无线传感器网络课件

Chapter8:传输层传统传输层协议概述传输层功能-位于应用层与网络层之间，为终端主机提供端到端的连接；-可靠性（由序列号和确认技术实现）、流量控制（由窗口机制实现）、支持全双工传输等。Internet传输层协议有两种：-TCP和UDP。虽然TCP和UDP都使用相同的网络层协议IP,但是他们却为应用层提供完全不同的服务。TCP协议-重传机制-带重传功能的肯定确认（Positvieacknowledgewithretransmission）-接收方正确收到数据后发ACK；-发送方备份每个发出分组，在送出分组的同时启动一个定时器，如果超时且没有收到ACK，重发分组；在发送下一分组前要收到ACK.TCP协议-滑动窗口-带重传的肯定确认机制的更复杂变形；-它允许发送方在等待一个确认信息之前可以发送多个分组；-滑动窗口协议在分组序列中放置一个固定长度的窗口，然后将窗口内的所有分组都发送出去；当发送方收到对窗口内第一个分组的确认信息时，它可以向后滑动并发送下一个分组；随着确认的不断到达，窗口也在不断地向后滑动。WSN传输协议-新的协议已有协议不适合？Why？-首先，TCP和UDP是基于IP地址的协议，而在无线传感网中无IP；-其次，TCP协议面向连接，在发送数据之前，必须先建立连接；而在WSN中，数据分组很短，建立连接的过程会带来较大开销。UDP是无连接的协议，不提供可靠性保证。-再次，TCP认为所有分段的丢失均由拥塞引起，且分段丢失将触发基于窗口的流量控制与拥塞控制；而在WSN中，比特错误或节点故障也会导致分组丢失，若采用TCP机制来降低传输速率，系统的吞吐量会大受影响。-第四，TCP与UDP均为一对一的通信模式；而WSN采用多对一的通信模式；-最后，TCP采用端到端的拥塞控制方法。当拥塞发生时，端到端的方法需要很长的响应时间，且导致大量分段的丢失。TCP采用端到端的ACK和重传以保证可靠性。因此，发送方在每次数据传输后都需要等待ACK，故TCP将导致更低的吞吐量和更大的时延。WSN的传输协议分类拥塞控制协议可靠传输协议多路复用协议8.1WSN传输层面临的挑战端到端的通信方式应用相关性能量消耗非对称执行路由/寻址受限传输层协议概览WSN传输协议概览--分类按照数据流传输方向-Sink-to-Sensor（下行）

数据流从Sink传输到传感器节点PSFQ协议和GARUDA协议-Sensor-to-Sink（上行）

数据流从传感器节点传输到SinkRMST、ESRT、PORT、STCP、RBC协议按照可靠性定义-分组可靠性

绝对可靠性要求数据在传输过程中不能丢失PSFQ协议-事件可靠性

相对可靠性则可以容忍一定程度上的数据丢失ESRT、PORT和STCP协议WSN可靠性传输协议可靠传输的含义

通常，每个消息均需进行可靠传输WSN中，感知信息存在冗余，关注事件信息的可靠性影响可靠传输的因素

传统有线网络：缓存溢出，处理能力限制等；WSN：节点间无线通信质量不稳定，导致高的分组丢失率，影响可靠传输。WSN有两种基本的可靠传输机制

-丢失恢复

-发送速率调整。

WSN可靠性传输协议丢失恢复-丢失恢复过程：丢失检测与丢失重传

丢失检测：常采用基于序列号的方法，当发现失序时，表明分组丢失

丢失重传：常采用基于ACK和基于NACK两种策略。-丢失恢复方式

逐跳方式：在一跳范围内进行丢失恢复；

端到端方式：在源节点与目的节点间进行丢失恢复。

WSN可靠性传输协议发送速率调整-为了达到应用要求的保真度，Sink需要收到一定数目的分组。在满足应用保真度的情况下，可以容忍少量分组的丢失，而不需要每个分组都无丢失地传输。-若当前保真度低于期望保真度时，通过提高节点发送速率可弥补少量数据的丢失，达到期望保真度，从而实现数据的可靠传输。8.2RMSTWSN中最早运用的传输层协议之一，利用网络内的高速缓存并且为事件传输中产生的数据包提供端到端的可靠传输。RMST同属于可靠传输协议与多路复用协议。RMST依赖源节点与汇聚节点间特定路径的定向扩散路由机制。若节点失效，定向扩散会改变发送数据包的路由。采用跨层优化设计，综合考虑MAC层、传输层与应用层。RMST协议的工作模式工作模式-缓存模式

对应于逐跳的可靠传输

源节点到Sink的传输路径上的每个节点都需要维护缓存，并参与分组丢失检测。

-非缓存模式

对应于端到端的可靠传输只有源节点与Sink需要维护缓存，中间节点不需要维护缓存，分组的丢失检测由Ssink负责RMST无缓存模式下的差错恢复（a）数据包丢失（b）丢包检测（c）NACK（d）重传RMST缓存模式下的差错恢复（a）数据包丢失（b）丢包检测（c）传输NACK到上一跳（d）重传RMST协议—评价RMST可提供Sensor-to-Sink的逐跳与端到端的可靠传输，但不能保证分组的顺序到达，也不能提供实时保证。RMST依赖于定向扩散路由协议。RMST采用跨层优化思想，为高丢包率的WSN提供可靠性保证。RMST在MAC层有选择性地使用ARQ，即对于基于单播的数据与控制分组采用ARQ协议，对于基于广播的路径发现分组不采用ARQ机制；在传输层，采用NACK的确认机制。RMST采用NACK确认机制，在缓存模式下中间节点由于存储容量的限制可能出现缓冲区溢出。8.3PSFQ(PumpSlowly,FetchQuickly)PSFQ是一种下行通信的数据块可靠传输协议。可靠性是关注点。设计目标

基于WSN中传感器节点重编程应用而提出的协议，保证每个节点都能够收到来自Sink的全部分组。基本思想

将一个消息分组分割成多个短分组；逐跳进行可靠传输基本过程：在逐跳传输分组时，上一跳节点以较慢的速率发送分组，下一跳节点发送分组丢失后，立即向上一跳节点请求重传。三种操作-Pump-Fetch-ReportPSFQ传输协议-Pump操作Sink每Tmin时间广播一个分组，直到所有分组都发送出去；节点每收到一个分组就检查自己的缓冲区，丢弃重复分组；若该分组为新分组，则把分组存储在缓存中，并把TTL减1。若TTL非0且此分组序列号前的分组都已收到，则延迟随机时间t后转发此分组（Tmin<t<Tmax）。PSFQ传输协议-fetch操作当接收节点出现序列号空缺-接收节点向上一跳节点发送NACK-接收节点在未收到重传分组时将不转发任何分组-若一直没有收到重传分组，每Tr时间发送一次NACK，Tr<Tmax-NACK只在一跳范围内传播PSFQ传输协议-Report操作目的-当Sink需要了解目标节点的状态信息时，“report”操作可以用来向Sink节点反馈数据传输的状态信息；-作为反馈/监视机制操作-只有最后一跳的节点对Sink发送的汇报请求进行立即响应；-其他节点把自己的状态信息捎带在汇报分组中；-若汇报分组中没有空间，节点将新创建一个分组。PSFQ传输协议-评价目的

-用于重编程WSN传感器节点的可靠传输协议主要思想-发送节点以较慢的速率传输消息分组；接收节点再发现分组丢失时，立即向上一跳节点请求重传。存在问题-由于采用基于单纯NACK的确认机制，PSFQ协议不能发现所有分组都丢失的情况；-“pump”操作速度较慢，增加分组的传输时延，也浪费了带宽；-为了重传分组，逐跳的丢失恢复机制需要较大的缓存空间。8.4CODA协议拥塞检测与避免协议CODA的目标是检测与避免WSN中的拥塞，将缓存器的占用情况与信道负载情况联合，作为拥塞指标。三种拥塞情形：-信源节点附近的拥塞-暂时的热点-持续的热点三种机制：-基于接收机的拥塞检测机制-向信源节点发送信号告知拥塞的开环逐跳背压机制-针对持续大规模拥塞情况的闭环多信源管理机制CODA的开环逐跳背压机制（a）拥塞监测（b）背压信息传输（c）重路由CODA的闭环多信源管理机制（a）若传感器节点的速率超过阈值，则进入闭环控制（b）每接收到n个数据包，Sink回复一个ACK。CODA协议-评价CODA协议联合缓存器的占用情况与信道负载情况，作为拥塞指标；CODA协议不仅缓解了WSN中的本地拥塞，还解决了端到端的拥塞；CODA协议通过避免拥塞来提高网络性能；CODA协议没有解决可靠性问题。CODA协议中闭环多信源管理机制引起了在网络数据流量高时的额外时延。8.5ESRT:Event-to-SinkReliableTransportESRT协议基于事件到Sink的可靠性概念，且提供无任何中间缓存需要的可靠事件检测。ESRT协议既处理WSN中的可靠性问题，有处理拥塞问题。WSN中，关于某一事件的多个传感器节点的综合信息比从每个节点发送的独立信息更重要。ESRT协议主要应用于Sink，对资源受限的传感器节点要求较少。ESRT协议ESRT协议可靠性检测-观察的事件可靠性&期望的事件可靠性-低可靠性与高可靠性-由Sink执行，根据决定间隔内接收到的数据包数量，确定网络运行在低可靠性还是高可靠性区域。拥塞检测-由每个传感器节点执行-监视每个节点的本地缓存水平ESRT协议速率更新策略（NC,LR）-->增加节点上报频率（NC,HR）-->降低节点上报频率（C,HR）-->加速递减节点上报频率（C,LR）-->指数递减节点上报频率（OOR）-->节点上报频率不变ESRT协议-评价ESRT协