一種可靠的無線傳感網絡傳輸機制

楊懷德

摘要：針對無線傳感網中緊急信息因網絡擁塞、節點負荷過重等因素而無法被及時傳輸和處理的問題，提出一種可靠的傳輸協議。該協議將信息組裝成幀，將其加入相應的隊列，由隊列調度模塊直接調用網卡驅動接口發送數據，并引入確認重傳機制。仿真結果表明，該協議降低了網絡負荷、減少了資源的消耗、保證了緊急信息的可靠傳輸。

關鍵詞：無線傳感網絡；可靠性傳輸；擁塞；重傳

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：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技術的進步，物聯網的應用越來越廣泛：從智慧物流、智能農業到智能電網，物聯網已經像計算機一樣滲透到了我們生活的各個角落，作為物聯網重要支撐組建的無線傳感網絡也迎來了前所未有的發展[1-2]。然而由于無線傳感網絡受節點資源、傳輸環境不穩定等因素影響，數據的傳輸會出現不可預知的丟包、緊急數據無法被及時處理的現象[3-5]。這對于一些緊急信息的傳輸是無法忍受的，這些非業務類的數據丟失和處理不及時可能會導致系統發生災難性的故障[6-7]。

本文從源節點數據產生環節和目的節點的處理環節進行改進，一是在源節點去除冗余數據減少傳輸的數據量從而降低網絡的負荷；二是在數據處理環節擯棄TCP/IP或其他協議棧的處理流程，直接與網卡驅動對接，減少節點資源消耗和提升處理效率，從而提升無線傳感網絡傳輸的可靠性。

2 總體設計

本文提出的可靠傳輸協議（RTP）基本作用是在同一系統中的不同設備之間傳遞消息，從而實不同設備的可靠交互。在無線傳感網絡中，主要是傳感節點間的交互。許多應用模塊都會用到RTP來傳輸消息，如系統升級、設備檢測、配置分發。因此，需要在TCP/IP模型的數據鏈路層之上對報文格式和傳輸處理進行設計，使之更適應于小型無線傳感網的可靠傳輸，其網絡模型如圖1所示。各節點在加入網絡時向局域網內發送一條廣播信息，其目的是通告將自己的MAC地址和節點ID等信息通告給網絡中其他節點。因此網絡中每個節點都能獲取到其他節點的相關信息，以便后續的通信。

RTP傳輸的報文格式如圖2所示，采用標準的802.11幀格式。節點ID字段代表是網絡中每個節點的獨一無二的身份ID；應用ID是指節點上的獨一無二的應用程序的ID，以區別節點上其他應用程序；報文序列號、分片數量、分片序列號是用于異步分組傳輸，一些應用需要傳輸的數據的長度可能超過以太網幀幀的最大長度，這個時候會將數據進行分組傳輸，這些分組的報文序列號應該設置成一樣的值，用以區分其他報文；ACK字段代表報文是否需要確認，對于可靠性要求高的業務報文，這個字段應該設置成有效；報文優先級字段代表報文的優先級，不同優先級報文會被加入不同的處理隊列；數據字段是本次需要被傳輸的數據凈荷。

RTP消息的數據流是一個以發送端和接收端的兩個消息隊列（發送隊列與接收隊列）和兩個任務（發送任務與接收任務）為中心進行傳遞的過程。先將待投送的消息定義專用的消息ID并注冊與消息ID相對應的消息處理函數并加入相應隊列，再由專用任務從隊列中取出消息進行后續處理。經過這一層緩沖之后，能夠避免突發短時間的大流量報文造成投送過程阻塞，使得調度更加平緩。

3 系統實現

3.1 發送功能實現

為了提高數據傳輸的效率，優化各層協議調用的開銷，本文的發送機制如圖3所示，對需要發送的報文進行標準無線幀格式的封裝之后加入RTP發送線程的相應隊列，發送線程擁有多個不同優先級的隊列，優先處理優先級高的隊列中的數據，從而實現區分服務。當發送線程從某個隊列取出報文后，會先進行分片的工作，然后直接調用網卡驅動的幀發送接口，進入網卡的驅動歷程，依靠驅動完成后續的發送任務。從這一過程可以看出，去除隊列調度擁塞的因素，信息發送的效率幾乎相當于直接調用網卡驅動的效率 。

3.2 接收功能實現

接收的處理與發送流程相對應，如圖4所示，在網卡驅動模塊注冊收幀回調函數，收幀回調函數從底層驅動收幀隊列中取回RTP報文后剝離以標準無線幀格式的頭部，然后根據RTP報文的類型分別加入相應的接收隊列，如果需要確認，還需要設置成功事件。接收線程會按照隊列優先級的順序從隊列中取出報文進行處理，如果是分片報文則需要重組完整報文，最后調用相應的消息回調模塊將消息交由相應的上層模塊進行進一步處理。

4 結束語

本文針對無線傳感網絡傳輸可靠性問題，提出了一種高效率的可靠傳輸機制，該傳輸機制通過重傳確認機制來保證消息的可靠傳輸，并通過直接對接網卡驅動的方式提升數據發送和接收的效率、減少冗余信息的傳輸，從而達到降低網絡負荷、提升網絡處理效率、提升無線傳感網絡傳輸的可靠性的目的。

參考文獻：

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