陳 昊

(中國勞動關系學院，北京 100044)

無線傳感網可靠傳輸協(xié)議分析

陳 昊

(中國勞動關系學院，北京 100044)

數(shù)據(jù)的可靠傳輸是無線傳感網廣泛應用的前提?，F(xiàn)有的無線傳感網可靠傳輸方案存在著局限，無法適用于所有的應用需求，研究針對無線傳感網的可靠傳輸關鍵技術具有實際的意義。

無線傳感網；可靠傳輸；關鍵技術

0 引言

數(shù)據(jù)是無線傳感網部署的目標，數(shù)據(jù)的可靠傳輸是保障應用需求的必要手段。Holger Karl在《Protocols and Architecture for Wireless Sensor Network》一書中認為數(shù)據(jù)可靠傳輸是保障無線網絡服務質量最重要的因素。相對于時延、吞吐量、信道利用率等，數(shù)據(jù)的可靠性在某些應用中更為重要。例如，在野生動物保護監(jiān)測系統(tǒng)中，長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)對于動物的生活習性研究和運動軌跡分析才是有意義的，因此，所有源節(jié)點感知并采集的數(shù)據(jù)必須被可靠地傳輸?shù)絼游锉Ｗo中心，以便動物保護人員對動物實施保護及研究。在大型土遺址保護監(jiān)測系統(tǒng)中，如陜西明長城，為評價其健康狀態(tài)并提供決策依據(jù)，所有感知到的數(shù)據(jù)必須被可靠地傳送到sink節(jié)點，為歷史遺跡的演進提供數(shù)據(jù)支持。此外，無線傳感網的預警系統(tǒng)、智能交通、軍事偵察等都需要數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

數(shù)據(jù)可靠傳輸是指源節(jié)點感知并采集到的數(shù)據(jù)應正確傳輸?shù)絪ink節(jié)點。無線傳感網采用無線通信方式，無線通信的競爭本質使得每個節(jié)點均基于自己的需求爭用無線信道，而每個節(jié)點僅有網絡的局部視圖。同時，無線傳感網是由事件驅動的，系統(tǒng)的通信負載不可預期。大多數(shù)時間節(jié)點處于輕負載狀態(tài)，一旦事件發(fā)生，周圍節(jié)點感知的數(shù)據(jù)量激增，甚至產生數(shù)據(jù)風暴，另一方面，無線傳感網資源受限。因此，數(shù)據(jù)沖突與網絡擁塞是無線傳感網的固有問題。在無線傳感網中，很多因素都會導致數(shù)據(jù)包的丟失，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ｋ[終端引起的數(shù)據(jù)碰撞、節(jié)點接入信道的退避策略不當、節(jié)點失效引發(fā)的路由中斷、傳輸策略的可靠性保障欠缺等都將導致數(shù)據(jù)包丟失，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘貌坏奖Ｕ稀Ｒ虼?，?shù)據(jù)的可靠傳輸機制亟待研究。

但是，現(xiàn)有的有線網絡和Ad Hoc網絡中的可靠傳輸協(xié)議無法直接應用于無線傳感網。傳統(tǒng)的有線網絡利用雙絞線、同軸電纜等實體傳輸介質通信，抗干擾能力強?？煽康挠芯€網絡通常采用TCP/IP協(xié)議，傳輸層使用了三次握手、滑動窗口、端到端重傳等機制保證數(shù)據(jù)包從源主機可靠地傳輸?shù)侥康闹鳈C。對于無線傳感網的特點和輕量級要求來說，端到端重傳最為消耗能量，極大地影響了數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)絪ink。無線傳感網利用紅外線技術或射頻技術取代網線，采用無線電技術實現(xiàn)網絡通信，因此易受周圍環(huán)境干擾、多徑衰減的影響，信道通信行為會隨時間和地理位置而變化，MAC層差錯控制對包一級的可靠性要求也隨時間變化。同時，基于競爭的信道接入技術會造成嚴重的數(shù)據(jù)包沖突，導致數(shù)據(jù)包的丟失，無法實現(xiàn)可靠傳輸。因而為固定網絡開發(fā)的協(xié)議無法很好的應用于無線鏈路中。

Ad Hoc網絡屬于無線網絡，它與無線傳感網的最大區(qū)別在于資源不同。接入Ad Hoc網絡中的設備能量可以更換和補充，而無線傳感網中傳感器節(jié)點采用電池供電，在惡劣以及人跡罕至的環(huán)境中的應用無法更換電池，因此面臨能量耗盡時節(jié)點失效的問題，網絡拓撲動態(tài)變化，嚴重時導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?，無法將節(jié)點的感知數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)侥康墓?jié)點。

2 研究現(xiàn)狀

同一份數(shù)據(jù)按照多條路徑同時傳輸以及單條路徑上重復傳輸同一份數(shù)據(jù)是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)闹饕椒╗1-4]。多路徑傳輸保障端到端數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，重傳則保障相鄰兩跳間的可靠性。然而，盡管多路徑傳輸魯棒性強，但消耗大量能量，而重傳增加了信道競爭，同時數(shù)據(jù)重復在單條路徑上傳輸，不利于能量均衡，擁塞發(fā)生時可能會加重這一情況。

由于無線傳感網低質量的無線信道，經常引起數(shù)據(jù)包丟失，因此必須保證數(shù)據(jù)包級的可靠傳輸?，F(xiàn)今使用的傳輸協(xié)議不能直接應用在無線傳感網上[5]，具體分析如下。

PSFQ[6]是第一個可靠的傳輸協(xié)議，其思路為數(shù)據(jù)逐跳傳輸，節(jié)點以較慢的速度將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱惶?，下一跳?jié)點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失后，立即向上一跳請求重傳。針對代碼更新應用，匯聚節(jié)點將更新程序發(fā)送到全網，節(jié)點收到完成的程序代碼后更新。PSFQ保證在惡劣環(huán)境中最小化丟失檢測和丟失數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)傳輸量。它是一種一對多下行數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸協(xié)議，但由于采用基于單純的NACK的確認機制，PSFQ協(xié)議不能發(fā)現(xiàn)所有分組都丟失的情況。RMST[7]是基于NACK機制的專注于解決可靠性的傳輸層控制協(xié)議。是在定向擴散路由基礎上，通過丟包逐跳重傳實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，是一種一對一可靠傳輸協(xié)議?；谂cPSFQ以及RMST相同的應用背景，Seung-Jong等人提出了sink向節(jié)點發(fā)布大塊數(shù)據(jù)時的可靠性要求[8]。文章指出NACK存在的一些問題，即當一個數(shù)據(jù)塊的所有包都丟失的情況下無法恢復數(shù)據(jù)。然后提出了一種新的機制，要求每個數(shù)據(jù)塊的第一個報文都必須以ACK的方式可靠地傳回所到節(jié)點，并在全網中選出一些核心（core）節(jié)點來執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復功能。HHR，HHRA，HHB，HHBA[6]是基于重傳的可靠性協(xié)議。從發(fā)送方考慮，為傳輸?shù)姆纸M規(guī)定一個期望傳遞概率，節(jié)點持續(xù)向下一跳節(jié)點發(fā)送多份數(shù)據(jù)副本。Banerjee和Misra研究了鏈路的不穩(wěn)定性對能耗的影響，并提出了一種基于單跳重傳的算法尋找最小能耗的路徑[9]。對于單跳重傳機制，可以直接基于Dijkstra[10]最短路徑算法計算能耗最小的路徑。QunfengDong等人將MAC層的ARQ重傳機制與端到端重傳結合在一起，基于Dijkstra算法提出了兩個集中式的最小能耗可靠路由算法BAMER和GAMER[11]。他們首先就單純的端到端的方法提出了BAMER算法以及加入單跳重傳后的GAMER算法，最后又提出了一種性能接近集中式的分布式的算法DAMER，為可靠數(shù)據(jù)傳輸構建能耗最小的重傳路徑。DTC[12]從吞吐量和能量使用效率出發(fā)，引入一種分布式TCP緩存機制，使用局部緩存和局部重傳機制來代替代價昂貴的端到端重傳。TSS[13]對DTC的分布式緩存策略進行改進，只有發(fā)送的數(shù)據(jù)包被成功確認才轉發(fā)下一個數(shù)據(jù)包，減少了數(shù)據(jù)包、端到端、ACK的發(fā)送數(shù)量，提高了網絡性能。文獻[14]是加州大學網絡實驗室的徐寧等人對橋梁結構健康監(jiān)測的實驗，使用一個被稱為Wisden（無線傳感器的結構響應數(shù)據(jù)采集網絡）的系統(tǒng)。Wisden實現(xiàn)了在應用層使用NACK機制的混合逐跳和端到端兩種方式進行傳輸可靠性保證的方案，然而卻極大的犧牲了緩存空間和通信效率。這些協(xié)議主要是利用重傳提高可靠性，并沒有考慮到擁塞控制。STCP[8]是兼有擁塞控制和可靠傳輸?shù)膮f(xié)議。STCP是一類端到端的傳輸協(xié)議，它的新穎之處在于利用應用中的多樣性來提供可靠性傳輸和控制，例如，對于產生連續(xù)數(shù)據(jù)流的應用，STCP用基于NACK的端到端重傳方式；對于事件驅動的應用，采用基于ACK的端到端重傳方式。

綜上所述，低質量的無線信道是數(shù)據(jù)可靠傳輸面臨的主要問題。但現(xiàn)有的關于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ蠙C制沒有綜合考慮網絡各層次與可靠傳輸之間的關系，通過對已有研究成果的分析、研究，信道準入策略、可靠路由策略、流量控制和傳輸策略與無線傳感網的可靠傳輸密切相關，可以從MAC 層、路由層和傳輸層對數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)挠绊懭胧?，解決無線傳感網無線信道不可靠問題，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 面臨的挑戰(zhàn)

無線傳感網常被部署于野外或人跡罕至區(qū)域，資源問題、無線通信本質、純分布特征及其動態(tài)變化的拓撲結構使得數(shù)據(jù)可靠傳輸面臨巨大的挑戰(zhàn)，具體有以下幾個方面：

（1）無法采用集中控制模式

有線網絡采用集中控制模式，網絡中的任一客戶端都具有唯一的地址，中心控制節(jié)點與其它節(jié)點構成主從關系，便于統(tǒng)一控制和管理，穩(wěn)定性和可靠性好。而無線傳感網是純分布式網絡，網絡中各節(jié)點地位對等，不存在中心控制節(jié)點，因此無法進行統(tǒng)一管理。節(jié)點僅有其鄰居節(jié)點信息，網絡拓撲難以獲取且動態(tài)變化，導致可靠的路由協(xié)議及傳輸控制算法的設計亦采用分布模式。故不能集中控制是無線傳感網的可靠傳輸機制設計時面臨的第一大挑戰(zhàn)。

（2）實時的網絡狀態(tài)不可用

節(jié)點因能源耗盡而失效導致的拓撲變化，通信負載及周圍環(huán)境的影響使得鏈路的通信質量實時變化，數(shù)據(jù)干擾等諸多因素使得整個網絡呈現(xiàn)高度的動態(tài)性。 因此，跳級的網絡狀態(tài)參數(shù)和路徑級的網絡狀態(tài)參數(shù)均實時變化，而可靠的傳輸策略設計需要基于實時的網絡狀態(tài)。故實時的網絡狀態(tài)不可用是無線傳感網的可靠傳輸機制設計時面臨的第二大挑戰(zhàn)。

（3）節(jié)點資源有限

由于可再生供電能源成本過高，不適合大規(guī)模部署的應用需求，因而大多數(shù)無線傳感器節(jié)點采用電池供電，從而能量非常有限。而接收錯誤的數(shù)據(jù)、信道爭用引發(fā)的數(shù)據(jù)碰撞、隱藏終端和暴露終端等問題嚴重消耗了能量，由能量耗盡引起的節(jié)點失效將導致網絡分割，感知數(shù)據(jù)無法到達sink，嚴重影響數(shù)據(jù)可靠傳輸。因此，在可靠機制設計的各個階段都需要考慮能量要素。比如MAC層的能量主要浪費在空閑監(jiān)聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等，網絡層要確保轉發(fā)路徑的合理與高效，傳輸層減少數(shù)據(jù)的重傳等[15]。故能源有效性是無線傳感網的可靠傳輸機制設計時面臨的第三大挑戰(zhàn)。

（4）協(xié)議和算法需要具備自適應性

無線傳感網是由事件驅動的，一般情況下，多數(shù)節(jié)點處于靜默狀態(tài)，通信負載極小。事件頻發(fā)期，多數(shù)節(jié)點處于活躍狀態(tài)，感知并產生的數(shù)據(jù)遠超出系統(tǒng)的負載能力。如何利用無線傳感網的有限資源為不同的通信負載提供可靠傳輸，是無線傳感網的可靠傳輸機制設計時面臨的第四大挑戰(zhàn)。

（5）無線通信的本質

無線傳感網采用無線通信技術，每個節(jié)點基于自己的數(shù)據(jù)傳輸需求競爭無線信道，每個節(jié)點僅有網絡的局部視圖，無法獲取鄰居節(jié)點之外的其它節(jié)點狀態(tài)，更別提網絡的全局狀態(tài)，因此，數(shù)據(jù)包沖突乃至網絡擁塞是無線傳感網的固有問題。如何克服無線通信的缺點是無線傳感網的可靠傳輸機制設計時面臨的第五大挑戰(zhàn)。

無線傳感器網的可靠性主要包括三方面的內容：可靠數(shù)據(jù)傳輸問題、覆蓋和部署問題、信息精確度問題。數(shù)據(jù)的可靠傳輸是可靠性的根本問題。

4 小結

綜上所述，數(shù)據(jù)的可靠傳輸是無線傳感網廣泛應用的前提。通信負載的不可預期性，網絡拓撲的動態(tài)性、節(jié)點資源的極度受限性等使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ厦媾R巨大的挑戰(zhàn)。而現(xiàn)有的無線傳感網可靠傳輸方案存在著局限，無法適用于所有的應用需求，研究針對無線傳感網的可靠傳輸關鍵技術具有實際的意義。

[1] Zhang H, Arora A, Choi Y, et al. Reliable bursty convergecast in wireless sensor networks[J]. Computer Communications, 2007, 30(13): 2560-2576.

[2] Ganesan D, Govindan R, Shenker S, et al. Highly-resilient, energy-efficient multipath routing in wireless sensor networks[J]. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 2001, 5(4): 11-25.

[3] Intanagonwiwat C, Govindan R, Estrin D. Directed diffusion: a scalable and robust communication paradigm for sensor networks[C]//Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computing and networking. ACM, 2000: 56-67.

[4] Deb B, Bhatnagar S, Nath B. ReInForM: Reliable information forwarding using multiple paths in sensor networks[C]//Local Computer Networks, 2003. LCN'03. Proceedings. 28th Annual IEEE International Conference on. IEEE, 2003: 406-415.

[5] Iyer Y G, Gandham S, Venkatesan S. STCP: a generic transport layer protocol for wireless sensor networks[C]// Computer Communications and Networks, 2005. ICCCN 2005. Proceedings. 14th International Conference on. IEEE, 2005: 449-454.

[6] Wan C Y, Campbell A T, Krishnamurthy L. PSFQ: a reliable transport protocol for wireless sensor networks[C]//Proceedingsof the 1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications. ACM, 2002: 1-11.

[7] Stann F, Heidemann J. RMST: Reliable data transport in sensor networks[C]//Sensor Network Protocols and Applications, 2003. Proceedings of the First IEEE. 2003 IEEE International Workshop on. IEEE, 2003: 102-112.

[8] Park S J, Vedantham R, Sivakumar R, et al. A scalable approach for reliable downstream data delivery in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 5th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing. ACM, 2004: 78-89.

[9] Banerjee S, Misra A. Minimum energy paths for reliable communication in multi-hop wireless networks[C]//Proceedings of the 3rd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing. ACM, 2002: 146-156.

[10] Leiserson C E, Rivest R L, Stein C. Introduction to algorithms[M]. The MIT press, 2001.

[11] Dong Q, Banerjee S, Adler M, et al. Minimum energy reliable paths using unreliable wireless links[C]//Proceedings of the 6th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing. ACM, 2005: 449-459.

[12] Dunkels A, Alonso J, Voigt T, et al. Distributed TCP caching for wireless sensor networks[J]. SICS Research Report, 2004. [13] Braun T, Voigt T, Dunkels A. Energy-efficient TCP operation in wireless sensor networks[J]. Praxis der Information sverarbeitung und Kommunikation, 2005, 28(2): 93-100.

[14] Xu N, Rangwala S, Chintalapudi K K, et al. A wireless sensor network for structural monitoring[C]//Proceedings of the 2nd international conference on embedded networked sensor systems. ACM, 2004: 13-24.

[15] 智能無線傳感網原理與應用, 吳成東, 科學出版社, 2011年12月, 56-57.

Reliable Transport Protocol Analysis of Wireless Sensor Networks

CHEN Hao
(China Institute of Industrial Relations, Beijing)

Reliable data transmission is a prerequisite for the widespread application of wireless sensor networks. The existing wireless sensor network reliable transmission protocol has limitations, can not be applied to all application requirements. So it is meaningful to study the key technology of reliable transmission for wireless sensor networks.

Wireless sensor network; Reliable transmission; Key technologies

TP212.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.10.013

陳昊，女，副教授，博士，主研方向：無線傳感器網絡。

本文著錄格式：陳昊. 無線傳感網可靠傳輸協(xié)議分析[J]. 軟件，2016，37（10）：55-58