無線傳感器網絡課件：運輸層協(xié)議

運?輸?層?協(xié)?議4.1RMST協(xié)議4.2CODA協(xié)議4.3PSFQ協(xié)議4.4GARUDA協(xié)議

4.1RMST協(xié)議

RMST(ReliableMulti-SegmentTransport)協(xié)議是第一個無線傳感器網絡運輸層協(xié)議，其目標是提供端到端可靠數(shù)據傳輸。RMST協(xié)議是基于網絡層定向擴散路由協(xié)議設計的，它利用定向擴散路由協(xié)議提供的網絡層服務，這也意味著數(shù)據流的所有分組都將沿著同一條路徑傳輸，除非路徑上的節(jié)點出現(xiàn)故障?；谝陨霞僭O，RMST協(xié)議支持兩種操作模式：無緩存模式和緩存模式。緩存模式下的可靠傳輸過程，加強路徑上的某些傳感器節(jié)點并標記為緩存節(jié)點(黑色圓點)，即配備了緩存的節(jié)點。在該模式中，緩存節(jié)點也參與丟包檢測。

4.2CODA協(xié)議CODA(CongestionDetectionandAvoidance)[3]協(xié)議是一種以擁塞檢測、消除和預防為目的的運輸層協(xié)議。為實現(xiàn)該目標，CODA協(xié)議的設計假設了三種數(shù)據傳輸場景：(1)源節(jié)點頻繁生成數(shù)據并發(fā)送數(shù)據，擁塞可能出現(xiàn)在源節(jié)點附近；(2)對于低速通信，擁塞可能臨時出現(xiàn)在熱點位置；(3)熱點可能為多個數(shù)據流提供服務，由于網絡拓撲和網絡通信能力特征，可能存在永久性的熱點。對于前兩種類型的擁塞，CODA提供局部的擁塞控制機制，而對于第三種類型的擁塞，為調整源節(jié)點的數(shù)據率，需要端到端的控制機制。為了解決不同應用場景出現(xiàn)的擁塞，CODA協(xié)議提出了以下三種機制：基于接收者的擁塞檢測、開放環(huán)逐跳反壓和封閉環(huán)多源調整機制。4.2.1基于接收者的擁塞檢測能夠實現(xiàn)精確的擁塞檢測對擁塞控制來說是非常重要的，最常用的擁塞檢測指標是節(jié)點緩存占有率。CODA協(xié)議以緩存占有率和信道負荷條件兩者作為擁塞的指標，由于擁塞經常出現(xiàn)在接收節(jié)點的位置，因此，CODA設計了一種基于接收者的擁塞檢測機制?；诮邮照叩膿砣麢z測機制依賴于緩存占有率和信道負載，當節(jié)點有要發(fā)送的數(shù)據時，監(jiān)聽信道估計信道負載，如果信道負載比最大信道利用率更高，那么CODA判定為出現(xiàn)擁塞，亦即檢測到擁塞。4.2.2開放環(huán)逐跳反壓CODA機制的擁塞消除機制，傳感器節(jié)點試圖通過擁塞區(qū)域傳輸分組。4.2.3封閉環(huán)多源調整除了無線傳感器網絡動態(tài)特征導致的局部擁塞外，多個源節(jié)點生成的通信流量可能造成整個網絡范圍的擁塞。具體來說，如果多個源節(jié)點注入的通信負載超過了網絡能夠處理的網絡負載，局部擁塞控制機制將無法消除這種擁塞。針對這種情況，CODA協(xié)議使用了封閉環(huán)多源調整機制，這種機制類似于傳統(tǒng)的端到端擁塞控制機制。

4.3PSFQ協(xié)議PSFQ(PumpSlowly,FetchQuickly)協(xié)議是為了解決從匯聚節(jié)點到傳感器節(jié)點的數(shù)據傳輸問題而設計的，與關注傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點數(shù)據傳輸?shù)脑S多傳輸層協(xié)議不同，其逆路徑一般用于網絡管理任務和重新設置傳感器節(jié)點的任務。PSFQ協(xié)議提供三種主要功能：注入操作、提取操作，狀態(tài)報告。4.3.1注入操作因為可靠性比時效性更重要，所以PSFQ協(xié)議使用了一種低速的分發(fā)機制，即慢速注入(pump)機制。該機制基于向網絡慢速的注入分組，在這種情況下，到目標節(jié)點路徑上的每個節(jié)點等待一定的時間后再轉發(fā)收到的消息。PSFQ協(xié)議的注入操作，傳感器節(jié)點正在給它的鄰居節(jié)點A發(fā)送數(shù)據分組，節(jié)點A將此信息轉發(fā)給節(jié)點B。設置兩個時鐘Tmin和Tmax，這兩個時鐘用于調度從傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點路徑上的節(jié)點傳輸時間。4.3.2提取操作傳感器節(jié)點發(fā)送具有連續(xù)序列號并與特定消息相關的數(shù)據分組，如果從匯聚節(jié)點到傳感器節(jié)點傳輸路徑上的節(jié)點檢測到數(shù)據分組失序，則啟動提取操作。在這種情況下，為了從直接鄰居節(jié)點快速恢復丟失的分組，每個節(jié)點發(fā)送否認分組NACK執(zhí)行積極的逐跳恢復操作，該機制稱為快速提取機制。PSFQ協(xié)議的快速提取機制。當節(jié)點A檢測到丟包后，它給直接鄰居廣播NACK分組，可能出現(xiàn)沒有收到應答消息或僅僅接收到丟失的部分數(shù)據分組的情況。先驗式提取操作。如果一個節(jié)點收到一個數(shù)據分組之后，它等待Tpro時間仍沒有接收到后續(xù)數(shù)據分組，則發(fā)送否認分組NACK給它的鄰居節(jié)點以確認丟包還是數(shù)據傳輸結束。4.3.3狀態(tài)報告PSFQ協(xié)議的第三個組件是報告操作，利用分組首部設置的報告位，匯聚節(jié)點啟動報告操作，該操作允許匯聚節(jié)點從傳感器節(jié)點請求反饋信息。用于報告操作的分組通過網絡發(fā)送給指定節(jié)點，根據收到的報告請求，傳感器節(jié)點發(fā)送報告消息并立即響應報告請求，沿到匯聚節(jié)點路徑上的每個節(jié)點通過捎帶方式把狀態(tài)信息添加到報告中。如果路徑中的上游節(jié)點在時間Treport內沒有接收到報告請求響應，則建立自己的報告分組并發(fā)送給匯聚節(jié)點。

4.4GARUDA協(xié)議

GARUDA協(xié)議[5]解決了從匯聚節(jié)點到傳感器節(jié)點的可靠數(shù)據傳輸問題。為了能夠成功傳輸單個分組數(shù)據，GARUDA協(xié)議合并了一種高效的基于脈沖的方案，GARUDA協(xié)議選擇網絡中的某些確定節(jié)點執(zhí)行緩存和管理丟包恢復過程，稱這些確定節(jié)點為核心節(jié)點。對于不同的應用場景，GARUDA協(xié)議完成從匯聚節(jié)點到傳感器節(jié)點的可靠數(shù)據傳輸由以下三種機制組成：單個/首個數(shù)據分組傳輸機制、核心節(jié)點構造機制和兩階段丟包恢復機制。4.4.1單個/首個分組傳輸機制對于丟失分組，GARUDA協(xié)議主要依賴于否認消息NACK的恢復策略。然而，基于NACK分組的恢復機制不能解決僅有一個分組數(shù)據傳輸?shù)膩G包問題或數(shù)據流中所有分組丟失的問題。因此，GARUDA協(xié)議合并了基于脈沖的數(shù)據傳輸機制，該機制中匯聚節(jié)點會事先通過短脈沖通知傳感器節(jié)點，然后將有單個分組傳輸或者是多個分組的第一個分組傳輸。匯聚節(jié)點以某種振幅和周期發(fā)送WFP(Wait-for-Fisrt-Packet)脈沖序列，通知傳感器節(jié)點即將出現(xiàn)可靠短消息傳輸。WFP脈沖持續(xù)時間短并且僅用于聲明后續(xù)分組的傳輸。當匯聚節(jié)點要發(fā)送分組時，它將發(fā)送持續(xù)時間為Tp的WFP脈沖序列，WFP脈沖的持續(xù)時間遠小于分組傳輸?shù)某掷m(xù)時間并且傳輸負荷小。而且，匯聚節(jié)點以遠大于分組傳輸持續(xù)時間的周期Ts繼續(xù)傳輸WFP脈沖。從匯聚節(jié)點到目的傳感器節(jié)點路徑上的每個節(jié)點廣播收到的WFP脈沖信息，這樣，網絡中的每個節(jié)點都獲知將要接收到分組的信息。4.4.2核心節(jié)點構造類似于RMST協(xié)議中的緩存模式，GARUDA協(xié)議依賴于網絡中的某些具體節(jié)點緩存數(shù)據，稱這些節(jié)點為核心節(jié)點。第一個分組傳輸期間，GARUDA協(xié)議隱含使用了核心節(jié)點構造機制，滿足如下條件的節(jié)點可作為核心節(jié)點：(1)傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)是3的倍數(shù)；(2)沒有偵聽到相鄰節(jié)點已被選為核心節(jié)點的信號。4.4.3兩階段丟包恢復機制一旦構造了核心節(jié)點，核心節(jié)點將控制執(zhí)行數(shù)據傳輸。在分組丟失的情況下，利用兩階段丟包恢復機制，即核心節(jié)點首先從上游的核心節(jié)點恢復丟失的數(shù)據分組