一種可靠的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制

楊懷德

摘要：針對(duì)無線傳感網(wǎng)中緊急信息因網(wǎng)絡(luò)擁塞、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷過重等因素而無法被及時(shí)傳輸和處理的問題，提出一種可靠的傳輸協(xié)議。該協(xié)議將信息組裝成幀，將其加入相應(yīng)的隊(duì)列，由隊(duì)列調(diào)度模塊直接調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)接口發(fā)送數(shù)據(jù)，并引入確認(rèn)重傳機(jī)制。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、減少了資源的消耗、保證了緊急信息的可靠傳輸。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；可靠性傳輸；擁塞；重傳

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）01-0048-02

Abstract： A reliable transmission protocol is proposed for wireless sensor networks because of the fact that the emergency information is unable to be transmitted and processed in time due to network congestion and overload of nodes. The protocol assembles the information into a frame and adds it to the corresponding queue. It sends the data directly by the queue management module， and introduces the confirmation retransmission mechanism. Simulation results show that the protocol reduces the network load， reduces the consumption of resources and ensures the reliable transmission of emergency information.

Key words： wireless sensor networks； reliability transmission； congestion； retransmission

1 背景

隨著人類生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛：從智慧物流、智能農(nóng)業(yè)到智能電網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)像計(jì)算機(jī)一樣滲透到了我們生活的各個(gè)角落，作為物聯(lián)網(wǎng)重要支撐組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)也迎來了前所未有的發(fā)展[1-2]。然而由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)受節(jié)點(diǎn)資源、傳輸環(huán)境不穩(wěn)定等因素影響，數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的丟包、緊急數(shù)據(jù)無法被及時(shí)處理的現(xiàn)象[3-5]。這對(duì)于一些緊急信息的傳輸是無法忍受的，這些非業(yè)務(wù)類的數(shù)據(jù)丟失和處理不及時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性的故障[6-7]。

本文從源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生環(huán)節(jié)和目的節(jié)點(diǎn)的處理環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，一是在源節(jié)點(diǎn)去除冗余數(shù)據(jù)減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量從而降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷；二是在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)擯棄TCP/IP或其他協(xié)議棧的處理流程，直接與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)對(duì)接，減少節(jié)點(diǎn)資源消耗和提升處理效率，從而提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 總體設(shè)計(jì)

本文提出的可靠傳輸協(xié)議（RTP）基本作用是在同一系統(tǒng)中的不同設(shè)備之間傳遞消息，從而實(shí)不同設(shè)備的可靠交互。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，主要是傳感節(jié)點(diǎn)間的交互。許多應(yīng)用模塊都會(huì)用到RTP來傳輸消息，如系統(tǒng)升級(jí)、設(shè)備檢測(cè)、配置分發(fā)。因此，需要在TCP/IP模型的數(shù)據(jù)鏈路層之上對(duì)報(bào)文格式和傳輸處理進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之更適應(yīng)于小型無線傳感網(wǎng)的可靠傳輸，其網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。各節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)向局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)送一條廣播信息，其目的是通告將自己的MAC地址和節(jié)點(diǎn)ID等信息通告給網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)。因此網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獲取到其他節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，以便后續(xù)的通信。

RTP傳輸?shù)膱?bào)文格式如圖2所示，采用標(biāo)準(zhǔn)的802.11幀格式。節(jié)點(diǎn)ID字段代表是網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)一無二的身份ID；應(yīng)用ID是指節(jié)點(diǎn)上的獨(dú)一無二的應(yīng)用程序的ID，以區(qū)別節(jié)點(diǎn)上其他應(yīng)用程序；報(bào)文序列號(hào)、分片數(shù)量、分片序列號(hào)是用于異步分組傳輸，一些應(yīng)用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的長(zhǎng)度可能超過以太網(wǎng)幀幀的最大長(zhǎng)度，這個(gè)時(shí)候會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組傳輸，這些分組的報(bào)文序列號(hào)應(yīng)該設(shè)置成一樣的值，用以區(qū)分其他報(bào)文；ACK字段代表報(bào)文是否需要確認(rèn)，對(duì)于可靠性要求高的業(yè)務(wù)報(bào)文，這個(gè)字段應(yīng)該設(shè)置成有效；報(bào)文優(yōu)先級(jí)字段代表報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，不同優(yōu)先級(jí)報(bào)文會(huì)被加入不同的處理隊(duì)列；數(shù)據(jù)字段是本次需要被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)凈荷。

RTP消息的數(shù)據(jù)流是一個(gè)以發(fā)送端和接收端的兩個(gè)消息隊(duì)列（發(fā)送隊(duì)列與接收隊(duì)列）和兩個(gè)任務(wù)（發(fā)送任務(wù)與接收任務(wù)）為中心進(jìn)行傳遞的過程。先將待投送的消息定義專用的消息ID并注冊(cè)與消息ID相對(duì)應(yīng)的消息處理函數(shù)并加入相應(yīng)隊(duì)列，再由專用任務(wù)從隊(duì)列中取出消息進(jìn)行后續(xù)處理。經(jīng)過這一層緩沖之后，能夠避免突發(fā)短時(shí)間的大流量報(bào)文造成投送過程阻塞，使得調(diào)度更加平緩。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)送功能實(shí)現(xiàn)

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑑?yōu)化各層協(xié)議調(diào)用的開銷，本文的發(fā)送機(jī)制如圖3所示，對(duì)需要發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)無線幀格式的封裝之后加入RTP發(fā)送線程的相應(yīng)隊(duì)列，發(fā)送線程擁有多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，優(yōu)先處理優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)。當(dāng)發(fā)送線程從某個(gè)隊(duì)列取出報(bào)文后，會(huì)先進(jìn)行分片的工作，然后直接調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的幀發(fā)送接口，進(jìn)入網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)歷程，依靠驅(qū)動(dòng)完成后續(xù)的發(fā)送任務(wù)。從這一過程可以看出，去除隊(duì)列調(diào)度擁塞的因素，信息發(fā)送的效率幾乎相當(dāng)于直接調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的效率 。

3.2 接收功能實(shí)現(xiàn)

接收的處理與發(fā)送流程相對(duì)應(yīng)，如圖4所示，在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模塊注冊(cè)收幀回調(diào)函數(shù)，收幀回調(diào)函數(shù)從底層驅(qū)動(dòng)收幀隊(duì)列中取回RTP報(bào)文后剝離以標(biāo)準(zhǔn)無線幀格式的頭部，然后根據(jù)RTP報(bào)文的類型分別加入相應(yīng)的接收隊(duì)列，如果需要確認(rèn)，還需要設(shè)置成功事件。接收線程會(huì)按照隊(duì)列優(yōu)先級(jí)的順序從隊(duì)列中取出報(bào)文進(jìn)行處理，如果是分片報(bào)文則需要重組完整報(bào)文，最后調(diào)用相應(yīng)的消息回調(diào)模塊將消息交由相應(yīng)的上層模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性問題，提出了一種高效率的可靠傳輸機(jī)制，該傳輸機(jī)制通過重傳確認(rèn)機(jī)制來保證消息的可靠傳輸，并通過直接對(duì)接網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的方式提升數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的效率、減少冗余信息的傳輸，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、提升網(wǎng)絡(luò)處理效率、提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃缘哪康摹?/p>

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