（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络中基于速率控制的传输协议研究.pdf

摘要 几乎所有的基于无线传感器网络 w s n 的应用都具有特殊的多对 一通信方式 而传统的传输控制协议 不管是有线网络上的还是自组 织网络上的 并不完全适用于无线传感器网络 如何有效的控制传输 速率以缓解拥塞和如何处理不同类型数据流之间的公平性是当前传 感器网络传输协议研究中的一个热点问题 本文研究了无线传感器网络中的拥塞控制协议 并提出了动态速 率控制协议 d y n a m i cr a t ec o n t r o lp r o t o c o l d r c 一种基于动态 速率控制的传感器网络传输协议 首先描述了无线传感器网络的特征 及研究适用于w s n 的传输协议的重要意义 阐述了w s n 中现有的传输 控制协议并指出了导致拥塞的根本原因与解决思路 在此分析之后 详细讨论了d r c 协议的设计细节 d r c 能够提供数据流的可靠传输 并且避免产生拥塞 d r c 通过为节点分配速率 使他们能根据所处环 境 如距离s i n k 的跳数 信号干扰等 使吞吐量最大化 在定义完 整的优先级体系基础上 通过速率分配和队列管理机制的结合 d r c 保证各条数据流之间的公平性 相同优先级的流将获得相同的吞吐 量 而不论距离s i n k 的距离远近 最后 我们在实验床上测试了协 议的性能 并证实它达到了我们设计的要求 关键诃 无线传感器网络 传输协议 拥塞控制 速率分配 公平性 a b s t r a c t a l m o s ta l la p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w s n r e q u i r e t h ef l o wo fs e n s e dd a t af r o mm u l t i p l es o u r c e st oap a r t i c u l a rs i n kn o d e w h i l et r a d i t i o n a lt r a n s p o r tp r o t o c o l si nn e i t h e rw i r e dn e t w o r kn o ra d h o c n e t w o r kc a na p p l yd i r e c t l y h o wt oc o n t r o lt h et r a n s p o r tr a t eo f e a c hn o d e e f f e c t i v e l yt om i t i g a t ec o n g e s t i o na n dh o wt od e a lw i t ht h ef a i m e s s b e t w e e nd a t af l o w so fd i f f e r e n tt y p e sh a v eb e c o m et h er e s e a r c hf o c u s e s o ft r a n s p o r tp r o t o c o l si nw s n i nt h i sa r t i c l ew es t u d i e dm a n y t r a n s p o r tp r o t o c o l sf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s a n dp r e s e n td r c ad y n a m i cr a t ec o n t r o lt r a n s p o r tp r o t o c o l s u i t a b l ef o rc o n s t r a i n e ds e n s o rn o d e s w ef i r s td e s c r i b et h e u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c so fw s na n dt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h i n go nt r a n s p o r t p r o t o c o lf o rw s n a n dt h e np r o v i d eas u m m a r yo fe x i s t i n gt r a n s p o r t p r o t o c o l sf o rw s na n dp o i n to u tt h ef u n d a m e n t a lc a u s e so fc o n g e s t i o n a n df i n do u tt h es o l u t i o n s a f t e rt h e s ea n a l y s e s w et h e nd i s c u s st h ed r c p r o t o c o li nd e t a i l s d r ci sap r o t o c o lt h a tr e l i a b l yt r a n s p o r ts e n s o rd a t a f r o mm a n ys o u r c et oo n es i n kw i t ho u ti n c u r r i n gc o n g e s t i o nc o l l a p s e b y a l l o c a t i n gs e n d i n gr a t ef o ra l ln o d e si nt h en e t d r ch e l p st h e mm a x i m i z e t h r o u g h p u ta c c o r d i n gt oe n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s s u c ha sh o p sf r o ms i n k i n t e r f e r e n c ea n ds oo n b a s e do np r i o r i t ys y s t e mw ed e f i n e d d r ck e e p s a l ld a t af l o w st r a n s p o r tf a i r l yb yb o t hr a t ec o n t r o la n dq u e u em a n a g e m e n t m e c h a n i s m s f l o w sw i t he q u a lp r i o r i t yc a ng e te q u a lt h r o u g h p u t w i t ho u t r e g a r d i n gt h e i rd i s t a n c ef r o ms i n k f i n a l l y w ee v a l u a t ed r ce x t e n s i v e l y o no u rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e s t b e da n ds h o wt h a td r ca c h i e v e so u r d e s i g ng o a l k e yw o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w s n t r a n s p o r t p r o t o c o l c o n g e s t i o nc o n t r o l r a t ea l l o c a t i o n f a i r n e s s n 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 里 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 里查 导师签名 皇翌支三日期 垃年上月堡日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了本文研究的背景和意义 引出了无线传感器网络中的传输控 制问题 分析了传输控制协议成为目前热点研究问题的主要原因 并在此基础上 提出了本文所做的主要工作和组织结构 1 1 课题研究背景与意义 在当今信息技术飞速发展的时代 以i n t e r n e t 为代表的信息网络给人们的 生活带来了巨大的变化 政府上网 企业上网 家庭上网 电子商务等成了当今 的热门话题 通过i n t e r n e t 人们能够及时了解世界各地的新闻 方便地获取 许多有用信息 如股市行情 旅游信息 商品介绍等 还可以参与网上的互动游 戏等娱乐活动 尝试网上远程教育和购物 发送电子邮件能 互联网已经成为很 多人日常活动不可缺少的部分 微电子技术 计算技术和无线通信等技术的进步 推动了低功耗多功能传感 器的快速发展 使其在微小体积内能够集成信息采集 数据处理和无线通信等多 种功能 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组 成 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统 其目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息 并发送给观察者 传感器 感知对 象和观察着构成了传感器网络的三个要素 如果说i n t e r n e t 构成了逻辑上的信 息世界 改变了人与人之间的沟通方式 那么 无线传感器网络就是将逻辑上的 信息世界与客观上的物理世界融合在一起 改变人类与自然界的交互方式 人们 可以通过传感器网络直接感知客观世界 从而极大地扩展现有的网络的功能和人 类认识世界的能力 美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告 中 分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一 传感器网络 塑料电子学和放生人体器官又被称为全球未来的三大 高科技产业 作为一种新的感知模式和传感器组织形式 传感器网络正在快速发展 研究 日趋活跃 应用领域也日渐广泛 涌现出以u c l a 的w i n s u cb e r k e l e y 的s m a r t d u s t 等等为代表的著名传感器网络 这些传感器网络中都有大量的传感器节点 在使用 形成在传感器网络中很重要的一部分 而随着数字集成电路 无线通信 技术 高能电池技术等等新技术的发展 使得能够在微小的传感器节点中集成信 息采集 数据处理和无线通信等多种功能 传感器网络就是由大量的微型低功耗 的传感器节点组成的网络系统 每个传感器节点具有数据采集 简单的数据处理 硕士学位论文第一章绪论 短距离无线通信和自动组网的能力 随着对传感器网络协议的深入研究和实际应用的不断开展 无线传感器网络 已经不再单纯用于军事和研究 走向了商用和民用的道路 建筑物的健康检测 停车场的计费系统 高速公路和铁路沿线的监测 室内环境的监控 无不显现出 这一新技术的优势和活力 然而 越广泛的应用前景 就带来越大的挑战和压力 数据量的飞速增加 硬件的高速发展 应用规模的不断扩大 使得传统的设计和 早期的设想都不再适用 新的应用环境下又涌现出更多的新问题等待解决 传输层 是连接应用层和路由层的纽带 是对数据流实施控制和管理的关键 层 未来的传感器网络 需要更复杂 更有效的控制机制 才能应对不断增加的 需求 才能使传感器网络发挥最大的功效 因此 对该课题的研究具有重要的理 论意义和现实意义 1 2 传输控制问题与研究现状 无线自组网 m o b i l ea d h o cn e t w o r k 是一个由几十个到上百个节点组成的 采用无线通信方式的 动态组网的多跳的移动性对等网络 其目的是通过动态路 由和移动管理技术传输具有服务质量要求得多媒体信息流 通常节点具有持续的 能量供给 传感器网络虽然与无线自组网有相似之处 但同时也存在很大的差别 传感 器网络是继承了监测 控制以及无线通信的网络系统 节点数目更为庞大 上千 甚至上万 节点分布更为密集 由于环境影响和能量耗尽 节电更容易出现故 障 环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化 通常情况下 大多数传 感器节点是固定不动的 另外 传感器节点具有的能量 处理能力 存储能力和 通信能力等都十分有限 在无线传感器网络中 存在着如下影响数据传输的负面因素 1 无线链路比有线链路的质量要差 误码率高几个数量级 由于传感器节 点的处理能力有限 通常不采用复杂的前向纠错编码技术 所以造成会有比较高 的包错误率 加之其信道一般采用开放的i s m 频段 其它系统也会对数据传输 产生影响 2 多条相邻无线链路共享媒介 所以链路之间存在竞争或者干扰 3 节点的可靠性比较差 由于能量耗尽或遭到外来破坏等因素 传感器节 点会失效 在有些情况下 将会造成上游数据的传输中断 需要重新建立路由 较大量的或者关键节点的失效甚至会造成网络不连通 也就是网络生命的终结 4 传感器节点的存储资源极其有限 在网络流量过大时 容易导致协议栈 内的数据包缓存区溢出 2 硕士学位论文第一章绪论 1 3 研究内容与本文所做的工作 在阅读大量文献资料的基础上 本文从实际应用的角度 对无线传感器网络 中的传输协议进行了较为深入的研究 主要包括以下几个方面 1 对比分析了既有协议的优点和缺陷 总结出了传感器网络传输协议的特 点和对传输协议提出的特定要求 2 基于新的拥塞检测依据 提出了d r c 协议的速率分配机制 3 首次定义了完整的优先级体系 并把数据的优先级与队列管理 速率分 配结合起来 达到全网的传输公平性 4 将隐式一跳重传与端到端重传相结合 在实现传输可靠性的同时 降低 和平衡了能量消耗 5 搭建了可以用于测试各层协议的实验床 并测试了d r c 的性能 最后收 集实验数据协议性能进行了评估分析 对未来工作提出了设想 1 4 论文的组织 论文全文共分五章 第一章 绪论 本章首先简要介绍了课题的研究背景 传感器网络传输协议 研究的关键技术问题及其国内外的研究发展状况 然后叙述了本文的研究内容和 所作的工作 最后阐述了论文的组织结构 第二章 无线传感器网络的传输协议 从传感器网络的体系结构特点入手 分析了传输协议所应具备的特征 然后对比分析了既有协议的各自优缺点 以及 各自的理论依据 最后基于上述分析 总结出新传输协议的实现目标和解决问题 的思路 第三章 动态速率控制协议 本章首先列举了d r c 协议设计的假设条件和有 关定义 然后阐述了d r c 协议的设计原理 详细介绍了d r c 协议的三大核心机制 速率分配 队列管理 可靠性保证 其中速率分配机制用于稳定传输速率 优化 传输性能 并提供全局范围的节点公平性 队列管理机制实现对数据包的排队转 发调度 在节点内部保证数据流之间的公平传输 可靠性保证机制融合了 h o p b y h o p 和e n d t o e n d 的优势 采用了简单 高效 低开销的设计 可保证 任意程度的数据流传输可靠性要求 第四章 协议实现与测试 介绍了协议实现过程中程序设计与编制的部分重 要细节 有针对性地设计了大量实验对d r c 在不同网络拓扑和不同网络负载情况 下的各项性能指标 对收集的测试数据进行了分析说明 证实了d r c 在处理数据 3 硕士学位论文 第一章绪论 流传输时的可用性和良好的性能 最后讨论了测试中的一些相关问题 第五章 进一步讨论 讨论了d r c 协议在兼容性 扩展性等方面的优劣势所 在 并指出了协议改进的方向 第六章 结束语 对本文的研究工作和主要创新点进行了总结 并对传感器 网络传输协议研究中的开放性问题进行了展望 确定了下一步研究工作的重点 4 硕士学位论文 第二章传感器网络传输协议研究 第二章传感器网络传输协议研究 近年来 随着对无线传感器网络的深入研究 传输层的控制问题日益引起学 术界的关注 研究人员提出了多种传输协议 他们主要关注拥塞控制问题和可靠 传输问题 近年来越来越多的研究人员把重点放到了改进协议的公平性和通用性 上来 2 1 进行传输控制的必要性 无线传感器网络不同于a d h o c 网络 更不同于传统的有线网络 它具有大 规模密集部署 节点资源有限等特点 尤其显著的是它能量少 存储量小 计算 能力差 带宽小的特点 使得单个节点成本较低 可替代性好 体积小巧适于配 置 但同时也使得协议设计需要首先考虑节能 带宽利用率 网络生命期 鲁棒 性和可扩展性 早期的无线传感器网络协议栈没有传输层 因为考虑到传感器网 络主要用于事件检测任务 而网络中数据存在大量的冗余 数据的可靠性不需考 虑 而好的数据融合算法就可以减少通信量 限制拥塞程度 随着应用类型的增 加 无线传感器网络也迫切需要满足传输数据流和大文件的要求 而且网络的规 模进一步扩大 使得网络中的各节点层次关系日益复杂 传输的数据类型和数据 量都在增加 可靠性要求各自不同 这些新问题不能简单依靠路由协议和m a c 协议来解决 更不能交给应用程序 因为这会使得将来更换协议和应用变得极为 复杂繁琐 单独的传输控制协议由此成为了近年来研究的热点 许多适合无线传 感器网络的传输控制协议不断被提出 他们关注传输层问题的不同方面 通过各 自的机制来解决问题 2 2 传感器网络传输协议研究的主要问题 2 2 1 拥塞控制机制 传感器网络的大规模部署 多跳的多对一的通信方式 无线链路质量和拓扑 结构的变化 以及突发事件导致的流量突发性等 这些都容易引起无线传感器网 络的局部或全局拥塞 拥塞会引起信息传输延迟的增大和数据的丢失 甚至引起 s i n k 节点收不到任何信息 严重地影响网络的传输服务质量 拥塞控制负责拥塞 检测 拥塞检测和拥塞解除等 有效地避免和缓解网络中出现的拥塞成为无线传 感器网络服务质量保障机制的关键技术之一 传统i p 网络主要使用协议栈中传输层的t c p 协议实现控制 如利用滑动窗 口和a i m d 等机制进行拥塞控制 但t c p 协议并不能直接应用于传感器网络 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 主要原因如f 1 t c p 协议遵循端到端的设计思想 数据包的传输控制任务被赋予网络的 端节点上 中间节点只承担数据包的转发 传感器网络由于节点能力的局限性和 多跳无线传输的特点 完全依赖端节点处理所有控制任务既耗能又耗时 还得不 到很好的效果 此外 直接使用t c p 协议 会导致以数据为中心的很多应用无 法进行 因为它们通常要求中间节点对相关数据进行在网处理 即根据数据相关 性对多个数据包内的信息进行综合处理 2 t c p 协议建立和释放连接的握手机制相对比较复杂 耗时较长 不利于 传感器节点及时反馈被检测对象的相关信息 传感器网络的动态拓扑变化也给 t c p 连接状态的建立和维护带来了一定的困难 3 传感器网络中非拥塞丢包和多路传输等引起的数据包乱序 都会引起 t c p 协议的错误响应 使得发送端频频进入拥塞控制阶段 导致传输性能低下 2 2 2 队列管理机制 队列管理是指以队列为依托 对到达的数据包 数据流进行传输控制的多种 机制 主要涵盖缓冲区管理和分组调度两个方面的内容 就单个节点而言 缓冲管理的目标在于解决输出链路的带宽资源分配问题 把有限的资源公平而有效地分配给不同的服务类型 或用户流等 在众多网络 传输节点构成传输网的基础上 网络传输控制需要整合 规划所有的网络带宽资 源的使用 为数据流提供更好的服务质量 甚至有服务质量保障的传输服务 这 也是q o s 控制的目标 带宽资源的分配在节点上主要通过基于多个队列的分组调度机制来实现 虽 然缓冲管理机制直接涉及到的是节点中的队列缓冲资源 然而其对系统带宽分配 的性能有着不可忽视的影响 1 合理的系统队列缓冲容量 对于平衡系统吞吐量和分组排队延迟起着至 关重要的作用 2 在多队列情况下 缓冲资源在不同队列之间的分配只有在与输出带宽的 分配相互一致时 才能获得最佳的缓冲效果 因此 更多的研究者注意到把传统上上相互独立 缺乏联系的缓冲管理机制 和分组调度机制两者相结合 解决带宽资源的有效 公平分配问题 是缓冲管理 机制设计的关键 在早期的传感器网络中 还没有网络传输控制的概念 网络节点采用先入先 出队列 f i r s ti nf i r s to u t f i f o 对到达的数据包排队 这样的处理方式不利于不 同优先级的数据流之间的缓冲区分配 速率较快的数据流会抢占缓冲区 而来自 6 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 速率较低的数据流的包 即使具有更高的优先级 也不得不由于队满而遭到丢弃 另外 f i f o 方式也不利于带宽资源的有效分配 优先级高的数据流在发送机会 上与低级流均等 未能体现出其重要性 因此 多优先级的队列划分和公平的出 队调度算法成为传感器网络传输协议优化带宽分配 并进一步保证公平性的关键 技术之一 2 2 3 可靠性保证机制 可靠保证用于解决数据包传输丢失的问题 使接收端可以获取完整有效的数 据信息 传统t c p 协议采用基于数据包 p a c k e t b a s e d 的可靠性度量 即尽力保证 所有发出的数据包都被接受节点正确收到 在传感器网络中 这一类的可靠性要 求仍然延续 程序代码及压缩文件的传输都将需要极高的可靠性 还存在这样一 些应用 多个节点所检测的数据具有很强的冗余性和关联性 只要最终获取的检 测信息能够描述对象的真实状况 具有一定的逼真度 并不一定要求数据包传输 的完全可靠 这种方式被称为基于事件 e v e n t b a s e d 的可靠性度量 除此之外 类似不需要完全可靠性保证的应用还有多媒体文件的传输 由于其具有传输延时 的要求 在有限的资源条件下 可以容忍牺牲掉部分数据 只要保证大部分的数 据可靠性即可 t c p 协议中数据包重传通过端到端之间的a c k 反馈和超时机制来保证 传 感器网络数据包中所含的数据量相对较小 大量a c k 包的传输会加重传输负载 和能量消耗 并且 每次a c k 确认和重传包重传都要从发送端发出经历多跳传 输路径到达接收端 引发整条路径上的节点能量消耗 因此 采用逐跳的重传机制 合理控制重传的次数和范围 有效利用无线传 输的广播特性 将是传感器网络可靠性保证机制设计的发展方向与研究重点 综上所述 传感器网络的应用需求对传输控制协议的设计提出了很高的要 求 但目前学术界对于传感器网络技术的研究尚处在起步和发展阶段 协议体系 并不完整 尽管出现了少量综合处理网络拥塞和提供可靠保证的协议 但它们主 要还是基于t c p 协议进行的部分改进 当前的研究工作仍主要侧重于拥塞控制 或可靠性保证其中之一 对队列管理和公平性的研究讨论相对较少 2 3 传感器网络传输控制协议 2 3 1 拥塞检测与通知 除了c c f 2 2 和f l u s h 2 3 协议 几乎绝大多数拥塞控制协议都需要检测拥塞 的产生 并通知给不同的节点进行处理 按照拥塞的不同表现 人们采用了多种 7 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 检测方式 1 缓存区占用率 考察节点内等待发送的队列的长度 在早期的协议中 如s t c p 7 f u s i o n 8 等 均采用这种检测方式 然而由于缺乏对无线信道干扰 和竞争的考虑 仅仅依靠这个度量标准无法准确地判断拥塞 2 缓存区占用率和信道采样 9 信道采样是指节点通过监听信道是否空闲 来判断拥塞 该方法可以获知信道的繁忙程度 但是持续的监听会导致能耗开销 过大 因此 文献 9 将它与缓存区占用率相结合 只有在缓存区非空时才进行 信道采样 3 拥塞度 1 0 l l 平均包服务时间与平均包间隔时间的比值 其中包服务 时间是指一个数据包从到达m a c 层到成功发送完毕之间的时间间隔 包间隔时 间是两个相继到达m a c 层的数据包之间的时间间隔 4 逼真度 1 2 1 接收数据的完整程度 每种应用对接收数据的完整性都有 一定的要求 有些要求高 如加密或压缩文件 程序代码的传输 而有些要求稍 低些 如图像 视频信息的传输 文献 1 2 使用逼真度作为判断拥塞的依据 通 过启动相应的分流机制缓解拥塞 5 负载强度 1 7 负载强度是根据簇内所有节点的本地流量信息计算出的 一个综合性的度量值 文献 1 7 认为无论是队列长度还是信道状态 都不足以完 全反映拥塞情况 采用负载强度 可以综合考虑节点内的流量负载情况和信道竞 争状况 能更精确地检测拥塞 节点检测到拥塞之后 需要把拥塞状况通知给相关的节点 以便进行缓解拥 塞的处理 进行拥塞通知的方式主要包括明文方式 e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n e c n 和捎带方式 i m p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n i c n 采用明文方式通知会增加 额外的传输开销 捎带方式利用无线信道的广播特性 将拥塞信息捎带在转发包 中 其它节点通过监听获知 这样做的好处是减少了通知的开销 但要求节点持 续监听 并且在信道竞争比较激烈的情况下 存在漏听与错听的可能性 通知的 可靠性不如明文方式 2 3 2 端到端控制机制 端到端的控制方法 是指拥塞产生后直接对源端节点的发送速率进行调整 这类控制方法全部基于对速率的调整 需要端节点或中间结点对拥塞状态进行检 测或对拥塞程度进行评估 使用这种控制方法的协议有e s r t p o r t s t c p e w c c p r c r t 和c o m u t e s r t e v e n t t o s i n kr e l i a b l et r a n s p o r t 1 3 是第一个基于速率调节的拥塞控 制协议 适用于事件发现的应用 它以每个周期内s i n k 接收的数据包数量作为 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 网络的可靠性度量 结合节点的拥塞程度 把网络状态划分为5 种 低可靠性 无拥塞 低可靠性 拥塞 高可靠性 无拥塞 高可靠性 拥塞 最佳状态 其 中最佳状态是指当前可靠性达到r i n k 的期望且网络没有拥塞的状态 各节点通 过观察队列长度及增长趋势判断拥塞产生并在数据包中设立标志位告知s i n k s i n k 节点根据网络状态计算下一周期内各节点的发送速率 然后广播通知到所有 源节点 e s i 玎要求s i n k 能够覆盖整个网络 且对不同节点没有加以区分 统一采用 了相同的调整方式 它根据网络特征调节速率 但对于执行事件发现任务的节点 只有在事件发生时才发送数据 调整传输速率对该类型的某些应用来说并不实 用 此外 s i n k 根据节点的拥塞反馈信息广播通知要求降速 这种做法的有效性 依赖于拥塞的持续时间和反馈信息的延时 如果拥塞只是暂时的 而反馈延时比 较大 那么当减速通知到达节点时 可能已经不拥塞了 反馈延时又取决于网络 的直径 因此e s r t 对大规模网络中的短暂延时不具备扩展性 p o r t p r i c e o r i e n t e dr e l i a b l et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 14 在e s r t 的基础上做了 改进 不再单纯统计收包数量 而根据不同源节点对逼真度的不同贡献 优化调 整方案 另外 增加了多跳转发的方式将速率通知到源节点 s t c p s e n s o rt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 7 是一种分布式的基于分簇的支 持多类型流传输的协议 类似于r e d s t c p 协议为每个节点的队列设置两个门 限 t l o w 和t h j g l l 当队列长度超过t l o w 时 包上的拥塞位会以一定的概率打上 标记 如果队列长度超过t 1 1 i 曲 所有经过该节点的包都会被打上标记 s i n k 收 到打了标记的包后 将通知源节点转移路径发送或者减速 从而缓解拥塞 e w c c p e x p l i c i tw i r e l e s sc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 15 是基于无线多跳网 络提出的协议 用到了干扰节点的概念 干扰节点包括发生拥塞的节点和父节点 的邻居节点 e w c c p 把所有干扰节点的集合看成一个系统 通过节点间的显式 合作和来自转发节点的显式反馈来处理拥塞 每个节点通过周期性的共享信息计 算所有干扰节点组成的系统的总队列长度来判断拥塞 数据包在转发的过程中 会捎带上沿途各转发节点所在系统的队列长度信息 到达接收端以后 接收端的 a c k 同时携带了正反馈和负反馈信息 发送端据此采用a i m d 的方式对发送速 率进行调节 r c r t r a t e c o n t r o l l e dr e l i a b l et r a n s p o r t 16 是一种提供可靠传输和拥塞控 制的传输协议 适用于需要传输大量数据 且不容许丢失的高速应用 如图像采 集 建筑物监控 声音定位等 r c r t 在s i n k 端检测拥塞 有点类似于有线网的检测方式 但s i n k 又不同 于有线网的t c p 发送端 因为数据流汇聚的特点 使s i n k 能掌握更多的网络信 9 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 息 r c r t 为每个流维护一个乱序包列表 该表的长度表示在发生未修复的丢包 后共收到了多少个数据包 它反映了现在距离首次丢包发生的时间间隔 理想状 况下 丢失包的修复时间应该大约相当于一个r t t r o u n dt r i pt i m e 如果满足此 条件 则网络不拥塞 如果修复时间大于两个r 1 v r 则网络很可能已经拥塞了 定义 为某时刻对应源节点i 的乱序表长度 r i r t t i 为一个i 册内期望收到的 包数 计算l n o r m i l i r i r t t i 并经过平滑处理后表示成c i 用来度量平均拥塞 程度 r c r t 定义非拥塞状态为c i 小于一个较低的门限值l 而当c i 大于给定 的上限u 时 认为网络产生了拥塞 r c r t 的拥塞处理策略 是先由s i n k 决定增加或减少的速率总量r t 再分 配给各个源节点 这种设置允许管理员为不同的应用采取不同的分配策略 r c r t 对速率总量r t 的调节方式是a i m d 的 当网络不拥塞时 r t 1 r 矿a a 是一个常量 反之 r 什1 m t r t m t 作为倍减参数 由这段时间内的收包 率决定 计算公式为 n m 盟 2 一p 一旦i 确定 r c r t 通过策略p i 将它分配给每个流 定义d i 为每个流要求 的速率值 通过公式 nn 月 r p f z p t d j 可得p 舻r t d 其中d 为所有d i 的和 s i n k 节点计算出统一的p t 后 告知 各源节点 它们再通过p t 一 i t d i 可以算得自己所分配到的速率r i t r c r t 存在的问题是 距离s i n k 越远的节点 修复的包数也越多 然而修复 时间的延长并不一定是拥塞导致 也可能是重传的过程中误码或干扰造成 从而 错误地启动了拥塞缓解机制 降低了吞吐量 周期性的统计和决策对于深度较大 的网络来说反应显得有些迟缓 一方面当s i n k 节点发现拥塞时 可能拥塞状况 已经恶化了 此时再把分配好的速率传递到源端节点时 在准确性和时效性上已 经打了折扣 另一方面如果已经发生了拥塞 下行线路的质量难以保证 将分配 速率通知到源节点也将变得困难 在基于事件的应用中 例如灾难恢复任务 某些流相比其它需要更高的包 到达率和低延时 针对此类应用 k y r i a k o sk a r e n o s 等人提出了 c o m u t c o n g e s t i o n c o n t r o lf o rm u l t i c l a s st r a f f i c 1 7 一种分布式的基于分簇的 支持多类型流传输的机制 c o m u t 建立在分簇结构上 在一个簇中 进行外部 通信的叫做哨兵节点 簇内节点与哨兵节点直接通信 哨兵节点通过收集簇内节 点的流量信息p t 计算簇内的负载强度y 它标志着簇内的拥塞等级 pi 入 i o 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 i t li 其中入i 为队列中包的入速率 l li 为包的出速率 某个节点队列中有k 个 包的概率分布函数p k 1 pi pi 对于n 个独立队列 其分布函数为 e k k 人 吒 兀 n 1 一肛 负载强度可由如下公式算得 7 l p 0 0 人 0 l 一兀 1 1 一只 上游节点i 的负载强度根据其下游节点 j 1 的负载强度和本地流量信息算得 计算公式如下 厂 i i y j 一 兀 1 p 每个簇内节点周期性地计算本地流量 并广播给哨兵节点 由哨兵综合统计 本簇内的负载强度 由于负载强度与现有流数 新进流数 节点密度和节点处理 能力密切相关 精确的计算在实际操纵中很难实现 因此c o m u t 采用近似模 型进行估计 定义上游节点为数据包传入的节点 检测到拥塞发生的簇的哨兵将 负载强度信息反馈给上游哨兵 经过逐跳的计算和反馈 最终源端哨兵可以获知 整条路径上的负载强度和拥塞状况 在速率调整上 数据源采用了a i m d 的方式 周期性地调整速率 c o m u t 为重要的数据流赋予了高于其它数据流的优先级 在发生拥塞后进行降速时 低 级别的数据流将会降至最小发送速率 r c r t 处理多个相互干扰的流时很高效 与传统方法相比保证高到达率和低 延时更好 它可与多种路由协议相结合 并区分了对不同优先级的数据流的处理 为了对上述机制从整体上有一个比较清晰和完整的认识 我们通过表2 1 进 行了比较 表2 i 端到端控制技术比较 协议名称拥塞检测度量拥塞通知方式 拥塞处理方法 e s r t 每周期收包数显式 直接指定速率 p o r t 逼真度显式直接指定速率 c o d a缓存区占用率和信道采样显式 a i m d s t c p 缓存区占用率 显式源端降速或分流 e w c c p 干扰系统缓存区占用率 显式 a i m d r c r t 丢失包的修复时延显式 a i 肋 c m f u t 负载强度隐式 a i 佃 从最早的e s r t 协议到最新的r c r t c o m u t 协议 端到端的控制思想延 续至今并将进一步发展下去 通过比较可以发现 端到端的拥塞控制方法一般采 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 用显式通知的方法告诉源端降速 这是因为通知的距离较长 控制包的可靠性和 时效性需要得到保证 才能以最快的速度缓解拥塞 处理拥塞的方法都是基于速 率调整的 因为降低源端的发送速率 就是从根本上解决了流量过大的问题 同 时信道竞争也相应减少 是缓解拥塞最有效 最根本的办法 基于这种处理方式 的速率调整情况 是围绕着最佳速率上下波动的锯齿状曲线 但是端到端的处理 也存在一定的局限性 例如在规模较大的网络中 拥塞通知的延时较长 如果只 是短暂的拥塞 则源端收到降速要求后很可能拥塞已经缓解 继续调整反而降低 了吞吐量 因此 端到端的拥塞处理机制 适用于处理涉及面大 持续时间长的 较严重的拥塞 2 3 3 分布式控制机制 分布式的控制方式 一部分是基于速率调整的 协议在发生拥塞的区域就地 采取措施 例如立即降低上游节点的发送速率减少数据包流入 或者降低邻居节 点的发送速率减少信道竞争 经过逐跳的限速 最终达到控制源端速率的目的 采用这种调整方式的协议有c o d a f u s i o n s e n t c p p c c p b u f f e r b a s e d 和 i f r c 还有一些是基于流量调度的 如a r c s i p h o n c a r 和b g r 在发生拥 塞的区域通过对数据进行分流 使拥塞得以缓解 1 基于速率调整的分布式控制 c o d a c o n g e s t i o nd e t e c t i o na n da v o i d a n c e 9 使用了多种机制来缓解拥塞 开环的h o p b y h o p 后压机制适用于短暂拥塞 要求拥塞节点广播后压消息 后 压消息延数据流向的反方向传播直到源端节点 收到后压消息的源端节点采用 a i m d 调整速率或者选择丢包 并参考本地网络状况决定是否继续发送后续数据 包 若网络持续拥塞较长时间 则进入闭环拥塞控制机制 s i n k 根据所收到监测 节点发送的消息中的调整位 调整该事件所有源节点的发送速率 并显式反馈给 各源节点 文中提到a i m d 的调整方式 会偏向于s i n k 附近的节点 它们通常 会获得更大的发送速率 这将导致s i n k 从各节点收到的数据包数量不均衡 f u s i o n 8 采用了跨层的设计来应对拥塞 它包含了三种机制 h o p b y h o p 的流量控制 速率限制和带优先级的m a c 层处理 h o p b y h o p 的流量控制机 制是为了防止发送数据给已拥塞节点 导致数据包丢失 每个节点在发送的数据 包包头都设置了一个拥塞位 利用无线通信的广播特性 所有邻居节点都能够监 听到这一信息 节点通过检查队列长度和信道采样检测拥塞 一旦检测到拥塞的 发生 就通过拥塞位广播拥塞信息 监听到拥塞的邻居节点停止发送数据包等待 下游节点清空队列 速率限制机制采用了令牌桶的方式 子节点监听父节点的子 树节点数目n 在父节点成功发送n 个数据包后该节点可获得一个令牌 这种 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 机制保证了各节点间发送速率的公平性 为了鼓励父节点迅速清空队列 f u s i o n 采用了优先级m a c 处理机制 把拥塞节点的退避窗口设为非拥塞节点的1 4 从而提高了信道竞争的成功率 加速了数据的发送 f u s i o n 的局限性是只用缓存 占用率作为度量 没有估计转发路径上存在的干扰 s e n t c p l o 使用包间隔时间和包服务时间来计算拥塞度 节点可以通过逐 跳向数据传输的反方向发出反馈消息 反馈消息携带了本地拥塞度c d 和缓存占 用率b r 上游节点和邻居节点据此调整发送速率 每个节点还各自统计包间隔 时间和缓存占用率 当检测到拥塞发生时更新反馈消息中的拥塞度并转发 上游 节点以及源端节点根据反馈消息调整发送速率 调整的比例系数为拥塞度的倒数 l c d 为了节约能耗 降低开销 s e n t c p 设置了两种情况下的反馈策略 1 如 果b r 超过门限值b m a x 则中间节点每接收一个包就发送一次反馈消息 该消 息通过单播传递给上游节点 2 如果b r 小于b m a x 则节点会维护一个定时器 只有在定时器到期 b r 超出 b m i n b m a x 区间 周期内有新的数据包到达这三 个条件同时满足时 节点才发布反馈信息 反馈信息多播给所有邻居节点 收到 信息的所有邻居同时调整速率 p c c p n o d ep r i o r i t y b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 1l 对数据流按照重要 程度不同进行了分级 并按照优先级保证速率调整的公平性 使得高优先级的节 点能获得更多的速率和带宽 协议设置了两个队列分别缓存本地产生的数据包和 转发的数据包 采用w r q 或w r r 算法进行调度 在拥塞检测上 采用了拥塞 度作为拥塞程度的度量标准 平均包服务时间反映了节点内转发队列的占用情 况 而平均间隔时间反映了信道竞争的激烈程度 拥塞度是否大于l 反映了节 点是否处于发生拥塞的趋势中 在拥塞处理方式上 p c c p 采取了从拥塞节点开 始的逐跳调整策略 b u f f e r b a s e d 协议 2 4 采用了一种基于缓冲区管理的轻量级控制机制 每个节 点在发送数据包时稍带自身的缓存占用率 邻居节点通过监听该信息判断是否应 该继续发送数据包到下游节点 若拥塞时间较长 则各节点逐跳降速 最终控制 源端节点的发送速率 此外 该协议还可以配合流量调度的思想 采用多径路由 或多s i n k 节点对数据流进行分流处理以避免拥塞 1 f r c i n t e r f e r e n c e a w a r ef a i rr a t ec o n t r 0 1 协议 l8 提出了通过调整所有干扰节 点的发送速率来减轻拥塞的思想 网络中的节点通过检测平均队列长度来检测拥 塞 出现拥塞的节点在发送出去的包上稍带拥塞状态信息 从而实现邻居节点之 间的拥塞信息共享 监听到拥塞的各干扰节点分别调整速率减轻拥塞 i f r c 的 速率调整方式是a i m d 定义源节点i 的报告速率r i 辅助参数6 如果没有拥 塞 则每经过1 r i 秒 r i 增加6 r i 当检测到拥塞产生时 r i 减半 i f r c 设立了 硕士学位论文第二章传感器网络传输协议研究 两条规则 1 子节点的速率不超过父节点 2 一旦发生拥塞 节点将自身速率调 整为所有干扰节点的速率中的最小值 通过这两条规则 i f r c 在实现拥塞缓解 的同时保证了流之间的带宽共享和公平减速 防止a i m d 调节方式导致的不公 平性 2 基于流量调度的分布式控制 还有 部分协议处理拥塞的方式是对进入拥塞区域的数据流进行调度 通过 绕路 分流或者重定向等方式缓解拥塞 从而保证原有传输线路的畅通 采用这 种处理方式的原因有二 1 某些应用的数据相当重要 不允许降速 2 传感器网 络通常节点数目较多 部署较密 能够找到更多的冗余资源建立新的路径来转移 流量 基于流量调度的分布式控制协议有a r c s i p h o n c a r 和b g r a r c a d a p t i v er e s o u r c ec o n t r 0 1 19 在检测到拥塞发生后 将拥塞信息反馈 到上游节点 并从第一个非拥塞节点开始分流 分流节点利用冗余节点建立多条 路径 使数据流绕开拥塞区域 在拥塞缓解后 分流节点发送关闭消息 数据流 仍然按照原先的最优路径传输 a r c 要求节点监听拥塞信息 建立预设路径 能耗开销较大 因