無線傳感網(wǎng)可靠傳輸協(xié)議分析

陳 昊

(中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京 100044)

無線傳感網(wǎng)可靠傳輸協(xié)議分析

陳 昊

(中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京 100044)

數(shù)據(jù)的可靠傳輸是無線傳感網(wǎng)廣泛應(yīng)用的前提?，F(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)可靠傳輸方案存在著局限，無法適用于所有的應(yīng)用需求，研究針對(duì)無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸關(guān)鍵技術(shù)具有實(shí)際的意義。

無線傳感網(wǎng)；可靠傳輸；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

數(shù)據(jù)是無線傳感網(wǎng)部署的目標(biāo)，數(shù)據(jù)的可靠傳輸是保障應(yīng)用需求的必要手段。Holger Karl在《Protocols and Architecture for Wireless Sensor Network》一書中認(rèn)為數(shù)據(jù)可靠傳輸是保障無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量最重要的因素。相對(duì)于時(shí)延、吞吐量、信道利用率等，數(shù)據(jù)的可靠性在某些應(yīng)用中更為重要。例如，在野生動(dòng)物保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)中，長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)于動(dòng)物的生活習(xí)性研究和運(yùn)動(dòng)軌跡分析才是有意義的，因此，所有源節(jié)點(diǎn)感知并采集的數(shù)據(jù)必須被可靠地傳輸?shù)絼?dòng)物保護(hù)中心，以便動(dòng)物保護(hù)人員對(duì)動(dòng)物實(shí)施保護(hù)及研究。在大型土遺址保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)中，如陜西明長城，為評(píng)價(jià)其健康狀態(tài)并提供決策依據(jù)，所有感知到的數(shù)據(jù)必須被可靠地傳送到sink節(jié)點(diǎn)，為歷史遺跡的演進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。此外，無線傳感網(wǎng)的預(yù)警系統(tǒng)、智能交通、軍事偵察等都需要數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

數(shù)據(jù)可靠傳輸是指源節(jié)點(diǎn)感知并采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)正確傳輸?shù)絪ink節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)采用無線通信方式，無線通信的競爭本質(zhì)使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)均基于自己的需求爭用無線信道，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有網(wǎng)絡(luò)的局部視圖。同時(shí)，無線傳感網(wǎng)是由事件驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)的通信負(fù)載不可預(yù)期。大多數(shù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處于輕負(fù)載狀態(tài)，一旦事件發(fā)生，周圍節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)量激增，甚至產(chǎn)生數(shù)據(jù)風(fēng)暴，另一方面，無線傳感網(wǎng)資源受限。因此，數(shù)據(jù)沖突與網(wǎng)絡(luò)擁塞是無線傳感網(wǎng)的固有問題。在無線傳感網(wǎng)中，很多因素都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。隱終端引起的數(shù)據(jù)碰撞、節(jié)點(diǎn)接入信道的退避策略不當(dāng)、節(jié)點(diǎn)失效引發(fā)的路由中斷、傳輸策略的可靠性保障欠缺等都將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘貌坏奖Ｕ?。因此，?shù)據(jù)的可靠傳輸機(jī)制亟待研究。

但是，現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的可靠傳輸協(xié)議無法直接應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)。傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)利用雙絞線、同軸電纜等實(shí)體傳輸介質(zhì)通信，抗干擾能力強(qiáng)?？煽康挠芯€網(wǎng)絡(luò)通常采用TCP/IP協(xié)議，傳輸層使用了三次握手、滑動(dòng)窗口、端到端重傳等機(jī)制保證數(shù)據(jù)包從源主機(jī)可靠地傳輸?shù)侥康闹鳈C(jī)。對(duì)于無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)和輕量級(jí)要求來說，端到端重傳最為消耗能量，極大地影響了數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)絪ink。無線傳感網(wǎng)利用紅外線技術(shù)或射頻技術(shù)取代網(wǎng)線，采用無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，因此易受周圍環(huán)境干擾、多徑衰減的影響，信道通信行為會(huì)隨時(shí)間和地理位置而變化，MAC層差錯(cuò)控制對(duì)包一級(jí)的可靠性要求也隨時(shí)間變化。同時(shí)，基于競爭的信道接入技術(shù)會(huì)造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失，無法實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。因而為固定網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的協(xié)議無法很好的應(yīng)用于無線鏈路中。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)屬于無線網(wǎng)絡(luò)，它與無線傳感網(wǎng)的最大區(qū)別在于資源不同。接入Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備能量可以更換和補(bǔ)充，而無線傳感網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在惡劣以及人跡罕至的環(huán)境中的應(yīng)用無法更換電池，因此面臨能量耗盡時(shí)節(jié)點(diǎn)失效的問題，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?，無法將節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。

2 研究現(xiàn)狀

同一份數(shù)據(jù)按照多條路徑同時(shí)傳輸以及單條路徑上重復(fù)傳輸同一份數(shù)據(jù)是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)闹饕椒╗1-4]。多路徑傳輸保障端到端數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，重傳則保障相鄰兩跳間的可靠性。然而，盡管多路徑傳輸魯棒性強(qiáng)，但消耗大量能量，而重傳增加了信道競爭，同時(shí)數(shù)據(jù)重復(fù)在單條路徑上傳輸，不利于能量均衡，擁塞發(fā)生時(shí)可能會(huì)加重這一情況。

由于無線傳感網(wǎng)低質(zhì)量的無線信道，經(jīng)常引起數(shù)據(jù)包丟失，因此必須保證數(shù)據(jù)包級(jí)的可靠傳輸?，F(xiàn)今使用的傳輸協(xié)議不能直接應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)上[5]，具體分析如下。

PSFQ[6]是第一個(gè)可靠的傳輸協(xié)議，其思路為數(shù)據(jù)逐跳傳輸，節(jié)點(diǎn)以較慢的速度將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱惶乱惶?jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失后，立即向上一跳請(qǐng)求重傳。針對(duì)代碼更新應(yīng)用，匯聚節(jié)點(diǎn)將更新程序發(fā)送到全網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)收到完成的程序代碼后更新。PSFQ保證在惡劣環(huán)境中最小化丟失檢測和丟失數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)傳輸量。它是一種一對(duì)多下行數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸協(xié)議，但由于采用基于單純的NACK的確認(rèn)機(jī)制，PSFQ協(xié)議不能發(fā)現(xiàn)所有分組都丟失的情況。RMST[7]是基于NACK機(jī)制的專注于解決可靠性的傳輸層控制協(xié)議。是在定向擴(kuò)散路由基礎(chǔ)上，通過丟包逐跳重傳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，是一種一對(duì)一可靠傳輸協(xié)議。基于與PSFQ以及RMST相同的應(yīng)用背景，Seung-Jong等人提出了sink向節(jié)點(diǎn)發(fā)布大塊數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性要求[8]。文章指出NACK存在的一些問題，即當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的所有包都丟失的情況下無法恢復(fù)數(shù)據(jù)。然后提出了一種新的機(jī)制，要求每個(gè)數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)報(bào)文都必須以ACK的方式可靠地傳回所到節(jié)點(diǎn)，并在全網(wǎng)中選出一些核心（core）節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。HHR，HHRA，HHB，HHBA[6]是基于重傳的可靠性協(xié)議。從發(fā)送方考慮，為傳輸?shù)姆纸M規(guī)定一個(gè)期望傳遞概率，節(jié)點(diǎn)持續(xù)向下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送多份數(shù)據(jù)副本。Banerjee和Misra研究了鏈路的不穩(wěn)定性對(duì)能耗的影響，并提出了一種基于單跳重傳的算法尋找最小能耗的路徑[9]。對(duì)于單跳重傳機(jī)制，可以直接基于Dijkstra[10]最短路徑算法計(jì)算能耗最小的路徑。QunfengDong等人將MAC層的ARQ重傳機(jī)制與端到端重傳結(jié)合在一起，基于Dijkstra算法提出了兩個(gè)集中式的最小能耗可靠路由算法BAMER和GAMER[11]。他們首先就單純的端到端的方法提出了BAMER算法以及加入單跳重傳后的GAMER算法，最后又提出了一種性能接近集中式的分布式的算法DAMER，為可靠數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)建能耗最小的重傳路徑。DTC[12]從吞吐量和能量使用效率出發(fā)，引入一種分布式TCP緩存機(jī)制，使用局部緩存和局部重傳機(jī)制來代替代價(jià)昂貴的端到端重傳。TSS[13]對(duì)DTC的分布式緩存策略進(jìn)行改進(jìn)，只有發(fā)送的數(shù)據(jù)包被成功確認(rèn)才轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)包，減少了數(shù)據(jù)包、端到端、ACK的發(fā)送數(shù)量，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[14]是加州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的徐寧等人對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)，使用一個(gè)被稱為Wisden（無線傳感器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)）的系統(tǒng)。Wisden實(shí)現(xiàn)了在應(yīng)用層使用NACK機(jī)制的混合逐跳和端到端兩種方式進(jìn)行傳輸可靠性保證的方案，然而卻極大的犧牲了緩存空間和通信效率。這些協(xié)議主要是利用重傳提高可靠性，并沒有考慮到擁塞控制。STCP[8]是兼有擁塞控制和可靠傳輸?shù)膮f(xié)議。STCP是一類端到端的傳輸協(xié)議，它的新穎之處在于利用應(yīng)用中的多樣性來提供可靠性傳輸和控制，例如，對(duì)于產(chǎn)生連續(xù)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用，STCP用基于NACK的端到端重傳方式；對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，采用基于ACK的端到端重傳方式。

綜上所述，低質(zhì)量的無線信道是數(shù)據(jù)可靠傳輸面臨的主要問題。但現(xiàn)有的關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ蠙C(jī)制沒有綜合考慮網(wǎng)絡(luò)各層次與可靠傳輸之間的關(guān)系，通過對(duì)已有研究成果的分析、研究，信道準(zhǔn)入策略、可靠路由策略、流量控制和傳輸策略與無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸密切相關(guān)，可以從MAC 層、路由層和傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)挠绊懭胧?，解決無線傳感網(wǎng)無線信道不可靠問題，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 面臨的挑戰(zhàn)

無線傳感網(wǎng)常被部署于野外或人跡罕至區(qū)域，資源問題、無線通信本質(zhì)、純分布特征及其動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)可靠傳輸面臨巨大的挑戰(zhàn)，具體有以下幾個(gè)方面：

（1）無法采用集中控制模式

有線網(wǎng)絡(luò)采用集中控制模式，網(wǎng)絡(luò)中的任一客戶端都具有唯一的地址，中心控制節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)構(gòu)成主從關(guān)系，便于統(tǒng)一控制和管理，穩(wěn)定性和可靠性好。而無線傳感網(wǎng)是純分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等，不存在中心控制節(jié)點(diǎn)，因此無法進(jìn)行統(tǒng)一管理。節(jié)點(diǎn)僅有其鄰居節(jié)點(diǎn)信息，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆y以獲取且動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致可靠的路由協(xié)議及傳輸控制算法的設(shè)計(jì)亦采用分布模式。故不能集中控制是無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)面臨的第一大挑戰(zhàn)。

（2）實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不可用

節(jié)點(diǎn)因能源耗盡而失效導(dǎo)致的拓?fù)渥兓?，通信?fù)載及周圍環(huán)境的影響使得鏈路的通信質(zhì)量實(shí)時(shí)變化，數(shù)據(jù)干擾等諸多因素使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)高度的動(dòng)態(tài)性。 因此，跳級(jí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)和路徑級(jí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)均實(shí)時(shí)變化，而可靠的傳輸策略設(shè)計(jì)需要基于實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。故實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不可用是無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)面臨的第二大挑戰(zhàn)。

（3）節(jié)點(diǎn)資源有限

由于可再生供電能源成本過高，不適合大規(guī)模部署的應(yīng)用需求，因而大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，從而能量非常有限。而接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)、信道爭用引發(fā)的數(shù)據(jù)碰撞、隱藏終端和暴露終端等問題嚴(yán)重消耗了能量，由能量耗盡引起的節(jié)點(diǎn)失效將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分割，感知數(shù)據(jù)無法到達(dá)sink，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)可靠傳輸。因此，在可靠機(jī)制設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都需要考慮能量要素。比如MAC層的能量主要浪費(fèi)在空閑監(jiān)聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等，網(wǎng)絡(luò)層要確保轉(zhuǎn)發(fā)路徑的合理與高效，傳輸層減少數(shù)據(jù)的重傳等[15]。故能源有效性是無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)面臨的第三大挑戰(zhàn)。

（4）協(xié)議和算法需要具備自適應(yīng)性

無線傳感網(wǎng)是由事件驅(qū)動(dòng)的，一般情況下，多數(shù)節(jié)點(diǎn)處于靜默狀態(tài)，通信負(fù)載極小。事件頻發(fā)期，多數(shù)節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)，感知并產(chǎn)生的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)的負(fù)載能力。如何利用無線傳感網(wǎng)的有限資源為不同的通信負(fù)載提供可靠傳輸，是無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)面臨的第四大挑戰(zhàn)。

（5）無線通信的本質(zhì)

無線傳感網(wǎng)采用無線通信技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)基于自己的數(shù)據(jù)傳輸需求競爭無線信道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有網(wǎng)絡(luò)的局部視圖，無法獲取鄰居節(jié)點(diǎn)之外的其它節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，更別提網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)，因此，數(shù)據(jù)包沖突乃至網(wǎng)絡(luò)擁塞是無線傳感網(wǎng)的固有問題。如何克服無線通信的缺點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)面臨的第五大挑戰(zhàn)。

無線傳感器網(wǎng)的可靠性主要包括三方面的內(nèi)容：可靠數(shù)據(jù)傳輸問題、覆蓋和部署問題、信息精確度問題。數(shù)據(jù)的可靠傳輸是可靠性的根本問題。

4 小結(jié)

綜上所述，數(shù)據(jù)的可靠傳輸是無線傳感網(wǎng)廣泛應(yīng)用的前提。通信負(fù)載的不可預(yù)期性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性、節(jié)點(diǎn)資源的極度受限性等使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ厦媾R巨大的挑戰(zhàn)。而現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)可靠傳輸方案存在著局限，無法適用于所有的應(yīng)用需求，研究針對(duì)無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸關(guān)鍵技術(shù)具有實(shí)際的意義。

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Reliable Transport Protocol Analysis of Wireless Sensor Networks

CHEN Hao
(China Institute of Industrial Relations, Beijing)

Reliable data transmission is a prerequisite for the widespread application of wireless sensor networks. The existing wireless sensor network reliable transmission protocol has limitations, can not be applied to all application requirements. So it is meaningful to study the key technology of reliable transmission for wireless sensor networks.

Wireless sensor network; Reliable transmission; Key technologies

TP212.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.10.013

陳昊，女，副教授，博士，主研方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

本文著錄格式：陳昊. 無線傳感網(wǎng)可靠傳輸協(xié)議分析[J]. 軟件，2016，37（10）：55-58