２００７年９月刊大众科技２００７．９些量霎竺坠：：：：：：：＝：：＝坠：１２１金坚！！竖：！业竺：：：翌无线传感器网络中数据可靠传输策略的研究周治国，李陶深（广西大学，广西南宁５３０００４）【摘要】针对无线传感嚣网络的特点．提出了一种可保证数据可靠侍输策略和相关的路由算法。当在数据传输过程中中问节点出现故障时，该策略能利用ａｇ．Ｑ机制检测是否有数据包丢失，并采用ｈｏｐ—ｂｙ－ｈｏｐ机制进行重传处理。理论分析表明，该策略能有效提高网络中数据的可靠传输，节约网络功耗，有效延长网络寿命。【关键词】无线传感器网络；可靠传输；蔟问路由算法；ｈｏｐ－ｂｙ－ｈｏｐ【中图分类号】ＴＰ３９３０７【文献标识码】Ａ【文章编号ｌ１００８—１１５１（２００７）０９－００９１－０２的端到端重传机制是在网络的两端进行重传，适合于错误率仅为１０。１６的有线网。但是由于功耗过大，该机制不适合于可靠性较低的无线传感器网络。仿真表明，如果使用该机制，经过多跳网络成功传输数据包的几率会急剧下降。另一种重传机制是逐跳重传（ＨＨＲ）机制。当节点发现有数据包丢失时，该节点就会向到达源节点的路径上的下一跳节点发送修复请求．请求下一跳节点重新发送数据包。第二种提高成功接收包的数量Ｎ（ｒｅｃｅｉｖｅｄ）的方法是提高成功传输的概率Ｐ（ｓｕｃｃｅｓｓ），可以通过提供可靠路由和可靠的丢包检测机制来实现。前面提到的ＰｓＦＱ和ＲＭＳＴ这两种传输层协议使用的就是删Ｒ机制。本文提出的可保证数据可靠传输的策略采用ｍｌＲ重传机制。该龋略描述如下：每个节点都有一个ｃａｃｈｅ，存放需要转发的数据包；当某节点检测到有数据包丢失时，向通往源节点的路径上的上游节点发重传要求；上游节点查找本地ｃａｃｈｅ内的数据包。重新向该节点发包；该机制只在相邻节点间重传数据包，为无线传感器网络中的其他节点节省了能源。在无线传感器网络中只有一个节点没有ｃａｃｈｅ，该节点就是ｓｉｎｋ节点。其他节点均位于通向ｓｉｎｋ节点的路径上，需要用ｃａｃｈｅ存储数据。２．可靠路由算法在数据传输过程中，部分节点可能会由于通信量过大等原因导致死亡，网络中出现断路。针对该情况，需要调用可靠路由算法重新发现新的路由。本文所设计的可靠路由算法描述如下：Ｓｔｅｐｌ：假设Ａ在发送数据过程中发现其父节点已经死亡，则Ａ向周围发出广播，并在报文中附上其ＩＰ地址；Ｓｔｅｐ２：若节点Ｂ收到广播，则Ｂ向Ａ发送一个消息，并附上自己的跳数及ＩＰ地址；Ｓｔｅｐ３：当Ａ节点收到消息后，会选择一个ＲＳＳＩ较大且跳数较小的节点作为自己的新父节点。其工作流程如下：（１）每个节点负责把数据沿着逆向树成功传输给其父节点；（２）如果数据成功被接收，则发送端清空缓冲区．不再为发送出去的数据负责任。这时，父节点成为当前的数据源，父节点继续向树的上一层节点发送数据。Ｓｔｅｐ４：重复Ｓｔｅｐ３，直至数据传到ｓｉｎｋ节点当树中所（一）引言无线传感器阿络是指由大量的通过无线联网的传感器节点采用自组织方式构成的网络，是一种全新的信息获取和处理技术。传感器嘲络是对现实世界的实时有效的监测，由此对传感器网络数据传输的可靠性提出了很高的要求。而无线传感器网络由于受资源有限以及地理环境等原因的影响，其丢包率高达５％～１０９６（甚至更高）。这在某些重要的应用中，一些数据的丢失是决不允许的。要在不可靠的无线传感器网络中可靠的传输数据，必须对现有的路由算法进行改进。目前国内外已经提出了多种基于多跳通信的提高数据传输可靠性的算法。ＰＳＩＷ（ＰｕｍｐＳｌｏｗｌｙ，Ｆｅｔｃｈ叽ｉｃｋｌｙ）采用逐跳重传（ｈｏｐ—ｂｙ－ｈｏｐｒｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，｝衄ｔ）、无确认机制，为降低传输数据的延迟时间，该协议努力提高成功传输的概率．在下一个包到达之前，接收端删除当前包，通过检查序列号是否正确的方法检测是否有数据包丢失，而对于丢失的包，则采用广播的形式传输出去。通过仿真表明，Ｆ３４ＳＴ（ＲｅｌｉａｂｌｅＭｕｌｔｉ—ＳｅｇｍｅｎｔＴｒａｎｓｐｏｒｔ）在ＭＡＣ层、传输层和应用层上的可靠性达到了一个良好的平衡。ＲＭＳＴ主要用于定向传输，利用｝Ⅱ氓、选择ＡＲＱ机制，保证可靠传输并可以实现分段／重组。无线传感器网络是一种资源有限的网络，节能是不可忽视的。无线传感器网络中现行的路由算法基本是以洪泛法为主，因此建立的路由往往不是最佳路由，这样在两个节点之间进行数据传输时，数据可能要走很多弯路，另外在数据丢失导致重传时．会消耗更多能量。针对无线传感器网络的特点，提出一种可保证数据可靠传输策略和相关的路由算法，以便能有效提高网络中数据的可靠传输。（二）一种可保证数据可靠传输的策略１．策略的描述在无线传感器网络上，成功接收的数据包的数量等于发送的数据包与传输成功率的乘积。即：Ｎ（ｒｅｃｅｉｖｅｄ）＝Ｐ（ＳＵＣＣＥＳＳ）×Ｎ（ｓｅｎｔ）由上面公式可以看出，要提高接收到的数据包的数量，可通过提高发送包的数量或者提高所发送包的成功率来实现。提高发送包数量Ｎ的一种方法是重传，即对错误的数据包进行重传。目前人们已经针对无线传感器网络提出了多种重传机制。各种重传机制的不同在于在何处重传。ＴＣＰ中用到【收稿日期】２００７—０７—１６【基金项目】广西自然科学基奎项目（桂科自０６４００２６）【作者简介】周治国，男．广西大学计算机与电子信息学院硕士研究生，主要研究方向为无线传惑网络；李陶深，男，广西大学计算机与电子信息学院教授．主要研究方向为两络路由算法、信息安全等。一９ｌ－万方数据 有的高层节点都死亡为止．算法的主要伪代码如下，任意ｎｅＣ／／。Ｃ表示一个网络内所有节点的集合．ｎ为节点ｗｈｉｌｅ（１ｒｅｃｅｉｖｅ（ｍｅｓｓａｇｅ））；到数据，则处于等待状态ｎｄｅｌｅｔｅｄａｔａｐａｃｋｅｔ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｃｏｍｉｎｇｐａｃｋｅｔ；ｉｆ（ｂｕｆｆｅｒｉｎｆｏｒｍｉｔｓ／／节点处理收到的数据包）冲／／ｅｚｉｍａｘ＿ｓｉｚｅｓ＿满已区缓ｔｏｃｂｉｉｄｓｒｅｄｕｃｅｗｉｎｄｏｗｓ；｛／／若节点未收集（三）策略与算法分析无论使用何种算法，每个节点向外传输数据包所耗费的能量是一定的．由于无线通信占据了无线传感器网络功耗的主要部分，因此，在保证网络正常运行的情况下．减少节点ｓｔａｔｅ＝ａｃｔｉｖｅ：／／节点接收到数据／／判断父节点是否死亡ｉｆ（！ｄｅａｄｐａｒｅｎｔ（ｎ））ｅｘｅｃｕｔｅｓｅｎｄｍｅｓｓａｇｅ；ｅｌｓｅ向外传输数据包的频率，即可减少无线传感器网络中节点所耗费的能量。下面就本文的路由算法如何降低节点传输数据包的次数进行分析。／／节点发出广播ｒｅｔｕｒｎ；／／未找到新ｉｆ（！ｆｉｎｄ＿ｎｅｗ＿ｐａｒｅｎｔ）ｅｘｅｃｕｔｅｂｒｏａｄｃａｓｔ：的父节点ｅｌｓｅｅｘｅｃｕｔｅｓｅｎｄｍｅｓｓａｇｅ；在建树过程中。本文的可靠路由算法利用了分簇算法，平均和延长了各个节点的使用寿命。假设网络中有ｎ个节点，在分簇和形成簇间路由中，假设有ｋ（ｋ＜ｎ）个簇，有两层循环。算法首先须对每个节点进行遍历，其频度为ｎ；其次对每个／／找到新的父节点并向其传输数据｝３．丢包检测节点对每一个发出去的需确认的数据包都设立一定时器，定时器的时间由用户根据实际情况设定。在定时器时间内，节点若接收到该数据包的ＡＣＫ，则从本地ｃａｃｈｅ内删除数据包。若时间到仍没有收到ＡＣＫ，则认为数据包已丢失，进行重传。同时．在发送端减小滑动窗口。虽然无线传感器网络的丢包一般是因为位错误（ｂｉｔｅｒｒｏｒ）而不是拥塞，但是在丢包后滑动窗口仍然要减小，以便尽可能降低错误率。在一段稳定时间后。滑动窗口再慢慢恢复。若重传次数过多，例如超过３次，则认为该节点的父节点已经死亡．需要调用可靠路由算法重新发现父节点。在本文中，由于接收端只需要向发送端（它的一个孩子节点）发送ＡＣＫ消息，所以能够有效避免环路问题，不会引起内爆问题。特别地，若节点缓冲区已满，则通知其孩子节点减小滑动窗口，避免孩子节点连续向外发送数据包。丢包检测过程的代码如下：任意ｎＥＣ／／ｃ表示一个网络内所有节点的集合，ｆｌ为节点ｏｎｃＩｌ（ｃＭ）而言，需要对与之邻接的ｃ｝Ｉ或删进行分析，而最多有３ｋ个ｃ｝Ｉ或ｃＷ与该ｃＨ（ｃＭ）连接。因此，生成源路由树算法的时间复杂度为０（ｎＸｋ），在数据沿源路由传输过程中，数据沿单路径传输，其时间复杂度为０（ｋ），所以算法的总体时间复杂度为０（ｎ×ｋ）。而在无线传感器网络中的路由多以洪泛算法为主。其时间复杂度为０（ｎ“）。ＰＳＦＱ算法利用ＨＨＲ机制传输，当发生丢包时，节点将向周围节点发送广播，引起能量消耗，即使包的丢失率较小．也会造成大量的转发包，消耗过多能量。本文中算法自始至终均为单路径传输，对于不可靠的无线传感器网络而言，有利于节约能量。ＲＭＳＴ协议也利用删Ｒ机制传输，但由于它对ｓｉｎｋ节点的每个属性信息都需要建立强制路径．在建立路径过程中需要消耗大量能量，因此ＲＭＳＴ机制在网络的可靠性较低的情况下，会使其效率降低。本文中算法只需建立一条路径即可，在传输信息过程中一般不需再重新建立路径，故节省大量能量。（四）结束语在综合分析了现有算法的基础上，本文提出了一种无线传感器网络中数据可靠传输方案。理论表明，该方案和相关的可靠路由算法能够有效降低节点传输数据包的频率．从而降低功耗，有效延长网络寿命。在数据可靠传输方面，该方案利用了可靠路由算法以保证路由的可靠性，而丢包检测机制则能晦迅速发现丢失的数据包．进而利用ＨＨＲ机制重传，保ｓｅｎｄｉｎｇｏｕｔｄａｔａｐａｃｋｅｔ：ｒｔｒ＿ｎｕｍ＝１：／／ｒｔｒ＿ｎｕｍ表示重传次数ｗｈｉｌｅ（ｔ＜ｔｉｍｅｏｕｔ）｛／／ｔｉｍｅｏｕｔ表示超时时问ｉｆ（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ＾ｃＫ）／／若接收到ＡＣＫ，则删除当前数据包ｄｅｌｅｔｅ（ｃｕ／Ｔｅｎｔｄａｔａｐａｃｋｅｔ）：ｒｅｔｕｒｎ；证数据包能够被传输到ｓｉｎｋ节点。｝ｒｅｄｕｃｅ（ｗｉｎｄｏｗｓ）：ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔ【ｌｌ／／ＡＣＫ超时，减小滑动窗口ｄａｔａｐａｃｋｅｔ：ｔｈｅｓｓＭｅＡｋ州ｄｉｚｎｍｖｏｒｋ：Ａ唧ｏ］Ｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ＇ｉｎＩＦ，ｓｕｗ，Ｓａｎｋａｒａｍｂ舢岫Ｙ，ｅｔａｌ．ＷｉｒｅｌｅｓｓＮｃｔｗｏｄ【≈ｂｄｅｈａｈｃｒＴＦ，ＬｕｃＹ，ｃｃ【参考文献】２００２，３８（４）：３９３－４２２／／ＡＣＫ超时，重传数据包ｒｔｒ＿ｎｕｍ＋＋：【２】ＳｔａｎｋｏｖｉｃＪＡ。ＡｃｏｎｌｍｕＩｌｉｃａｄｏｎａ１．Ｒｄ—ｎ加ｃｅｍｂｅｄｄｅｄ［ｅＢｓｏｆｉｆ（ｒｔｒ＿ｎｕｍ＞３）点已经死亡ｅｘｅｃｕｔｅｂｒｏａｄｃａｓｔ：（／／ｒｔｒ＿ｎｕｍ＞３则表示父节／／节点发出广播ｒｅｔｕｒｎ：ｎｅｔｗｏｒｋｓ田ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，２００３，９１∽：１００２—１０２２．１３１ＫＩＭＳ．ＦＯＮｓＥｃＡＲ。ＣＵＬＬＥＲＤＲｅｌｉａｂｌｅＴｒａｎｓｆｅｒｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅＩＩｔｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ『ＥＢ／ＯＬＩ－ｈｍｐ：／／ｗｗｗ．ｅｅｃｓ．ｂｅｒｋｅｌｅｙ．ｅｄｕ／一ｂｉｎｅｔｕｄｅ／ｗｏｒｋ／ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｐｄ￡２００５．ｉｆ（！ｆｉｎｄｎｅｗＪ）ｕｒｅｎｔ）的父节点ｅｌｓｅｅｘｅｃｕｔｅ／／未找到新【４】ｃ—Ｙｗａｎ，ＡＴ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ／／找到新的父节点ＲｅｌｉａｂｌｅＴｒａｎｓｐｏｒｃａｎｄＬＫｎｓｈｎａｍｕｒｔｈｙｆｏｒＰＳＦＱ：ＡＳｅｎｓｏｒｓｅｎｄｍｅｓｓａｇｅ：ＰｒｏｔｏｃｏｉＦｉｍｔＷｉｒｅｌｅｓｓ并向其传输数据｝接收端：Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ａ］．Ｐｍｃ．ＯｆｔｈｅｏｎＡＣＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈｏｐＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＷＳＮＡｄａｔａｈａｎｓｐｏｒｔｉｎＩＥＥＥｒｅｃｅｉｖｉｎｇｄａｔａｐａｃｋｅｔ２００２）ｆＣ］，Ａｔｈｎｔａ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２８，２００２，１—１１．【５】ＳｔａｎｎＦ，ＨｅｉｄｅｍａｎｎＪ．ＫＭＳＴ：Ｒｅｌｉａｂｌｅ钟Ｉｔｓｏｒｉｆ（ｓ∞ｅｐａｃｋｅｔ）除副本．９２．／／收到前个数据包的副本．则删ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＮＰＡ＇０３，Ａｎｃｈｏｒａｇｅ。Ａｈｓｋａ．ＵＳＡ．２００３１０２—１１２．万方数据 无线传感器网络中数据可靠传输策略的研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
周治国， 李陶深
广西大学,广西,南宁,530004大众科技
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