输能力而造成拥塞的局面。面向拥塞消除的协议在网络发生拥塞后通过采用速率控制、丢包等方法来缓解拥塞，并进一步消除拥塞2）可靠传输协议用于保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输到汇聚节点，向用户提供可靠的数据传输服务。根据传输数据单位，可分为：基于数据包的可靠传输保证单个数据包传输的可靠性基于数据块的可靠传输用于网络指令分发等需要大量数据的场合基于数据流的可靠传输周期性数据采用汇报适用于数据流的可靠传输还可以分为 基于数据的可靠传输 和 基于任务的可靠传输 （ WSN特用的）5.2无线传感器网络传输协议设计1.设计目标能量效

7、率、传输可靠性（数据，任务）、可扩展性、自适应性、服务质量、公平性2.技术挑战如何再满足可靠传输和服务质量的情况下尽量降低能耗、减少使用的存储空间是一个技术挑战解决局部或全网拥塞控制和能量消耗不均在不同的性能要求中实现最佳的平衡是一个技术难点5.3无线传感器网络的拥塞控制基本机制拥塞控制的目标是避免拥塞或及时检测并缓解网络中出现的拥塞现象，拥塞控制的设计需要考虑以下几方面：能量有效性拥塞控制的开销尽量小，以节省能耗，同时避免因控制开销加剧拥塞的程度实时性能够及时地检测到网络的拥塞状况，并且能够在网路发生用赛后短时间内缓解拥塞，避免拥塞进一步加剧公平性保证所有需要发送的节点都有机会发送数据，保证

8、传输的公平性面向应用拥塞控制可以采用丢弃过时数据包或调整数据源汇报速率的方法实现，这些方法的引入会一定程度上影响到感知任务的质量，拥塞控制的设计应满足应用基本要求为前提拥塞控制可分为 拥塞避免 和 拥塞消除 两种机制5.3.1拥塞避免机制通过 速率分配 和 传输控制 等方法来避免在局部或全网范围内出现拥塞。1.速率分配对网络中各个节点的传输率进行合理的分配和严格的限制来避免拥塞的产生。要求网络中节点能够很好地协调与合作。理想状况下，合理控制各个节点的传输速率能够有效地避免拥塞和丢包，提高网络的吞吐量、传输可靠性和其他服务质量指标。但是，考虑到网络的拓扑、数据准确性、服务质量要求以及无线信道的共享特性等因素，很难实现全网最优的分布式速率分配。2.传输控制节点根据网络参数（节点缓存状态、网络拓扑等）决定是否转发数据或确定转发速率，以避免拥塞的发生。基于缓存状态的传输控制主要解决如何避免网络拥塞时的缓存溢出问题，采用该控制机制，发送节点仅在接受节点的缓存由足够的剩余接收空间时才向其发送数据，避免了接收节点因缓存溢出而造成的丢包。 合理设置剩余空间的门限值是这种机制需要解决的关键问题。