无线传感网可靠传输协议分析

陈 昊

(中国劳动关系学院，北京 100044)

无线传感网可靠传输协议分析

陈 昊

(中国劳动关系学院，北京 100044)

数据的可靠传输是无线传感网广泛应用的前提。现有的无线传感网可靠传输方案存在着局限，无法适用于所有的应用需求，研究针对无线传感网的可靠传输关键技术具有实际的意义。

无线传感网；可靠传输；关键技术

0 引言

数据是无线传感网部署的目标，数据的可靠传输是保障应用需求的必要手段。Holger Karl在《Protocols and Architecture for Wireless Sensor Network》一书中认为数据可靠传输是保障无线网络服务质量最重要的因素。相对于时延、吞吐量、信道利用率等，数据的可靠性在某些应用中更为重要。例如，在野生动物保护监测系统中，长期的监测数据对于动物的生活习性研究和运动轨迹分析才是有意义的，因此，所有源节点感知并采集的数据必须被可靠地传输到动物保护中心，以便动物保护人员对动物实施保护及研究。在大型土遗址保护监测系统中，如陕西明长城，为评价其健康状态并提供决策依据，所有感知到的数据必须被可靠地传送到sink节点，为历史遗迹的演进提供数据支持。此外，无线传感网的预警系统、智能交通、军事侦察等都需要数据的可靠传输。

数据可靠传输是指源节点感知并采集到的数据应正确传输到sink节点。无线传感网采用无线通信方式，无线通信的竞争本质使得每个节点均基于自己的需求争用无线信道，而每个节点仅有网络的局部视图。同时，无线传感网是由事件驱动的，系统的通信负载不可预期。大多数时间节点处于轻负载状态，一旦事件发生，周围节点感知的数据量激增，甚至产生数据风暴，另一方面，无线传感网资源受限。因此，数据冲突与网络拥塞是无线传感网的固有问题。在无线传感网中，很多因素都会导致数据包的丢失，影响数据传输的可靠性。隐终端引起的数据碰撞、节点接入信道的退避策略不当、节点失效引发的路由中断、传输策略的可靠性保障欠缺等都将导致数据包丢失，使得数据传输的可靠性得不到保障。因此，数据的可靠传输机制亟待研究。

但是，现有的有线网络和Ad Hoc网络中的可靠传输协议无法直接应用于无线传感网。传统的有线网络利用双绞线、同轴电缆等实体传输介质通信，抗干扰能力强。可靠的有线网络通常采用TCP/IP协议，传输层使用了三次握手、滑动窗口、端到端重传等机制保证数据包从源主机可靠地传输到目的主机。对于无线传感网的特点和轻量级要求来说，端到端重传最为消耗能量，极大地影响了数据包可靠传输到sink。无线传感网利用红外线技术或射频技术取代网线，采用无线电技术实现网络通信，因此易受周围环境干扰、多径衰减的影响，信道通信行为会随时间和地理位置而变化，MAC层差错控制对包一级的可靠性要求也随时间变化。同时，基于竞争的信道接入技术会造成严重的数据包冲突，导致数据包的丢失，无法实现可靠传输。因而为固定网络开发的协议无法很好的应用于无线链路中。

Ad Hoc网络属于无线网络，它与无线传感网的最大区别在于资源不同。接入Ad Hoc网络中的设备能量可以更换和补充，而无线传感网中传感器节点采用电池供电，在恶劣以及人迹罕至的环境中的应用无法更换电池，因此面临能量耗尽时节点失效的问题，网络拓扑动态变化，严重时导致数据传输的中断，无法将节点的感知数据可靠地传输到目的节点。

2 研究现状

同一份数据按照多条路径同时传输以及单条路径上重复传输同一份数据是保证数据可靠传输的主要方法[1-4]。多路径传输保障端到端数据包传输的可靠性，重传则保障相邻两跳间的可靠性。然而，尽管多路径传输鲁棒性强，但消耗大量能量，而重传增加了信道竞争，同时数据重复在单条路径上传输，不利于能量均衡，拥塞发生时可能会加重这一情况。

由于无线传感网低质量的无线信道，经常引起数据包丢失，因此必须保证数据包级的可靠传输。现今使用的传输协议不能直接应用在无线传感网上[5]，具体分析如下。

PSFQ[6]是第一个可靠的传输协议，其思路为数据逐跳传输，节点以较慢的速度将数据传输到下一跳，下一跳节点发现数据包丢失后，立即向上一跳请求重传。针对代码更新应用，汇聚节点将更新程序发送到全网，节点收到完成的程序代码后更新。PSFQ保证在恶劣环境中最小化丢失检测和丢失数据发现所需要的数据传输量。它是一种一对多下行数据分发传输协议，但由于采用基于单纯的NACK的确认机制，PSFQ协议不能发现所有分组都丢失的情况。RMST[7]是基于NACK机制的专注于解决可靠性的传输层控制协议。是在定向扩散路由基础上，通过丢包逐跳重传实现数据包传输的可靠性，是一种一对一可靠传输协议。基于与PSFQ以及RMST相同的应用背景，Seung-Jong等人提出了sink向节点发布大块数据时的可靠性要求[8]。文章指出NACK存在的一些问题，即当一个数据块的所有包都丢失的情况下无法恢复数据。然后提出了一种新的机制，要求每个数据块的第一个报文都必须以ACK的方式可靠地传回所到节点，并在全网中选出一些核心（core）节点来执行数据恢复功能。HHR，HHRA，HHB，HHBA[6]是基于重传的可靠性协议。从发送方考虑，为传输的分组规定一个期望传递概率，节点持续向下一跳节点发送多份数据副本。Banerjee和Misra研究了链路的不稳定性对能耗的影响，并提出了一种基于单跳重传的算法寻找最小能耗的路径[9]。对于单跳重传机制，可以直接基于Dijkstra[10]最短路径算法计算能耗最小的路径。QunfengDong等人将MAC层的ARQ重传机制与端到端重传结合在一起，基于Dijkstra算法提出了两个集中式的最小能耗可靠路由算法BAMER和GAMER[11]。他们首先就单纯的端到端的方法提出了BAMER算法以及加入单跳重传后的GAMER算法，最后又提出了一种性能接近集中式的分布式的算法DAMER，为可靠数据传输构建能耗最小的重传路径。DTC[12]从吞吐量和能量使用效率出发，引入一种分布式TCP缓存机制，使用局部缓存和局部重传机制来代替代价昂贵的端到端重传。TSS[13]对DTC的分布式缓存策略进行改进，只有发送的数据包被成功确认才转发下一个数据包，减少了数据包、端到端、ACK的发送数量，提高了网络性能。文献[14]是加州大学网络实验室的徐宁等人对桥梁结构健康监测的实验，使用一个被称为Wisden（无线传感器的结构响应数据采集网络）的系统。Wisden实现了在应用层使用NACK机制的混合逐跳和端到端两种方式进行传输可靠性保证的方案，然而却极大的牺牲了缓存空间和通信效率。这些协议主要是利用重传提高可靠性，并没有考虑到拥塞控制。STCP[8]是兼有拥塞控制和可靠传输的协议。STCP是一类端到端的传输协议，它的新颖之处在于利用应用中的多样性来提供可靠性传输和控制，例如，对于产生连续数据流的应用，STCP用基于NACK的端到端重传方式；对于事件驱动的应用，采用基于ACK的端到端重传方式。

综上所述，低质量的无线信道是数据可靠传输面临的主要问题。但现有的关于数据传输的可靠性保障机制没有综合考虑网络各层次与可靠传输之间的关系，通过对已有研究成果的分析、研究，信道准入策略、可靠路由策略、流量控制和传输策略与无线传感网的可靠传输密切相关，可以从MAC 层、路由层和传输层对数据可靠传输的影响入手，解决无线传感网无线信道不可靠问题，保障数据传输的可靠性。

3 面临的挑战

无线传感网常被部署于野外或人迹罕至区域，资源问题、无线通信本质、纯分布特征及其动态变化的拓扑结构使得数据可靠传输面临巨大的挑战，具体有以下几个方面：

（1）无法采用集中控制模式

有线网络采用集中控制模式，网络中的任一客户端都具有唯一的地址，中心控制节点与其它节点构成主从关系，便于统一控制和管理，稳定性和可靠性好。而无线传感网是纯分布式网络，网络中各节点地位对等，不存在中心控制节点，因此无法进行统一管理。节点仅有其邻居节点信息，网络拓扑难以获取且动态变化，导致可靠的路由协议及传输控制算法的设计亦采用分布模式。故不能集中控制是无线传感网的可靠传输机制设计时面临的第一大挑战。

（2）实时的网络状态不可用

节点因能源耗尽而失效导致的拓扑变化，通信负载及周围环境的影响使得链路的通信质量实时变化，数据干扰等诸多因素使得整个网络呈现高度的动态性。 因此，跳级的网络状态参数和路径级的网络状态参数均实时变化，而可靠的传输策略设计需要基于实时的网络状态。故实时的网络状态不可用是无线传感网的可靠传输机制设计时面临的第二大挑战。

（3）节点资源有限

由于可再生供电能源成本过高，不适合大规模部署的应用需求，因而大多数无线传感器节点采用电池供电，从而能量非常有限。而接收错误的数据、信道争用引发的数据碰撞、隐藏终端和暴露终端等问题严重消耗了能量，由能量耗尽引起的节点失效将导致网络分割，感知数据无法到达sink，严重影响数据可靠传输。因此，在可靠机制设计的各个阶段都需要考虑能量要素。比如MAC层的能量主要浪费在空闲监听、接收不必要的数据和碰撞重传等，网络层要确保转发路径的合理与高效，传输层减少数据的重传等[15]。故能源有效性是无线传感网的可靠传输机制设计时面临的第三大挑战。

（4）协议和算法需要具备自适应性

无线传感网是由事件驱动的，一般情况下，多数节点处于静默状态，通信负载极小。事件频发期，多数节点处于活跃状态，感知并产生的数据远超出系统的负载能力。如何利用无线传感网的有限资源为不同的通信负载提供可靠传输，是无线传感网的可靠传输机制设计时面临的第四大挑战。

（5）无线通信的本质

无线传感网采用无线通信技术，每个节点基于自己的数据传输需求竞争无线信道，每个节点仅有网络的局部视图，无法获取邻居节点之外的其它节点状态，更别提网络的全局状态，因此，数据包冲突乃至网络拥塞是无线传感网的固有问题。如何克服无线通信的缺点是无线传感网的可靠传输机制设计时面临的第五大挑战。

无线传感器网的可靠性主要包括三方面的内容：可靠数据传输问题、覆盖和部署问题、信息精确度问题。数据的可靠传输是可靠性的根本问题。

4 小结

综上所述，数据的可靠传输是无线传感网广泛应用的前提。通信负载的不可预期性，网络拓扑的动态性、节点资源的极度受限性等使得数据传输的可靠性保障面临巨大的挑战。而现有的无线传感网可靠传输方案存在着局限，无法适用于所有的应用需求，研究针对无线传感网的可靠传输关键技术具有实际的意义。

[1] Zhang H, Arora A, Choi Y, et al. Reliable bursty convergecast in wireless sensor networks[J]. Computer Communications, 2007, 30(13): 2560-2576.

[2] Ganesan D, Govindan R, Shenker S, et al. Highly-resilient, energy-efficient multipath routing in wireless sensor networks[J]. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 2001, 5(4): 11-25.

[3] Intanagonwiwat C, Govindan R, Estrin D. Directed diffusion: a scalable and robust communication paradigm for sensor networks[C]//Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computing and networking. ACM, 2000: 56-67.

[4] Deb B, Bhatnagar S, Nath B. ReInForM: Reliable information forwarding using multiple paths in sensor networks[C]//Local Computer Networks, 2003. LCN'03. Proceedings. 28th Annual IEEE International Conference on. IEEE, 2003: 406-415.

[5] Iyer Y G, Gandham S, Venkatesan S. STCP: a generic transport layer protocol for wireless sensor networks[C]// Computer Communications and Networks, 2005. ICCCN 2005. Proceedings. 14th International Conference on. IEEE, 2005: 449-454.

[6] Wan C Y, Campbell A T, Krishnamurthy L. PSFQ: a reliable transport protocol for wireless sensor networks[C]//Proceedingsof the 1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications. ACM, 2002: 1-11.

[7] Stann F, Heidemann J. RMST: Reliable data transport in sensor networks[C]//Sensor Network Protocols and Applications, 2003. Proceedings of the First IEEE. 2003 IEEE International Workshop on. IEEE, 2003: 102-112.

[8] Park S J, Vedantham R, Sivakumar R, et al. A scalable approach for reliable downstream data delivery in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 5th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing. ACM, 2004: 78-89.

[9] Banerjee S, Misra A. Minimum energy paths for reliable communication in multi-hop wireless networks[C]//Proceedings of the 3rd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing. ACM, 2002: 146-156.

[10] Leiserson C E, Rivest R L, Stein C. Introduction to algorithms[M]. The MIT press, 2001.

[11] Dong Q, Banerjee S, Adler M, et al. Minimum energy reliable paths using unreliable wireless links[C]//Proceedings of the 6th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing. ACM, 2005: 449-459.

[12] Dunkels A, Alonso J, Voigt T, et al. Distributed TCP caching for wireless sensor networks[J]. SICS Research Report, 2004. [13] Braun T, Voigt T, Dunkels A. Energy-efficient TCP operation in wireless sensor networks[J]. Praxis der Information sverarbeitung und Kommunikation, 2005, 28(2): 93-100.

[14] Xu N, Rangwala S, Chintalapudi K K, et al. A wireless sensor network for structural monitoring[C]//Proceedings of the 2nd international conference on embedded networked sensor systems. ACM, 2004: 13-24.

[15] 智能无线传感网原理与应用, 吴成东, 科学出版社, 2011年12月, 56-57.

Reliable Transport Protocol Analysis of Wireless Sensor Networks

CHEN Hao
(China Institute of Industrial Relations, Beijing)

Reliable data transmission is a prerequisite for the widespread application of wireless sensor networks. The existing wireless sensor network reliable transmission protocol has limitations, can not be applied to all application requirements. So it is meaningful to study the key technology of reliable transmission for wireless sensor networks.

Wireless sensor network; Reliable transmission; Key technologies

TP212.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.10.013

陈昊，女，副教授，博士，主研方向：无线传感器网络。

本文著录格式：陈昊. 无线传感网可靠传输协议分析[J]. 软件，2016，37（10）：55-58