無線傳感器網絡傳輸層協議

無線傳感器網絡傳輸層協議

作業

• 解釋 UDP 和 TCP 不適合無線傳感器網絡的原因。

UDP：
UDP 採用的是無連接的傳輸， 雖然能夠保證網絡的實時性，時延非常小，但其數據丟包率較高，不能保證數據可靠傳輸，因而不適用於WSN。

TCP：
（1）TCP 中丟包只可能是擁塞引起，WSN 中丟包可能是由擁塞或者鏈路質量差引起，若將 TCP 應用於 WSN，那麼非擁塞的丟包會引起源端進入擁塞控制階段，從而降低網絡的性能。（最主要）
（2）TCP 協議提供端到端的可靠信息傳輸，而 WSN 中存在大量的冗餘信息，要求中間節點能夠對接收到的數據包進行簡單處理。
（3）TCP 中採用的三次握手機制，時延較大，而且 WSN 中節點的動態性強，TCP沒有相對應的處理機制。
（4）TCP 協議的可靠性要求很高，而 WSN 中 只要求目的節點接收到源節點發送的事件，事件可靠即可，可以有一定的數據丟包或者刪除。
（5）TCP 協議採用 ACK 反饋機制，這個過程中需要經歷所有的中間節點，時延非常高而且能量消耗也特別大，而 WSN 中對時延的要求比較高，能量也非常有限。
（6）TCP 中，每一個節點都被要求有一個獨一無二的 IP 地址，而在大規模的 WSN 中基本不可能實現，也沒有必要。

• 畫圖並分析無線傳感器網絡中可靠性和擁塞程度隨數據發送速率的變化關係。
  
  （1）起初數據發送頻率比較低，網絡不會擁塞，但丟包可能比較多因而可靠性比較低。
  （2）增加數據發送頻率，網絡達到最優狀態。
  （3）在一定範圍內增加數據發送頻率，網絡不會擁塞，可靠性也比較高。
  （4）繼續增加數據發送頻率，網絡擁塞，因而丟包增加，可靠性降低。
  （5）繼續增加數據發送頻率，網絡擁塞，雖然丟包增加，但到達的數據量比較大，可靠性還是比較高的。

• 分析基於節點緩存隊列和基於信道採樣的擁塞監測方法的優缺點。
  緩存檢測：當緩存中的數據長度達到一個閾值時，認爲此時網絡擁塞。優點 是實現簡單，不需要很大的開銷；缺點是閾值如果較大，那麼當數據佔用緩衝區的大部分後才能檢測到擁塞，不能及時控制擁塞。同時，緩衝區中數據長度只能反映接收速率與發送速率的關係，不能很好地反映整個網絡的狀況。
  信道檢測：監聽信道是否繁忙，若繁忙則認爲此時網絡擁塞。優點 是能反映整個網絡的狀況，缺點 是需要連續採樣信道狀態，能耗較高。

• 解釋爲什麼無線傳感器網絡不採用端到端的可靠性機制。
  （1）WSN 中存在大量的冗餘信息，要求中間節點能夠對接收到的數據包進行簡單處理，端到端的可靠性機制不能實現此功能。
  （2）如果在 WSN 中採用端到端的傳輸和丟包恢復，則需要追蹤整條鏈路的路徑，傳輸延遲大，而且能量消耗也非常大，明顯不適於對實時性要求高的 WSN。
  （3）反饋過程中，反饋控制信息需要經過所有中間節點，此過程中還需要維護每個節點的路徑信息，這些工作在 WSN 中是根本不必要的。

• 解釋 PSFQ 協議中快取和慢充的作用。
  每個中間節點都緩存接收到的數據報文，鄰居節點收到源節點發出的數據包後，如果檢查數據包時發現數據包中序列號是不連續的，找出丟失的數據包序號後，鄰居節點通過廣播 NACK 報文，從而向源節點或者有丟失數據信息的節點索取丟失的數據包，當節點接收到所有的數據報文之後才向下一跳節點發送數據。這樣做保證了逐跳傳輸的可靠性。

1、 WSN傳輸層協議概述

傳輸層是最靠近用戶數據（應用層）的一層，主要負責在源和目標之間提供可靠的、性價比合理的數據傳輸功能。爲了實現傳輸層對上層透明、可靠的數據傳輸服務，傳輸層主要研究端到端的 流量控制 和 擁塞控制，保證數據能夠有效無差錯地傳輸到目的節點。

TCP/IP 以及 UDP 協議不適用於WSN，原因已在作業中講明。

2、WSN傳輸層關鍵問題

• 擁塞控制

造成 WSN 擁塞的原因有很多，如節點收到數據過多過快、處理能力有限、冗餘數據太多、緩存區太小等都有可能造成擁塞，WSN 的匯聚特性更加劇了靠近 sink 節點附近網絡的擁塞，因此 快速檢測 和 擁塞控制 就變得非常有意義，同時要考慮反饋信息儘可能少。

• 丟包恢復

（1）如果在 WSN 中採用端到端的傳輸和丟包恢復，則需要追蹤整條鏈路的路徑，傳輸延遲大，而且能量消耗也非常大，明顯不適於對實時性要求高的 WSN。
（2）反饋過程中，反饋控制信息需要經過所有中間節點，此過程中還需要維護每個節點的路徑信息，這些工作在 WSN 中是根本不必要的。

• 優先級策略

（1）基於事件的優先級：在不同的源節點採集不同的數據時，這些數據本身就有不同的優先級，比如戰場數據優先級高，因此在數據包中這種事件就要被標成緊急事件，這是採用的在數據包頭填充進優先級變量，數值越大證明該數據應該被優先處理。
（2）基於節點的優先級：節點類型不同、所在位置不同、節點的優先級也不同，靠近 sink 的節點容易發生擁塞，應給予它們更高的優先級。

3、WSN典型傳輸層協議

ESRT (event to sink reliable transport)

該協議是一種 自適應調整 協議，能夠將數據可靠、低能耗地傳送到 sink節點，是一種典型的可靠性協議。

（1）基本思想

綜合考慮節點現有的擁塞情況和可靠性，確定最優策略使得網絡性能達到最優。這個協議包括兩部分，一個是系統可靠性的測量，另一個是根據可靠性作出相應的調整。如果系統的可靠性不符合網絡系統所要求的的可靠性的值，則ESRT會自動調節網絡發送節點的發送速率，使之達到所要求的可靠性指標；如果可靠性超過了網絡要求，則ESRT在不犧牲可靠性的條件下，適當地降低源節點的發送速率減小節點擁塞，最大限度節省能量。

（2）ESRT關鍵技術

1、可靠性 度量

2、可靠性 調節

（3）ESRT 侷限性：不適合大規模 WSN

• ESRT要求sink節點的通信範圍必須能夠覆蓋整個網絡，對sink節點的硬件要求非常高，對於大規模的無線傳感器網絡來說，實現比較困難。
• sink節點沒有考慮到各個節點的優先級信息，對所有節點採用統一的調配方案，假設節點在某個局部地區任務突然增加，ESRT就不適用了。（一視同仁）
• 對於規模稍大一些的網絡來說，發生擁塞之後，sink節點的調配信息經過廣播形式到達源節點之後，可能這時已經不擁塞了。

PSFQ（pump slowly fetch quickly）

快取慢充協議，節點向他的鄰居節點快速索取數據，慢充即等到所有的數據接收完整後再發送給它的下一跳節點。
（1）基本思想

用戶節點將數據分割成多個報文傳輸，每個報文被單獨當做一個分組，每個報文包含一些基本的消息，如剩餘跳數、報告位、當前報文序號、文件所在的報文序號等。每一個節點按照報文分割後的順序沒個一段固定的時間廣播一個新的報文分組，直到所有的報文都發送出去爲止。

（2）可靠傳輸機制

• 緩存機制：每個中間節點都緩存接收到的數據報文。
• NACK 確認機制（快取）：鄰居節點收到源節點發出的數據包後，如果檢查數據包時發現數據包中序列號是不連續的，找出丟失的數據包序號後，鄰居節點通過廣播 NACK 報文，從而向源節點或者有丟失數據信息的節點索取丟失的數據包。
• 逐跳錯誤恢復機制（慢充）：節點接收到所有的數據報文之後才向下一跳節點發送數據。

PECR（priority of congestion relief）

CODA（congestion discovery and avoidance）

RCTP

針對 CTP （匯聚樹協議）協議進行了一定的改進，採用跨層設計的思想，考慮了網絡層以及鏈路層對傳輸協議的影響，主要考慮了 鏈路質量的估計 和 實時路由 以及 對上層的友好接口 。

思維導圖