對(duì)幾種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的研究綜述

楊麗圓 張旭陽(yáng)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種基于分布式的并由許多傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)使用無(wú)線通信技術(shù)以自組織和多跳的方式的網(wǎng)絡(luò)。由于無(wú)線通信鏈路受環(huán)境影響較大且資源有限，和實(shí)時(shí)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于提供安全可靠傳輸帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有幾種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的比較研究，總結(jié)了關(guān)于擁塞控制機(jī)制和可靠傳輸協(xié)議的特點(diǎn)。對(duì)近些年改進(jìn)協(xié)議的分析比較，指出未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 可靠傳輸 擁塞控制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等在各個(gè)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了自身價(jià)值，尤其是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為各大高校研究的熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)把通信、傳感器、信息分布式處理技術(shù)、嵌入式等技術(shù)進(jìn)行了融合，一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)、接收發(fā)送器匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等組成。把傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放在需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并感知目標(biāo)區(qū)域內(nèi)對(duì)象的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在環(huán)境惡劣的條件下獲取更多目標(biāo)對(duì)象的信息，然后進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如：國(guó)防軍事、健康管理、氣候監(jiān)測(cè)、道路交通、工業(yè)控制等等。

1 傳輸協(xié)議研究現(xiàn)狀

由于對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全性的要求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要有端到端可靠數(shù)據(jù)傳輸功能。 傳統(tǒng)Internet主要使用 OSI 參考模型中的 UDP 和 TCP 協(xié)議來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸。其中UDP 是無(wú)連接的， 不提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；而TCP 則是面向連接的端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 利用滑動(dòng)窗口機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)擁塞控制。但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)在計(jì)算能力、數(shù)據(jù)處理、信息存儲(chǔ)等方面的限制，傳統(tǒng)的 TCP 協(xié)議不能直接應(yīng)用于現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要側(cè)重于兩個(gè)方面，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，另一個(gè)是數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2 擁塞控制協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞主要分為兩種，其中一種是無(wú)線節(jié)點(diǎn)擁塞，這種擁塞是由于傳感器節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組的大小超出該節(jié)點(diǎn)自身的能力范圍，緩存隊(duì)列發(fā)生溢出，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組丟失和網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)延時(shí)增加。另一種是無(wú)線鏈路擁塞，由于無(wú)線信道是共享的，當(dāng)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)共同競(jìng)爭(zhēng)使用同一個(gè)信道時(shí)會(huì)產(chǎn)生訪問(wèn)沖突，并引發(fā)無(wú)線鏈路擁塞，使鏈路利用率降低。無(wú)論是以上哪種擁塞，都會(huì)嚴(yán)重影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸性能以及網(wǎng)絡(luò)能量消耗，因此需要及時(shí)避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，有利于鏈路利用率的提高。下面對(duì)幾個(gè)典型控制協(xié)議進(jìn)行了研究，分析其優(yōu)缺點(diǎn)以及需要改進(jìn)的方向。

SenTCP[1]是擁塞控制協(xié)議其中的一種，采用開環(huán)、多跳的傳輸控制方式。該協(xié)議由三個(gè)方面組成：擁塞度的計(jì)算、發(fā)送反饋信號(hào)、對(duì)接收的反饋信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理。通過(guò)平均傳輸時(shí)間和平均處理時(shí)間對(duì)每一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行擁塞度的估計(jì)。SenTCP采取逐跳的擁塞控制，這種方式得到的反饋消息可以減少擁塞的發(fā)生從而降低數(shù)據(jù)包丟包率，使傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗降低并在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但是沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失后進(jìn)行恢復(fù)的機(jī)制。

ESRT是一種基于速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性和網(wǎng)絡(luò)能耗的綜合考慮，對(duì)節(jié)點(diǎn)報(bào)告速率的適當(dāng)調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)擁塞得到減少的同時(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)能量的節(jié)約。該協(xié)議的缺點(diǎn)是需要網(wǎng)關(guān)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋，對(duì)所有傳感器節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的調(diào)整，對(duì)突發(fā)情況不能很好的應(yīng)對(duì)。

Buffer-based協(xié)議是一種基于緩沖隊(duì)列管理的輕量級(jí)控制機(jī)制。傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)把自身緩存區(qū)使用情況通過(guò)數(shù)據(jù)包包頭攜帶發(fā)送出去，所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都能得到該節(jié)點(diǎn)的消息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向下傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，都需要對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存區(qū)進(jìn)行檢查，看是否發(fā)生溢出情況，如果發(fā)生溢出，立刻停止數(shù)據(jù)包的發(fā)送，直到監(jiān)聽到該節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列為未滿狀態(tài)時(shí)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。改協(xié)議很大程度上減小了網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，提高了鏈路利用率，但是當(dāng)數(shù)據(jù)量激增時(shí)，會(huì)增加排隊(duì)時(shí)延。

3 可靠傳輸協(xié)議

可靠傳輸協(xié)議用來(lái)保證傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)感知的有效數(shù)據(jù)能夠有序、無(wú)丟失和無(wú)差錯(cuò)的傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，向用戶提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。接下來(lái)對(duì)以下幾個(gè)協(xié)議分別進(jìn)行介紹。

PSFQ協(xié)議[2]一種點(diǎn)到點(diǎn)逐跳的差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，數(shù)據(jù)確認(rèn)使用NACK。有三個(gè)步驟：傾注、提取、報(bào)告。該協(xié)議基本做法是在逐跳傳輸數(shù)據(jù)分組時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以較慢的速度發(fā)送數(shù)據(jù)分組，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組丟失后，迅速報(bào)告給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，并請(qǐng)求重傳數(shù)據(jù)分組。該協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)一直處于“蘇醒”狀態(tài)偵聽信道， 耗能較大；未考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，把數(shù)據(jù)分組丟失歸為無(wú)線信道錯(cuò)誤引起的。

RMST是可靠傳輸協(xié)議一種，該協(xié)議以定向擴(kuò)散路由協(xié)議為基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，使其有兩種模式，一種是緩存模式，它對(duì)應(yīng)于逐跳的數(shù)據(jù)傳輸，從信源到信宿節(jié)點(diǎn)的鏈路上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行緩存維護(hù)，并且還需要參與數(shù)據(jù)分組的丟失檢測(cè)。另一種是非緩存模式，只有信源和信宿兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行維護(hù)緩存，其他節(jié)點(diǎn)都不需要，而對(duì)于數(shù)據(jù)分組丟失的檢測(cè)是由信宿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。但是協(xié)議沒(méi)有擁塞控制機(jī)制，也沒(méi)有明確的確認(rèn)機(jī)制，不能保證數(shù)據(jù)分組順序到達(dá)。

由于傳統(tǒng)的Internet的TCP協(xié)議采用滑動(dòng)窗口確認(rèn)模式，需要緩存已發(fā)送的數(shù)據(jù)分組，等收到接收方的確認(rèn)消息時(shí)，窗口向前移動(dòng)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組不能超過(guò)窗口的大小，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。而RBC協(xié)議對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，采用多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列管理機(jī)制，對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組和未得到確認(rèn)的分組進(jìn)行管理，使用無(wú)窗口確認(rèn)模式和無(wú)序分組轉(zhuǎn)發(fā)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外，RBC定義了動(dòng)態(tài)的重傳定時(shí)器，減少了不必要的重傳，同時(shí)對(duì)共享信道進(jìn)行了改進(jìn)，區(qū)分信道爭(zhēng)用方的優(yōu)先級(jí)，減少信道爭(zhēng)用沖突。但是該協(xié)議還是存在一些缺點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)聽信道和對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理時(shí)開銷較大，而且隊(duì)列結(jié)構(gòu)復(fù)雜不好實(shí)現(xiàn)。

BRTM協(xié)議是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不同數(shù)據(jù)發(fā)送方對(duì)數(shù)據(jù)流安全性的不同要求，提出的雙向可靠傳輸協(xié)議。由于節(jié)點(diǎn)和互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)給互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送收集到的對(duì)象信息時(shí)，數(shù)據(jù)包的冗余度比較高，但是對(duì)于可靠性要求較低，網(wǎng)關(guān)只對(duì)其中數(shù)據(jù)變化較大的一些數(shù)據(jù)包使用ACK進(jìn)行確認(rèn)；而當(dāng)網(wǎng)關(guān)給節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢的數(shù)據(jù)包時(shí)，對(duì)可靠性要求較高，所以網(wǎng)關(guān)通過(guò)在自己發(fā)送的數(shù)據(jù)包包頭加入特殊標(biāo)識(shí)，使節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包時(shí)知道其傳輸界限，并使用NACK反饋確認(rèn)消息。由于BRTM使用端到端的控制方式，嚴(yán)重影響了傳輸效率，因此在這方面需要改進(jìn)。

4 結(jié)論

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)資源非常有限，要適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境條件，目前傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不適用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有一些改進(jìn)協(xié)議的研究，雖然在一些方面對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了提高，但是只是針對(duì)一些特定的條件，不能完全適用于其他環(huán)境。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，各種新的傳輸控制協(xié)議不斷被提出，越來(lái)越能夠適應(yīng)各種環(huán)境。但是在研究的過(guò)程中，要注意各種條件的綜合考慮，把好的協(xié)議進(jìn)行一定融合，像擁塞控制、可靠傳輸、數(shù)據(jù)恢復(fù)，重傳機(jī)制等方面，得到最優(yōu)方案。目前的研究成果甚少 ，大多不夠統(tǒng)一、系統(tǒng)和完整 ，實(shí)際中存在很大差距，大量問(wèn)題尚待發(fā)現(xiàn)和解決。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱赟.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究[J] Signal Process&System; ，2007.

[2] 朱曉娟.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究綜述[J] 計(jì)算機(jī)科學(xué) ，2013.