無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)－－傳輸層協(xié)議目錄可靠性要求傳遞singleofpackets傳遞blocksofpackets傳遞streamsofpacketsFocusofthistutorial可靠性方面Coverage&deployment當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)是否有足夠的節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)事件的發(fā)生？是否有足夠的節(jié)點(diǎn)可以精確地測(cè)量數(shù)據(jù)?如何布置這些節(jié)點(diǎn)？Informationaccuracy哪些被測(cè)量的數(shù)據(jù)必須被傳送到哪里以保證一定的精確性?如何在第一時(shí)間內(nèi)處理那些不精確的測(cè)量?Dependabledatatransport一旦確定哪些數(shù)據(jù)被傳送到哪里，如何保證它們準(zhǔn)確地到達(dá)?Howtodealwithtransmissionerrorsandomissionerrors/congestion?可靠性協(xié)議物理層

物理層是實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的基石，其可靠性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制、解調(diào)解碼、發(fā)送與接收。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信，為了使得數(shù)據(jù)能夠被可靠地傳輸或接收，必須要做到高的接收機(jī)靈敏度、低的背景噪聲及較強(qiáng)的抗干擾能力。

可靠性協(xié)議鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路選擇、數(shù)據(jù)幀偵測(cè)、媒介訪問(wèn)、差錯(cuò)控制，保證了點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的可靠性鏈接。媒介訪問(wèn)控制為數(shù)據(jù)傳輸建立通信鏈路，并提供對(duì)共享媒介的公平、有效的訪問(wèn)。它需要減少或避免媒介中的包沖突。差錯(cuò)控制主要采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ）和前向糾錯(cuò)（FEC）。可靠性協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層

建立局部多路徑可靠性協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層

定向洪泛可靠性協(xié)議傳輸層事件匯聚到Sink可靠性協(xié)議傳輸層----

從匯聚節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸

PSFQ（PumpSlowly,FetchQuickly）為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重編程或重新指定任務(wù)提供了可靠傳輸，并提供了到接收端延遲保證。源節(jié)點(diǎn)低速向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)包以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，接收節(jié)點(diǎn)有足夠的時(shí)間來(lái)檢測(cè)這些數(shù)據(jù)包是否丟失，假如發(fā)生丟失就請(qǐng)求重傳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到的包序號(hào)不等于上一個(gè)包序號(hào)加1，那么就認(rèn)為有包丟失。這個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到正確的包之前停止繼續(xù)發(fā)送包。

可靠性協(xié)議傳輸層----

從匯聚節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸

PSFQ重傳機(jī)制

可靠性:術(shù)語(yǔ)“可靠的”是涵蓋性術(shù)語(yǔ)主要指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)的）可用性–probabilitythatasystemisoperationalatanygivenpointintimeAssumption:Systemcanfailandwillrepairitself在時(shí)間t的可靠性–Probabilitythatsystemworkscorrectlyduringtheentireinterval[0,t)Assumption:Itworkedcorrectlyatsystemstartt=0相應(yīng)速度Responsiveness–ProbabilityofmeetingadeadlineEveninpresenceofsome–tobedefined–faults包成功的概率–Probabilitythatapacket(correctly)reachesitsdestinationRelated:packeterrorrate,packetlossrate誤碼率Biterrorrate–ProbabilityofanincorrectbitChannelmodeldeterminespreciseerrorpatterns可靠性約束無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了可靠的傳輸數(shù)據(jù)需要考慮的約束條件：TransmissionerrorsoverawirelesschannelLimitedcomputationalresourcesinaWSNnodeLimitedmemoryLimitedtime(deadlines)Limiteddependabilityofindividualnodes機(jī)制:冗余Redundancyinnodes,transmissionForwardandbackwarderrorrecoveryCombinationsarenecessary!可靠的數(shù)據(jù)傳輸–背景傳輸?shù)膶?duì)象SinglepacketBlockofpacketsStreamofpackets保證水平GuaranteeddeliveryStochasticdelivery有關(guān)實(shí)體InvolvedentitiesSensor(s)tosinkSinktosensorsSensorstosensors50%delivered限制條件能量SendasfewpacketsaspossibleSendwithlowpower!higherrorratesAvoidretransmissionsShortpackets!weakForwardErrorCorrection（FEC）Balanceenergyconsumptioninnetwork處理功率OnlysimpleFECschemesNocomplicatedalgorithms(coding)存儲(chǔ)器StoreaslittledataasbrieflyaspossibleOverview可靠性要求DeliveringsinglepacketsSinglepathMultiplepathsGossiping-basedapproachesMultiplereceiversDeliveringblocksofpacketsDeliveringstreamsofpackets傳遞單個(gè)數(shù)據(jù)包–主要選擇目的接收器是什么?單個(gè)接收器?多個(gè)接收器?在周圍?展開(kāi)?移動(dòng)的?哪些路由結(jié)構(gòu)可用?Unicastroutingalongasinglepath?Routingwithmultiplepathsbetweensource/destinationpairs?Noroutingstructureatall–relyonflooding/gossiping?單個(gè)包經(jīng)過(guò)單個(gè)路徑到底單個(gè)接收器單個(gè)多跳路徑可由某一路由協(xié)議得到問(wèn)題:哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)丟包(使用哪些指示器)?要求重傳？執(zhí)行重傳？在單個(gè)包傳遞的時(shí)候檢測(cè)包或信令丟失檢測(cè)單個(gè)包丟失:

只有肯定確認(rèn)positiveacknowledgements(ACK)可行否定Negativeacks(NACK)不可行–接收機(jī)通常不知道哪個(gè)包應(yīng)該到底，不能發(fā)NACK哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)ACKs(以避免重傳)?在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，在MAC/link層通常伴隨著鏈路層重傳通常有限定的重傳次數(shù)在目的節(jié)點(diǎn)傳輸層重傳問(wèn)題:定時(shí)器選擇執(zhí)行重傳鏈路層確認(rèn):鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸層確認(rèn):源節(jié)點(diǎn)!

端到端的重傳Question:Couldanintermediatenodehelpinanend-to-endscheme?Howtodetectneedforretransmissions?Howtoretransmit?Tradeoff:端到端vs.鏈路層重傳場(chǎng)景:單個(gè)包,從源到目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)n跳，二進(jìn)制對(duì)稱信道（BSCchannel）鏈路層，端到端重傳鏈路層重傳:最大重傳的次數(shù)是不同的在其范圍內(nèi)仍然不成功就丟棄包

!

對(duì)于好的信道，使用端到端方案;否則使用局部重傳ExpectedenergycostTheBSCisabinarychannel;thatis,itcantransmitonlyoneoftwosymbols(usuallycalled0and1).Thetransmissionisnotperfect,andoccasionallythereceivergetsthewrongbit.Tradeoff:端到端vs.鏈路層重傳相同的場(chǎng)景,條數(shù)是變化的BER=0.001ofBSCchannelfixed

!

鏈路層重傳僅適用于較長(zhǎng)的路由Expectedenergycost多個(gè)路徑類型:不相交（disjoint）or編織的（braided）使用默認(rèn)的或可用的多條路徑同時(shí)發(fā)送相同的包發(fā)送多余的片段例子:ReInForM多路徑:不相交或編織的SourceSinkDisjointpathsPrimarypathSecondarypathSourceSinkBraidedpathsPrimarypath可靠數(shù)據(jù)傳輸造成數(shù)據(jù)包丟失的原因主要有三個(gè)方面：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的無(wú)線信道較之有線鏈路有更大的不穩(wěn)定性以及更高的誤碼率，很容易受到周圍環(huán)境噪聲的影響造成數(shù)據(jù)包的丟失。另外在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的布撒密度非常高，不同節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)極易發(fā)生信道競(jìng)爭(zhēng)沖突以及碰撞造成數(shù)據(jù)包丟失。當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞時(shí)，擁塞節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)溢出造成數(shù)據(jù)包丟失。接收節(jié)點(diǎn)因?yàn)閿?shù)據(jù)包到達(dá)過(guò)快來(lái)不及處理造成數(shù)據(jù)包丟失。差錯(cuò)避免可靠傳輸ACK確認(rèn)重傳機(jī)制

數(shù)據(jù)包冗余傳輸機(jī)制

多路徑傳輸機(jī)制

FEC前向糾錯(cuò)碼機(jī)制

單分組傳遞：ReliableInformationForwarding

usingMultiplePathsinSensorNetworks(ReInForM)ReInForm方法是基于在多條路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個(gè)拷貝來(lái)提高數(shù)據(jù)包傳輸可靠性。從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性、信道質(zhì)量以及傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，確定需要的傳輸路徑數(shù)目，以及下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)目和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。鄰居節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將自己視作數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的選路過(guò)程。實(shí)現(xiàn)滿足可靠要求的數(shù)據(jù)傳輸。

Example:ReliableInformationForwarding

usingMultiplePathsinSensorNetworks(ReInForM)目標(biāo):通過(guò)多條路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包來(lái)滿足傳遞概率P假設(shè):獨(dú)立路徑,二進(jìn)制對(duì)稱信道BSC節(jié)點(diǎn)知道本地的包錯(cuò)誤率eStep1:源節(jié)點(diǎn)決定使用哪些路徑Successprobabilityoverasinglepathwithnshops:1-(1-e)ns

SuccessprobabilityoverPpaths:1-(1-(1-e)ns)P

Shouldbe?rs,solveforP:

Notethereisnofloor/ceilinginthisformulaReInForM–ForwardingtoneighborsSourcenodepicksaforwarderclosertodestinationthanitselfRemainingneighbors:

P′=P–(1-es)ChooseP′neighborstoadditionallyforwardpacketIfpossible,onlyneighborsclosertodestinationIfnotsufficient,useneighborssamehopdistanceIfnotsufficient,usefurtherawayneighborsSourceDesti-

nationForwarderPacketcontainsSource&destinationForwarderidentitySourcepacketerrorrateNumberofpathseachneighborshouldconstruct圖ReInform所需傳送概率為70%時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)舉例。(A)圖是源節(jié)點(diǎn)在鏈路差錯(cuò)率為0時(shí)傳遞1個(gè)數(shù)據(jù)包；(B)圖是源節(jié)點(diǎn)在鏈路差錯(cuò)率為0時(shí)傳遞10個(gè)數(shù)據(jù)包；(C)是源節(jié)點(diǎn)在鏈路差錯(cuò)率為30%時(shí)傳遞1個(gè)數(shù)據(jù)包(D)是源節(jié)點(diǎn)在鏈路差錯(cuò)率為30%時(shí)發(fā)送10個(gè)單分組

圖洪泛、單路徑轉(zhuǎn)發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)在鏈路出錯(cuò)率增加時(shí)所能保證的可靠性比較

圖洪泛、單路徑轉(zhuǎn)發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)在鏈路出錯(cuò)率增加時(shí)為保證可靠性所引發(fā)的開(kāi)銷

OverviewDependabilityrequirementsDeliveringsinglepacketsDeliveringblocksofpacketsOpportunity:CachinginintermediatenodesExample:PumpSlowly,FetchQuickly(PSFQ)Example:ReliableMultisegmentTransport(RMST)Deliveringstreamsofpackets數(shù)據(jù)塊傳輸無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有時(shí)需要傳輸大量的數(shù)據(jù)。比如在傳送圖像、聲音等數(shù)據(jù)時(shí)，或者當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要重新配置，基站將新的代碼發(fā)送至節(jié)點(diǎn)。相對(duì)于單數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸，保證數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)目煽啃詸C(jī)制有很大的不同。數(shù)據(jù)塊傳輸Goal:DeliverlargeamountsofdataE.g.,codeupdate,largeobservationsSplitdataintoseveralpackets(reducepacketerrorrate)TransferthisblockofpacketsMaindifferencetosinglepacketdelivery:GapsinsequencenumbercanbedetectedandexploitedForexample,byintermediatenodessendingNACKs132Where

is

packet2?2?ToanswerNACKlocally,intermediatenodesmustcachepacketsWhichpackets?Forhowlong?數(shù)據(jù)塊傳輸在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線鏈路不穩(wěn)定及易受干擾的特點(diǎn)是造成網(wǎng)絡(luò)傳輸不可靠的主要原因.除了在物理層實(shí)現(xiàn)高效的糾錯(cuò)碼之外，如何在MAC層、傳輸層以及應(yīng)用層提供可靠性是實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)闹匾ＷC。在MAC層實(shí)現(xiàn)可靠性保證的重要性體現(xiàn)在，它除了能為傳輸層提供跳段之間的錯(cuò)誤恢復(fù)之外，還是實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)及維持的保證。

數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST每跳鏈路出錯(cuò)率為10%，數(shù)據(jù)傳輸40跳時(shí)，傳輸成功概率數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST數(shù)據(jù)傳輸6跳時(shí)，傳輸成功概率比較

數(shù)據(jù)塊傳輸802.11中提供了數(shù)據(jù)包分片與重組的方法，但是并沒(méi)有提供傳輸可靠性保證。而傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸層TCP協(xié)議提供的傳輸可靠保證主要是為解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題而提出的，并不適用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)塊傳輸端到端選擇請(qǐng)求NACK是當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)包有丟失或損壞時(shí)，沿著基站到源節(jié)點(diǎn)的反向增強(qiáng)路徑發(fā)送重傳請(qǐng)求。當(dāng)重傳請(qǐng)求到達(dá)源節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)將重傳所需數(shù)據(jù)。端到端選擇請(qǐng)求NACK方法只需在基站和源節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，中間節(jié)點(diǎn)無(wú)需緩存數(shù)據(jù)。跳段選擇請(qǐng)求NACK方法是在路由路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都緩存數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟或損壞時(shí)直接向其上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送重傳請(qǐng)求。Example:PumpSlowlyFetchQuickly(PSFQ)Goal:Distributeblockofpacketstofromonesendertomultiplereceivers(sinktosensors)E.g.,codeupdate!lossesarenottolerable,delaynotcriticalRoutingstructureisassumedtobeknownPSFQ（PumpSlowly,FetchQuickly）為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重編程或重新指定任務(wù)提供了可靠傳輸，并提供了到接收端延遲保證。源節(jié)點(diǎn)低速向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)包以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，接收節(jié)點(diǎn)有足夠的時(shí)間來(lái)檢測(cè)這些數(shù)據(jù)包是否丟失，假如發(fā)生丟失就請(qǐng)求重傳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到的包序號(hào)不等于上一個(gè)包序號(hào)加1，那么就認(rèn)為有包丟失。這個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到正確的包之前停止繼續(xù)發(fā)送包?？煽啃詤f(xié)議傳輸層----

從匯聚節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸

PSFQ重傳機(jī)制

OverviewDependabilityrequirementsDeliveringsinglepacketsDeliveringblocksofpacketsDeliveringstreamsofpacketsAdditionalopportunity:ControlrateControlrateofindividualnodes:ESRTControlnumberofactivenodes:GurgameStreamsofpacketsmayleadtocongestionWhenseveralsensorsobserveaneventandtrytoperiodicallyreportit,congestionaroundeventmaysetitWhenmanysensorsstreamdatatoasink,congestionaroundthesinkmayoccur擁塞控制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分時(shí)間都處于零負(fù)載或輕負(fù)載，只有在異常事件發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中才會(huì)突發(fā)性的產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)非常重要，需要在不影響系統(tǒng)性能的前提下可靠的傳送給基站。但是這種突發(fā)性的大數(shù)據(jù)量傳輸很容易導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)不同程度擁塞的發(fā)生。網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨源速率的增加而減小.節(jié)點(diǎn)數(shù)量越大，實(shí)際吞吐量減少的越大.

擁塞檢測(cè)和避免（CODA）擁塞控制方案擁塞場(chǎng)景:節(jié)點(diǎn)密集分布的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有異常事件發(fā)生時(shí)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)突發(fā)性產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。在源節(jié)點(diǎn)附近(幾跳范圍內(nèi))形成持續(xù)擁塞區(qū)域。(2)在節(jié)點(diǎn)分布稀疏并且源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送速率較低的網(wǎng)絡(luò)中，不會(huì)在源節(jié)點(diǎn)附近產(chǎn)生持續(xù)的擁塞，而可能在遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中任意位置產(chǎn)生短暫的擁塞。(3)在節(jié)點(diǎn)分布稀疏并且源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送速率較高的網(wǎng)絡(luò)中，有可能在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的任意位置發(fā)生短暫或持續(xù)的擁塞。

CODA擁塞控制方案1.基于接收者的擁塞檢測(cè)；2.開(kāi)環(huán)跳段反向壓力信標(biāo)機(jī)制(open-loophop-by-hopbackpressure)；3.閉環(huán)多源調(diào)整機(jī)制(closed-loopmulti-sourceregulation)。

CODA擁塞控制方案--擁塞檢測(cè)CODA將節(jié)點(diǎn)