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1、无线传感器网络传输层协议,目录,可靠性要求 传递single of packets 传递 blocks of packets 传递 streams of packets,可靠性方面,Coverage & deployment 当有事件发生时是否有足够的节点可以监测事件的发生？是否有足够的节点可以精确地测量数据? 如何布置这些节点？ Information accuracy 哪些被测量的数据必须被传送到哪里以保证一定的精确性? 如何在第一时间内处理那些不精确的测量? Dependable data transport 一旦确定哪些数据被传送到哪里，如何保证它们准确地到达? How to deal
2、 with transmission errors and omission errors/congestion?,可靠性协议,物理层 物理层是实现无线网络通信的基石，其可靠性能的优劣直接影响到整个系统的容错能力。物理层主要负责数据的编码调制、解调解码、发送与接收。 对于无线传感器网络节点间的通信，为了使得数据能够被可靠地传输或接收，必须要做到高的接收机灵敏度、低的背景噪声及较强的抗干扰能力。,可靠性协议,链路层 数据链路层主要负责数据流的多路选择、数据帧侦测、媒介访问、差错控制 ，保证了点到点、点到多点的可靠性链接。媒介访问控制为数据传输建立通信链路，并提供对共享媒介的公平、有效的访问。它需
3、要减少或避免媒介中的包冲突。 差错控制主要采用自动重发请求（ARQ）和前向纠错（FEC）。,可靠性协议,网络层,建立局部多路径,可靠性协议,网络层,定向洪泛,可靠性协议,传输层,事件汇聚到Sink,可靠性协议,传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输 PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）为无线传感器网络的重编程或重新指定任务提供了可靠传输，并提供了到接收端延迟保证。源节点低速向网络注入数据包以避免网络拥塞，接收节点有足够的时间来检测这些数据包是否丢失，假如发生丢失就请求重传。当节点收到的包序号不等于上一个包序号加1，那么就认为有包丢失。这个节点在收到正确的包之前停止继
4、续发送包。,可靠性协议,传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输,PSFQ重传机制,可靠性: 术语,“可靠的”是涵盖性术语 主要指标 （稳态的）可用性 probability that a system is operational at any given point in time Assumption: System can fail and will repair itself 在时间t的可靠性 Probability that system works correctly during the entire interval 0,t) Assumption: It worked cor
5、rectly at system start t=0 相应速度Responsiveness Probability of meeting a deadline Even in presence of some to be defined faults 包成功的概率 Probability that a packet (correctly) reaches its destination Related: packet error rate, packet loss rate 误码率Bit error rate Probability of an incorrect bit Channel mo
6、del determines precise error patterns,可靠性约束,无线传感器网络为了可靠的传输数据需要考虑的约束条件： Transmission errors over a wireless channel Limited computational resources in a WSN node Limited memory Limited time (deadlines) Limited dependability of individual nodes 机制: 冗余 Redundancy in nodes, transmission Forward and back
7、ward error recovery Combinations are necessary!,可靠的数据传输 背景,传输的对象 Single packet Block of packets Stream of packets 保证水平 Guaranteed delivery Stochastic delivery 有关实体Involved entities Sensor(s) to sink Sink to sensors Sensors to sensors,50% delivered,限制条件,能量 Send as few packets as possible Send with lo
8、w power ! high error rates Avoid retransmissions Short packets ! weak Forward Error Correction （FEC ） Balance energy consumption in network 处理功率 Only simple FEC schemes No complicated algorithms (coding) 存储器 Store as little data as briefly as possible,Overview,可靠性要求 Delivering single packets Single
9、path Multiple paths Gossiping-based approaches Multiple receivers Delivering blocks of packets Delivering streams of packets,传递单个数据包 主要选择,目的接收器是什么? 单个接收器? 多个接收器? 在周围? 展开? 移动的? 哪些路由结构可用? Unicast routing along a single path? Routing with multiple paths between source/destination pairs? No routing stru
10、cture at all rely on flooding/gossiping?,单个包经过单个路径到底单个接收器,单个多跳路径可由某一路由协议得到 问题: 哪个节点 监测丢包 (使用哪些指示器)? 要求重传？ 执行重传？,在单个包传递的时候检测包或信令丢失,检测单个包丢失: 只有肯定确认 positive acknowledgements (ACK) 可行 否定Negative acks (NACK) 不可行 接收机通常不知道哪个包应该到底，不能发NACK 哪个节点发ACKs (以避免重传)? 在每个中间节点，在 MAC/link 层 通常伴随着链路层重传 通常有限定的重传次数 在目的节点
11、传输层重传 问题: 定时器选择,执行重传,链路层确认: 邻居节点 传输层确认: 源节点 ! 端到端的重传,Question: Could an intermediate node help in an end-to-end scheme? How to detect need for retransmissions? How to retransmit?,Tradeoff: 端到端 vs. 链路层重传,场景: 单个包,从源到目的节点经过n 跳，二进制对称信道（ BSC channel） 链路层，端到端重传 链路层重传: 最大重传的次数是不同的 在其范围内仍然不成功就丢弃包 ! 对于好的信道，使
12、用端到端方案; 否则使用局部重传,Expected energy cost,The BSC is a binary channel; that is, it can transmit only one of two symbols (usually called 0 and 1). The transmission is not perfect, and occasionally the receiver gets the wrong bit.,Tradeoff: 端到端 vs. 链路层重传,相同的场景, 条数是变化的 BER=0.001 of BSC channel fixed ! 链路层重
13、传仅适用于较长的路由,Expected energy cost,多个路径,类型 : 不相交（disjoint） or 编织的（braided） 使用默认的或可用的多条路径 同时 发送相同的包 发送多余的片段 例子: ReInForM,多路径: 不相交或编织的,可靠数据传输,造成数据包丢失的原因主要有三个方面： 无线传感器网络所使用的无线信道较之有线链路有更大的不稳定性以及更高的误码率， 很容易受到周围环境噪声的影响造成数据包的丢失。另外在无线传感器网络中，传感器节点的布撒密度非常高，不同节点在发送数据时极易发生信道竞争冲突以及碰撞造成数据包丢失。 当无线传感器网络中发生拥塞时，拥塞节点缓冲区溢
14、出造成数据包丢失。接收节点因为数据包到达过快来不及处理造成数据包丢失。,差错避免可靠传输,ACK确认重传机制 数据包冗余传输机制 多路径传输机制 FEC前向纠错码机制,单分组传递： Reliable Information Forwarding using Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM),ReInForm方法是基于在多条路径上发送数据包的多个拷贝来提高数据包传输可靠性。 从数据源节点开始，根据数据传输可靠性、信道质量以及传感器节点到汇聚节点的跳数，确定需要的传输路径数目，以及下一跳节点数目和相应的节点。 邻居节点在接收到数据源节点的数据后
15、，将自己视作数据源节点，重复上述数据源节点的选路过程。实现满足可靠要求的数据传输。,Example: Reliable Information Forwarding using Multiple Paths in Sensor Networks(ReInForM),目标: 通过多条路径发送数据包来满足传递概率P 假设: 独立路径,二进制对称信道BSC 节点知道本地的包错误率e Step 1: 源节点决定使用哪些路径 Success probability over a single path with ns hops: 1-(1-e)ns Success probability over P
16、paths: 1-(1-(1-e)ns)P Should be rs, solve for P: Note there is no floor/ceiling in this formula,ReInForM Forwarding to neighbors,Source node picks a forwarder closer to destination than itself Remaining neighbors: P = P (1-es) Choose P neighbors to additionally forward packet If possible, only neigh
17、bors closer to destination If not sufficient, use neighbors same hop distance If not sufficient, use further away neighbors,Source,Desti- nation,Forwarder,Packet contains Source & destination Forwarder identity Source packet error rate Number of paths each neighbor should construct,图 ReInform所需传送概率为
18、70%时数据转发举例。(A)图是源节点在链路差错率为0时传递1个数据包；(B)图是源节点在链路差错率为0时传递10个数据包；(C)是源节点在链路差错率为30%时传递1个数据包(D)是源节点在链路差错率为30%时发送10个单分组,图 洪泛、单路径转发以及40%、70%可靠性要求的多路径转发在链路出错率增加时所能保证的可靠性比较,图 洪泛、单路径转发以及40%、70%可靠性要求的多路径转发在链路出错率增加时为保证可靠性所引发的开销,Overview,Dependability requirements Delivering single packets Delivering blocks of p
19、ackets Opportunity: Caching in intermediate nodes Example: Pump Slowly, Fetch Quickly (PSFQ) Example: Reliable Multisegment Transport (RMST) Delivering streams of packets,数据块传输,无线传感器网络中，有时需要传输大量的数据。比如在传送图像、声音等数据时，或者当网络需要重新配置，基站将新的代码发送至节点。 相对于单数据包的可靠性传输，保证数据块传输的可靠性机制有很大的不同。,数据块传输,Goal: Deliver large
20、amounts of data E.g., code update, large observations Split data into several packets (reduce packet error rate) Transfer this block of packets Main difference to single packet delivery: Gaps in sequence number can be detected and exploited For example, by intermediate nodes sending NACKs,1,3,2,Wher
21、e is packet 2?,2?,To answer NACK locally, intermediate nodes must cache packets Which packets? For how long?,数据块传输,在无线传感器网络中，无线链路不稳定及易受干扰的特点是造成网络传输不可靠的主要原因. 除了在物理层实现高效的纠错码之外，如何在MAC层、传输层以及应用层提供可靠性是实现可靠传输的重要保证。 在MAC层实现可靠性保证的重要性体现在，它除了能为传输层提供跳段之间的错误恢复之外，还是实现路由发现及维持的保证。,数据块传输:RMST,每跳链路出错率为10%，数据传输 40跳时，
22、传输成功概率,数据块传输:RMST,数据传输6跳时，传输成功概率比较,数据块传输,802.11中提供了数据包分片与重组的方法，但是并没有提供传输可靠性保证。 而传统有线网络中的传输层TCP协议提供的传输可靠保证主要是为解决网络拥塞问题而提出的，并不适用于无线网络。,数据块传输,端到端选择请求NACK是当基站节点发现接收的数据包有丢失或损坏时，沿着基站到源节点的反向增强路径发送重传请求。当重传请求到达源节点后，源节点将重传所需数据。端到端选择请求NACK方法只需在基站和源节点缓存数据，中间节点无需缓存数据。 跳段选择请求NACK方法是在路由路径上的每个节点都缓存数据，当节点发现有数据包丢或损坏时
23、直接向其上一跳节点发送重传请求。,Example: Pump Slowly Fetch Quickly (PSFQ),Goal: Distribute block of packets to from one sender to multiple receivers (sink to sensors) E.g., code update ! losses are not tolerable, delay not critical Routing structure is assumed to be known PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）为无线传感器网络的重
24、编程或重新指定任务提供了可靠传输，并提供了到接收端延迟保证。源节点低速向网络注入数据包以避免网络拥塞，接收节点有足够的时间来检测这些数据包是否丢失，假如发生丢失就请求重传。当节点收到的包序号不等于上一个包序号加1，那么就认为有包丢失。这个节点在收到正确的包之前停止继续发送包。,可靠性协议,传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输,PSFQ重传机制,Overview,Dependability requirements Delivering single packets Delivering blocks of packets Delivering streams of packets Addit
25、ional opportunity: Control rate Control rate of individual nodes: ESRT Control number of active nodes: Gur game,Streams of packets may lead to congestion,When several sensors observe an event and try to periodically report it, congestion around event may set it When many sensors stream data to a sin
26、k, congestion around the sink may occur,拥塞控制,无线传感器网络大部分时间都处于零负载或轻负载，只有在异常事件发生时，网络中才会突发性的产生较大的数据量。这些数据非常重要，需要在不影响系统性能的前提下可靠的传送给基站。但是这种突发性的大数据量传输很容易导网络不同程度拥塞的发生。 网络吞吐量随源速率的增加而减小. 节点数量越大，实际吞吐量减少的越大.,拥塞检测和避免（ CODA ）拥塞控制方案,拥塞场景 : 节点密集分布的网络中，当有异常事件发生时，源节点会突 发性产生大量数据。在源节点附近(几跳范围内)形成持续拥塞区 域。 (2)在节点分布稀疏并且源节点
27、数据发送速率较低的网络中，不会在 源节点附近产生持续的拥塞，而可能在远离源节点的网络区域中任 意位置产生短暂的拥塞。 (3)在节点分布稀疏并且源节点数据发送速率较高的网络中，有可能 在网络区域的任意位置发生短暂或持续的拥塞。,CODA拥塞控制方案,1. 基于接收者的拥塞检测； 2. 开环跳段反向压力信标机制(open-loop hop-by-hop backpressure)； 3. 闭环多源调整机制(closed-loop multi-source regulation) 。,CODA拥塞控制方案-拥塞检测,CODA将节点缓冲区管理方法与链路负载监测方法二者相结合，提出了一个能量高效基于接收
28、者的拥塞检测方法。 在CODA中，只有当节点缓冲区队列不为空时，才启动链路负载监测。当节点缓冲区队列为空时，表明没有拥塞发生，链路负载监测将关闭。 由于CSMA在发送数据前需要监听信道判断信道是否空闲，所以将链路负载监测放在该段时间一起进行将不会带来任何额外的开销。,CODA拥塞控制方案-开环跳段反向压力信标机制,检测到网络发生拥塞时，节点将向邻居节点广播一个反向压力信标，同时采用相应的数据包丢弃策略或调整数据发送速率来防止拥塞的进一步传播。 当上游节点接收到反向压力信标后，它将根据局部拥塞策略选择直接丢弃到来的数据包以防止缓冲区溢出，而不继续传送反向压力信标。 如果节点当前的缓冲区溢出，则选
29、择向上游节点继续传送该信标。,CODA拥塞控制方案-闭环多源调整机制,CODA中提出的闭环多源调整机制，能够在无线传感器网络中发生持续拥塞时，通过基站节点对源节点进行拥塞控制。 当源事件速率r小于最大理论带宽Smax的一定百分比时(即rSmax时，该源节点认为网络很可能发生了拥塞，因此将触发闭环多源调整机制。,数据率控制算法,为避免或者解除无线传感器网络拥塞，可以通 过数据率控制方法控制网络中节点的传输速 率。当节点的速率保持一定时，可以通过控制 在此速率下发送数据的节点个数来达到控制网 络流量的目的。,Conclusion,Transport protocols have considerable impact on the service rendered by a wireless sensor networks Various facets no “one size fits all” solution in sight Still a relatively unexplored areas Items not covered Relation to coverage issues TCP in WSN? Gateways? Aggregation? In-network processing?,