第5章-無線傳感器網絡的傳輸協議-鄭軍

1、第5章 無線傳感器網絡的傳輸協議,運行在傳輸層的網絡協議，主要作用是利用下層提供的服務向上層提供端到端的可靠、透明的數據傳輸服務。因此，傳輸協議需要支持擁塞控制和差錯控制等功能，以提高數據傳輸的可靠性和網絡的服務質量。同時傳輸協議的設計必須考慮網絡的能量效率，以延長網絡的生存事件。 許多WSN應用要求傳感器網絡必須具備可靠地端到端的數據傳輸功能，雖然高效的MAC協議和路由協議能夠在一定程度上緩解網絡擁塞的發(fā)生，但仍不夠，為

2、了提高數據傳輸的可靠性和網絡的服務質量，需要采用有效的傳輸協議來進一步避免或減輕網絡中的擁塞現象。,傳輸層是是最靠近用戶數據的一層，主要負責在源和目標之間提供可靠的、性價比合理的數據傳輸功能。為了實現傳輸層對上層透明，可靠的數據傳輸服務，傳輸層主要研究端到端的流量控制和擁塞的避免，保證數據能夠有效無差錯地傳輸到目的節(jié)點。傳統(tǒng)的IP主要采用TCP協議（傳輸控制協議），也有的使用UDP協議(用戶數據報協議) ，其中UDP采用的是無連接的傳

3、輸，雖然能夠保證網絡的實時性，時延非常小，但其數據丟包率較高，不能保證數據可靠傳輸，不適用于無線傳感器網絡。 TCP協議提供的是端到端的可靠數據傳輸，采用重傳機制來確保數據被無誤地傳輸到目的節(jié)點。,5.1無線傳感器網絡傳輸層協議概述,由于無線傳感器網絡自身的特點，TCP協議不能直接用于無線傳感器網絡，原因如下：TCP協議提供的是端到端的可靠信息傳輸，而WSN中存在大量的冗余信息，要求節(jié)點能夠對接收到的數據包進行簡單的處理。TCP協議

4、采用的三次握手機制，而且WSN中節(jié)點的動態(tài)性強，TCP沒有相對應的處理機制。TCP協議的可靠性要求很高，而WSN中只要求目的節(jié)點接收到源節(jié)點發(fā)送的事件，可以有一定的數據包丟失或者刪除。TCP協議中采用的ACK反饋機制，這個過程中需要經歷所有的中間節(jié)點，時延非常高且能量消耗也特別大；而WSN中對時延的要求比較高，能量也非常有限。對于擁塞控制的WSN協議來說，有時非擁塞丟包是比較正常的，但是在TCP協議中，非擁塞的丟包會引起源端進入擁

5、塞控制階段，從而降低網絡的性能。最后一點也最重要，在TCP協議中，每個節(jié)點都被要求有一個獨一無二的IP地址，而在大規(guī)模的無線傳感器網絡中基本上不可能實現的，也是沒有必要的。,5.1.1 無線傳感器網絡傳輸協議的特點,無線Ad Hoc網絡是與無線傳感器網絡最類似的一類網絡，其傳輸協議也不能直接用于無線傳感器網絡，原因如下：無線傳感器網絡規(guī)模較大，一般大規(guī)模部署節(jié)點，其節(jié)點數可能達到無線Ad Hoc網絡的幾十倍甚至幾千倍。傳感器節(jié)點

6、的計算能力和能量存儲有限，遠小于無線Ad Hoc網絡節(jié)點。無線Ad Hoc網絡的任務是保證移動借點之間的互聯，允許用戶動態(tài)的移動、加入或離開，較多使用對等通信方式（P-to-P）；而無線傳感網則以數據為中心，以感知數據及監(jiān)測為主要任務，主要采用多對一的傳輸模式。,2.無線傳感器網絡傳輸協議的特點,（1）節(jié)能優(yōu)先（2）多對一傳輸模式 上行匯聚傳輸：擁塞控制和差錯控制，實現可靠傳輸 下行傳輸：保

7、證指令或查詢消息能可靠傳達（3）以數據為中心（4）應用相關性強,5.1.2 無線傳感器網絡傳輸協議的分類,根據功能劃分為擁塞控制協議、可靠傳輸協議、擁塞控制和可靠傳輸混合協議三類。,1）擁塞控制協議 用于防止網絡擁塞的產生，或緩解和消除網絡中已經發(fā)生的擁塞現象，根據控制機制可分為：面向擁塞避免的協議 通過速率分配或傳輸控制等方法來避免在局部或全網范圍內出現數據流量超過網絡傳輸能力而造成擁塞的局面。面向

8、擁塞消除的協議 在網絡發(fā)生擁塞后通過采用速率控制、丟包等方法來緩解擁塞，并進一步消除擁塞,2）可靠傳輸協議 用于保證傳感器數據能夠有序、無丟失、無差錯地傳輸到匯聚節(jié)點，向用戶提供可靠的數據傳輸服務。根據傳輸數據單位，可分為：基于數據包的可靠傳輸 保證單個數據包傳輸的可靠性基于數據塊的可靠傳輸 用于網絡指令分發(fā)等需要大量數據的場合基于數據流的可靠傳輸

9、 周期性數據采用匯報適用于數據流的可靠傳輸,還可以分為基于數據的可靠傳輸和基于任務的可靠傳輸（WSN特用的）,5.2無線傳感器網絡傳輸協議設計,1.設計目標能量效率、傳輸可靠性（數據，任務）、可擴展性、自適應性、服務質量、公平性,2.技術挑戰(zhàn)如何再滿足可靠傳輸和服務質量的情況下盡量降低能耗、減少使用的存儲空間是一個技術挑戰(zhàn)解決局部或全網擁塞控制和能量消耗不均在不同的性能要求中實現最佳的平衡是一個技術難點,5.3無線傳感器網絡

10、的擁塞控制基本機制,擁塞控制的目標是避免擁塞或及時檢測并緩解網絡中出現的擁塞現象，擁塞控制的設計需要考慮以下幾方面：能量有效性 擁塞控制的開銷盡量小，以節(jié)省能耗，同時避免因控制開銷加劇擁塞的程度實時性 能夠及時地檢測到網絡的擁塞狀況，并且能夠在網路發(fā)生用賽后短時間內緩解擁塞，避免擁塞進一步加劇公平性 保證所有需要發(fā)送的節(jié)點都有機會發(fā)送數據，保證傳輸的公平性面向應用 擁塞控制可以采用

11、丟棄過時數據包或調整數據源匯報速率的方法實現，這些方法的引入會一定程度上影響到感知任務的質量，擁塞控制的設計應滿足應用基本要求為前提 擁塞控制可分為擁塞避免和擁塞消除兩種機制,5.3.1擁塞避免機制,通過速率分配和傳輸控制等方法來避免在局部或全網范圍內出現擁塞。,1.速率分配 對網絡中各個節(jié)點的傳輸率進行合理的分配和嚴格的限制來避免擁塞的產生。要求網絡中節(jié)點能夠很好地協調與合作。

12、 理想狀況下，合理控制各個節(jié)點的傳輸速率能夠有效地避免擁塞和丟包，提高網絡的吞吐量、傳輸可靠性和其他服務質量指標。但是，考慮到網絡的拓撲、數據準確性、服務質量要求以及無線信道的共享特性等因素，很難實現全網最優(yōu)的分布式速率分配。,2.傳輸控制 節(jié)點根據網絡參數（節(jié)點緩存狀態(tài)、網絡拓撲等）決定是否轉發(fā)數據或確定轉發(fā)速率，以避免擁塞的發(fā)生。 基于緩存狀態(tài)的傳輸控制主要解決如何避免網絡擁塞時的緩存溢出問題，采用該控制

13、機制，發(fā)送節(jié)點僅在接受節(jié)點的緩存由足夠的剩余接收空間時才向其發(fā)送數據，避免了接收節(jié)點因緩存溢出而造成的丟包。合理設置剩余空間的門限值是這種機制需要解決的關鍵問題。,5.3.2 擁塞消除機制,由于網絡的動態(tài)性和應用的多樣性等原因，完全避免擁塞時不現實的，傳輸協議需要解決的問題是在擁塞發(fā)生后消除擁塞。擁塞消除由擁塞檢測、擁塞通知和擁塞緩解3個功能構成,1.擁塞檢測（1）基于緩沖區(qū)占用率的檢測 傳感器節(jié)點檢測自己緩沖區(qū)的占用情

14、況，當數據包接收速率大于發(fā)送速率，緩沖區(qū)堆積到一定程度且超過某一限值時，預測擁塞即將發(fā)生。 不準確：當數據包重傳達到最大次數后，節(jié)點將丟失該數據包，此時緩沖區(qū)占用率可能下降，而信道擁塞狀況未緩解,（2）基于信道采樣的檢測 傳感器節(jié)點周期性地進行信道采樣，以監(jiān)測信道占用程度，評估信道負載狀況。若信道長時間處于繁忙狀態(tài)，任務發(fā)生擁塞。 這種方法會消耗額外的能量進行信道檢測，需要解決如何在盡可能減少開

15、銷的情況下準確檢測擁塞是否發(fā)生,（3）基于包間隔和包服務時間的檢測 傳感器節(jié)點可以根據從相鄰節(jié)點收到的數據包到達的時間間隔以及數據包從到達緩存區(qū)到被發(fā)送出去的服務時間來判斷是否發(fā)生擁塞。若到達時間間隔或服務時間過長則認為發(fā)生擁塞,（4）基于丟包率的檢測 傳感器節(jié)點可以根據丟包的次數或頻度判斷網絡是否發(fā)生擁塞。檢測功能只在數據包被緩存或丟棄時觸發(fā)。？擁塞并非丟包的唯一原因。,（5）基于負載強度的檢測（綜合性好）

16、 負載強度是綜合考慮節(jié)點的流量負載情況、信道競爭狀況以及所有相鄰節(jié)點的本地流量信息計算出的一個綜合性的度量值。當負載強度超過一定門限時，則認為發(fā)生擁塞。,（3）基于數據逼真度的檢測 通常由匯聚節(jié)點執(zhí)行檢測，通過檢查收集到的感知數據的準確度來判斷是否擁塞,2.擁塞通知 當傳感器節(jié)點檢測到擁塞后，需將擁塞狀態(tài)通知給相關節(jié)點。可分為（1）顯式通知 直接以控制包的形式通知擁塞信息（

17、2）隱式通知 用數據包捎帶擁塞信息，并由相關節(jié)點偵聽信道獲得。,3.擁塞緩解 擁塞緩解是擁塞消除的重要部分，其性能對擁塞消除的效果有很大影響?？梢苑譃橐韵聨追N機制：,（1）速率控制 通過調節(jié)源節(jié)點數據產生速率或中間節(jié)點轉發(fā)速率來緩解擁塞。源節(jié)點速率控制：由目的節(jié)點根據接收數據的情況反饋給所有源節(jié)點控制信息，來指示這些源節(jié)點如何調節(jié)發(fā)送速率轉發(fā)節(jié)點速率控制：逐跳調整，節(jié)點根據相鄰節(jié)點的擁塞

18、通知調整轉發(fā)速率,注：網絡發(fā)生擁塞時，速率控制是最常用的擁塞緩解機制，大部分傳輸協議都會采用速率控制機制,（2）流量調度 通過繞路、分流或則重定向等方式來減少擁塞區(qū)域的數據流，以緩解擁塞。通?？膳c多路徑路由協議相結合，路由協議可預先確定備用路徑或是在擁塞發(fā)生后快速生成備用路徑。 網絡正常工作狀態(tài)，節(jié)點按照主路徑路由數據。當擁塞發(fā)生后，節(jié)點可快速啟用備用路徑，緩解主路徑上的擁塞。,（3）數據處理

19、 傳感器節(jié)點通過對數據進行丟棄、壓縮或融合來減少數據量。 由于WSN中存在大量冗余和相關性，只要傳送到匯聚節(jié)點的信息滿足應用要求，節(jié)點即可以丟棄冗余數據。該方式是WSN中特有的擁塞控制方式,5.4 無線傳感器網絡的可靠傳輸基本機制,可靠傳輸的主要作用是解決傳輸過程中的數據包丟失問題，保證目的節(jié)點能夠獲得完整有效的數據信息或能夠準確地還原出原始事件狀態(tài)從而完成感知任務。為避免或減少丟包造成的影響，傳輸協議可以采用丟包恢復、冗

20、余傳輸和速率控制等基本機制來實現可靠傳輸。,5.4.1 丟包恢復機制,在發(fā)生丟包的情況下，丟包恢復機制銅鼓重傳數據包來實現數據的可靠傳輸。由丟包檢測和反饋與重傳恢復等功能組成。1.丟包檢測和反饋端到端檢測反饋：由目的節(jié)點負責檢測丟包并返回應答逐跳檢測反饋：由中間節(jié)點逐跳檢測并返回應答 丟包檢測最常用的方法是通過應答方式檢測，即接受節(jié)點根據收包情況返回應答，發(fā)送節(jié)點根據應答判斷是否需要重傳。,應答方式包括：（1）ACK

21、方式 接收節(jié)點每接受到一個數據包后返回一個ACK控制包，發(fā)送節(jié)點發(fā)送數據后維護一個定時器，在定時器超時前收到接收節(jié)點的ACK則確認該數據包成功傳輸，清除該包的緩存和定時；否則進行超時重傳。 對于每個數據包，接收節(jié)點都需要反饋一個ACK,負載較大，不適合數據量較小或信道質量良好的情況。（2）NACK方式 源節(jié)點在發(fā)送的數據包中添加序列號，緩存發(fā)送的數據包。目的節(jié)點通過檢測數據包序號的連續(xù)性判斷收

22、包情況。若目的節(jié)點正確收到數據包，則不反饋任何確認信息，若檢測到數據包丟失，則向源節(jié)點返回NACK包，并明確要求重發(fā)丟失的數據包。 NACK只針對少量丟失的數據包反饋，相比ACK方式減少了負載和能量消耗。缺點是源節(jié)點必須緩存所有發(fā)送數據，且目的節(jié)點必須知道首包和末包的序列號。若只有單個數據包傳輸或是首末包丟失，NACK不能保證可靠傳輸。,（3）IACK方式 發(fā)送節(jié)點發(fā)送數據包后緩存該包，監(jiān)聽接收節(jié)點的數據傳

23、輸，若監(jiān)聽到接收節(jié)點已將該數據包發(fā)給其下一跳節(jié)點，則認為傳輸成功并清除緩存。 IACK方式不需要控制開銷，負載最小，但只能在單跳范圍內使用，是一種逐跳檢測反饋機制。 IACK方式通常需要節(jié)點更多地偵聽信道，以防漏聽下一跳的轉發(fā)確認，并且IACK方式不適合路徑上最后一跳的傳輸確認，因為目的節(jié)點不需要繼續(xù)向下轉發(fā)數據。,2.重傳恢復 對應丟包檢測和反饋，重傳恢復也分為端到端重傳（恢復時間較長）和逐

24、跳重傳。需要解決的主要問題是最大重傳次數。,5.4.2 冗余傳輸機制,發(fā)送節(jié)點多次發(fā)送同一數據包，只要接收節(jié)點收到至少一個數據包即可。冗余傳輸也可采用多路徑方式，發(fā)送節(jié)點將數據包發(fā)送到多條路徑上進行傳輸以提高傳輸可靠性。利用路徑的空間不相關性來提高端到端數據傳送的成功率。 冗余傳輸機制消耗的網絡資源較多，并且存在傳送成功率與復制數量之間的折中關系。,5.4.3 速率控制機制,丟包恢復和冗余傳輸都是用來保證數據包或數據塊的

25、端到端傳輸可靠性，速率控制則適用于基于任務的可靠傳輸。這種機制可以在保證任務完成的前提下，調節(jié)源節(jié)點的數據速率，避免或緩解擁塞以更好地實現可靠傳輸。因此，基于速率控制的可靠傳輸機制通?？梢耘c擁塞控制機制聯合設計和考慮。 該機制中，匯聚節(jié)點根據一個周期內成功接收數據包的數量計算網絡的傳輸可靠性，同時也估測網絡的擁塞程度。 如果傳輸可靠度低于預計要求，則通知源節(jié)點調節(jié)發(fā)送速率以提高可靠度；否則減少源節(jié)點發(fā)送速率

26、，以降低網絡擁塞，同時提高傳輸可靠性。,5.5 無線傳感器網絡的典型傳輸協議5.5.1擁塞控制協議 防止網絡擁塞的產生或緩解和消除網絡中已經發(fā)生的擁塞現象。,1.基于速率分配的擁塞避免,（1）CCF協議 一種基于多對一樹狀傳輸結構自上而下分配速率的擁塞避免協議。要求所以子節(jié)點的發(fā)送速率總和不超過其父節(jié)點的發(fā)送速率，從而避免父節(jié)點的緩存溢出。 該協議要求每個節(jié)點估算自己的平均上行發(fā)送速率，

27、并將該速率平均分配給自己下游子樹上的節(jié)點，節(jié)點在自身的實際平均發(fā)送速率和父節(jié)點分配的發(fā)送速率之間選擇較小的值作為實際發(fā)送速率，并將這一決定發(fā)送給自己的子節(jié)點供其調節(jié)速率。,（2）Flush協議 一種適用于直線拓撲的擁塞避免協議。該協議的設計目標主要針對單信道無線多跳網絡傳輸中可能導致擁塞的兩個問題：相鄰無線鏈路的傳輸干擾問題和節(jié)點間速率不匹配產生的緩存溢出問題。 每個節(jié)點只有在不干擾其他節(jié)點間通信、同時

28、也不受其他節(jié)點通信干擾的情況下才允許發(fā)送數據，并且一個節(jié)點的發(fā)送速率不得超過其前向路徑上節(jié)點的發(fā)送速率。 基于上述要求和直線型拓撲特性，每個節(jié)點可以在不發(fā)生傳輸碰撞的前提下，確定自己的最優(yōu)數據發(fā)送間隔和發(fā)送速率，從而有效提升網絡的額吞吐量 特點：方案簡單，但應用范圍有限，僅適合直線拓撲，并且網絡中同一時間內只能有一個數據流。,2.基于傳輸控制的擁塞避免,（1）CALB協議 基于輕量級節(jié)點緩存

29、狀態(tài)管理的擁塞避免協議。該協議要求節(jié)點在發(fā)送數據時將自己剩余緩存空間信息捎帶在數據包頭中。所以，節(jié)點在監(jiān)聽相鄰節(jié)點發(fā)送的數據包獲知其剩余緩存空間。發(fā)送節(jié)點僅在接收節(jié)點緩存不滿時才可以向其發(fā)送數據，以避免接收節(jié)點贏緩存溢出造成的丟包。 僅僅依賴接收節(jié)點“緩存是否已滿”來作為發(fā)送節(jié)點是否應該發(fā)送數據的單一標準是不夠的。 “緩存已經快滿”說明擁塞正在發(fā)生，而隱終端的存在也可能造成發(fā)送節(jié)點獲知的接收節(jié)點緩存狀態(tài)信息已經過時。因此

30、CALB協議提出將節(jié)點發(fā)送數據包中攜帶的剩余緩存空間值設置為實際剩余的1/6，從而較好地避免緩存溢出的問題。,（2）CRA協議 一種結合多路徑路由的擁塞避免協議。該協議定義每個節(jié)點的下游節(jié)點數與其上游節(jié)點數的比值為該節(jié)點的特征比率（CR）。根據特征比率的大小、自己及上下游節(jié)點的緩存隊列長度等信息，來調節(jié)節(jié)點的數據發(fā)送速率，進而達到避免網絡擁塞的目的。,CR>1:公平排隊，輪流向每個下游節(jié)點轉發(fā)數據CR=1:檢測下

31、游節(jié)點的緩存占用情況，在不引起擁塞的情況下，向下游轉發(fā)數據CR<1：意味著當前節(jié)點的上游節(jié)點多余下游節(jié)點，若當前緩存將滿，則需要通知上游節(jié)點降低發(fā)送速率,注：源節(jié)點方向?上游 匯聚節(jié)點方向?下游,3.基于速率控制的擁塞控制,（1）CODA協議 一種基于速率控制的擁塞控制協議。在CODA協議中，擁塞檢測采用信道采樣和緩存占用率檢測兩種方法，擁塞通知采用開環(huán)擁塞消息后壓法和匯聚節(jié)點端

32、到端反饋ACK通知兩種方式。擁塞緩解采用本地丟包、轉發(fā)速率控制以及閉環(huán)多源速率控制機制。 在數據傳輸過程中，接收節(jié)點結合信道負載和本地緩存占用率檢測擁塞狀況判斷是否發(fā)生了擁塞。若節(jié)點檢測到擁塞，則通過后壓方式逐跳向上游節(jié)點傳遞擁塞指示。接受到后壓消息的節(jié)點根據本地策略進行擁塞緩解，如丟棄分組、根據AIMD機制來調節(jié)發(fā)送窗口等，并根據本地網絡狀態(tài)決定是否繼續(xù)轉發(fā)后壓消息。 CODE 協議還采用閉環(huán)方式調節(jié)數

33、據源速率，由匯聚節(jié)點周期性地向全網反饋ACK消息。當源速率低于某一門限值時源節(jié)點自動提高速率；當超過某一門限值時，源節(jié)點需要根據ACK情況進行速率調整，若源節(jié)點收到ACK消息則維持速率不變，否則降低速率。,注：開環(huán)控制：通過設計一個好的算法來避免擁塞發(fā)生 閉環(huán)控制：給予反饋機制，根據網絡的當前狀態(tài)來控制擁塞,（2）Fusion協議 一種基于速率控制的逐跳擁塞控制協議，該協議采用緩存占用率檢測+信道采樣判斷

34、是否發(fā)生擁塞，當緩存占用率或信道采樣負載超過給定的門限值時，使用隱式擁塞通告，即在數據包頭中設置擁塞位為1。擁塞緩解則采用轉發(fā)速率控制的方法： 1.當節(jié)點監(jiān)聽到父節(jié)點的擁塞位為1時，停止轉發(fā)數據 2.通過令牌桶方式限制轉發(fā)速率。每個傳感器節(jié)點通過信道監(jiān)聽，估測通過其父節(jié)點轉發(fā)的源節(jié)點的總數（記為N）；每監(jiān)聽到父節(jié)點發(fā)送了N個數據包可獲得一個令牌。當節(jié)點令牌大于0時才允許發(fā)送數據包，一個數據包消耗一個令牌。

35、 同時為了讓擁塞指示信息可以優(yōu)先傳輸， Fusion協議采用有優(yōu)先級的MAC協議，即擁塞的節(jié)點優(yōu)先訪問無線媒體，以快速傳播擁塞指示信息。當節(jié)點檢測到擁塞時，其隨機退避窗口設為非擁塞節(jié)點退避窗口的1/4,(3)SenTCP協議 一種基于速率控制的開環(huán)逐跳方式擁塞控制協議。該協議中擁塞檢測采用擁塞度檢測和緩存占用率檢測相結合的方法，其中擁塞度由包間隔時間和包服務時間計算得到。 在數據傳輸過程中，

36、當節(jié)點檢測到擁塞后，沿數據傳輸方向反向逐跳反饋擁塞指示消息，信息中攜帶了本地擁塞度Cd和緩存占用率Br。 當Br超過最大門限值Bmax時，中間節(jié)點每收到一個數據包就反饋一次擁塞指示消息；否則節(jié)點會維護一個定時器，只有在定時器超時、 Br落入[Bmin,Bmax] 區(qū)間和該周期內有新的數據包到達3個條件同時滿足時，節(jié)點才反饋擁塞指示消息。擁塞指示消息廣播給所有相鄰節(jié)點，收到該消息的上游節(jié)點和相鄰節(jié)點根據指示消息調節(jié)自身轉發(fā)速

37、率，調節(jié)的比例系數為擁塞度的倒數，即1/Cd,4.基于流量控制的擁塞控制,（1）ARC協議 基于自適應流量控制的擁塞控制協議，該協議通過引入冗余節(jié)點實現多路徑分流，以緩解網絡中發(fā)生的擁塞程度。為了節(jié)約能量，冗余節(jié)點采用休眠機制，根據周圍節(jié)點的擁塞程度設置休眠時間，從而為多路徑分流做好準備。 每個數據包頭重攜帶擁塞度參數，從路徑上游向下游傳輸。在數據傳輸過程中，當檢測到網絡發(fā)生擁塞后，第一個擁塞度低于一定門限

38、值的節(jié)點將發(fā)起多路徑建立請求，向上游尋找第一個未擁塞節(jié)點進行分流，分流節(jié)點利用冗余節(jié)點建立繞開擁塞區(qū)域的多跳路徑。匯聚節(jié)點根據數據包中的信息判斷擁塞緩解后，通知分流節(jié)點解除分流，仍然按照原先最優(yōu)路徑傳輸。,CAR協議類似ARC協議，當發(fā)生擁塞時，低優(yōu)先級的數據流走其他路徑繞過擁塞區(qū)域，保證高優(yōu)先級數據流的傳輸質量。適用于實時傳呼。,（2）Siphon協議 基于分層網絡結構的擁塞控制協議。通過增加虛擬匯聚節(jié)點進行分流。

39、 在網絡中部署少量具有多模無線通信能力的傳感器節(jié)點作為虛擬sink節(jié)點，每個虛擬sink節(jié)點使用基于IEEE 802.11的長距離無線通信方式與實際sink節(jié)點通信，使用短距離無線通信方式與附近的傳感器節(jié)點進行通信。因此，整個網路可以看成兩層網絡組成。虛擬sink節(jié)點：使用信道采樣和緩存占用率檢測擁塞實際sink節(jié)點：使用數據逼真度檢測擁塞 在發(fā)生擁塞時，傳感器節(jié)點將通過重定向方式把數據傳輸給附近的虛擬sink

40、節(jié)點，虛擬sink節(jié)點啟動長距離通信模塊與實際sink節(jié)點進行通信轉發(fā)，對網絡流量進行分流。次級網絡使用基于碰撞的歸一化位差錯率作為擁塞指示，并可與CODA，Fusion等協議結合使用進行擁塞控制。若主網絡和次網絡都發(fā)生擁塞，CODA或Fusion中的擁塞控制機制將被觸發(fā)。 Siphon協議通過構建包含主網絡和次網絡的雙層網絡，提供了更好的擁塞恢復能力，其不足之處在于需要增加額外的硬件設備，且虛擬sink節(jié)點的部署情況也會直接

41、影響協議性能。,（3）BGR協議 是一種結合地理信息和多路徑路由的擁塞控制協議， 該協議采用節(jié)點緩存占用率和信道采樣進行擁塞控制，采用的擁塞控制方法有：網內包擴散 選擇在擁塞節(jié)點附近直接分流，適合緩解短暫的擁塞端到端包擴散 從數據源端就開始在指定方向范圍內隨機選擇下一跳相鄰節(jié)點進行分流轉發(fā)，適合于緩解長時間的擁塞。 該協議實現簡單，但隨機轉發(fā)不能保證擁塞緩解的效果，甚至可能加重擁

42、塞程度。,（4）TADR協議 一種支持擁塞控制的路由協議，該協議采用隊列長度作為擁塞指標，并引入了物理場中勢能的概念，即在網絡中構造一個綜合深度（可以取距離匯聚節(jié)點的最小跳數作為節(jié)點的深度值）和歸一化隊列長度的混合勢能場，節(jié)點沿勢能最陡的方向選擇下一跳。 該協議實際上是在深度和擁塞之間建立一個折中：無擁塞時，節(jié)點按最短路徑路由發(fā)送數據；當隊列過長，出現擁塞時，數據就會繞行其他路徑，避開擁塞區(qū)域。

43、 TADR協議開銷小，適合大規(guī)模密集部署的無線傳感器網絡。,5.基于數據處理的擁塞控制（1）CONCERT協議 是一種通過網內數據融合減少網絡中傳輸的數據量來減輕擁塞的擁塞控制 。該協議采用節(jié)點緩存占用率和信道采樣兩種方法進行擁塞檢測。數據融合節(jié)點根據匯聚節(jié)點規(guī)定的融合函數對數據進行融合，并盡可能保證檢測數據的可信度，同時，根據自己的擁塞程度調節(jié)數據融合度。為降低數據融合的時間開銷， CONCERT協議要求僅在預測可能發(fā)

44、生擁塞區(qū)域部署融合節(jié)點。對于難以預測是否將會發(fā)生擁塞的區(qū)域，可部署移動融合節(jié)點。,（2）PREI協議 一種基于數據處理的無線傳感器網絡擁塞控制協議。 PREI協議定義了可靠度指數，其設計目標是最大化可靠度指數。 PREI協議將網絡劃分為多個互不交疊的網格，每個網格中有一個融合節(jié)點負責匯聚數據并計算這些數據的中位數。若某傳感器節(jié)點的數據與中位數差異超過給定門限，則融合節(jié)點去除該節(jié)點的數據并認為該節(jié)點異常。若一個

45、網格內的正常節(jié)點超過半數，融合節(jié)點計算正常節(jié)點數據的平均值，并認為該融合結果是可靠的。 相鄰網格的數據可再次融合，以進一步減少傳輸的數據量。 PREI協議通過多級數據融合降低網絡內部的數據量，從而能夠有效降低網絡發(fā)生擁塞的概率，然而PREI協議采用的融合模型比較簡單，使用范圍較窄。,5.5.2 可靠傳輸協議 可靠傳輸協議的作用是保證傳感器數據能夠有序、無丟失、無差錯地傳輸到匯聚節(jié)點，向用戶提供可靠的數據傳輸服

46、務?？煽總鬏攨f議可以采用丟包恢復、冗余傳輸和速率控制等基本機制來實現。 包括基于數據包的可靠傳輸協議、基于數據塊的可靠傳輸協議和基于數據流的可靠傳輸協議。,1.基于數據包的可靠傳輸協議采用基于重傳的丟包恢復和多路徑冗余傳輸等機制來實現（1）ReInForM協議 一種利用多路徑冗余傳輸來提高可靠性的傳輸協議。在ReInForM協議中，源節(jié)點發(fā)送數據包之前，首先需要根據數據包的重要性確定預期的成功傳送率，然后

47、確定需要發(fā)送的數據包復制數量和下一跳節(jié)點。復制數量P可以根據本地估測的信道誤碼率、源節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數和預期的成功傳送率計算得到。 ReInForM協議的執(zhí)行過程中，隨機選擇下一跳的方式可以在一定程度上平衡網絡中節(jié)點的能量消耗，但也可能偶爾會造成路由環(huán)路。,（2）MMSPEED協議 是一種通過多路徑冗余傳輸來提高可靠性的傳輸協議。該協議中，每個節(jié)點根據本地丟包率和跳數信息計算數據包可達概率。具體說，數據包從

48、節(jié)點i經由節(jié)點j轉發(fā)到達目的節(jié)點d的可達概率為：,,為i和j兩節(jié)點間的跳數距離， 為i和j兩節(jié)點間的丟包率,,對于節(jié)點i來說，每添加一個轉發(fā)節(jié)點j，則從節(jié)點i到達目的總可達概率為,,節(jié)點i將持續(xù)增加轉發(fā)節(jié)點，直到P高于預期的可靠性要求。同時，為了修正分布式本地決策可能對整體性能造成的影響， MMSPEED協議采取了逐跳動態(tài)補償和后壓消息機制。源節(jié)點將對轉發(fā)節(jié)點的預期可靠性要求添加在數據包中捎帶給轉發(fā)節(jié)點，轉發(fā)節(jié)點可據此決定自己

49、的下一跳，修正上一跳的轉發(fā)決策。如果某一節(jié)點計算出的Pr無法滿足預期可靠性要求，則將這一信息反饋給上游節(jié)點以調整各節(jié)點的可靠性要求。,（3）GRAB協議 一種結合傳輸信用度和多路冗余傳輸的數據發(fā)送協議。該協議要求sink節(jié)點建立和維護網絡所有節(jié)點的傳輸開銷梯度場。一個節(jié)點的傳輸開銷值指單位長度的數據包從該節(jié)點傳輸到sink節(jié)點的最小能耗值。 GRAB協議允許一個數據包沿梯度降低的多路徑進行冗余傳輸。同時，為了

50、限制單個復制端到端傳輸的能耗，源節(jié)點在每個發(fā)送數據包中設置了信用度，使得網路從源節(jié)點到匯聚節(jié)點傳輸一個數據包的能耗不應超過該信用度與源節(jié)點到匯聚節(jié)點的傳輸開銷值之和。這里，信用度用能耗衡量。當數據包傳輸到某節(jié)點時，該節(jié)點計算該數據包的信用度剩余比例R和相應的門限值RTH,計算公式如下：,,,2.基于數據塊的可靠傳輸協議（1）PSFQ協議 一種面向下行通信的數據塊可靠傳輸協議，適用于從匯聚節(jié)點向一組傳感器節(jié)點或網絡中所有

51、節(jié)點傳輸數據的場合，并為其提供可靠的傳輸保證。 該協議采用緩發(fā)快取得方式進行傳輸控制，主要由Pump、Fetch和Report這三個操作構成。Pump：匯聚節(jié)點給數據塊中的數據段分配序列號，并采用MAC層的廣播方式依次發(fā)送各數據段的操作。Fetch：節(jié)點發(fā)現某數據段丟失后，暫停數據轉發(fā)，將丟失的數據段序列號信息綜合在一個NACK包中直接廣播給相鄰節(jié)點Report：向匯聚節(jié)點要求距離較遠的節(jié)點逐跳匯報自己的地址和收包情

52、況，節(jié)點的距離可根據收到的數據包中的TTL值來判斷。 PSFQ協議需要較多的計時器，維護較為復雜,（2）GARUDA協議 一種面向下行通信的數據塊可靠傳輸協議，通過丟包恢復保障傳輸可靠性。 匯聚節(jié)點首先將一個數據塊分解成多個數據包進行傳輸，并通過第一個數據包的傳輸在網絡中選擇核心節(jié)點，組成核心子網；這里核心節(jié)點指距離sink節(jié)點跳數3的倍數的節(jié)點，負責丟包重傳。每個核心節(jié)點在所轉

53、發(fā)的數據包中添加位圖，指示自己已經正確收到了哪些數據包。丟包恢復分為： 核心節(jié)點丟包恢復，非核心節(jié)點丟包恢復,GARUDA協議有效地克服了NACK的傳輸界限問題，丟包恢復迅速，但該協議要求每個分組攜帶位圖信息，增加了傳輸開銷。,（3）RMST協議 一種面向上行通信的數據塊可靠傳輸協議，該協議對傳統(tǒng)定向擴散路由協議進行改進，增加了了用于反饋丟包信息的反向路徑。 該協議中，源節(jié)點將傳送

54、給匯聚節(jié)點的數據塊分解成多個數據包發(fā)送，傳輸層使用NACK包進行端到端丟包恢復，并建議MAC層采用ARQ重傳方式提高鏈路傳輸的可靠性。 RMST協議支持緩存和非緩存兩種操作方式緩存：匯聚節(jié)點和中間節(jié)點緩存數據并周期性檢查丟失數據段。若有丟失則沿DD協議確認的反向加強路徑逐跳返回NACK包，請求重傳。對于收到NACK的中間節(jié)點 來說，如果本地沒有緩存相關丟失數據包，則繼續(xù)向數據源節(jié)點轉發(fā)NACK包，否則由當前節(jié)點負責重傳丟

55、失的數據包。非緩存：只有源節(jié)點和匯聚節(jié)點保存數據包，因此只有源節(jié)點負責接收NACK包并執(zhí)行重傳。,3.基于數據流的可靠傳輸協議（1）ESRT協議 一種基于數據流的可靠傳輸協議，主要針對以數據為中心的應用，通過自動配置網絡實現可靠傳輸。 該協議要求匯聚節(jié)點根據一個周期內成功收到的數據包數量計算傳輸可靠度，通過調整源節(jié)點發(fā)送速率來調節(jié)網絡狀態(tài)。 如果傳輸可靠度低于預期要求，則通知源節(jié)點調節(jié)發(fā)

56、送速率以提高可靠度；否則，在不降低傳輸可靠度的前提下減少源節(jié)點發(fā)送速率以節(jié)約能量。 ESRT協議支持擁塞控制，但不支持丟包恢復。它采用基于緩存占用情況的擁塞檢測機制，若節(jié)點檢測到擁塞則它可以在數據包中設置擁塞位以通知匯聚節(jié)點擁塞狀況，匯聚節(jié)點將通知所有源節(jié)點調節(jié)發(fā)送速率。 ESRT協議對隨機性和動態(tài)性較強的無線傳感器網絡具有較強的魯棒性。但是，ESRT協議要求匯聚節(jié)點的下行傳輸鏈路能夠直接覆蓋整個網絡，對所有

57、節(jié)點不予區(qū)分采用相同操作，且擁塞控制由匯聚節(jié)點集中負責，響應延時較長。,（2）GurGame協議 一種通過控制數據源節(jié)點的數量實現可靠傳輸的傳輸協議。該協議假定網絡中匯聚節(jié)點要求在一個周期內收到至少k個數據包。在這種情況下，如果網絡節(jié)點數N已知，則每個傳感器節(jié)點以k/N的概率決定是否匯報數據；如果N未知，則基于GurGame算法確定節(jié)點的數據匯報概率。 GurGame算法可以自適應地調節(jié)網絡中處于匯報狀態(tài)的

58、節(jié)點的數量，從而使網絡達到滿意的服務質量。,5.5.3擁塞控制和可靠傳輸混合協議（ 1） STCP協議 一種可支持多種類型數據流的分布式傳輸協議，可同時提供對擁塞控制和丟包恢復的支持， STCP協議針對不同數據流設計了不同的丟包恢復機制，并以緩存占用率為擁塞標志。當檢 測到本地緩存占用率超過門限值Tlower時，節(jié)點以一定概率設定轉發(fā)數據包中的擁塞位。當本地緩存占用率超過門限值Thigher時，所有轉發(fā)包的擁塞位均設為1

59、。當收到擁塞通告后，匯聚節(jié)點會通知相關源節(jié)點重新選擇路由或降低發(fā)送速率。 與傳統(tǒng)TCP協議類似，STCP協議執(zhí)行過程中，要求源節(jié)點首先和匯聚節(jié)點建立會話，并要求源節(jié)點和匯聚節(jié)點保持會話相關的狀態(tài)和計時器信息。 STCP協議即可以支持連續(xù)數據流，也可以支持事件驅動的數據流。,（2）RCRT協議 一種基于速率控制的可靠傳輸協議，適合數據量大、速率高且不允許丟包的應用，如圖像采集、建筑物健康監(jiān)控等。

60、 RCRT協議采用端到端丟包恢復策略，且所有功能都有匯聚節(jié)點集中實現。匯聚節(jié)點檢查到丟包后，向源節(jié)點發(fā)送NACK包請求端到端的丟包恢復。 RCRT以丟包恢復時間作為擁塞指標。若丟包恢復能夠在一個RTT時間內完成，則認為網絡無擁塞；若恢復時間超過兩個RTT時間，則認為網絡擁塞。 匯聚節(jié)點使用AIMD（即加性遞增乘性遞減）策略調節(jié)所有流的速率總和，再根據不同的策略分配給各個源節(jié)點。RCRT協議支持多個相互干擾

61、的數據流并發(fā)傳輸，可滿足高速率和低延遲應用的需求。但在有些情況下，距離匯聚節(jié)點較遠的節(jié)點丟包恢復時間由于某些原因（如RTT估計不準確或機會性的路徑傳輸延遲增加等）可能超過一個RTT，因此可能會造成錯誤地啟動擁塞緩解機制；且由匯聚節(jié)點執(zhí)行擁塞檢測，在中間節(jié)點上發(fā)生的擁塞可能無法快速及時發(fā)現，而擁塞緩解機制的滯后可能影響網絡性能,小結 傳輸控制協議是WSN協議的重要組成部分，其作用是為網絡提供有序、無丟失、無差錯、透明的端到端