一种改进的PSFQ可靠传输协议研究*

高　菲

(宝鸡职业技术学院　宝鸡　721000)

GAO Fei

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji　721000)



一种改进的PSFQ可靠传输协议研究*

高菲

(宝鸡职业技术学院宝鸡721000)

主要研究了无线传感器网络的通信通道传输可靠性的问题，无线传感器网络必须采用相关的传输控制机制，以保证提高网络传输质量。在PSFQ协议的基础上提出一种可靠传输协议BRT，实现了苯环结构内发送节点的动态选取，综合了相关研究的优点，实现传输层和路由层等多层融合控制，既实现了数据的可靠传输，又对网络的拥塞机制做了优化，提高了通信通道的传输效率和传输质量。通过实验仿真证明，该协议具有较低的丢包率和传输时延，同时，网络的通信能量消耗也较少，提高了网络的可靠性。通过实现可靠的通道传输，为拜占庭故障检测提供了保证。

通信通道; 传输可靠性; 无线传感器网络; 拥塞机制

GAO Fei

(Baoji Professional Technology Institute, Baoji721000)

Class NumberTP393

1　引言

无线传感器网络环境中通信通道易受环境、多径衰落、传输距离等影响，存在严重的丢包现象，信源产生的报文转发至汇聚节点需经过多跳路由，路径跳数越多可靠性也越低。因此，采用何种有效的传输机制保证网络的可靠传输，减少通信能耗以及提高网络利用率，是无线传感器网络研究的一个关键问题。

2　PSFQ 协议

PSFQ协议是一种应用广泛的传输协议，假定数据流传输通常是允许丢失的，采用NACK的策略，即接收节点一旦发现有分组丢失出现时,就反馈NACK消息以重传分组[1]。该协议是基于逐跳的错误恢复机制，通道的每一跳都进行错误检查，以避免错误的指数增加而导致数据包丢失、通信质量下降，该协议具有较好的容错性及可扩展性[2]。PSFQ协议采用一种快取慢存的控制机制保证重发时间，使得丢失的数据报文能进行丢失重传，节点以相对低的速率发送数据，并允许接受数据不完整的节点从相邻节点重新获取丢失的数据报文。数据通路中的每个中间节点负责转发的准确性，减少错误分组的转发。快取慢存控制机制能有效控制节点的报文缓存数据，提供低开销的容错服务[3]。但由于只采用基于NACK的反馈确认，PSFQ协议不能发现所有分组都丢失的情况，“放”操作速度较慢，增加了分组的传输延时，为了重传分组，采用的逐跳的丢失恢复机制需要较大的缓存空间[4～5]。

3　改进的可靠传输协议BRT

本文的BRT协议采用基于PSFQ的可靠传输协议，实现逐跳检测及NACK反馈机制。由于PSFQ协议的发送速率较低，增加了分组的时延，而且参与传输的节点没有随网络的负载、拥塞变化而动态选取[6]。针对上述这些问题，BRT协议则动态调整节点的报告发送速率，避免网络拥塞造成丢包和分组数据传输时延；此外，无线传感器网络以数据为中心，传感器读数序列具有时间相关性，中间节点的缓存溢出情况就变得不那么重要，即允许一定程度的丢包发生[7～8]。

具体地说，在数据通信中，存在几种节点，发送节点；逐跳传输时经过的节点，称之为中间节点；接收节点，一般为汇聚节点(Sink)，其中发送节点和中间节点既可能是苯环结构中的普通子节点，也可能是中心节点[9]。通过逐跳的反馈，中间节点可以为发送节点提供拥塞反馈信息，接收节点提供流控制和可靠性的反馈。

在上述协议基础上，增加苯环结构的预处理步骤。以苯环结构为不可分割的最小单元，该单元共同检测某一区域内某一事件的发生或者某一区域内传感数值序列，中心节点预先做判断，决定哪一个节点传输数据，判读的依据可以是当前的节点能量剩余情况、节点故障与否、历史信誉度以及地理位置的远近。因此，苯环结构实现了“虚拟多路径”和“虚拟动态簇”，这样选出的节点是当前最优的，通道质量也较好。中心节点根据接收节点发送的NACK消息，决定重传的节点。通道故障检测基于序列号，随后进行重传等恢复操作。

BRT协议格式如表1所示：数据包采用固定长度，本文设置为128bit；苯环结构中的子节点位置(POS位)用3位二进制位表示；故障位(F位)表示节点故障情况，若是节点发生故障，则F位置1；设置重传标志位(T位)，若需要重传，则将T位置1；发送速率位(R位)用1位二进制位表示，1或0值分别表示大于等于或者小于；能量位(ENERGY 位)表示当前节点能量剩余情况；TYPE为消息类型，具体应用消息类型可参见表1；B为保留位；并设置校验和。

表1　BRT 协议格式

3.1下一跳发送节点的选取

下一跳发送节点的选取可依据式(1)

(1)

其中，α为发送系数，α值越大，则被选中作为发送节点的概率也就越大；l为节点到汇聚(Sink)节点的距离；L为苯环结构内子节点到汇聚(sink)节点的最大距离；e为子节点的剩余能量；E为节点的初始能量；p为丢包率；R为(0,1)间的随机数；Wd、We、Wp、Wr为距离、能量、丢包率及随机值的权重，满足式(2)

wd+we+wp+wr=1

(2)

通过调整取值可获得不同的传输速度、能耗、通道质量的负载平衡效果。中心节点在没有发生故障的子节点中选取发送系数最大的节点作为下一跳的发送节点，若无合适的节点，默认采用中心节点。

3.2节点发送速率的动态调整

PSFQ协议的发送速率较慢，会引起较大传输时延，PORT 协议给出了解决的办法，汇聚(Sink)节点获取不同源节点的报告速率，根据缓冲区溢出情况、数据包分组的优先级和通道能量消耗，采用最优法计算出各源节点的期望报告速率，反馈给各源节点，这样节点发送速率动态可调，避免分组的传输时延。

中间节点需要维持平均排队延时和平均传输延时以反馈拥塞信息，接收节点确定流量控制和可靠性保证。若当前可靠性较好，且报告速率大于发送速率，则增大发送速率；若报告速率小于发送速率，则减小发送速率。文献[10]具体讨论了发送速率的调整：

1) 当报告速率R比实际的发送速率Ra小时，将实际发送速率置为报告速率，即Ra=R。

2) 当报告速率R大于发送速率Ra时，发送速率需要缓慢增加，通过调整数据包的发送时间间隔来获得对速率的调整，增加的速率可表示为式(3)，即

(3)

每一个往返时间内增量不超过一个数据包长度，因此发送速率调整为

R=min(Ra+RΔ,R)

(4)

3.3缓冲区设置

缓冲区溢出造成包丢失，可以动态调整源节点的发送速率，当出现包丢失时，降低发送速率。缓冲区溢出时，源节点需重传分组数据，而保持分组数据要占据一定缓存空间，由于传感器读数序列具有时间相关性，通过多优先级的队列可删除时间戳最早的数据，尽量保留最新的数据[11]。

此外，对于事件驱动的应用，缓冲区的大小可依据检测事件的要求动态设置，因此缓冲区设置应具有自适应性。

4　仿真实验

4.1实验参数设置

本节建立OMNeT(OMNeT ++ version 1)实验仿真环境，从丢包率、能量效率以及传输时延验证可靠传输协议的性能以及网络的拥塞控制效果。部署的节点包括汇聚节点(Sink)、中心节点和普通子节点，仿真部署图如图1所示。

图1　网络仿真部署图

4.2仿真结果分析

实验(1)丢包率。实验结果如图2所示，横轴表示网络规模，纵轴表示丢包率，分别考察不同节点故障率下的网络平均丢包率。由图2可见，由于采用了分布式的苯环结构，网络规模对丢包率影响较小，多是由于无线信道的干扰、串音等引起丢包；而更多是由于节点故障率的增大而引起的丢包率增加。

实验(2)能量效率。实验结果如图3所示，横轴表示运行周期，纵轴表示剩余能量，分别考察不同节点故障率下的网络能量效率。当重传增加时，会引起能量的较大消耗。

图2　网络丢包率

图3　网络能量消耗

实验(3)平均传输时延。实验结果如图4所示，横轴表示网络规模，纵轴表示平均传输时延，分别考察不同节点故障率下的网络平均传输时延。

图4　网络平均时延

实验(4)网络拥塞控制。通过调节节点发送速率，可改善网络的拥塞控制情况，实验中设定节点处理转发带来的时延为 0.1s，当排队等待的时延超过 0.7s 时定为拥塞发生。实验结果具体见图5，图5所示为图1部署图中节点ID为 N000A的节点在某段时间内的拥塞控制情况，其中横轴表示

运行时间，单位为s；纵轴表示发送速率，单位为

bit/s(实验中可设定发送速率为kbps或者 mbps等单位进行仿真)。

图5　网络拥塞控制效果

实验中可观测的是平均队列长度、平均队列延时，通过上述实验可知本节的可靠传输协议具有较好的能量效率和较小的丢包率。动态选择发送节点，实现了路由层和传输层的协作控制，采用苯环结构进行区域自治避免了节点的退出和加入带来的效应，提高了网络的鲁棒性。

5　结语

本文在通信通道的可靠传输中，主要实现了传输层与路由层的融合控制，中心节点进行预处理，选出最优的下一跳的发送节点，利用了事件数据的空间相关性，实现了“虚拟多路径”和“虚拟动态簇”，多路径能有效避免单点失效。依靠节点调度策略构成簇结构，网络具有较好的可靠性。网络的拥塞控制情况也得到有效监控和调节，提高了网络通信通道的利用率和传输效率。

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An Improved PSFQ Reliable Transport Protocol*

The communication channel transmission reliability of wireless sensor network (WSN) is mainly researched, a wireless sensor network must adopt related transmission control mechanism to ensure the quality of network transmission is improved. Based on PSFQ agreement a reliable transport protocol BRT is proposed, the sending node of the benzene ring structure dynamic selection is implemented, the advantages of related research are taken, the transport layer and the routing layer multi-layer fusion control is realized, not only the reliable transmission of data is realized, and the network congestion mechanism is optimized, the transmission efficiency and transmission quality of communication channel are improved. By experimental simulation, it is showed that the protocol has lower packet loss rate and the transmission delay, at the same time, the network of communication also take less energy consumption, the reliability of the network is improved. By implementing a reliable channel transmission, a guarantee is provided for the Byzantine fault detection.

communication channel, transmission reliability, wireless sensor network, congestion mechanism

2016年2月10日,

2016年3月24日

高菲,女,硕士研究生,研究方向：计算机教育。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.022