一種改進(jìn)的PSFQ可靠傳輸協(xié)議研究*

高　菲

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院　寶雞　721000)

GAO Fei

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji　721000)

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一種改進(jìn)的PSFQ可靠傳輸協(xié)議研究*

高菲

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院寶雞721000)

主要研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信通道傳輸可靠性的問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須采用相關(guān)的傳輸控制機(jī)制，以保證提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。在PSFQ協(xié)議的基礎(chǔ)上提出一種可靠傳輸協(xié)議BRT，實(shí)現(xiàn)了苯環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)選取，綜合了相關(guān)研究的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳輸層和路由層等多層融合控制，既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，又對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擁塞機(jī)制做了優(yōu)化，提高了通信通道的傳輸效率和傳輸質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)仿真證明，該協(xié)議具有較低的丟包率和傳輸時(shí)延，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的通信能量消耗也較少，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。通過實(shí)現(xiàn)可靠的通道傳輸，為拜占庭故障檢測(cè)提供了保證。

通信通道; 傳輸可靠性; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 擁塞機(jī)制

GAO Fei

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji721000)

Class NumberTP393

1　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信通道易受環(huán)境、多徑衰落、傳輸距離等影響，存在嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象，信源產(chǎn)生的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)需經(jīng)過多跳路由，路徑跳數(shù)越多可靠性也越低。因此，采用何種有效的傳輸機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸，減少通信能耗以及提高網(wǎng)絡(luò)利用率，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2　PSFQ 協(xié)議

PSFQ協(xié)議是一種應(yīng)用廣泛的傳輸協(xié)議，假定數(shù)據(jù)流傳輸通常是允許丟失的，采用NACK的策略，即接收節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)現(xiàn)有分組丟失出現(xiàn)時(shí),就反饋NACK消息以重傳分組[1]。該協(xié)議是基于逐跳的錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制，通道的每一跳都進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，以避免錯(cuò)誤的指數(shù)增加而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失、通信質(zhì)量下降，該協(xié)議具有較好的容錯(cuò)性及可擴(kuò)展性[2]。PSFQ協(xié)議采用一種快取慢存的控制機(jī)制保證重發(fā)時(shí)間，使得丟失的數(shù)據(jù)報(bào)文能進(jìn)行丟失重傳，節(jié)點(diǎn)以相對(duì)低的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并允許接受數(shù)據(jù)不完整的節(jié)點(diǎn)從相鄰節(jié)點(diǎn)重新獲取丟失的數(shù)據(jù)報(bào)文。數(shù)據(jù)通路中的每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的準(zhǔn)確性，減少錯(cuò)誤分組的轉(zhuǎn)發(fā)?？烊÷婵刂茩C(jī)制能有效控制節(jié)點(diǎn)的報(bào)文緩存數(shù)據(jù)，提供低開銷的容錯(cuò)服務(wù)[3]。但由于只采用基于NACK的反饋確認(rèn)，PSFQ協(xié)議不能發(fā)現(xiàn)所有分組都丟失的情況，“放”操作速度較慢，增加了分組的傳輸延時(shí)，為了重傳分組，采用的逐跳的丟失恢復(fù)機(jī)制需要較大的緩存空間[4～5]。

3　改進(jìn)的可靠傳輸協(xié)議BRT

本文的BRT協(xié)議采用基于PSFQ的可靠傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)逐跳檢測(cè)及NACK反饋機(jī)制。由于PSFQ協(xié)議的發(fā)送速率較低，增加了分組的時(shí)延，而且參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)沒有隨網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載、擁塞變化而動(dòng)態(tài)選取[6]。針對(duì)上述這些問題，BRT協(xié)議則動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的報(bào)告發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞造成丟包和分組數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，傳感器讀數(shù)序列具有時(shí)間相關(guān)性，中間節(jié)點(diǎn)的緩存溢出情況就變得不那么重要，即允許一定程度的丟包發(fā)生[7～8]。

具體地說，在數(shù)據(jù)通信中，存在幾種節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)；逐跳傳輸時(shí)經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)，稱之為中間節(jié)點(diǎn)；接收節(jié)點(diǎn)，一般為匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)，其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)既可能是苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的普通子節(jié)點(diǎn)，也可能是中心節(jié)點(diǎn)[9]。通過逐跳的反饋，中間節(jié)點(diǎn)可以為發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供擁塞反饋信息，接收節(jié)點(diǎn)提供流控制和可靠性的反饋。

在上述協(xié)議基礎(chǔ)上，增加苯環(huán)結(jié)構(gòu)的預(yù)處理步驟。以苯環(huán)結(jié)構(gòu)為不可分割的最小單元，該單元共同檢測(cè)某一區(qū)域內(nèi)某一事件的發(fā)生或者某一區(qū)域內(nèi)傳感數(shù)值序列，中心節(jié)點(diǎn)預(yù)先做判斷，決定哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，判讀的依據(jù)可以是當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)能量剩余情況、節(jié)點(diǎn)故障與否、歷史信譽(yù)度以及地理位置的遠(yuǎn)近。因此，苯環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“虛擬多路徑”和“虛擬動(dòng)態(tài)簇”，這樣選出的節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前最優(yōu)的，通道質(zhì)量也較好。中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的NACK消息，決定重傳的節(jié)點(diǎn)。通道故障檢測(cè)基于序列號(hào)，隨后進(jìn)行重傳等恢復(fù)操作。

BRT協(xié)議格式如表1所示：數(shù)據(jù)包采用固定長(zhǎng)度，本文設(shè)置為128bit；苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的子節(jié)點(diǎn)位置(POS位)用3位二進(jìn)制位表示；故障位(F位)表示節(jié)點(diǎn)故障情況，若是節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則F位置1；設(shè)置重傳標(biāo)志位(T位)，若需要重傳，則將T位置1；發(fā)送速率位(R位)用1位二進(jìn)制位表示，1或0值分別表示大于等于或者小于；能量位(ENERGY 位)表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)能量剩余情況；TYPE為消息類型，具體應(yīng)用消息類型可參見表1；B為保留位；并設(shè)置校驗(yàn)和。

表1　BRT 協(xié)議格式

3.1下一跳發(fā)送節(jié)點(diǎn)的選取

下一跳發(fā)送節(jié)點(diǎn)的選取可依據(jù)式(1)

(1)

其中，α為發(fā)送系數(shù)，α值越大，則被選中作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的概率也就越大；l為節(jié)點(diǎn)到匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)的距離；L為苯環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)子節(jié)點(diǎn)到匯聚(sink)節(jié)點(diǎn)的最大距離；e為子節(jié)點(diǎn)的剩余能量；E為節(jié)點(diǎn)的初始能量；p為丟包率；R為(0,1)間的隨機(jī)數(shù)；Wd、We、Wp、Wr為距離、能量、丟包率及隨機(jī)值的權(quán)重，滿足式(2)

wd+we+wp+wr=1

(2)

通過調(diào)整取值可獲得不同的傳輸速度、能耗、通道質(zhì)量的負(fù)載平衡效果。中心節(jié)點(diǎn)在沒有發(fā)生故障的子節(jié)點(diǎn)中選取發(fā)送系數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，若無合適的節(jié)點(diǎn)，默認(rèn)采用中心節(jié)點(diǎn)。

3.2節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的動(dòng)態(tài)調(diào)整

PSFQ協(xié)議的發(fā)送速率較慢，會(huì)引起較大傳輸時(shí)延，PORT 協(xié)議給出了解決的辦法，匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)獲取不同源節(jié)點(diǎn)的報(bào)告速率，根據(jù)緩沖區(qū)溢出情況、數(shù)據(jù)包分組的優(yōu)先級(jí)和通道能量消耗，采用最優(yōu)法計(jì)算出各源節(jié)點(diǎn)的期望報(bào)告速率，反饋給各源節(jié)點(diǎn)，這樣節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率動(dòng)態(tài)可調(diào)，避免分組的傳輸時(shí)延。

中間節(jié)點(diǎn)需要維持平均排隊(duì)延時(shí)和平均傳輸延時(shí)以反饋擁塞信息，接收節(jié)點(diǎn)確定流量控制和可靠性保證。若當(dāng)前可靠性較好，且報(bào)告速率大于發(fā)送速率，則增大發(fā)送速率；若報(bào)告速率小于發(fā)送速率，則減小發(fā)送速率。文獻(xiàn)[10]具體討論了發(fā)送速率的調(diào)整：

1) 當(dāng)報(bào)告速率R比實(shí)際的發(fā)送速率Ra小時(shí)，將實(shí)際發(fā)送速率置為報(bào)告速率，即Ra=R。

2) 當(dāng)報(bào)告速率R大于發(fā)送速率Ra時(shí)，發(fā)送速率需要緩慢增加，通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔來獲得對(duì)速率的調(diào)整，增加的速率可表示為式(3)，即

(3)

每一個(gè)往返時(shí)間內(nèi)增量不超過一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，因此發(fā)送速率調(diào)整為

R=min(Ra+RΔ,R)

(4)

3.3緩沖區(qū)設(shè)置

緩沖區(qū)溢出造成包丟失，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率，當(dāng)出現(xiàn)包丟失時(shí)，降低發(fā)送速率。緩沖區(qū)溢出時(shí)，源節(jié)點(diǎn)需重傳分組數(shù)據(jù)，而保持分組數(shù)據(jù)要占據(jù)一定緩存空間，由于傳感器讀數(shù)序列具有時(shí)間相關(guān)性，通過多優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列可刪除時(shí)間戳最早的數(shù)據(jù)，盡量保留最新的數(shù)據(jù)[11]。

此外，對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，緩沖區(qū)的大小可依據(jù)檢測(cè)事件的要求動(dòng)態(tài)設(shè)置，因此緩沖區(qū)設(shè)置應(yīng)具有自適應(yīng)性。

4　仿真實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

本節(jié)建立OMNeT(OMNeT ++ version 1)實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境，從丟包率、能量效率以及傳輸時(shí)延驗(yàn)證可靠傳輸協(xié)議的性能以及網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制效果。部署的節(jié)點(diǎn)包括匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)、中心節(jié)點(diǎn)和普通子節(jié)點(diǎn)，仿真部署圖如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)仿真部署圖

4.2仿真結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)(1)丟包率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，橫軸表示網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，縱軸表示丟包率，分別考察不同節(jié)點(diǎn)故障率下的網(wǎng)絡(luò)平均丟包率。由圖2可見，由于采用了分布式的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)丟包率影響較小，多是由于無線信道的干擾、串音等引起丟包；而更多是由于節(jié)點(diǎn)故障率的增大而引起的丟包率增加。

實(shí)驗(yàn)(2)能量效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，橫軸表示運(yùn)行周期，縱軸表示剩余能量，分別考察不同節(jié)點(diǎn)故障率下的網(wǎng)絡(luò)能量效率。當(dāng)重傳增加時(shí)，會(huì)引起能量的較大消耗。

圖2　網(wǎng)絡(luò)丟包率

圖3　網(wǎng)絡(luò)能量消耗

實(shí)驗(yàn)(3)平均傳輸時(shí)延。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，橫軸表示網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，縱軸表示平均傳輸時(shí)延，分別考察不同節(jié)點(diǎn)故障率下的網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時(shí)延。

圖4　網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延

實(shí)驗(yàn)(4)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，可改善網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制情況，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定節(jié)點(diǎn)處理轉(zhuǎn)發(fā)帶來的時(shí)延為 0.1s，當(dāng)排隊(duì)等待的時(shí)延超過 0.7s 時(shí)定為擁塞發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體見圖5，圖5所示為圖1部署圖中節(jié)點(diǎn)ID為 N000A的節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)的擁塞控制情況，其中橫軸表示

運(yùn)行時(shí)間，單位為s；縱軸表示發(fā)送速率，單位為

bit/s(實(shí)驗(yàn)中可設(shè)定發(fā)送速率為kbps或者 mbps等單位進(jìn)行仿真)。

圖5　網(wǎng)絡(luò)擁塞控制效果

實(shí)驗(yàn)中可觀測(cè)的是平均隊(duì)列長(zhǎng)度、平均隊(duì)列延時(shí)，通過上述實(shí)驗(yàn)可知本節(jié)的可靠傳輸協(xié)議具有較好的能量效率和較小的丟包率。動(dòng)態(tài)選擇發(fā)送節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了路由層和傳輸層的協(xié)作控制，采用苯環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域自治避免了節(jié)點(diǎn)的退出和加入帶來的效應(yīng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

5　結(jié)語

本文在通信通道的可靠傳輸中，主要實(shí)現(xiàn)了傳輸層與路由層的融合控制，中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，選出最優(yōu)的下一跳的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，利用了事件數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了“虛擬多路徑”和“虛擬動(dòng)態(tài)簇”，多路徑能有效避免單點(diǎn)失效。依靠節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略構(gòu)成簇結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)具有較好的可靠性。網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制情況也得到有效監(jiān)控和調(diào)節(jié)，提高了網(wǎng)絡(luò)通信通道的利用率和傳輸效率。

[1] Felemban E, Lee C G, Ekici E. MMSPEED: multi-path multi-SPEED protocol forQoS guarantee of reliability and timeliness in wireless sensor networks [J]. Mobile Computing, IEEE Transactions on Computers,2006,5(6):738-754.

[2] Sengupta S, Das S, Nasir M D, et al. Multi-objective node deployment in WSNs: In search of an optimal trade-off among coverage, lifetime, energy consumption, and connectivity[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence,2013,26(1):405-416.

[3] Antoniou P, Pitsillides A, Blackwell T, et al. Congestion control in wireless sensor networks based on bird flocking behavior[J]. Computer Networks,2013,57(5):1167-1191.

[4] Sastry S, Radeva T, Chen J, et al. Reliable networks with unreliable sensors[J]. Pervasive and Mobile Computing,2013,9(2):311-323.

[5] Tseng Y C, Wu F J, Lai W T. Opportunistic data collection for disconnected wireless sensor networks by mobile mules[J]. Ad Hoc Networks,2013,11(3):1150-1164.

[6] Kumarage H, Khalil I, Tari Z, et al. Distributed anomaly detection for industrial wireless sensor networks based on fuzzy data modeling [J]. Journal of Parallel and Distributed Computing,2013,73(6):790-806.

[7] Song H, Li Y, Zhang D. Distributed set-valued estimation in sensor networks with limited communication data rate [J]. Journal of the Franklin Institute,2013,35(5):1264-1283.

[8] Rassam M, Zainal A, Maarof M A. An adaptive and efficient dimension reduction model for multivariate wireless sensor networks applications [J]. Applied Soft Computing,2013,13(4):1978-1996.

[9] Guo W, Zhang W. A survey on intelligent routing protocols in wireless sensor networks [J]. Journal of Network and Computer Applications,2013,4(10):1123 -1132.

[10] Torkestani J A. An adaptive energy-efficient area coverage algorithm for wireless sensor networks [J]. Ad Hoc Networks,2013,3(19):1046-1057.

[11] Fateh B, Govindarasu M. Energy minimization by exploiting data redundancy in real-time wireless sensor networks [J]. Ad Hoc Networks,2013,3(26):1714-1725.

An Improved PSFQ Reliable Transport Protocol*

The communication channel transmission reliability of wireless sensor network (WSN) is mainly researched, a wireless sensor network must adopt related transmission control mechanism to ensure the quality of network transmission is improved. Based on PSFQ agreement a reliable transport protocol BRT is proposed, the sending node of the benzene ring structure dynamic selection is implemented, the advantages of related research are taken, the transport layer and the routing layer multi-layer fusion control is realized, not only the reliable transmission of data is realized, and the network congestion mechanism is optimized, the transmission efficiency and transmission quality of communication channel are improved. By experimental simulation, it is showed that the protocol has lower packet loss rate and the transmission delay, at the same time, the network of communication also take less energy consumption, the reliability of the network is improved. By implementing a reliable channel transmission, a guarantee is provided for the Byzantine fault detection.

communication channel, transmission reliability, wireless sensor network, congestion mechanism

2016年2月10日,

2016年3月24日

高菲,女,碩士研究生,研究方向：計(jì)算機(jī)教育。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.022