第5章 无线传感器网络传输协议-郑军

1、第第5章章 无线传感器网络的传输协议无线传感器网络的传输协议 运行在传输层的网络协议，主要作用是利用下层提供的服务向上运行在传输层的网络协议，主要作用是利用下层提供的服务向上层提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。因此，传输协议需要支层提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。因此，传输协议需要支持持拥塞控制拥塞控制和和差错控制差错控制等功能，以提高数据传输的可靠性和网络的服等功能，以提高数据传输的可靠性和网络的服务质量。同时传输协议的设计必须考虑网络的能量效率，以延长网络务质量。同时传输协议的设计必须考虑网络的能量效率，以延长网络的生存事件。的生存事件。 许多许多WSN应用要求传感器网络必须具备

2、可靠地端到端的数据传应用要求传感器网络必须具备可靠地端到端的数据传输功能，虽然高效的输功能，虽然高效的MAC协议和路由协议能够在一定程度上缓解网协议和路由协议能够在一定程度上缓解网络拥塞的发生，但仍不够，为了提高数据传输的可靠性和网络的服务络拥塞的发生，但仍不够，为了提高数据传输的可靠性和网络的服务质量，需要采用有效的质量，需要采用有效的传输协议传输协议来进一步避免或减轻网络中的拥塞现来进一步避免或减轻网络中的拥塞现象。象。传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和目标之间提供传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和目标之间提供可靠的、性价比合理的数据传输功能。为了实现传输层对上层透

3、明，可靠的、性价比合理的数据传输功能。为了实现传输层对上层透明，可靠的数据传输服务，传输层主要研究端到端的流量控制和拥塞的避可靠的数据传输服务，传输层主要研究端到端的流量控制和拥塞的避免，保证数据能够有效无差错地传输到目的节点。免，保证数据能够有效无差错地传输到目的节点。传统的传统的IP主要采用主要采用TCP协议（传输控制协议），也有的使用协议（传输控制协议），也有的使用UDP协议协议(用户用户数据报协议数据报协议) ，其中，其中UDP采用的是无连接的传输，虽然能够保证网络的实时采用的是无连接的传输，虽然能够保证网络的实时性，时延非常小，但其数据丢包率较高，不能保证数据可靠传输，不适用于性，时

4、延非常小，但其数据丢包率较高，不能保证数据可靠传输，不适用于无线传感器网络。无线传感器网络。 TCP协议提供的是端到端的可靠数据传输，采用重传机制协议提供的是端到端的可靠数据传输，采用重传机制来确保数据被无误地传输到目的节点。来确保数据被无误地传输到目的节点。 5.15.1无线传感器网络传输层协议概述无线传感器网络传输层协议概述 由于无线传感器网络自身的特点，由于无线传感器网络自身的特点，TCPTCP协议协议不能直接用于无线传感器不能直接用于无线传感器网络，原因如下：网络，原因如下：TCPTCP协议提供的是端到端的可靠信息传输，而协议提供的是端到端的可靠信息传输，而WSNWSN中存在大量的冗余

5、信息，中存在大量的冗余信息，要求节点能够对接收到的数据包进行简单的处理要求节点能够对接收到的数据包进行简单的处理。TCPTCP协议采用的三次握手机制，而且协议采用的三次握手机制，而且WSNWSN中节点的动态性强，中节点的动态性强，TCPTCP没有相对没有相对应的处理机制。应的处理机制。TCPTCP协议的可靠性要求很高协议的可靠性要求很高，而而WSNWSN中只要求目的节点接收到源节点发送中只要求目的节点接收到源节点发送的事件，可以有一定的数据包丢失或者删除。的事件，可以有一定的数据包丢失或者删除。TCPTCP协议中采用的协议中采用的ACKACK反馈机制，这个过程中需要经历所有的中间节点，反馈机制

6、，这个过程中需要经历所有的中间节点，时延非常高且能量消耗也特别大；而时延非常高且能量消耗也特别大；而WSNWSN中对时延的要求比较高，能量也中对时延的要求比较高，能量也非常有限。非常有限。对于拥塞控制的对于拥塞控制的WSNWSN协议来说，有时非拥塞丢包是比较正常的，但是在协议来说，有时非拥塞丢包是比较正常的，但是在TCPTCP协议中，非拥塞的丢包会引起源端进入拥塞控制阶段，从而降低网络协议中，非拥塞的丢包会引起源端进入拥塞控制阶段，从而降低网络的性能。的性能。最后一点也最重要，在最后一点也最重要，在TCPTCP协议中，每个节点都被要求有一个独一无二的协议中，每个节点都被要求有一个独一无二的IP

7、IP地址，而在大规模的无线传感器网络中基本上不可能实现的，也是没地址，而在大规模的无线传感器网络中基本上不可能实现的，也是没有必要的。有必要的。5.1.1 无线传感器网络传输协议的特点无线传感器网络传输协议的特点 无线无线Ad HocAd Hoc网络网络是与无线传感器网络最类似的一类网络，其传输是与无线传感器网络最类似的一类网络，其传输协议协议也不能直接用于无线传感器网络，原因如下：也不能直接用于无线传感器网络，原因如下：无线传感器网络规模较大，一般大规模部署节点，其节点数可能达到无无线传感器网络规模较大，一般大规模部署节点，其节点数可能达到无线线Ad HocAd Hoc网络的几十倍甚至几千倍

8、。网络的几十倍甚至几千倍。传感器节点的计算能力和能量存储有限，远小于无线传感器节点的计算能力和能量存储有限，远小于无线Ad Hoc网络节点网络节点。无线无线Ad Hoc网络的任务是保证移动借点之间的互联，允许用户动态的移网络的任务是保证移动借点之间的互联，允许用户动态的移动、加入或离开，较多使用对等通信方式（动、加入或离开，较多使用对等通信方式（P-to-P）；而无线传感网则）；而无线传感网则以数据为中心，以感知数据及监测为主要任务，主要采用多对一的传输以数据为中心，以感知数据及监测为主要任务，主要采用多对一的传输模式模式。2.无线传感器网络传输协议的特点无线传感器网络传输协议的特点（1）节能

9、优先）节能优先（2）多对一传输模式）多对一传输模式 上行汇聚传输：拥塞控制和差错控制，实现可靠传输上行汇聚传输：拥塞控制和差错控制，实现可靠传输 下行传输：保证指令或查询消息能可靠传达下行传输：保证指令或查询消息能可靠传达（3）以数据为中心）以数据为中心（4）应用相关性强）应用相关性强5.1.2 无线传感器网络传输协议的分类无线传感器网络传输协议的分类 根据功能划分为根据功能划分为拥塞控制协议拥塞控制协议、可靠传输协议、可靠传输协议、拥塞控制和可靠传输混拥塞控制和可靠传输混合协议合协议三类。三类。1）拥塞控制协议）拥塞控制协议 用于防止网络拥塞的产生，或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现用于防止

10、网络拥塞的产生，或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现象，根据控制机制可分为：象，根据控制机制可分为：面向拥塞避免的协议面向拥塞避免的协议 通过速率分配或传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现数通过速率分配或传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现数据流量超过网络传输能力而造成拥塞的局面。据流量超过网络传输能力而造成拥塞的局面。面向拥塞消除的协议面向拥塞消除的协议 在网络发生拥塞后通过采用速率控制、丢包等方法来缓解拥塞，并在网络发生拥塞后通过采用速率控制、丢包等方法来缓解拥塞，并进一步消除拥塞进一步消除拥塞2）可靠传输协议）可靠传输协议 用于保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输到汇聚

11、节点，向用于保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输到汇聚节点，向用户提供可靠的数据传输服务。根据传输数据单位，可分为：用户提供可靠的数据传输服务。根据传输数据单位，可分为：基于数据包的可靠传输基于数据包的可靠传输 保证单个数据包传输的可靠性保证单个数据包传输的可靠性基于数据块的可靠传输基于数据块的可靠传输 用于网络指令分发等需要大量数据的场合用于网络指令分发等需要大量数据的场合基于数据流的可靠传输基于数据流的可靠传输 周期性数据采用汇报适用于数据流的可靠传输周期性数据采用汇报适用于数据流的可靠传输还可以分为还可以分为基于数据的可靠传输基于数据的可靠传输和和基于任务的可靠传输基于任务的可靠

12、传输（WSN特用的）特用的）5.2无线传感器网络传输协议设计无线传感器网络传输协议设计1.设计目标设计目标能量效率、传输可靠性（数据，任务）、可扩展性、自适应性、服务质量、公平性能量效率、传输可靠性（数据，任务）、可扩展性、自适应性、服务质量、公平性2.技术挑战技术挑战如何再满足可靠传输和服务质量的情况下尽量降低能耗、减少使用的存储空间是如何再满足可靠传输和服务质量的情况下尽量降低能耗、减少使用的存储空间是一个技术挑战一个技术挑战解决局部或全网拥塞控制和能量消耗不均解决局部或全网拥塞控制和能量消耗不均在不同的性能要求中实现最佳的平衡是一个技术难点在不同的性能要求中实现最佳的平衡是一个技术难点5

13、.3无线传感器网络的拥塞控制基本机制无线传感器网络的拥塞控制基本机制 拥塞控制的目标是避免拥塞或及时检测并缓解网络中出现的拥塞现象，拥塞拥塞控制的目标是避免拥塞或及时检测并缓解网络中出现的拥塞现象，拥塞控制的设计需要考虑以下几方面：控制的设计需要考虑以下几方面：能量有效性能量有效性 拥塞控制的开销尽量小，以节省能耗，同时避免因控制开销加剧拥塞的程度拥塞控制的开销尽量小，以节省能耗，同时避免因控制开销加剧拥塞的程度实时性实时性 能够及时地检测到网络的拥塞状况，并且能够在网路发生用赛后短时间内缓能够及时地检测到网络的拥塞状况，并且能够在网路发生用赛后短时间内缓解拥塞，避免拥塞进一步加剧解拥塞，避免

14、拥塞进一步加剧公平性公平性 保证所有需要发送的节点都有机会发送数据，保证传输的公平性保证所有需要发送的节点都有机会发送数据，保证传输的公平性面向应用面向应用 拥塞控制可以采用丢弃过时数据包或调整数据源汇报速率的方法实现，这些拥塞控制可以采用丢弃过时数据包或调整数据源汇报速率的方法实现，这些方法的引入会一定程度上影响到感知任务的质量，拥塞控制的设计应满足应用基方法的引入会一定程度上影响到感知任务的质量，拥塞控制的设计应满足应用基本要求为前提本要求为前提 拥塞控制可分为拥塞控制可分为拥塞避免拥塞避免和和拥塞消除拥塞消除两种机制两种机制5.3.1拥塞避免机制拥塞避免机制通过通过速率分配速率分配和和传

15、输控制传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现拥塞。等方法来避免在局部或全网范围内出现拥塞。1.速率分配速率分配 对网络中各个节点的传输率进行合理的分配和严格的限制来避免拥塞的对网络中各个节点的传输率进行合理的分配和严格的限制来避免拥塞的产生。要求网络中节点能够很好地协调与合作。产生。要求网络中节点能够很好地协调与合作。 理想状况下，合理控制各个节点的传输速率能够有效地避免拥塞和丢包，理想状况下，合理控制各个节点的传输速率能够有效地避免拥塞和丢包，提高网络的吞吐量、传输可靠性和其他服务质量指标。但是，考虑到网络提高网络的吞吐量、传输可靠性和其他服务质量指标。但是，考虑到网络的拓扑、数据准确性

16、、服务质量要求以及无线信道的共享特性等因素，很的拓扑、数据准确性、服务质量要求以及无线信道的共享特性等因素，很难实现全网最优的分布式速率分配。难实现全网最优的分布式速率分配。2.传输控制传输控制 节点根据网络参数（节点缓存状态、网络拓扑等）决定是否转发数据或节点根据网络参数（节点缓存状态、网络拓扑等）决定是否转发数据或确定转发速率，以避免拥塞的发生。确定转发速率，以避免拥塞的发生。 基于缓存状态的传输控制主要解决如何避免网络拥塞时的缓存溢出问基于缓存状态的传输控制主要解决如何避免网络拥塞时的缓存溢出问题，采用该控制机制，发送节点仅在接受节点的缓存由足够的剩余接收空题，采用该控制机制，发送节点仅

17、在接受节点的缓存由足够的剩余接收空间时才向其发送数据，避免了接收节点因缓存溢出而造成的丢包。间时才向其发送数据，避免了接收节点因缓存溢出而造成的丢包。合理设合理设置剩余空间的门限值是这种机制需要解决的关键问题。置剩余空间的门限值是这种机制需要解决的关键问题。5.3.2 拥塞消除机制拥塞消除机制 由于网络的动态性和应用的多样性等原因，完全避免拥塞时不现实的，传输由于网络的动态性和应用的多样性等原因，完全避免拥塞时不现实的，传输协议需要解决的问题是在拥塞发生后消除拥塞。拥塞消除由协议需要解决的问题是在拥塞发生后消除拥塞。拥塞消除由拥塞检测拥塞检测、拥塞通知拥塞通知和和拥塞缓解拥塞缓解3个功能构成个

18、功能构成1.拥塞检测拥塞检测（1）基于缓冲区占用率的检测）基于缓冲区占用率的检测 传感器节点检测自己缓冲区的占用情况，当数据包接收速率大于发送速率，传感器节点检测自己缓冲区的占用情况，当数据包接收速率大于发送速率，缓冲区堆积到一定程度且超过某一限值时，预测拥塞即将发生。缓冲区堆积到一定程度且超过某一限值时，预测拥塞即将发生。 不准确：当不准确：当数据包重传数据包重传达到最大次数后，节点将丢失该数据包，此时缓冲区占用率达到最大次数后，节点将丢失该数据包，此时缓冲区占用率可能下降，而信道拥塞状况未缓解可能下降，而信道拥塞状况未缓解（2）基于信道采样的检测）基于信道采样的检测 传感器节点周期性地进行

19、信道采样，以监测信道占用程度，评估信道传感器节点周期性地进行信道采样，以监测信道占用程度，评估信道负载状况。若信道长时间处于繁忙状态，任务发生拥塞。负载状况。若信道长时间处于繁忙状态，任务发生拥塞。 这种方法会消耗额外的能量进行信道检测，需要解决如何在尽可能减少开销的这种方法会消耗额外的能量进行信道检测，需要解决如何在尽可能减少开销的情况下准确检测拥塞是否发生情况下准确检测拥塞是否发生（3）基于包间隔和包服务时间的检测）基于包间隔和包服务时间的检测 传感器节点可以根据从相邻节点收到的数据包到达的时间间隔以及数据包从到传感器节点可以根据从相邻节点收到的数据包到达的时间间隔以及数据包从到达缓存区到

20、被发送出去的服务时间来判断是否发生拥塞。若到达时间间隔或服务时达缓存区到被发送出去的服务时间来判断是否发生拥塞。若到达时间间隔或服务时间过长则认为发生拥塞间过长则认为发生拥塞（4）基于丢包率的检测）基于丢包率的检测 传感器节点可以根据丢包的次数或频度判断网络是否发生拥塞。检测功能只在传感器节点可以根据丢包的次数或频度判断网络是否发生拥塞。检测功能只在数据包被缓存或丢弃时触发。数据包被缓存或丢弃时触发。？拥塞并非丢包的唯一原因。？拥塞并非丢包的唯一原因。（5）基于负载强度的检测（综合性好）基于负载强度的检测（综合性好） 负载强度是综合考虑节点的流量负载情况、信道竞争状况以及所有相邻节点的负载强度

21、是综合考虑节点的流量负载情况、信道竞争状况以及所有相邻节点的本地流量信息计算出的一个综合性的度量值。当负载强度超过一定门限时，则认为本地流量信息计算出的一个综合性的度量值。当负载强度超过一定门限时，则认为发生拥塞。发生拥塞。（3）基于数据逼真度的检测）基于数据逼真度的检测 通常由汇聚节点执行检测，通过检查收集到的感知数据的通常由汇聚节点执行检测，通过检查收集到的感知数据的准确度准确度来判断是否拥来判断是否拥塞塞2.拥塞通知拥塞通知 当传感器节点检测到拥塞后，需将拥塞状态通知给相关节点。可分为当传感器节点检测到拥塞后，需将拥塞状态通知给相关节点。可分为（1）显式通知）显式通知 直接以控制包的形式

22、通知拥塞信息直接以控制包的形式通知拥塞信息（2）隐式通知）隐式通知 用数据包捎带拥塞信息，并由相关节点侦听信道获得。用数据包捎带拥塞信息，并由相关节点侦听信道获得。3.拥塞缓解拥塞缓解 拥塞缓解是拥塞消除的重要部分，其性能对拥塞消除的效果有很大影响。拥塞缓解是拥塞消除的重要部分，其性能对拥塞消除的效果有很大影响。可以分为以下几种机制：可以分为以下几种机制：（1）速率控制）速率控制 通过调节源节点数据产生速率或中间节点转发速率来缓解拥塞。通过调节源节点数据产生速率或中间节点转发速率来缓解拥塞。源节点速率控制：由目的节点根据接收数据的情况反馈给所有源节点控制信源节点速率控制：由目的节点根据接收数据

23、的情况反馈给所有源节点控制信息，来指示这些源节点如何调节发送速率息，来指示这些源节点如何调节发送速率转发节点速率控制：逐跳调整，节点根据相邻节点的拥塞通知调整转发速率转发节点速率控制：逐跳调整，节点根据相邻节点的拥塞通知调整转发速率注：网络发生拥塞时，速率控制是最常用的拥塞缓解机制，大部分传输协注：网络发生拥塞时，速率控制是最常用的拥塞缓解机制，大部分传输协议都会采用速率控制机制议都会采用速率控制机制（2）流量调度）流量调度 通过绕路、分流或则重定向等方式来减少拥塞区域的数据流，以缓解拥通过绕路、分流或则重定向等方式来减少拥塞区域的数据流，以缓解拥塞。通常可与多路径路由协议相结合，路由协议可预

24、先确定备用路径或是在塞。通常可与多路径路由协议相结合，路由协议可预先确定备用路径或是在拥塞发生后快速生成备用路径。拥塞发生后快速生成备用路径。 网络正常工作状态，节点按照主路径路由数据。当拥塞发生后，节点可网络正常工作状态，节点按照主路径路由数据。当拥塞发生后，节点可快速启用备用路径，缓解主路径上的拥塞。快速启用备用路径，缓解主路径上的拥塞。（3）数据处理）数据处理 传感器节点通过对数据进行丢弃、压缩或融合来减少数据量。传感器节点通过对数据进行丢弃、压缩或融合来减少数据量。 由于由于WSN中存在大量冗余和相关性，只要传送到汇聚节点的信息满足应中存在大量冗余和相关性，只要传送到汇聚节点的信息满足

25、应用要求，节点即可以丢弃冗余数据。该方式是用要求，节点即可以丢弃冗余数据。该方式是WSN中特有的拥塞控制方式中特有的拥塞控制方式5.4 无线传感器网络的可靠传输基本机制无线传感器网络的可靠传输基本机制 可靠传输的主要作用是解决传输过程中的数据包丢失问题，保证目的节可靠传输的主要作用是解决传输过程中的数据包丢失问题，保证目的节点能够获得完整有效的数据信息或能够准确地还原出原始事件状态从而完成点能够获得完整有效的数据信息或能够准确地还原出原始事件状态从而完成感知任务。为避免或减少丢包造成的影响，传输协议可以采用感知任务。为避免或减少丢包造成的影响，传输协议可以采用丢包恢复丢包恢复、冗冗余传输余传输

26、和和速率控制速率控制等基本机制来实现可靠传输。等基本机制来实现可靠传输。5.4.1 丢包恢复机制丢包恢复机制 在发生丢包的情况下，丢包恢复机制铜鼓重传数据包来实现数据的可在发生丢包的情况下，丢包恢复机制铜鼓重传数据包来实现数据的可靠传输。由靠传输。由丢包检测和反馈丢包检测和反馈与与重传恢复重传恢复等功能组成。等功能组成。1.丢包检测和反馈丢包检测和反馈端到端检测反馈：由目的节点负责检测丢包并返回应答端到端检测反馈：由目的节点负责检测丢包并返回应答逐跳检测反馈：由中间节点逐跳检测并返回应答逐跳检测反馈：由中间节点逐跳检测并返回应答 丢包检测最常用的方法是通过应答方式检测，即接受节点根据收包情丢包

27、检测最常用的方法是通过应答方式检测，即接受节点根据收包情况返回应答，发送节点根据应答判断是否需要重传。况返回应答，发送节点根据应答判断是否需要重传。应答方式包括：应答方式包括：（1）ACK方式方式 接收节点每接受到一个数据包后返回一个接收节点每接受到一个数据包后返回一个ACK控制包，发送节点发送数控制包，发送节点发送数据后维护一个定时器，在定时器超时前收到接收节点的据后维护一个定时器，在定时器超时前收到接收节点的ACK则确认该数据包则确认该数据包成功传输，清除该包的缓存和定时；否则进行超时重传。成功传输，清除该包的缓存和定时；否则进行超时重传。 对于每个数据包，接收节点都需要反馈一个对于每个数

28、据包，接收节点都需要反馈一个ACK,负载较大，不适合数据负载较大，不适合数据量较小或信道质量良好的情况。量较小或信道质量良好的情况。（2）NACK方式方式 源节点在发送的数据包中添加序列号，缓存发送的数据包。目的节点通过源节点在发送的数据包中添加序列号，缓存发送的数据包。目的节点通过检测数据包序号的连续性判断收包情况。若目的节点正确收到数据包，则不检测数据包序号的连续性判断收包情况。若目的节点正确收到数据包，则不反馈任何确认信息，若检测到数据包丢失，则向源节点返回反馈任何确认信息，若检测到数据包丢失，则向源节点返回NACK包，并明确包，并明确要求重发丢失的数据包。要求重发丢失的数据包。 NAC

29、K只针对少量丢失的数据包反馈，相比只针对少量丢失的数据包反馈，相比ACK方式减少了负载和能量消方式减少了负载和能量消耗。缺点是源节点必须缓存所有发送数据，且目的节点必须知道首包和末包耗。缺点是源节点必须缓存所有发送数据，且目的节点必须知道首包和末包的序列号。若只有单个数据包传输或是首末包丢失，的序列号。若只有单个数据包传输或是首末包丢失，NACK不能保证可靠传输。不能保证可靠传输。（3）IACK方式方式 发送节点发送数据包后缓存该包，监听接收节点的数据传输，若监听到发送节点发送数据包后缓存该包，监听接收节点的数据传输，若监听到接收节点已将该数据包发给其下一跳节点，则认为传输成功并清除缓存。接收

30、节点已将该数据包发给其下一跳节点，则认为传输成功并清除缓存。 IACK方式不需要控制开销，负载最小，但只能在方式不需要控制开销，负载最小，但只能在单跳范围单跳范围内使用，是一内使用，是一种逐跳检测反馈机制。种逐跳检测反馈机制。 IACK方式通常需要节点更多地侦听信道，以防漏听下一跳的转发确认，方式通常需要节点更多地侦听信道，以防漏听下一跳的转发确认，并且并且IACK方式不适合路径上最后一跳的传输确认，因为目的节点不需要继续方式不适合路径上最后一跳的传输确认，因为目的节点不需要继续向下转发数据。向下转发数据。2.重传恢复重传恢复 对应丢包检测和反馈，重传恢复也分为端到端重传（恢复时间较长）和对应

31、丢包检测和反馈，重传恢复也分为端到端重传（恢复时间较长）和逐跳重传。需要解决的主要问题是最大重传次数。逐跳重传。需要解决的主要问题是最大重传次数。5.4.2 冗余传输机制冗余传输机制 发送节点发送节点多次多次发送同一数据包，只要接收节点收到至少一个数据包即可。发送同一数据包，只要接收节点收到至少一个数据包即可。冗余传输也可采用冗余传输也可采用多路径多路径方式，发送节点将数据包发送到多条路径上进行传输方式，发送节点将数据包发送到多条路径上进行传输以提高传输可靠性。利用路径的空间不相关性来提高端到端数据传送的成功率。以提高传输可靠性。利用路径的空间不相关性来提高端到端数据传送的成功率。 冗余传输机

32、制消耗的网络资源较多，并且存在传送成功率与复制数量之间冗余传输机制消耗的网络资源较多，并且存在传送成功率与复制数量之间的折中关系。的折中关系。5.4.3 速率控制机制速率控制机制 丢包恢复和冗余传输都是用来保证丢包恢复和冗余传输都是用来保证数据包或数据块数据包或数据块的端到端传输可靠的端到端传输可靠性，速率控制则适用于基于性，速率控制则适用于基于任务任务的可靠传输。这种机制可以在保证任务完的可靠传输。这种机制可以在保证任务完成的前提下，调节源节点的数据速率，避免或缓解拥塞以更好地实现可靠成的前提下，调节源节点的数据速率，避免或缓解拥塞以更好地实现可靠传输。因此，基于速率控制的可靠传输机制通常可

33、以与拥塞控制机制联合传输。因此，基于速率控制的可靠传输机制通常可以与拥塞控制机制联合设计和考虑。设计和考虑。 该机制中，汇聚节点根据一个周期内成功接收数据包的数量计算网络该机制中，汇聚节点根据一个周期内成功接收数据包的数量计算网络的传输可靠性，同时也估测网络的拥塞程度。的传输可靠性，同时也估测网络的拥塞程度。 如果传输可靠度低于预计要求，则通知源节点调节发送速率以提高可如果传输可靠度低于预计要求，则通知源节点调节发送速率以提高可靠度；否则减少源节点发送速率，以降低网络拥塞，同时提高传输可靠性。靠度；否则减少源节点发送速率，以降低网络拥塞，同时提高传输可靠性。5.5 无线传感器网络的典型传输协议

34、无线传感器网络的典型传输协议5.5.1拥塞控制协议拥塞控制协议 防止网络拥塞的产生或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现象。防止网络拥塞的产生或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现象。1.基于基于速率速率分配的拥塞分配的拥塞避免避免（1）CCF协议协议 一种基于多对一一种基于多对一树状传输结构树状传输结构自上而下分配速率的拥塞避免协议。要求所自上而下分配速率的拥塞避免协议。要求所以子节点的发送速率总和不超过其父节点的发送速率，从而避免父节点的缓存以子节点的发送速率总和不超过其父节点的发送速率，从而避免父节点的缓存溢出。溢出。 该协议要求每个节点估算自己的平均上行发送速率，并将该速率平均分配该协议要求每

35、个节点估算自己的平均上行发送速率，并将该速率平均分配给自己下游子树上的节点，节点在自身的实际平均发送速率和父节点分配的发给自己下游子树上的节点，节点在自身的实际平均发送速率和父节点分配的发送速率之间选择较小的值作为实际发送速率，并将这一决定发送给自己的子节送速率之间选择较小的值作为实际发送速率，并将这一决定发送给自己的子节点供其调节速率。点供其调节速率。（2）Flush协议协议 一种适用于一种适用于直线拓扑直线拓扑的拥塞避免协议。该协议的设计目标主要针对的拥塞避免协议。该协议的设计目标主要针对单信道单信道无线多跳网络传输中可能导致拥塞的两个问题：无线多跳网络传输中可能导致拥塞的两个问题：相邻无

36、线链路的相邻无线链路的传输干扰问题传输干扰问题和和节点间速率不匹配产生的缓存溢出问题。节点间速率不匹配产生的缓存溢出问题。 每个节点只有在不干扰其他节点间通信、同时也不受其他节点通信每个节点只有在不干扰其他节点间通信、同时也不受其他节点通信干扰的情况下才允许发送数据，并且一个节点的发送速率不得超过其前干扰的情况下才允许发送数据，并且一个节点的发送速率不得超过其前向路径上节点的发送速率。向路径上节点的发送速率。 基于上述要求和直线型拓扑特性，每个节点可以在不发生传输碰撞基于上述要求和直线型拓扑特性，每个节点可以在不发生传输碰撞的前提下，确定自己的最优数据发送间隔和发送速率，从而有效提升网的前提下

37、，确定自己的最优数据发送间隔和发送速率，从而有效提升网络的额吞吐量络的额吞吐量 特点：特点：方案简单，但应用范围有限，仅适合直线拓扑，并且网络中方案简单，但应用范围有限，仅适合直线拓扑，并且网络中同一时间内只能有一个数据流。同一时间内只能有一个数据流。2.基于传输控制的拥塞基于传输控制的拥塞避免避免（1）CALB协议协议 基于轻量级节点基于轻量级节点缓存缓存状态管理的拥塞避免协议。该协议要求节点在发送数状态管理的拥塞避免协议。该协议要求节点在发送数据时将自己剩余缓存空间信息据时将自己剩余缓存空间信息捎带捎带在数据包头中。所以，节点在监听相邻节在数据包头中。所以，节点在监听相邻节点发送的数据包获

38、知其剩余缓存空间。发送节点仅在接收节点缓存不满时才点发送的数据包获知其剩余缓存空间。发送节点仅在接收节点缓存不满时才可以向其发送数据，以避免接收节点赢缓存溢出造成的丢包。可以向其发送数据，以避免接收节点赢缓存溢出造成的丢包。 仅仅依赖接收节点仅仅依赖接收节点“缓存是否已满缓存是否已满”来作为发送节点是否应该发送数据来作为发送节点是否应该发送数据的单一标准是不够的。的单一标准是不够的。 “缓存已经快满缓存已经快满”说明拥塞正在发生，而说明拥塞正在发生，而隐终端隐终端的存的存在也可能造成发送节点获知的接收节点缓存状态信息已经在也可能造成发送节点获知的接收节点缓存状态信息已经过时过时。因此。因此CA

39、LB协协议提出将节点发送数据包中携带的剩余缓存空间值设置为实际剩余的议提出将节点发送数据包中携带的剩余缓存空间值设置为实际剩余的1/6，从，从而较好地避免缓存溢出的问题。而较好地避免缓存溢出的问题。（2）CRA协议协议 一种结合一种结合多路径路由多路径路由的拥塞避免协议。该协议定义每个节点的下游节点的拥塞避免协议。该协议定义每个节点的下游节点数与其上游节点数的比值为该节点的特征比率（数与其上游节点数的比值为该节点的特征比率（CR）。根据特征比率的大小、）。根据特征比率的大小、自己及上下游节点的缓存队列长度等信息，来调节节点的数据发送速率，进自己及上下游节点的缓存队列长度等信息，来调节节点的数据

40、发送速率，进而达到避免网络拥塞的目的。而达到避免网络拥塞的目的。CR1:公平排队，轮流向每个下游节点公平排队，轮流向每个下游节点转发数据转发数据CR=1:检测下游节点的缓存占用情况，检测下游节点的缓存占用情况，在不引起拥塞的情况下，向下游转发数在不引起拥塞的情况下，向下游转发数据据CR1：意味着当前节点的上游节点多：意味着当前节点的上游节点多余下游节点，若当前缓存将满，则需要余下游节点，若当前缓存将满，则需要通知上游节点降低发送速率通知上游节点降低发送速率3.基于速率控制的拥塞基于速率控制的拥塞控制控制（1）CODA协议协议 一种基于速率控制的拥塞控制协议。在一种基于速率控制的拥塞控制协议。在

41、CODA协议中，拥塞检测采用协议中，拥塞检测采用信道采样信道采样和和缓存占用率检测缓存占用率检测两种方法，拥塞通知采用开环拥塞消息后压法两种方法，拥塞通知采用开环拥塞消息后压法和汇聚节点端到端反馈和汇聚节点端到端反馈ACK通知两种方式。拥塞缓解采用本地丢包、转发通知两种方式。拥塞缓解采用本地丢包、转发速率控制以及闭环多源速率控制机制。速率控制以及闭环多源速率控制机制。 在数据传输过程中，接收节点结合信道负载和本地缓存占用率检测拥在数据传输过程中，接收节点结合信道负载和本地缓存占用率检测拥塞状况判断是否发生了拥塞。若节点检测到拥塞，则通过后压方式逐跳向塞状况判断是否发生了拥塞。若节点检测到拥塞，

42、则通过后压方式逐跳向上游节点传递拥塞指示。接受到后压消息的节点根据本地策略进行拥塞缓上游节点传递拥塞指示。接受到后压消息的节点根据本地策略进行拥塞缓解，如丢弃分组、根据解，如丢弃分组、根据AIMD机制来调节发送窗口等，并根据本地网络状态机制来调节发送窗口等，并根据本地网络状态决定是否继续转发后压消息。决定是否继续转发后压消息。 CODE 协议还采用闭环方式调节数据源速率，由汇聚节点周期性地向协议还采用闭环方式调节数据源速率，由汇聚节点周期性地向全网反馈全网反馈ACK消息。当源速率低于某一门限值时源节点自动提高速率；当消息。当源速率低于某一门限值时源节点自动提高速率；当超过某一门限值时，源节点需

43、要根据超过某一门限值时，源节点需要根据ACK情况进行速率调整，若源节点收情况进行速率调整，若源节点收到到ACK消息则维持速率不变，否则降低速率。消息则维持速率不变，否则降低速率。（2）Fusion协议协议 一种基于速率控制的逐跳拥塞控制协议，该协议采用一种基于速率控制的逐跳拥塞控制协议，该协议采用缓存占用率检缓存占用率检测测+信道采样信道采样判断是否发生拥塞，当缓存占用率或信道采样负载超过给定判断是否发生拥塞，当缓存占用率或信道采样负载超过给定的门限值时，使用隐式拥塞通告，即在数据包头中设置拥塞位为的门限值时，使用隐式拥塞通告，即在数据包头中设置拥塞位为1。拥塞。拥塞缓解则采用转发速率控制的方

44、法：缓解则采用转发速率控制的方法： 1.当节点监听到父节点的拥塞位为当节点监听到父节点的拥塞位为1时，停止转发数据时，停止转发数据 2.通过令牌桶方式限制转发速率。每个传感器节点通过信道监听，通过令牌桶方式限制转发速率。每个传感器节点通过信道监听，估测通过其父节点转发的源节点的总数（记为估测通过其父节点转发的源节点的总数（记为N）；每监听到父节点发送）；每监听到父节点发送了了N个数据包可获得一个令牌。当节点令牌大于个数据包可获得一个令牌。当节点令牌大于0时才允许发送数据包，时才允许发送数据包，一个数据包消耗一个令牌。一个数据包消耗一个令牌。 同时为了让拥塞指示信息可以优先传输，同时为了让拥塞指

45、示信息可以优先传输， Fusion协议采用有优先级协议采用有优先级的的MAC协议，即拥塞的节点优先访问无线媒体，以快速传播拥塞指示信协议，即拥塞的节点优先访问无线媒体，以快速传播拥塞指示信息。当节点检测到拥塞时，其随机退避窗口设为非拥塞节点退避窗口的息。当节点检测到拥塞时，其随机退避窗口设为非拥塞节点退避窗口的1/4(3)SenTCP协议协议 一种基于速率控制的开环一种基于速率控制的开环逐跳方式逐跳方式拥塞控制协议。该协议中拥塞检测采用拥塞控制协议。该协议中拥塞检测采用拥塞度检测和缓存占用率检测相结合的方法，其中拥塞度由包间隔时间和包服拥塞度检测和缓存占用率检测相结合的方法，其中拥塞度由包间隔

46、时间和包服务时间计算得到。务时间计算得到。 在数据传输过程中，当节点检测到拥塞后，沿数据传输方向反向逐跳反馈在数据传输过程中，当节点检测到拥塞后，沿数据传输方向反向逐跳反馈拥塞指示消息，信息中携带了本地拥塞度拥塞指示消息，信息中携带了本地拥塞度Cd和缓存占用率和缓存占用率Br。 当当Br超过最大门限值超过最大门限值Bmax时，中间节点每收到一个数据包就反馈一次拥时，中间节点每收到一个数据包就反馈一次拥塞指示消息；否则节点会维护一个定时器，只有在塞指示消息；否则节点会维护一个定时器，只有在定时器超时定时器超时、 Br落入落入Bmin,Bmax 区间区间和和该周期内有新的数据包到达该周期内有新的数

47、据包到达3个条件同时满足时，节点才个条件同时满足时，节点才反馈拥塞指示消息。拥塞指示消息广播给所有相邻节点，收到该消息的上游节反馈拥塞指示消息。拥塞指示消息广播给所有相邻节点，收到该消息的上游节点和相邻节点根据指示消息调节自身转发速率，调节的比例系数为拥塞度的倒点和相邻节点根据指示消息调节自身转发速率，调节的比例系数为拥塞度的倒数，即数，即1/Cd4.基于流量控制的拥塞基于流量控制的拥塞控制控制（1）ARC协议协议 基于自适应流量控制的拥塞控制协议，该协议通过引入冗余节点实现基于自适应流量控制的拥塞控制协议，该协议通过引入冗余节点实现多多路径分流路径分流，以缓解网络中发生的拥塞程度。为了节约能

48、量，冗余节点采用休，以缓解网络中发生的拥塞程度。为了节约能量，冗余节点采用休眠机制，根据周围节点的拥塞程度设置休眠时间，从而为多路径分流做好准眠机制，根据周围节点的拥塞程度设置休眠时间，从而为多路径分流做好准备。备。 每个数据包头重携带拥塞度参数，从路径上游向下游传输。在数据传输每个数据包头重携带拥塞度参数，从路径上游向下游传输。在数据传输过程中，当检测到网络发生拥塞后，第一个拥塞度低于一定门限值的节点将过程中，当检测到网络发生拥塞后，第一个拥塞度低于一定门限值的节点将发起多路径建立请求，向上游寻找第一个未拥塞节点进行分流，分流节点利发起多路径建立请求，向上游寻找第一个未拥塞节点进行分流，分流

49、节点利用冗余节点建立绕开拥塞区域的多跳路径。汇聚节点根据数据包中的信息判用冗余节点建立绕开拥塞区域的多跳路径。汇聚节点根据数据包中的信息判断拥塞缓解后，通知分流节点解除分流，仍然按照原先最优路径传输。断拥塞缓解后，通知分流节点解除分流，仍然按照原先最优路径传输。CAR协议协议类似类似ARC协议，当发生拥塞时，协议，当发生拥塞时，低优先级的数据流走其他路径绕过拥塞低优先级的数据流走其他路径绕过拥塞区域，保证高优先级数据流的传输质量。区域，保证高优先级数据流的传输质量。适用于实时传呼。适用于实时传呼。（2）Siphon协议协议 基于分层网络结构的拥塞控制协议。通过增加基于分层网络结构的拥塞控制协议

50、。通过增加虚拟汇聚节点虚拟汇聚节点进行分流。进行分流。 在网络中部署少量具有多模无线通信能力的传感器节点作为虚拟在网络中部署少量具有多模无线通信能力的传感器节点作为虚拟sink节点，每个虚拟节点，每个虚拟sink节点使用基于节点使用基于IEEE 802.11的的无线通信方式与无线通信方式与实际实际sink节点通信，使用节点通信，使用无线通信方式与附近的传感器节点进行通无线通信方式与附近的传感器节点进行通信。因此，整个网路可以看成两层网络组成。信。因此，整个网路可以看成两层网络组成。虚拟虚拟sink节点：使用信道采样和缓存占用率检测拥塞节点：使用信道采样和缓存占用率检测拥塞实际实际sink节点：

51、使用数据逼真度检测拥塞节点：使用数据逼真度检测拥塞 在发生拥塞时，传感器节点将通过重定向方式把数据传输给附近的虚在发生拥塞时，传感器节点将通过重定向方式把数据传输给附近的虚拟拟sink节点，虚拟节点，虚拟sink节点启动长距离通信模块与实际节点启动长距离通信模块与实际sink节点进行通信节点进行通信转发，对网络流量进行分流。次级网络使用基于碰撞的归一化位差错率作转发，对网络流量进行分流。次级网络使用基于碰撞的归一化位差错率作为拥塞指示，并可与为拥塞指示，并可与CODA，Fusion等协议结合使用进行拥塞控制。若等协议结合使用进行拥塞控制。若主网络和次网络都发生拥塞，主网络和次网络都发生拥塞，C

52、ODA或或Fusion中的拥塞控制机制将被触中的拥塞控制机制将被触发。发。 Siphon协议通过构建包含主网络和次网络的双层网络，提供了更好的协议通过构建包含主网络和次网络的双层网络，提供了更好的拥塞恢复能力，其不足之处在于需要增加额外的硬件设备，且虚拟拥塞恢复能力，其不足之处在于需要增加额外的硬件设备，且虚拟sink节节点的部署情况也会直接影响协议性能。点的部署情况也会直接影响协议性能。（3）BGR协议协议 是一种结合是一种结合地理信息和多路径路由地理信息和多路径路由的拥塞控制协议，的拥塞控制协议， 该协议采用节该协议采用节点缓存占用率和信道采样进行拥塞控制，采用的拥塞控制方法有：点缓存占用

53、率和信道采样进行拥塞控制，采用的拥塞控制方法有：网内包扩散网内包扩散 选择在拥塞节点附近直接分流，适合缓解短暂的拥塞选择在拥塞节点附近直接分流，适合缓解短暂的拥塞端到端包扩散端到端包扩散 从数据源端就开始在指定方向范围内随机选择下一跳相邻节点进行分从数据源端就开始在指定方向范围内随机选择下一跳相邻节点进行分流转发，适合于缓解长时间的拥塞。流转发，适合于缓解长时间的拥塞。 该协议实现简单，但随机转发不能保证拥塞缓解的效果，甚至可能加该协议实现简单，但随机转发不能保证拥塞缓解的效果，甚至可能加重拥塞程度。重拥塞程度。（4）TADR协议协议 一种支持拥塞控制的路由协议，该协议采用一种支持拥塞控制的路

54、由协议，该协议采用作为拥塞指标，并引作为拥塞指标，并引入了物理场中势能的概念，即在网络中构造一个综合深度（可以取距离汇聚节入了物理场中势能的概念，即在网络中构造一个综合深度（可以取距离汇聚节点的最小跳数作为节点的深度值）和归一化队列长度的混合势能场，节点沿势点的最小跳数作为节点的深度值）和归一化队列长度的混合势能场，节点沿势能最陡的方向选择下一跳。能最陡的方向选择下一跳。 该协议实际上是在深度和拥塞之间建立一个折中：无拥塞时，节点按最短该协议实际上是在深度和拥塞之间建立一个折中：无拥塞时，节点按最短路径路由发送数据；当队列过长，出现拥塞时，数据就会绕行其他路径，避开路径路由发送数据；当队列过长

55、，出现拥塞时，数据就会绕行其他路径，避开拥塞区域。拥塞区域。 TADR协议开销小，适合大规模密集部署的无线传感器网络。协议开销小，适合大规模密集部署的无线传感器网络。5.基于数据处理的拥塞基于数据处理的拥塞控制控制（1）CONCERT协议协议 是一种通过是一种通过减少网络中传输的数据量来减轻拥塞的拥减少网络中传输的数据量来减轻拥塞的拥塞控制塞控制 。该协议采用节点缓存占用率和信道采样两种方法进行拥塞检测。该协议采用节点缓存占用率和信道采样两种方法进行拥塞检测。数据融合节点根据汇聚节点规定的融合函数对数据进行融合，并尽可能数据融合节点根据汇聚节点规定的融合函数对数据进行融合，并尽可能保证检测数据

56、的可信度，同时，根据自己的拥塞程度调节数据融合度。保证检测数据的可信度，同时，根据自己的拥塞程度调节数据融合度。为降低数据融合的时间开销，为降低数据融合的时间开销， CONCERT协议要求仅在预测可能发生拥协议要求仅在预测可能发生拥塞区域部署融合节点。对于难以预测是否将会发生拥塞的区域，可部署塞区域部署融合节点。对于难以预测是否将会发生拥塞的区域，可部署移动融合节点。移动融合节点。（2）PREI协议协议 一种基于数据处理的无线传感器网络拥塞控制协议。一种基于数据处理的无线传感器网络拥塞控制协议。 PREI协议定义了协议定义了，其设计目标是最大化可靠度指数。，其设计目标是最大化可靠度指数。 PR

57、EI协议将网络划分为多个互不交叠的协议将网络划分为多个互不交叠的，每个网格中有一个融合节，每个网格中有一个融合节点负责汇聚数据并计算这些数据的中位数。若某传感器节点的数据与中位数点负责汇聚数据并计算这些数据的中位数。若某传感器节点的数据与中位数差异超过给定门限，则融合节点去除该节点的数据并认为该节点异常。若一差异超过给定门限，则融合节点去除该节点的数据并认为该节点异常。若一个网格内的正常节点超过半数，融合节点计算正常节点数据的平均值，并认个网格内的正常节点超过半数，融合节点计算正常节点数据的平均值，并认为该融合结果是可靠的。为该融合结果是可靠的。 相邻网格的数据可再次融合，以进一步减少传输的数

58、据量。相邻网格的数据可再次融合，以进一步减少传输的数据量。 PREI协议协议通过多级数据融合降低网络内部的数据量，从而能够有效降低网络发生拥塞通过多级数据融合降低网络内部的数据量，从而能够有效降低网络发生拥塞的概率，然而的概率，然而PREI协议采用的融合模型比较简单，使用范围较窄。协议采用的融合模型比较简单，使用范围较窄。5.5.2 可靠传输协议可靠传输协议 可靠传输协议的作用是保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输可靠传输协议的作用是保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输到汇聚节点，向用户提供可靠的数据传输服务。可靠传输协议可以采用丢包到汇聚节点，向用户提供可靠的数据传输服务。可

59、靠传输协议可以采用丢包恢复、冗余传输和速率控制等基本机制来实现。恢复、冗余传输和速率控制等基本机制来实现。 包括包括基于数据包的可靠传输协议基于数据包的可靠传输协议、基于数据块的可靠传输协议基于数据块的可靠传输协议和和基于数据基于数据流的可靠传输协议流的可靠传输协议。1.基于基于数据包数据包的可靠传输协议的可靠传输协议采用基于重传的丢包恢复和多路径冗余传输等机制来实现采用基于重传的丢包恢复和多路径冗余传输等机制来实现（1）ReInForM协议协议 一种利用一种利用冗余传输来提高可靠性的传输协议。在冗余传输来提高可靠性的传输协议。在ReInForM协议中，协议中，源节点发送数据包之前，首先需要根

60、据数据包的重要性确定预期的成功传送源节点发送数据包之前，首先需要根据数据包的重要性确定预期的成功传送率，然后确定需要发送的数据包复制数量和下一跳节点。复制数量率，然后确定需要发送的数据包复制数量和下一跳节点。复制数量P可以根可以根据本地估测的据本地估测的信道误码率信道误码率、源节点到汇聚节点的跳数源节点到汇聚节点的跳数和和预期的成功传送率预期的成功传送率计计算得到。算得到。 ReInForM协议的执行过程中，随机选择下一跳的方式可以在一定程度上协议的执行过程中，随机选择下一跳的方式可以在一定程度上平衡网络中节点的能量消耗，但也可能偶尔会造成路由环路。平衡网络中节点的能量消耗，但也可能偶尔会造成