高　菲

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院　寶雞　721000)

GAO Fei

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji　721000)

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一種改進的PSFQ可靠傳輸協(xié)議研究*

高菲

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院寶雞721000)

主要研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信通道傳輸可靠性的問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須采用相關(guān)的傳輸控制機制，以保證提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。在PSFQ協(xié)議的基礎(chǔ)上提出一種可靠傳輸協(xié)議BRT，實現(xiàn)了苯環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)送節(jié)點的動態(tài)選取，綜合了相關(guān)研究的優(yōu)點，實現(xiàn)傳輸層和路由層等多層融合控制，既實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，又對網(wǎng)絡(luò)的擁塞機制做了優(yōu)化，提高了通信通道的傳輸效率和傳輸質(zhì)量。通過實驗仿真證明，該協(xié)議具有較低的丟包率和傳輸時延，同時，網(wǎng)絡(luò)的通信能量消耗也較少，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。通過實現(xiàn)可靠的通道傳輸，為拜占庭故障檢測提供了保證。

通信通道; 傳輸可靠性; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 擁塞機制

GAO Fei

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji721000)

Class NumberTP393

1　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信通道易受環(huán)境、多徑衰落、傳輸距離等影響，存在嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象，信源產(chǎn)生的報文轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點需經(jīng)過多跳路由，路徑跳數(shù)越多可靠性也越低。因此，采用何種有效的傳輸機制保證網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸，減少通信能耗以及提高網(wǎng)絡(luò)利用率，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個關(guān)鍵問題。

2　PSFQ 協(xié)議

PSFQ協(xié)議是一種應(yīng)用廣泛的傳輸協(xié)議，假定數(shù)據(jù)流傳輸通常是允許丟失的，采用NACK的策略，即接收節(jié)點一旦發(fā)現(xiàn)有分組丟失出現(xiàn)時,就反饋NACK消息以重傳分組[1]。該協(xié)議是基于逐跳的錯誤恢復(fù)機制，通道的每一跳都進行錯誤檢查，以避免錯誤的指數(shù)增加而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失、通信質(zhì)量下降，該協(xié)議具有較好的容錯性及可擴展性[2]。PSFQ協(xié)議采用一種快取慢存的控制機制保證重發(fā)時間，使得丟失的數(shù)據(jù)報文能進行丟失重傳，節(jié)點以相對低的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并允許接受數(shù)據(jù)不完整的節(jié)點從相鄰節(jié)點重新獲取丟失的數(shù)據(jù)報文。數(shù)據(jù)通路中的每個中間節(jié)點負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的準(zhǔn)確性，減少錯誤分組的轉(zhuǎn)發(fā)?？烊÷婵刂茩C制能有效控制節(jié)點的報文緩存數(shù)據(jù)，提供低開銷的容錯服務(wù)[3]。但由于只采用基于NACK的反饋確認，PSFQ協(xié)議不能發(fā)現(xiàn)所有分組都丟失的情況，“放”操作速度較慢，增加了分組的傳輸延時，為了重傳分組，采用的逐跳的丟失恢復(fù)機制需要較大的緩存空間[4～5]。

3　改進的可靠傳輸協(xié)議BRT

本文的BRT協(xié)議采用基于PSFQ的可靠傳輸協(xié)議，實現(xiàn)逐跳檢測及NACK反饋機制。由于PSFQ協(xié)議的發(fā)送速率較低，增加了分組的時延，而且參與傳輸?shù)墓?jié)點沒有隨網(wǎng)絡(luò)的負載、擁塞變化而動態(tài)選取[6]。針對上述這些問題，BRT協(xié)議則動態(tài)調(diào)整節(jié)點的報告發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞造成丟包和分組數(shù)據(jù)傳輸時延；此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，傳感器讀數(shù)序列具有時間相關(guān)性，中間節(jié)點的緩存溢出情況就變得不那么重要，即允許一定程度的丟包發(fā)生[7～8]。

具體地說，在數(shù)據(jù)通信中，存在幾種節(jié)點，發(fā)送節(jié)點；逐跳傳輸時經(jīng)過的節(jié)點，稱之為中間節(jié)點；接收節(jié)點，一般為匯聚節(jié)點(Sink)，其中發(fā)送節(jié)點和中間節(jié)點既可能是苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的普通子節(jié)點，也可能是中心節(jié)點[9]。通過逐跳的反饋，中間節(jié)點可以為發(fā)送節(jié)點提供擁塞反饋信息，接收節(jié)點提供流控制和可靠性的反饋。

在上述協(xié)議基礎(chǔ)上，增加苯環(huán)結(jié)構(gòu)的預(yù)處理步驟。以苯環(huán)結(jié)構(gòu)為不可分割的最小單元，該單元共同檢測某一區(qū)域內(nèi)某一事件的發(fā)生或者某一區(qū)域內(nèi)傳感數(shù)值序列，中心節(jié)點預(yù)先做判斷，決定哪一個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，判讀的依據(jù)可以是當(dāng)前的節(jié)點能量剩余情況、節(jié)點故障與否、歷史信譽度以及地理位置的遠近。因此，苯環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了“虛擬多路徑”和“虛擬動態(tài)簇”，這樣選出的節(jié)點是當(dāng)前最優(yōu)的，通道質(zhì)量也較好。中心節(jié)點根據(jù)接收節(jié)點發(fā)送的NACK消息，決定重傳的節(jié)點。通道故障檢測基于序列號，隨后進行重傳等恢復(fù)操作。

BRT協(xié)議格式如表1所示：數(shù)據(jù)包采用固定長度，本文設(shè)置為128bit；苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的子節(jié)點位置(POS位)用3位二進制位表示；故障位(F位)表示節(jié)點故障情況，若是節(jié)點發(fā)生故障，則F位置1；設(shè)置重傳標(biāo)志位(T位)，若需要重傳，則將T位置1；發(fā)送速率位(R位)用1位二進制位表示，1或0值分別表示大于等于或者小于；能量位(ENERGY 位)表示當(dāng)前節(jié)點能量剩余情況；TYPE為消息類型，具體應(yīng)用消息類型可參見表1；B為保留位；并設(shè)置校驗和。

表1　BRT 協(xié)議格式

3.1下一跳發(fā)送節(jié)點的選取

下一跳發(fā)送節(jié)點的選取可依據(jù)式(1)

(1)

其中，α為發(fā)送系數(shù)，α值越大，則被選中作為發(fā)送節(jié)點的概率也就越大；l為節(jié)點到匯聚(Sink)節(jié)點的距離；L為苯環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)子節(jié)點到匯聚(sink)節(jié)點的最大距離；e為子節(jié)點的剩余能量；E為節(jié)點的初始能量；p為丟包率；R為(0,1)間的隨機數(shù)；Wd、We、Wp、Wr為距離、能量、丟包率及隨機值的權(quán)重，滿足式(2)

wd+we+wp+wr=1

(2)

通過調(diào)整取值可獲得不同的傳輸速度、能耗、通道質(zhì)量的負載平衡效果。中心節(jié)點在沒有發(fā)生故障的子節(jié)點中選取發(fā)送系數(shù)最大的節(jié)點作為下一跳的發(fā)送節(jié)點，若無合適的節(jié)點，默認采用中心節(jié)點。

3.2節(jié)點發(fā)送速率的動態(tài)調(diào)整

PSFQ協(xié)議的發(fā)送速率較慢，會引起較大傳輸時延，PORT 協(xié)議給出了解決的辦法，匯聚(Sink)節(jié)點獲取不同源節(jié)點的報告速率，根據(jù)緩沖區(qū)溢出情況、數(shù)據(jù)包分組的優(yōu)先級和通道能量消耗，采用最優(yōu)法計算出各源節(jié)點的期望報告速率，反饋給各源節(jié)點，這樣節(jié)點發(fā)送速率動態(tài)可調(diào)，避免分組的傳輸時延。

中間節(jié)點需要維持平均排隊延時和平均傳輸延時以反饋擁塞信息，接收節(jié)點確定流量控制和可靠性保證。若當(dāng)前可靠性較好，且報告速率大于發(fā)送速率，則增大發(fā)送速率；若報告速率小于發(fā)送速率，則減小發(fā)送速率。文獻[10]具體討論了發(fā)送速率的調(diào)整：

1) 當(dāng)報告速率R比實際的發(fā)送速率Ra小時，將實際發(fā)送速率置為報告速率，即Ra=R。

2) 當(dāng)報告速率R大于發(fā)送速率Ra時，發(fā)送速率需要緩慢增加，通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間間隔來獲得對速率的調(diào)整，增加的速率可表示為式(3)，即

(3)

每一個往返時間內(nèi)增量不超過一個數(shù)據(jù)包長度，因此發(fā)送速率調(diào)整為

R=min(Ra+RΔ,R)

(4)

3.3緩沖區(qū)設(shè)置

緩沖區(qū)溢出造成包丟失，可以動態(tài)調(diào)整源節(jié)點的發(fā)送速率，當(dāng)出現(xiàn)包丟失時，降低發(fā)送速率。緩沖區(qū)溢出時，源節(jié)點需重傳分組數(shù)據(jù)，而保持分組數(shù)據(jù)要占據(jù)一定緩存空間，由于傳感器讀數(shù)序列具有時間相關(guān)性，通過多優(yōu)先級的隊列可刪除時間戳最早的數(shù)據(jù)，盡量保留最新的數(shù)據(jù)[11]。

此外，對于事件驅(qū)動的應(yīng)用，緩沖區(qū)的大小可依據(jù)檢測事件的要求動態(tài)設(shè)置，因此緩沖區(qū)設(shè)置應(yīng)具有自適應(yīng)性。

4　仿真實驗

4.1實驗參數(shù)設(shè)置

本節(jié)建立OMNeT(OMNeT ++ version 1)實驗仿真環(huán)境，從丟包率、能量效率以及傳輸時延驗證可靠傳輸協(xié)議的性能以及網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制效果。部署的節(jié)點包括匯聚節(jié)點(Sink)、中心節(jié)點和普通子節(jié)點，仿真部署圖如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)仿真部署圖

4.2仿真結(jié)果分析

實驗(1)丟包率。實驗結(jié)果如圖2所示，橫軸表示網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，縱軸表示丟包率，分別考察不同節(jié)點故障率下的網(wǎng)絡(luò)平均丟包率。由圖2可見，由于采用了分布式的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對丟包率影響較小，多是由于無線信道的干擾、串音等引起丟包；而更多是由于節(jié)點故障率的增大而引起的丟包率增加。

實驗(2)能量效率。實驗結(jié)果如圖3所示，橫軸表示運行周期，縱軸表示剩余能量，分別考察不同節(jié)點故障率下的網(wǎng)絡(luò)能量效率。當(dāng)重傳增加時，會引起能量的較大消耗。

圖2　網(wǎng)絡(luò)丟包率

圖3　網(wǎng)絡(luò)能量消耗

實驗(3)平均傳輸時延。實驗結(jié)果如圖4所示，橫軸表示網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，縱軸表示平均傳輸時延，分別考察不同節(jié)點故障率下的網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時延。

圖4　網(wǎng)絡(luò)平均時延

實驗(4)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。通過調(diào)節(jié)節(jié)點發(fā)送速率，可改善網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制情況，實驗中設(shè)定節(jié)點處理轉(zhuǎn)發(fā)帶來的時延為 0.1s，當(dāng)排隊等待的時延超過 0.7s 時定為擁塞發(fā)生。實驗結(jié)果具體見圖5，圖5所示為圖1部署圖中節(jié)點ID為 N000A的節(jié)點在某段時間內(nèi)的擁塞控制情況，其中橫軸表示

運行時間，單位為s；縱軸表示發(fā)送速率，單位為

bit/s(實驗中可設(shè)定發(fā)送速率為kbps或者 mbps等單位進行仿真)。

圖5　網(wǎng)絡(luò)擁塞控制效果

實驗中可觀測的是平均隊列長度、平均隊列延時，通過上述實驗可知本節(jié)的可靠傳輸協(xié)議具有較好的能量效率和較小的丟包率。動態(tài)選擇發(fā)送節(jié)點，實現(xiàn)了路由層和傳輸層的協(xié)作控制，采用苯環(huán)結(jié)構(gòu)進行區(qū)域自治避免了節(jié)點的退出和加入帶來的效應(yīng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

5　結(jié)語

本文在通信通道的可靠傳輸中，主要實現(xiàn)了傳輸層與路由層的融合控制，中心節(jié)點進行預(yù)處理，選出最優(yōu)的下一跳的發(fā)送節(jié)點，利用了事件數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，實現(xiàn)了“虛擬多路徑”和“虛擬動態(tài)簇”，多路徑能有效避免單點失效。依靠節(jié)點調(diào)度策略構(gòu)成簇結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)具有較好的可靠性。網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制情況也得到有效監(jiān)控和調(diào)節(jié)，提高了網(wǎng)絡(luò)通信通道的利用率和傳輸效率。

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An Improved PSFQ Reliable Transport Protocol*

The communication channel transmission reliability of wireless sensor network (WSN) is mainly researched, a wireless sensor network must adopt related transmission control mechanism to ensure the quality of network transmission is improved. Based on PSFQ agreement a reliable transport protocol BRT is proposed, the sending node of the benzene ring structure dynamic selection is implemented, the advantages of related research are taken, the transport layer and the routing layer multi-layer fusion control is realized, not only the reliable transmission of data is realized, and the network congestion mechanism is optimized, the transmission efficiency and transmission quality of communication channel are improved. By experimental simulation, it is showed that the protocol has lower packet loss rate and the transmission delay, at the same time, the network of communication also take less energy consumption, the reliability of the network is improved. By implementing a reliable channel transmission, a guarantee is provided for the Byzantine fault detection.

communication channel, transmission reliability, wireless sensor network, congestion mechanism

2016年2月10日,

2016年3月24日

高菲,女,碩士研究生,研究方向：計算機教育。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.022