无线传感器网络传输协议研究进展

2010-10-17邓安远于林峰

科技传播 2010年9期

关键词：传输层数据包无线

邓安远，于林峰

九江学院信息科学与技术学院，江西九江 332005

无线传感器网络传输协议研究进展

邓安远，于林峰

九江学院信息科学与技术学院，江西九江 332005

本文介绍了无线传感器网络协议栈，并说明标准TCP协议不能直接用于无线传感器网络的原因。在指出无线传感器网络传输协议设计约束的基础上，对其研究现状进行综述。

无线传感器网络（WSN）；协议栈；传输协议研究；综述

0 引言

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks) 被认为是本世纪最重要的技术之一，已经成为国内外的研究热点。WSN综合了通信、传感器、分布式信息处理、嵌入式等技术，通常由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成，能够协作地实时监测、感知目标区域内被监测对象的信息，广泛应用于国防、智能建筑、公共安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面[1-3]。

无线传感器网络节点是资源（特别是能量）受限的，无法长时间维持大量信息传输。从网络协议的角度来研究能量的有效性或如何节省能量以便延长网络寿命，是人们关注的重点之一。

以往，无线传感器网络协议的研究热点主要集中在物理层、数据链路层和网络层。关于传输层协议的研究较少且不成熟。近来，这方面的研究有逐渐增加的趋势。

本文首先介绍了无线传感器网络协议栈，其次分析了标准TCP协议直接用于无线传感器网络的不足之处，最后指出无线传感器网络传输协议的设计约束条件。并以此为基础，对目前国内关注仍不多的无线传感器网络传输层协议研究进行综述。

1 WSN协议栈

无线传感器网络协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层5部分组成，和互联网协议栈的五层协议相对应[4]。如图1所示。

图1 无线传感器网络协议栈

物理层：数据收集、采样、发送、接收，以及信号的调制解调。

数据链路层：媒体接入控制，网络节点间可靠通信链路的建立，为邻居节点提供可靠的通信通道。

网络层：发现和维护路由。

应用层：提供安全支持，实现密钥管理和安全组播。

传输层：为端到端的连接提供可靠的传输、流量控制、差错控制、QoS等服务。即便是在OSI模型中也只有该层是负责总体数据传输和控制的，因此非常重要。

2 标准TCP协议用于WSN时的不足

标准TCP协议是因特网的主要传输协议，提供可靠的端到端的传输服务。但由于以下几个主要原因，使得TCP协议不能直接用于无线传感器网络：

1）数据丢包与重传。TCP假设所有的数据丢包都是由于网络拥塞造成的，一旦检测到丢包时，就会启动相应的拥塞控制机制。无线传感器网络中，反映同一事件的多个数据包有很强的数据相关性，所以需要在中间（汇聚）节点上进行数据融合后再发送新数据包。标准TCP协议会认为这一过程中出现了丢包，因此就启动拥塞控制机制，引发重传。同时，数据包的乱序传输，也会启动拥塞控制机制，引发重传[4-5]。

TCP中确保数据包重传的方法包括ACK反馈机制等。如果用在无线传感器网络中，则大量ACK确认和传输，以及数据包重传都要消耗所经路径上的节点能量，缩短网络生存期。

2）传输协议的可靠性。TCP协议的可靠性是指，力保接收节点正确收到发给它的数据包，即其度量是基于数据包的。无线传感器网络中，传输协议的可靠性是指，最终获得的数据以一定的逼真度来描述对象的真实状况即可，数据包不必完全可靠地传输，即其度量是基于事件的。这是因为同一对象可能被多个节点所监测，导致强数据相关和冗余[5]。

3）节点地址。无线传感器网络节点的地址可能是局部独立的，或位置相关的，或无网络地址，而TCP协议却要求每个节点的地址是唯一的，所以无法直接使用该协议[6]。

3 WSN传输协议设计约束条件

对于某个无线传感器网络来说，如果只在其内部传递信息，则传输层并非是必需的。而当无线传感器网络与其它网络连接时，就必须要有传输层协议[5]。由于无线传感器网络在节点的能量、命名、数据处理等方面的特点，使得传输控制难度较大。其传输层协议设计需要特殊的技术和方法。与传统无线网络传输层协议设计相比，其主要设计约束包括：

1）能量受限。能量是必须重点考虑的受限资源。设计传输层协议时，既要避免选择拥塞的节点，更要适应网络内节点能量的约束。这也是为什么无线传感器网络的物理层、数据链路层和网络层协议研究非常热烈的原因之一，即如何节省能量[3，5]。

2）数据融合。如前所述，针对一个对象，有来自多个节点的监测数据包，它们之间存在很强的相关和冗余。因此，数据传输不像传统无线网络那样，强调吞吐量和完全正确接收，而是需要在汇聚节点处进行以数据为中心的网内数据融合，以消除汇聚节点处的拥塞，降低能量消耗、提高数据传输速率[6]。

3）数据传输。无线传感器网络中引入了簇端点的概念，即把反映同一事件特征的一群节点聚合为一个虚拟连接端点。这对无线传感器网络在传输机制方面提出了新挑战，如通信原语、数据融合、包排序、可靠传输等[3，5，6]。

4）可靠性度量。如前文所述。

另外，协议的简单、鲁棒和可扩展性也是需要解决的。

4 WSN传输协议研究进展

文献[7]认为，当前对于无线传感器网络传输协议研究的工作还是侧重于拥塞控制和可靠保证。该研究将拥塞控制分为流量控制、多路分流、数据聚合和虚拟网关等；可靠保证则包括数据重传、冗余发送。

流量控制中，ERST、PORT和IFRC协议是基于报告速率调节的拥塞控制协议；Fusion、CCF是基于转发速率调节的拥塞控制协议，适合要求数据逼真度较高的网络；Buffer-based、PCCP、CODA则是基于综合速率调节的拥塞控制协议。

ERST考虑了可靠性和能耗的因素，通过调整报告速率来减轻拥塞；PORT协议则将报告速率调整问题建模为优化问题，解决ERST的不足；IFRC则着重保证信道带宽能更公平地被相邻多个节点所分享。

Fusion采用了令牌桶机制，节点要按照一定规则积累令牌，且发送一次数据就消耗一个令牌；CCF用速率比较的方法，拥塞发生时节点将自身转发速率与父节点告知的转发速率比较，以其中较小的值来转发数据包。

Buffer-based采用基于缓冲区的轻量级控制机构。发送数据包之前，要求节点监听邻居节点的缓冲区溢出否；PCCP对数据流赋与不同的加权优先级，来保证调整公平性；CODA结合了开环和闭环控制方式来解决拥塞。网络流量突发导致局部短暂拥塞时就启用开环控制。同时，若某被监测事件的发生频率低于设定的信道吞吐量，源节点即可自行调整报告速率，否则就启动闭环拥塞控制。

多路分流就是通过多路转发来分散流量，解决拥塞问题。其中，ARC协议是利用网络中的冗余节点构建新的转发路径，CAR与ARC方法相近，BGR则是在地理路由中增加方向偏离范围，以此来扩大转发路径的可选范围。

数据聚（融）合的必要性和重要性前文已述。文献[7]研究的协议包括CONCERT和PREI。前者采用适应性聚合，后者将网络划分为大小相同的网络，对来自同一网格的数据进行聚合。

可靠性方面，数据重传协议包括网关向节点、节点向网关和双向可靠保证3类；冗余发送则包括拷贝发送（AFS、Reinform、MMSPEED、GRAB）和编码冗余。

PSFQ、GARUDA是网关向节点的。前者用缓发快取进行控制，后者则建立层次结构，进行阶段性丢包恢复。RMST、RBC是节点向网关的。前者是基于单路由协议设计的，除了原有的由数据源到网关的方向之外，增加了后向路径，用于反馈丢包。BRTM是双向可靠保证的。

文献[8]介绍了5种随机投递传输协议并分别对它们建模分析，在仿真对比的基础上做出了相关结论。这些协议包括：

1）逐跳可靠传输协议HHR、带应答的逐跳可靠传输协议HHRA

后者是前者的一个变体。HHR是最简单的该类协议。协议中，某转发节点将同一数据包向其下一跳转发节点进行多次发送。只要下一跳节点收到重发数据包一份副本，它就会继续发送。HHRA则要求转发节点等待来自接收者的应答包。若收到应答包，则终止本跳后续副本的转发。

2）逐跳广播传输协议HHB、带应答的逐跳广播传输协议HHBA

后者是前者的一个变体。HHB中，转发节点向其多个下一跳邻节点多次发送同一数据包。若任何一个邻节点成功接收到至少一个数据包，它就继续以一定概率转发此包。HHBA则引入应答机制来增加传输可靠性，并减少传输时能量的消耗。

3）ReInforM协议

该协议在多条随机路径上同时发送一个数据包的多个副本，以此来产生数据冗余，提高传输可靠性。

文献的仿真研究证明，逐跳应答机制是改善随机投递传输协议性能的重要方法之一。

值得注意的还有该文献所采用的建模分析方法：有限状态离散时间的马尔科夫链（FSMC）模型。该模型有效简化了理论分析过程，公式直观。并且为源节点提供了根据网络关键参数选择最适合当前网络环境的随机投递传输协议的机会和手段。

文献[9]研究了机会协作传输的性能。利用适合无线传感器网络实际情况的Nakagami建模无线信道，研究节点能耗对机会协作传输的影响。仿真证明，机会协作机制受节点能耗的影响明显，该机制能有效提高系统性能。

文献[10]研究了基于分簇的协同传输协议。分析了传输效能和网络吞吐量的改善。协议分为四步：1）分簇，即确定簇头并在各簇内确定协同传输的节点；2）簇内信息传输；3）簇内协同节点向汇聚节点发送数据；4）汇聚节点接收和检测信号。该协议的主要问题是协同节点间的同步。研究者相信，这种技术可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合。

文献[11]研究了实时传输协议。主要研究了SPEED协议，并在TinyOS1.1.11和Crossbow公司的Micaz节点搭建的平台上进行了实验。

另外，还有少量与无线传感器网络传输协议有关的研究工作。但不是完全针对传输层的。而是提出一种解决方案，没有对包括传输层在内的物理层、数据链路层、网络层协议综合研究进行论述。