无线传感器网络概论第5章 无线传感器网络的传输层

无线传感器网络概论第5章无线传感器网络的传输层本章目录5.1无线传感器网络传输层概述5.2无线传感器网格体系5.3MPAS设计5.1无线传感器网络传输层概述无线传感器网络传输层的作用：1.无线传感器网络传输层的主要任务是实现在传输过程中流量的控制2.无线传感器网络传输层要在数据传输过程中消耗最少能量的基础上实现可靠、高质量的服务3.传输层的顺利传输与否直接决定着应用层能否正常运行4.传输层的主要作用是通过下一层传递的内容，向上一层传递公开化、真实的数据内容因此传输层务必确保对流量的管制、对拥塞的防范，并且在传输数据过程中，实现数据的无乱序、无重复和无丢失传输。5.1.1无线传感器网络传输层简介5.1无线传感器网络传输层概述传输层是根据实际应用而设计的可靠的传输，要求传输层具备以下功能：1.减少传输层的能量消耗2.确保传输层的可靠性3.提高传输层的可伸缩性和容错性4.降低传输层技术的繁杂度5.运用多个传感器节点协作完成目标传输5.1.1无线传感器网络传输层简介5.1无线传感器网络传输层概述为了贯彻根据实际应用设计的可靠的传输协议，彻底解决上述问题、具备上述能力，传输层承担的主要任务可归纳为以下几点。1.以减少能量消耗作为首要目标设计传输层技术2.根据应用设计新的可靠性模型3.设计新的错误恢复机制。鉴于上述问题，根据实际应用，提出了一些关于无线传感器网络的传输协议，接下来将简要介绍这些协议涉及到的主要技术5.1.1无线传感器网络传输层简介5.1无线传感器网络传输层概述1.采用事件到汇聚点的可靠性模型如下图所示，一部分传输协议对衡量目前传输过程中可靠性程度的量化标准做出了简要而准确的描述，这些标准中指出汇聚点依照接收到报文的数量或者其它特征进行估测。依照目前的可靠性水平和网络状况，汇聚点将自适应地对流量进行支配。5.1.1无线传感器网络传输层简介5.1无线传感器网络传输层概述2.采用部分缓存和错误恢复体制所有的中间节点都将数据报文进行缓存，如果有节点将数据丢失，要求在最短的时间内向距离最近的节点索要数据后，该节点才可以向下一跳节点传递数据。3.采用消极确认体制消极确认体制规定，当且只当节点在缓存过程中的数据报文被发现排列不连续时，丢失数据才成立，而且立即向距离最近的节点再次发送确认报文，从而索要丢失的报文。4.采用由源传感器执行拥塞监测的体制源传感器根据自身的缓存状态判断是否发生拥塞，然后向会聚节点回送当前网络状态。5.1.1无线传感器网络传输层简介5.1无线传感器网络传输层概述针对无线传感器网络的具体应用，无线传感器网络在传输数据信息的过程中需要注意以下几个关键技术：1.拥塞控制拥塞控制技术在无线传感器网络传输控制协议中处于最基础、最核心的位置。2.丢包恢复无线传感器网络传输层中，保障数据可靠性的方式有两种：AutomaticRepeat-ReQuest（ARQ）协议与ProliferationRouting（PR）机制。5.1.2无线传感器网络传输层的关键技术5.1无线传感器网络传输层概述3.优先级策略（1）基于事件的优先级具备比较高的优先级的战场数据，在数据包的接受过程中将要被表示为紧急事件，该方式是通过在数据包头加入优先级变量实现的，该优先级的变量值越大，那么该数据包就越提前被处理。（2）基于节点的优先级距离汇聚节点较近的其他节点产生拥塞的可能性较高，为了避免发生拥塞，规定将这些节点传送出去的数据包设置成较高一级的优先级。5.1.2无线传感器网络传输层的关键技术5.1无线传感器网络传输层概述5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述1.ESRTESRT协议属于自适应调整协议，具备将可靠性的数据通过消耗最低的能量传输给Sink节点的能力。（1）基本思想ESRT是通过分析传输节点目前状态下的拥塞状况和可靠性状况，确定一种最优的策略实现最优的网络性能。ESRT根据测量系统的可靠性，对系统做出对应的调整，使之最大限度地节省能量并达到可靠性指标。该协议将无线传感器网络系统分为5种状态：5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述（2）ESRT的关键技术为了深入了解ESRT协议，首先必须了解ESRT协议的时间和汇聚点可靠性模型，以及五种工作状态。在当前决策周期中，汇聚节点需要R个事件消息报文才能可靠地监测事件。相应地，可以定义描述了当前传输的可靠性程度。当时，当前传输是足够可靠的；而当时，当前传输是不可靠的。图5.3为在一个典型的应用环境中，随的变化情况。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述在一个典型的应用环境中，η随f的变化情况：5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述由上图可见，当时，随着增大而提高；而当时，随着增大而波动变化。这是因为当时，网络发生拥塞，而拥塞造成的保温丢失率随着增大非线性变化。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述假设为可靠性容差，可以根据和的取值情况，定义传输五种工作状态：状态，即且；状态，即且；状态，即且；状态，即且；状态，即且。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述传输状态变换流程5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述ERST协议规定源传感器根据自身的缓存状态判断是否发生阻塞。如上图所示，在当前和上个决策周期末源传感器分别缓存了和个事件消息报文，报文增量为5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述如果大于缓存的容量B，则源传感器认为发生拥塞，并且设置拥塞标志位后向汇聚节点。理论分析和仿真表明，ESRT协议能够把传感器组获得的事件消息数据低能耗地、可靠地传输到汇聚节点，且具有良好的伸缩性和容错性；它的网络拓扑变化或传感器网络的密度和规模增大时，能够保持良好的性能。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述1.PSFQ（1）基本思想：用户节点在传送数据之前，首先将待传送数据分成多个报文，每一个报文将被独自作为一个小分组，每个小分组中涵盖了基本的信息。每一个独自的小分组根据报文分割时的前后顺序，每过固定的一段时间发送一个全新的报文分组，持续到所有的报文全部发送出去。PSFQ传输协议把用户数据可靠地、低能耗地传输到目标传感器组。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述（2）关键技术缓存机制消极确认机制索取汇聚机制采用部分缓存和错误恢复体制NACK确认机制逐跳错误恢复机制5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述仿真和实验测试表明，PSFQ协议能够在宽松的时延限制下，将用户数据低能耗和可靠地传输到一组传感器；而且，PSFQ协议具有良好的伸缩性，它在无线传感器网络的密度和规模增大时能够保持良好的性能。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述2.PECRPECR协议是在保证可靠性的前提下，尽可能地节省能量，该协议是一种能够自适应调整的拥塞控制体制。（1）基本思想：PECR协议作为一种拥塞控制体制，该体制含有两个过程，这两个过程是拥塞检测和拥塞控制。关键技术PECR中的拥塞检测阶段。PECR协议实现检测拥塞的过程中通过节点缓存的方式实现。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述PECR中的拥塞控制阶段。控制过程如下图所示：5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述节点根据最小跳数协议初始化自己的路由表信息，确定每个节点的下一跳节点。节点每隔一段时间检测一次缓存占用率并把结果当做拥塞信息的一部分写入反馈的数据包中，并且将这报文传送给它的相邻节点。源节点一旦接收到下游的节点传送回来的拥塞消息，将立刻把此消息添加到本地缓存的相邻节点的拥塞表中。分流过程中，节点选择自己的所有下一跳节点中的一个，监测它能否符合拥塞度要求并且是否在剩余能量值的要求范围中。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述如果上一步中的下一跳节点不符合要求，则排除该节点，接着检测剩下的下游节点，得到一个节点的集合：若上述结果中存在极值，那么该节点全部的下一跳节点都不符合要求，拥塞度太大或能量剩余值过小，节点将转回无线传感器网络中的网络层，由网络层找到最优的路径转而发送给节点，不过这并不是本协议应该规定的内容。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述3.CODE（1）基本思想CODE协议是关于管理拥塞的协议，是基于逐跳的保障体制。该协议主要包含三个体制：两个关于拥塞缓解的体制与一个关于拥塞检测体制。（2）关键技术1.拥塞的检测2.开环控制机制3.闭环调节反应机制5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述4.RCTPRCTP协议跟CTP协议一样，使用分簇体系结构，把WSN中的全部节点看成由许多树组成的森林，每棵树有一个根节点，簇中的节点需要和其他簇中的节点进行通信的时候必须通过根节点进行通信。RCTP协议的进行也包括两个阶段，一个是拥塞的监测，另一个是拥塞后的实时调度。拥塞的监测：采用缓存检测的方法，当实时队列和非实时队列中任意一个队列中缓存达到一半时，协议认为此时网络节点拥塞。实时调度：当拥塞发生后RCTP协议调用相应的实时调度方法来缓解拥塞，并最终实现数据的转发。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述RCTP协议的控制过程：5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述（1）关键技术队长比算法是指调度器按两个队列的队长比例来选择是从实时队列还是从非实时队列选取数据，如下图所示。5.1.3无线传感器网络传输层协议分类5.1无线传感器网络传输层概述1.跨层设计的原理跨层设计是对无线网络进行整体设计，使任意两层之间能够互相提供和利用有用信息，实现自适应机制，使网络各层共享与其它层相关的信息。2.传输层对跨层的需求在无线传感器网络中，节点的移动或许会引起通信链路的中断，进而致使数据包丢失。依照传统的TCP机制，会认为这个结果是TCP拥塞造成的，进而引起了TCP超时重传机制被频发触发，TCP性能也随之下降。而数据包为何会丢失，TCP协议层是没有方法进行判定的。所以，这在分层协议设计的原则下也是不可避免的。5.1.4无线传感器网络传输层跨层设计5.1无线传感器网络传输层概述3.跨层设计无线传感器网络传输层节点的能量是有限的,需要节约能量并且将网络能量均衡使用,跨层设计可达到延长整个网络的生存期这一传感器网络协议设计的重要目标。因此，在基于面向应用的事件驱动的传感器网络中，设计传输协议时所需面对的主要问题就是怎样高效率的使用无线通信模块。5.1.4无线传感器网络传输层跨层设计5.2无线传感器网格体系无线传感器网络是由一连串的传感器节点组成，所有的传感器节点都具备无线通信、处理数据和感知环境的技能。该框架主要有三层构成：无线传感器网络接入层、服务管理层与任务管理层。整个系统框架如下图所示。5.2.1无线传感器网络和网格结合框架5.2无线传感器网格体系1.无线传感器网络接入层：顾名思义，这一层的主要任务就是完成许多个无线传感器网络的接入工作，完成对无线传感器网络的概括，实现上一层接收到与该层相同的数据。2.服务管理层：这一层的首要任务是实现对无线传感器网络的处理与对网络服务的产生和处理。这一层主要实现对服务质量控制与能量管理的工作。3.任务管理层：这一层的首要任务是实现对多个数据融合工作的合理调动。这一层的任务是实现数据处理工作的合理调度和多传感任务的合理分配等工作。5.2.1无线传感器网络和网格结合框架5.2无线传感器网格体系经典的系统架构主要由用于通信的卫星或者互联网、分布式无线传感器网络节点（或者是群）、用于任务管理的节点和用于接收发送器的汇聚节点等构成，如下图所示：5.2.1无线传感器网络和网格结合框架5.2无线传感器网格体系1.五层沙漏模型五层沙漏模型是由网格应用层、网格汇聚层、网格资源层、网格连接层与网格构造层组成，如下图所示。5.2.2无线传感器网格体系结构5.2无线传感器网格体系2.OGSA模型适合在网格环境中对传感器网络进行网络管理的技术模型和体系结构如下图所示。5.2.2无线传感器网格体系结构5.2无线传感器网格体系1.节点资源的有效利用2.支持网内数据处理3.支持协议跨层设计4.增强安全性5.支持多协议6.支持合理资源利用7.支持可靠的低延时通信8.支持允许延时的非面向连接的通信5.2.3无线传感器网络的注意要点5.3MPAS设计采用基于WSRF（WS-ResourceFramework）的机制构建这个接入平台，运用标准轻量级的无状态Web服务来管理传感器网络的状态资源，并将松耦合、异步的消息给应用客户，就能够有效地支撑起网格的OGSA框架实现。基于WSRF的具有解析、驱动能力并可融合多传感器网络的功能称作“多解析驱动服务（MultipleParingActuatingService,MPAS），使用MPAS接入平台将无线传感器网络接入网络的系统示意图如下图所示。5.3MPAS设计MPAS平台由五个基本组件构成，它们分别是通信机制（Communicator）、解析器（Parser）、驱动器（Actuator）、WSRF（WS-ResourceFramework）组件和数据库（Database）。这些组件之间具体的交互流程如下图所示。5.3MPAS设计1.通信机制选用P2P通信方法，传感器网络向MPAS传送信息和MPAS向传感器网络发送驱动命令后，MPAS和传感器网络都要对这些发送过来的信号进行监控和接收，以完成指令。除此之外，信息通信过程中也需要利用TCP的连接方式对其中通信进行加密工作，完善通信的安全性和稳定性。2.解析器解析器通过XMLSchema定义传感数据协议中全部的数据域，为达到对传感数据库加以分割，从中选用有效的传感信息，并使其转换为网格中合规的传感资源5.3MPAS设计解析器的运行步骤为以下三步：（1）对XMLSchema的格式以DTD文件进行描述，同时检测其正确性；（2）解析器读取XMLSchema，把各个数据域明细分解为名称、种类及长度数据，获取解析传感数据的格式；（3）传感数据接入到解析器中，经过XMLSchema中的解析格式筛选成有效传感信息，再转化为单一网络资源，最终进入WSRF组件中进行操作。5.3MPAS设计3.WSRF组件WSRF组件有效联合驱动器、解析器、数据库、客户指令平衡它们相互的通信。4.驱动器驱动器收到由网格上层应用发来的的驱动请求之后，驱动传感器系统通过支配中间件系统配置优化该传感器网络，并且对传感器网络进行任务分配。5.数据库网格客户在MPAS中通过客户代理途径运用OGSA-DAI中间件系统用规定的方式管理和管存取处于异构环境中的传感数据信息。习题5.1无线传感器网络传输层的主要任务是什么？5.2为了防止在无线传感器传输过程中出现包丢失情况，保证可靠性的方式包括哪些方面？5.3无线传感器网络传输层协议不同的机制的分类有哪些？5.4跨层设计的原理是什么？5.5试着寻找一种优化跨层设计的方法延长整个网络的生存期。5.6请并概简述无线传感器网络和网格结合框架。5.7请列举MPAS平台的五个基本组件。