楊麗圓 張旭陽

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種基于分布式的并由許多傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成，節(jié)點使用無線通信技術(shù)以自組織和多跳的方式的網(wǎng)絡(luò)。由于無線通信鏈路受環(huán)境影響較大且資源有限，和實時變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于提供安全可靠傳輸帶來極大挑戰(zhàn)。本文通過對現(xiàn)有幾種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的比較研究，總結(jié)了關(guān)于擁塞控制機制和可靠傳輸協(xié)議的特點。對近些年改進協(xié)議的分析比較，指出未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 可靠傳輸 擁塞控制

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等在各個領(lǐng)域都實現(xiàn)了自身價值，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為各大高校研究的熱點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把通信、傳感器、信息分布式處理技術(shù)、嵌入式等技術(shù)進行了融合，一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)、接收發(fā)送器匯聚節(jié)點和任務(wù)管理節(jié)點等組成。把傳感器節(jié)點隨機放在需要監(jiān)測的區(qū)域范圍內(nèi)，各節(jié)點通過協(xié)作進行實時監(jiān)測并感知目標(biāo)區(qū)域內(nèi)對象的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在環(huán)境惡劣的條件下獲取更多目標(biāo)對象的信息，然后進行處理和存儲，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如：國防軍事、健康管理、氣候監(jiān)測、道路交通、工業(yè)控制等等。

1 傳輸協(xié)議研究現(xiàn)狀

由于對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全性的要求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要有端到端可靠數(shù)據(jù)傳輸功能。 傳統(tǒng)Internet主要使用 OSI 參考模型中的 UDP 和 TCP 協(xié)議來控制數(shù)據(jù)傳輸。其中UDP 是無連接的， 不提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；而TCP 則是面向連接的端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 利用滑動窗口機制進行數(shù)據(jù)擁塞控制。但是由于傳感器節(jié)點在計算能力、數(shù)據(jù)處理、信息存儲等方面的限制，傳統(tǒng)的 TCP 協(xié)議不能直接應(yīng)用于現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要側(cè)重于兩個方面，一個是網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，另一個是數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2 擁塞控制協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞主要分為兩種，其中一種是無線節(jié)點擁塞，這種擁塞是由于傳感器節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組的大小超出該節(jié)點自身的能力范圍，緩存隊列發(fā)生溢出，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組丟失和網(wǎng)絡(luò)排隊延時增加。另一種是無線鏈路擁塞，由于無線信道是共享的，當(dāng)多個傳感器節(jié)點共同競爭使用同一個信道時會產(chǎn)生訪問沖突，并引發(fā)無線鏈路擁塞，使鏈路利用率降低。無論是以上哪種擁塞，都會嚴(yán)重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸性能以及網(wǎng)絡(luò)能量消耗，因此需要及時避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，有利于鏈路利用率的提高。下面對幾個典型控制協(xié)議進行了研究，分析其優(yōu)缺點以及需要改進的方向。

SenTCP[1]是擁塞控制協(xié)議其中的一種，采用開環(huán)、多跳的傳輸控制方式。該協(xié)議由三個方面組成：擁塞度的計算、發(fā)送反饋信號、對接收的反饋信號進行及時處理。通過平均傳輸時間和平均處理時間對每一個中間節(jié)點，進行擁塞度的估計。SenTCP采取逐跳的擁塞控制，這種方式得到的反饋消息可以減少擁塞的發(fā)生從而降低數(shù)據(jù)包丟包率，使傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗降低并在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但是沒有數(shù)據(jù)丟失后進行恢復(fù)的機制。

ESRT是一種基于速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議。該協(xié)議通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性和網(wǎng)絡(luò)能耗的綜合考慮，對節(jié)點報告速率的適當(dāng)調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)擁塞得到減少的同時提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)能量的節(jié)約。該協(xié)議的缺點是需要網(wǎng)關(guān)對整個網(wǎng)絡(luò)進行覆蓋，對所有傳感器節(jié)點采用統(tǒng)一的調(diào)整，對突發(fā)情況不能很好的應(yīng)對。

Buffer-based協(xié)議是一種基于緩沖隊列管理的輕量級控制機制。傳感器節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時把自身緩存區(qū)使用情況通過數(shù)據(jù)包包頭攜帶發(fā)送出去，所有的鄰居節(jié)點都能得到該節(jié)點的消息。當(dāng)節(jié)點向下傳輸數(shù)據(jù)時，都需要對相鄰節(jié)點隊列緩存區(qū)進行檢查，看是否發(fā)生溢出情況，如果發(fā)生溢出，立刻停止數(shù)據(jù)包的發(fā)送，直到監(jiān)聽到該節(jié)點緩存隊列為未滿狀態(tài)時，才進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。改協(xié)議很大程度上減小了網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，提高了鏈路利用率，但是當(dāng)數(shù)據(jù)量激增時，會增加排隊時延。

3 可靠傳輸協(xié)議

可靠傳輸協(xié)議用來保證傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點感知的有效數(shù)據(jù)能夠有序、無丟失和無差錯的傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，向用戶提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。接下來對以下幾個協(xié)議分別進行介紹。

PSFQ協(xié)議[2]一種點到點逐跳的差錯恢復(fù)機制，數(shù)據(jù)確認(rèn)使用NACK。有三個步驟：傾注、提取、報告。該協(xié)議基本做法是在逐跳傳輸數(shù)據(jù)分組時，發(fā)送節(jié)點以較慢的速度發(fā)送數(shù)據(jù)分組，當(dāng)接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組丟失后，迅速報告給發(fā)送節(jié)點，并請求重傳數(shù)據(jù)分組。該協(xié)議要求節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r一直處于“蘇醒”狀態(tài)偵聽信道， 耗能較大；未考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，把數(shù)據(jù)分組丟失歸為無線信道錯誤引起的。

RMST是可靠傳輸協(xié)議一種，該協(xié)議以定向擴散路由協(xié)議為基礎(chǔ)。通過對傳感器節(jié)點進行配置，使其有兩種模式，一種是緩存模式，它對應(yīng)于逐跳的數(shù)據(jù)傳輸，從信源到信宿節(jié)點的鏈路上的每個節(jié)點都要進行緩存維護，并且還需要參與數(shù)據(jù)分組的丟失檢測。另一種是非緩存模式，只有信源和信宿兩個節(jié)點需要進行維護緩存，其他節(jié)點都不需要，而對于數(shù)據(jù)分組丟失的檢測是由信宿節(jié)點進行。但是協(xié)議沒有擁塞控制機制，也沒有明確的確認(rèn)機制，不能保證數(shù)據(jù)分組順序到達。

由于傳統(tǒng)的Internet的TCP協(xié)議采用滑動窗口確認(rèn)模式，需要緩存已發(fā)送的數(shù)據(jù)分組，等收到接收方的確認(rèn)消息時，窗口向前移動，發(fā)送節(jié)點要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組不能超過窗口的大小，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。而RBC協(xié)議對此進行了改進，采用多個不同優(yōu)先級隊列管理機制，對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組和未得到確認(rèn)的分組進行管理，使用無窗口確認(rèn)模式和無序分組轉(zhuǎn)發(fā)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外，RBC定義了動態(tài)的重傳定時器，減少了不必要的重傳，同時對共享信道進行了改進，區(qū)分信道爭用方的優(yōu)先級，減少信道爭用沖突。但是該協(xié)議還是存在一些缺點，傳感器節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)聽信道和對數(shù)據(jù)包進行處理時開銷較大，而且隊列結(jié)構(gòu)復(fù)雜不好實現(xiàn)。

BRTM協(xié)議是針對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不同數(shù)據(jù)發(fā)送方對數(shù)據(jù)流安全性的不同要求，提出的雙向可靠傳輸協(xié)議。由于節(jié)點和互聯(lián)網(wǎng)之間進行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)節(jié)點給互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送收集到的對象信息時，數(shù)據(jù)包的冗余度比較高，但是對于可靠性要求較低，網(wǎng)關(guān)只對其中數(shù)據(jù)變化較大的一些數(shù)據(jù)包使用ACK進行確認(rèn)；而當(dāng)網(wǎng)關(guān)給節(jié)點發(fā)送查詢的數(shù)據(jù)包時，對可靠性要求較高，所以網(wǎng)關(guān)通過在自己發(fā)送的數(shù)據(jù)包包頭加入特殊標(biāo)識，使節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)包時知道其傳輸界限，并使用NACK反饋確認(rèn)消息。由于BRTM使用端到端的控制方式，嚴(yán)重影響了傳輸效率，因此在這方面需要改進。

4 結(jié)論

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)資源非常有限，要適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境條件，目前傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不適用。通過對現(xiàn)有一些改進協(xié)議的研究，雖然在一些方面對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進行了提高，但是只是針對一些特定的條件，不能完全適用于其他環(huán)境。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，各種新的傳輸控制協(xié)議不斷被提出，越來越能夠適應(yīng)各種環(huán)境。但是在研究的過程中，要注意各種條件的綜合考慮，把好的協(xié)議進行一定融合，像擁塞控制、可靠傳輸、數(shù)據(jù)恢復(fù)，重傳機制等方面，得到最優(yōu)方案。目前的研究成果甚少 ，大多不夠統(tǒng)一、系統(tǒng)和完整 ，實際中存在很大差距，大量問題尚待發(fā)現(xiàn)和解決。

參考文獻

[1] 邱赟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究[J] Signal Process&System; ，2007.

[2] 朱曉娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究綜述[J] 計算機科學(xué) ，2013.