试验的 TCP/IP协议为低功耗的无线传感器网络

EXPERIMENTING TCP/IP FOR LOW-POWER WIRELESS SENSOR NETWORKS

摘要•这篇论文展现了分析和实际试验通过 TCP/IP通信在低功耗监视无线传感器网络（WSN）。 TCP/IP流控制，地址和包记录块等被调整在一个网关里。通过这个网关可以实现 TCP/IP 和 WSN之间的通信。 TCP/IP的性能被评估在终端 PC之间通过TUTWSN。这个网是用于传送 TCP/IP的通信媒介的。评估结果显示基于窗口的 TCP流控制算法显示很强的性能在WSN中。其中随机误码率和拓扑结构的改变才是出错的主要原因而不是拥挤。更进一步，一个可靠的频率环在WSN中被用到，来补偿 TCP/IP的开销。在 TUTWSN中，对比了环境监视的应用，分别带有两个二次活动周期和固有WSN传送。 TCP/IP的使能消耗了五倍多的能量

1 引言•无线传感器网络包括大量的资源在传感器节点里，他们被用于执行一些专门的任务。这些节点自身的结构和操作自动的和整个网络寿命连在了一起。由于大规模的随机的部署的传感器节点的更换通常不是一个好的选择。因此，能量的有效利用，对环境的独立性和自恢复性，是WSN的最关键特性。所以WSN的应用主要有自主自动化，工业和环境监视，军事和健康维护

•传输控制层和网络层协议是因特网的标准协议，但是它们并不是可以用于WSN通信的技术。考虑到首要开销，连接管理和端对端流和拥塞控制导致了低功耗WSN的低性能。它的节点的资源是有限的。不可靠的通信连接和频繁改变的网络拓扑结构。

•WSN的集成到 TCP/IP网络对于远程访问（监视和控制）任然是必须的。在通常的普遍的计算。基本的，有三种不同的集成方法如图 1 中描述的，首先， TCP/IP是一种使能通信技术，第二，一个WSN网关操作作为一个代理，那些可以用来地址解释和流控制自适应。最后，WSN是一个透明的中介那些通过 TCP/IP的流量在它的设施之上的。

•在这篇文章里，我们分析和评估了 TCPIP和一个低功耗的监视WSN的交叉操作。我们用了一个本地tcp方法到一个自适应 TCPIP到一个时分多路访问（ TDMA）基于低数据传输率的WSN。这个试验通过 TUTWSN来实现的，包括了所有的特征协议栈和节点平台。 TUTWSN被用于实际的试验但是结果是有效的对于基于 TDMA 的 WSNs。

• 这篇文章是这样组织的：第二段列出了WSN的特性和对比了 TCP 和 WSN网的要求和对象。第三部分显示了 TUTWSN协议和平台。 TCP/IP对于linux 和 TUTWSN节点的试验在第四部分执行。评估结果在第五部分给出。最后，结论在第六部分被给出。

 

2 WSN 和 TCP/IP特性•WSN是一个受到资源限制的和实际世界联系紧

密的网络。另外，通信图谱有很大的不同于传统的 TCP/IP网。在WSN网里，单个节点和它们的身份并不重要。相反，数据被用于一个定位或者设置节点来执行在数据或者兴趣里描述的条件

2 .1WSN 挑战•对于WSN协议的挑战是，高密度和规模和不可

预言的原因被通信误码率和暂时不可获得的节点。由于部署的规模和特性。WSN必须自动的操作，意思就是说：他们必须自己形成结构，自己操作和自己维持。

•这些应用要求和通信挑战必须被满足在严格的限制在节点平台里。这个程序和数据存储器，和在WSN节点上的处理能力是非常有限的。此外，节点是用电池的或者能量是受来自环境的限制的。因此，能量资源是有限的需要被提前计算

2.2WSN 和 TCP/IP 相关•这个结构对于 TCP/IP网络通过WSN在论文里

讨论的如下并且被描述在图 2 中。两个或更多的TCP/IP端点在WSN通过网关和中间节点通信。基本的WSN设施传送操作和数据被同时在TCP/IP里通信。对于 TCP/IP通信的路径指的是 tcp路由数据但是WSN 数据也会被沿着路由发送。提及到直接和代理 tcp，每个WSN节点或许是一个部分或者是一个 tcp路由的通信端点。当在自然 tcp节点里，仅仅传送 TCP/IP 数据在网关之间。

•TCP流控制假设所有的通信误差是由拥塞导致的。而对于WSN来说主要的原因是由于随机误码率和拓扑结构的改变和暂时不可获得的节点。而且，TCP 假设了同时进行上连和下连。而在WSNs总他们的延时和吞吐量或许有很多的不同。

•当直接 tcp 面对通常的 TCP/IP在无线环境下的缺点时，代理 tcp 会允许能量有效的WSN来选择但导致缓存和自适应性在 TCP/IP代理网关里的挑战。但是本地 tcp的一般性被限制而它对于随机 TCP/IP来说是一个能量有效的方法

TCP/IP 对 WSNs的自适应•在本文中，我们使用了一个更为广泛使用的 TCP

版本， TCP Reno 。 TCPreno有四个阶段：慢开始，拥塞避免，快速恢复和快速再传。在慢开始阶段， CWND以指数增加在一个应答接收直到一个开始值到来。在这个之后，在拥塞避免上，CWND是线性的增加在连续的传送上。在误差的状况下，快速恢复和再传算法被应用。这些降低了 CWND的大小，再传丢失或者在记录包，为了避免慢开始阶段。

WSN 框架为 TCP

•通常情况下，直接的和代理 tcp WSNs被指向了TCP/IP通信。对于固有 tcp ， TCP/IP通信被作为应用层流量而中继。基本的一个低功耗的WSN 吞吐量是不足够的对于 TCP/IP网络。如果可能的话，WSN 的 MAC和路由协议应该是高的吞吐量和短的延迟。这个可以被增加的负责循环的。通过路由选择或者是减少的跳网通过增加的传送能量。

3 TUTWSN协议和平台。

•TUTWSN是一个全部特征的协议栈包括：一个顾客协议栈，一个节点平台的家族，和一个不同的监控用户界面对于移动和 PC网关来说。 TUTWSN操作已经被测试和他的特性改进基于信息积聚在一些特定的带有上百个节点的实际环境中

3.1TUTWSN协议。

•TUTWSN使用一个基于 TDMA 的 MAC协议，它减少了传送者闲散听的时间。一个拥簇型网络拓扑被用来改进整个网络能量效率。在TUTWSN中基于斜坡路径的优化数据延迟在网络中有很高的价值。

TUTWSN MAC协议

•这个簇结构被维持在一簇的头结点。一个头结点控制簇内通信和内部数据路由。其它节点像次节点，仅仅和它们的头结点进行通信。

•这个簇的访问循环是由头节点维持的在图 3 中所示。头结点传送了周期的网络信号给他的在网上的接收者。这些信号是用来自我识别和簇内通信的

TUTWSN 路由协议。

•我们的路由协议制造了路由是基于价值斜坡到一个网关。数据路由在WSN上有活动的数据是才发挥作用

3.2 TUTWSN节点平台• 这个节点平台在图 4 中说明。主要的部件是

PIC18LF4620 毫微瓦系列 MCU带有 64KB代码和 3986B的存储器。MCU包括 10 位集成的 ADC转换器和 1KB 的 EEPROM作为一个非变量数据存储。能量模块用了包括一个MAX1725输出 2.4V的电压和一个 3V 的 CR123A的锂电池。另外，一个 DS620 数字温度计被集成在平台上。

• 无线电接口是一个 2.4GHZ 的 NRF2401A的接收单元。支持 1Mbit 每秒的数据传输率。集成的CRC计算器和地址探测逻辑的接收单元被用于TUTWSN MAC对于错误检查和作为网络地址。这个限制了包的大小留下了 26B 为 MAC 和 4B的地址和 2B 的 CRC。

4 TCP/IP的自适应执行为 TUTWSN。

•我们已经选择了本地 tcp的方法来评估，因为它适合于低功耗的WSNs 例如 TUTWSN。我们用 linuxPC操作的软件平台作为WSN的网关和形成 TUTWSN的一个吞吐量优化模型。一个Linux 的 PC是被连到一个网关WSN节点通过一组带有 57600 波特率的序列端口

4.1 TCPIP自适应层的执行在 Linux 下•我们的 TCP自适应层是在 Linux WSN 自适应（ LWA）执行的并在带有 2.6.8.1 内核的Ubuntu Linux 平台上试验。这些软件结构在图5 中描述。一个网络应用通信通过一个 Linux网络栈包括了套接字和协议层。一个普遍的 TUN/Tap 驱动通过 IP包送给了 LWA。它传输数据到WSN通过一系列的端口。

4.2 TUTWSN协议框架。

•在 TUTWSN里，一个簇头节点保持他自己的访问周期和下跳通信在 SF期间。其它的时间被花在了睡眠节点上。这个闲散时间可以被用来构造网络以形成更高的吞吐量和更短的延迟。因为在TUTWSN中的路由是斜坡的对于网关来说， tcp路由是自动形成的。而，在上联和下联总是连续的，同时路由被用于两个方向。闲散时间可以被充分的利用，如果 SF的开始时间被调整

5 评估结果•我们通过测量 TCP 和 WSN性能来评估我们的方法。其中WSN是一个带有 TUTWSN协议和两个 Linux 笔记本之间。 TCP 内部操作被监视在活动的连接通过WSN。对于本地 TCP 的WSN应用被评估在HTTP 和 FTP应用上。

5.1 TCP性能

•一个来自于 tcp路由节点的移除导致了当前过程传送数据的丢失。在图 7 中显示了 CWND 和RTO的数据传送从开始到完成。一个节点的增加不会导致误差。如显示的一样，当数据丢失时， CWND 降低了而 RTO 增加了。然而，WSN被所全部很快的操作在节点移除之后并没有拥塞发生。因此，即使 TCPReno试图避免慢开始算法的激活，

5.2 圆形时间。

•一个HTTP的性能取决于 RTT的网络。 RTTs对于一个 tcp路由来说在 TUTWSN使用 ping命令测量的。图 8 描述了 RTTS带有 IP包： 50 ，100 ， 200 ， 500 和 1000 位的不同的跳数的情况。 RTT包括 LinuxPC 处理但是被忽略不计了。由于 TDMA 在 WSN的应用，这里或许会在 250ms的传送延迟。

5.3 吞吐量• FTP应用是通过网猫和来塑造的，吞吐量被接收

LinuxPC端里测量。这个给定的吞吐量值是 5 分内的平均的常载。丢弃的包不被包括在结果里。这个和应答的使用和保证传送的再传是为什么理论上的最大值达不到的原因。

5.4 能量消耗•在一个基于 TDMA 的 TUTWSN,一个更频繁责任周期导致了增加的能量的消耗。能耗已经被一个带有 0.4F的电容的节点测量。一个平均的当前的消耗被电容的内部电压。来自电流的电压消耗在一个带有 3.0V的电压被计算。一个节点是一个 tcp的路由的部分的能量消耗被分别测量当保持一个连接和最大负载期间。

• 作为一个对比，在一个环境监视的 TUTWSN带有二次访问环的循环一个簇的头节点来自一个次节点的路由数据到另一个跳簇平均要 0.72mW。头结点保持它自己的访问周期在图 3 中描述。传送来自次节点的数据和开始于它的下一个节点在SF中。两个节点都是开始一个新的框架每十秒。因此，能耗的增加归因于 TCP通信不是被很好的考虑增加的活动和更频繁的责任周期。

6 结论和进一步的工作。

•这篇文章试验了在一个低功耗的WSN上的TCP/IP性能。它们在通信有很大的通信。但是TCP/IP 和 WSN集成是非常的必须的在普遍的计算。这个显示的结果表明了 TCP流控制算法在WSNs中显示了很差的性能。和低功耗WSNs需要一个频繁周期以提供充足的吞吐量。此外，改进可以被完成通过使用一个代理的方法它减少了头开销和采用了 TCP流控制。

• 我们将来的工作将集中在对于 TUTWSN环境监视吞吐量优化的模式的更好集成。在TUTWSN里，在性能和能量间的交易可以通过缩短或增加通道访问周期来调整。因此，这就要求额外的考虑在执行器里，为了维持基本的WSN操作。