無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議綜述

　　一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的構(gòu)成

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層5 部分組成，和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

　　物理層：數(shù)據(jù)收集、采樣、發(fā)送、接收，以及信號的調(diào)制解調(diào)；

　　數(shù)據(jù)鏈路層：媒體接入控制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節(jié)點(diǎn)提供可靠的通信通道；

　　網(wǎng)絡(luò)層：發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由；

　　應(yīng)用層：提供安全支持，實(shí)現(xiàn)密鑰管理和安全組播；

　　傳輸層：為端到端的連接提供可靠的傳輸、流量控制、差錯控制、QoS 等服務(wù)，即便是在OSI 模型中也只有該層是負(fù)責(zé)總體數(shù)據(jù)傳輸和控制的，因此非常重要。

　　二、傳統(tǒng)協(xié)議的不足之處

　　傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)主要使用協(xié)議棧中傳輸層的UDP 和TCP 協(xié)議控制數(shù)據(jù)傳輸。UDP 協(xié)議是面向無連接的傳輸協(xié)議，不提供對數(shù)據(jù)包的流量控制及錯誤恢復(fù)；TCP 協(xié)議則提供了可靠的傳輸保證，如利用滑動窗口和AIMD 等機(jī)制進(jìn)行擁塞控制，以及使用重傳進(jìn)行差錯控制。但TCP 協(xié)議卻不能直接用于WSN，主要原因如下：

　?。?） TCP 協(xié)議遵循端到端（end-to-end）的設(shè)計(jì)思想，數(shù)據(jù)包的傳輸控制任務(wù)被賦予網(wǎng)絡(luò)的端節(jié)點(diǎn)上，中間節(jié)點(diǎn)只承擔(dān)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。而WSN 以數(shù)據(jù)為中心，中間節(jié)點(diǎn)可能會對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行在網(wǎng)處理（In-network Processing），即根據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)性對多個數(shù)據(jù)包內(nèi)的信息進(jìn)行綜合處理，得到新的數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收端，直接使用TCP 協(xié)議會導(dǎo)致將此視為丟包而引發(fā)重傳。

　?。?） TCP 協(xié)議建立和釋放連接的握手機(jī)制相對比較復(fù)雜，耗時較長，不利于傳感器節(jié)點(diǎn)及時反饋被監(jiān)測對象的相關(guān)信息。WSN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化也給TCP 連接狀態(tài)的建立和維護(hù)帶來了一定的困難。

　　（3） TCP協(xié)議采用基于數(shù)據(jù)包（packet-based）的可靠性度量，即盡力保證所有發(fā)出的數(shù)據(jù)包都被接收節(jié)點(diǎn)正確收到。在WSN 中，可能會有多個傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測同一對象，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的冗余性和關(guān)聯(lián)性。只要最終獲取的監(jiān)測信息能夠描述對象的真實(shí)狀況，具有一定的逼真度（fidelity），并不一定要求數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐耆煽?，這種方式也被稱為基于事件的（event-based）可靠性度量。

　　（4） TCP 協(xié)議中數(shù)據(jù)包重傳通過端節(jié)點(diǎn)之間的ACK 反饋和超時機(jī)制來保證。傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中所含的數(shù)據(jù)量相對較小，大量ACK 包的傳輸會加重傳輸負(fù)載和能量消耗。并且，每次ACK 確認(rèn)和數(shù)據(jù)包重傳都要從發(fā)送端發(fā)出經(jīng)歷多跳傳輸路徑到達(dá)目的端，引發(fā)整條路徑上所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

　?。?） WSN 中非擁塞丟包和多路傳輸?shù)纫鸬臄?shù)據(jù)包傳輸亂序，都會引發(fā)TCP 協(xié)議的錯誤響應(yīng)，使得發(fā)送端頻頻進(jìn)入擁塞控制階段，導(dǎo)致傳輸性能下降。

　?。?） TCP 協(xié)議要求每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)一無二或全網(wǎng)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址。在大規(guī)模的WSN 中，為了減少長地址位帶來的傳輸消耗，傳感器節(jié)點(diǎn)可能只具有局部獨(dú)立的或地理位置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)地址或采用無網(wǎng)絡(luò)地址的傳輸方案，無法直接使用TCP 協(xié)議。

　　三、WSN 傳輸協(xié)議研究進(jìn)展

　　當(dāng)前對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議研究的工作還是側(cè)重于擁塞控制和可靠保證。該研究將擁塞控制分為流量控制、多路分流、數(shù)據(jù)聚合和虛擬網(wǎng)關(guān)等；可靠保證則包括數(shù)據(jù)重傳、冗余發(fā)送。

　　流量控制中，ERST、PORT 和IFRC 協(xié)議是基于報(bào)告速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議；Fusion、CCF 是基于轉(zhuǎn)發(fā)速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議，適合要求數(shù)據(jù)逼真度較高的網(wǎng)絡(luò)；Buffer-based、PCCP、CODA 則是基于綜合速率調(diào)節(jié)的擁塞控制協(xié)議。ERST 考慮了可靠性和能耗的因素，通過調(diào)整報(bào)告速率來減輕擁塞；PORT 協(xié)議則將報(bào)告速率調(diào)整問題建模為優(yōu)化問題，解決ERST 的不足；IFRC 則著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個節(jié)點(diǎn)所分享。

　　Fusion 采用了令牌桶機(jī)制，節(jié)點(diǎn)要按照一定規(guī)則積累令牌，且發(fā)送一次數(shù)據(jù)就消耗一個令牌；CCF 用速率比較的方法，擁塞發(fā)生時節(jié)點(diǎn)將自身轉(zhuǎn)發(fā)速率與父節(jié)點(diǎn)告知的轉(zhuǎn)發(fā)速率比較，以其中較小的值來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

　　Buffer-based 采用基于緩沖區(qū)的輕量級控制機(jī)構(gòu)。發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，要求節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽鄰居節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)溢出否；PCCP 對數(shù)據(jù)流賦與不同的加權(quán)優(yōu)先級，來保證調(diào)整公平性；CODA 結(jié)合了開環(huán)和閉環(huán)控制方式來解決擁塞。網(wǎng)絡(luò)流量突發(fā)導(dǎo)致局部短暫擁塞時就啟用開環(huán)控制。同時，若某被監(jiān)測事件的發(fā)生頻率低于設(shè)定的信道吞吐量，源節(jié)點(diǎn)即可自行調(diào)整報(bào)告速率，否則就啟動閉環(huán)擁塞控制。

　　多路分流就是通過多路轉(zhuǎn)發(fā)來分散流量，解決擁塞問題。其中，ARC 協(xié)議是利用網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)構(gòu)建新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，CAR 與ARC 方法相近，BGR 則是在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)路徑的可選范圍。

　　數(shù)據(jù)聚（融）合的必要性和重要性前文已述。協(xié)議包括CONCERT 和PREI。前者采用適應(yīng)性聚合，后者將網(wǎng)絡(luò)劃分為大小相同的網(wǎng)絡(luò)，對來自同一網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合。

　　可靠性方面，數(shù)據(jù)重傳協(xié)議包括網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)和雙向可靠保證3 類；冗余發(fā)送則包括拷貝發(fā)送（AFS、Rein form、MMSPEED、GRAB）和編碼冗余。

　　PSFQ、GARUDA 是網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)的。前者用緩發(fā)快取進(jìn)行控制，后者則建立層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)行階段性丟包恢復(fù)。RMST、RBC 是節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)的。前者是基于單路由協(xié)議設(shè)計(jì)的，除了原有的由數(shù)據(jù)源到網(wǎng)關(guān)的方向之外，增加了后向路徑，用于反饋丟包。BRTM 是雙向可靠保證的。

　　此外還有5 種隨機(jī)投遞傳輸協(xié)議并分別對它們建模分析，在仿真對比的基礎(chǔ)上做出了相關(guān)結(jié)論。這些協(xié)議包括：

　　1）逐跳可靠傳輸協(xié)議HHR、帶應(yīng)答的逐跳可靠傳輸協(xié)議

　　HHRA 后者是前者的一個變體。HHR 是最簡單的該類協(xié)議。協(xié)議中，某轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將同一數(shù)據(jù)包向其下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次發(fā)送。只要下一跳節(jié)點(diǎn)收到重發(fā)數(shù)據(jù)包一份副本，它就會繼續(xù)發(fā)送。HHRA則要求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)等待來自接收者的應(yīng)答包。若收到應(yīng)答包，則終止本跳后續(xù)副本的轉(zhuǎn)發(fā)。

　　2）逐跳廣播傳輸協(xié)議HHB、帶應(yīng)答的逐跳廣播傳輸協(xié)議

　　HHBA 后者是前者的一個變體。HHB 中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向其多個下一跳鄰節(jié)點(diǎn)多次發(fā)送同一數(shù)據(jù)包。若任何一個鄰節(jié)點(diǎn)成功接收到至少一個數(shù)據(jù)包，它就繼續(xù)以一定概率轉(zhuǎn)發(fā)此包。HHBA 則引入應(yīng)答機(jī)制來增加傳輸可靠性，并減少傳輸時能量的消耗。

　　3）Rein form協(xié)議

　　該協(xié)議在多條隨機(jī)路徑上同時發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的多個副本，以此來產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，提高傳輸可靠性

　　4）基于分簇的協(xié)同傳輸協(xié)議。分析了傳輸效能和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的改善。協(xié)議分為四步：1）分簇，即確定簇頭并在各簇內(nèi)確定協(xié)同傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)；2）簇內(nèi)信息傳輸；3）簇內(nèi)協(xié)同節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；4）匯聚節(jié)點(diǎn)接收和檢測信號。該協(xié)議的主要問題是協(xié)同節(jié)點(diǎn)間的同步。研究者相信，這種技術(shù)可用于無線自組織網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)等多種場合

　　5）實(shí)時傳輸協(xié)議。主要研究了SPEED 協(xié)議，并在TinyOS1.1.11 和Crossbow 公司的Micaz 節(jié)點(diǎn)搭建的平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

　　總結(jié)：

　　WSN的傳輸控制協(xié)議在以下幾個方面還有待進(jìn)一步深入研究：

　　1） 設(shè)計(jì)跨層協(xié)作的傳輸控制協(xié)議。在WSN 中傳輸控制任務(wù)不能僅僅依靠傳輸層來完成， 傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧中的各個層次應(yīng)在傳輸層控制機(jī)制的協(xié)調(diào)下進(jìn)行充分的交互與協(xié)作，共同支持和保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

　　2） 提高傳輸控制協(xié)議的綜合控制能力。在WSN 應(yīng)用過程中，網(wǎng)絡(luò)中擁塞和丟包的現(xiàn)象可能會同時發(fā)生并互相影響，網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)之間也會頻繁的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。目前的控制協(xié)議大多只對單個數(shù)據(jù)流方向上的一種問題（擁塞或丟包）進(jìn)行處理，新的傳輸控制協(xié)議應(yīng)提供全面的綜合控制機(jī)制。

　　3） 基于多優(yōu)先級的控制策略。網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)流對可靠性的要求可能會不同，需要在協(xié)議設(shè)計(jì)時考慮對優(yōu)先級問題的處理。

　　4） 傳輸控制協(xié)議需要提供公平性保證。在確保傳輸效率的同時，網(wǎng)絡(luò)中的多個數(shù)據(jù)流應(yīng)按照事先定義的公平性原則分享無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　5） 支持WSN 中以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)方案。WSN 以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)帶來了一些新的設(shè)計(jì)方案，如無獨(dú)立地址的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的在網(wǎng)處理和分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，新的傳輸控制協(xié)議需要提供對這些方案的支持。

　　6） 提供對節(jié)點(diǎn)移動性的支持。目前，WSN 傳輸控制協(xié)議基本都假定傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)的。但在戰(zhàn)場、物流等應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的移動會給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來更多不可靠因素，加重丟包現(xiàn)象的發(fā)生，需要設(shè)計(jì)更高處理效率和更快處理速度的控制協(xié)議。