传输协议无线通信

2024-05-16

传输协议无线通信（精选十篇）

传输协议无线通信篇1

在一些军事通信网络中, 常采用微波、散射、短波超短波电台和卫星等无线传输方式, 信道较窄, 传输速率较低, 误码率高。这类军事通信网的网络管理系统, 其管理信息通常采用带内传输方式, 即网管信息利用被管理网络进行传输, 占用信道资源, 在不影响网络自身业务信息传输的前提下, 网管信息占用信道带宽比例一般限制在2%～3%, 因此网络管理协议必须能适应这种误码率高、信道窄的情况。

目前较流行和有影响的几种网络管理协议, 如SNMP、CMIP、CORBA的IIOP等一般是基于稳定的、资源宽裕的传输信道情况设计的。SNMP管理协议主要适用于管理信息量较小、传输带宽较大、安全性要求不高的网络环境, 并且协议效率低。而CMIP和CORBA的IIOP管理协议技术复杂、实现难度大, 且对传输环境要求严格, 不适用于窄带无线信道环境。另外, 一些基于TCP的专用网络管理协议是一种面向连接的协议, 其基于握手的机制在误码率高、带宽小的无线信道环境下会造成TCP连接的时通时断, 并且耗费网络资源, 所以也不适于作为无线窄带网络环境中的网管协议。针对无线信道窄带传输特点, 本文提出了一种适应于窄带无线信道的网络管理协议NWNMP, 该协议既利用了SNMP协议的信息框架, 又吸收了CMIP的传输管理思想, 并采用了基于UDP的短报文格式, 相比其他网络管理协议而言, NWNMP协议在保证功能和标准化的前提下, 更适应无线信道窄带传输的特点。

1 NWNMP协议设计

1.1报文格式

针对传输速率较低、带宽窄的无线信道来说, 设计开销小、管理功能又比较完善的报文格式尤为重要。NWNMP协议采用紧缩方式组织报文格式, 发送帧号和确认帧号合二为一, 信息命令标志按位编码, 地址编码采用可选方式, 这样即可节省报文开销, 减少带宽占用, 又能完成复杂多样的管理信息的控制与传输。具体报文格式如表1所示。

其中标识部分为报文头, 报文头部开销为10～14个字节。SNMP协议是基于UDP定义的一种较简单的网络管理协议, 数据报文包含版本号、共同体名和PDU, 报文头长度大于20字节。相比之下, NWNMP协议报文开销远小于其他管理协议的报文开销, 更能够节省信道资源, 有利于提高窄带信道的传输效率。

协议使用规则:

① 帧头标识用于确定一个协议帧的开始;

② 目的地址和源地址用于控制网管信息的传送方向, 用于网管中间节点转发, 当MT=0时表示被管设备的管理信息传输, 属于点到点传输, 不用定义地址编码;

③ 操作标识符指定信息的操作类型 (如:Get、GetResponse、Set、Report) , 用于控制信息传输到目的地址后的处理方式;

④ 帧号唯一标识一个协议帧, 分片传输时帧号相同, 同时作为返回信息的确认帧号;

⑤ 命令标志 (MT/FT/CT/ET) 分别用于标识管理模式 (如被管设备管理、网管站间管理) 、分片传输、压缩方式及加密方式;

⑥ 校验代码和用于判断信息的正确性, 取正文长度和正文内容各代码的累加和的后16位值;

⑦ 正文部分用于传输网管信息内容, 压缩和加密均是对正文部分进行处理。

1.2协议原语定义

NWNMP协议利用了SNMP协议的信息框架, 通过较简单的操作原语与命令标志的组合完成各种管理信息的传输, 操作原语简单, 易实现, 节省信道资源。NWNMP协议支持以下4种操作原语:

① Get:查询操作, 包括查询配置信息、查询性能数据、查询故障信息等;

② GetResponse:查询响应操作;

③ Set:设置操作, 设置设备配置参数等;

④ Report:上报操作, 如参数变化上报、故障实时上报、性能采集上报等。

1.3传输机制

网管信息在无线窄带信道下传输, 必须保证管理信息的可靠传输, 才能确保网管系统的管理功能正常运行。NWNMP协议在信息传输过程中采用多种处理措施以确保网管信息的可靠传输, 主要包括信息块压缩、确认+超时重发、报文的自适应调整处理和检错处理。这些传输措施分别应用于管理信息的发送、接收、响应等过程中, 可保证管理信息在误码率较高的无线信道下的可靠传输。具体应用流程分2种情况:

(1) 未超时信息成功传输流程

协议发送端设置超时定时器, 设置2次超时重发。发送者将发送信息正文进行压缩处理后, 对报文中正文长度和正文内容计算校验和, 然后将经过处理的信息发送给接收者, 接收者根据校验和检查信息正确性, 如果正确则对信息块解压处理, 并将确认信息或处理结果返回给发送者。发送者在超时时间内接收到返回信息, 则认为发送命令信息传输成功, 传输流程如图 1所示。

(2) 超时未成功传输自适应调整流程

发送端在发出信息后, 经过2次超时重发, 仍未收到确认或响应信息时, 发送端则认为信息发送失败, 采取报文长度自适应调整方法。按照典型被管网络配置, 根据各类管理信息的报文长度, 小数据量报文平均长度为200字节, 每个报文最大传输字节数为1 500, 当大数据量信息传送时, 如果大于1 500则需分片传输。报文自适应调整的实现方法是:首先判断发送的报文正文长度是否>200字节, 如果大于200字节则将报文进行分片传输, 每个分片正文长度均小于等于200字节, 且分片的帧号一致, 便于接收端将分片全部接收后统一处理。传输流程如图2所示。

1.4安全处理措施

网管系统中需要交互大量的管理信息, 其中不乏是涉及通信网络命脉的重要信息, 尤其是在无线信道中传输, 更应确保网络管理系统各种管理信息的安全性, 数据加密是一种较有效安全保密措施, NWNMP采用了对管理信息正文进行加密的方法, 具体流程:

命令发起方确定是否需要对信息进行加密, 如果需要加密, 则对正文信息块进行加密处理, 将加密后的协议帧发送给命令接收方;如果不需要加密, 则将报文头中ET置0后, 直接将协议帧发送给命令接收方。

命令接收方收到命令后, 先解析协议帧的标识部分, 判断ET值, 如果为“00H” (不加密) , 则无需解密处理;否则, 需要先对正文信息块进行解密处理。

2 NWNMP协议仿真试验

NWNMP协议在无线信道环境下进行仿真试验, 对NWNMP协议进行了各项管理功能的试验, 包括拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理、用户管理及安全管理功能。另外对NWNMP协议进行了性能测试, 验证该协议在窄带无线信道下的适用性。

测试过程及结果:

① 在无线通信网络环境下, 设置2个网管站, 每个网管站有一个被管设备, 分别在2个网管站之间和网管站与被管设备间进行管理仿真, 传输支持的管理信息, 通过试验验证了NWNMP协议能够完成各种管理功能管理信息的正确传输;

② 分别以2种协议包长传输管理信息, 在不同传输速率下测试不同长度的协议包的收包情况。协议包长分别以200字节和1 500字节进行试验, 测试速率分别为38 400 bps和19 200 bps。此项试验数据分别见表2、表3、表4 和表5, 其收包时延单位均为ms。

通过试验验证了NWNMP协议在误码率低于1×10-4时能够正确收发, 但在包长较大、传输速率较低的情况下, 数据包传输时延较长, 通过确认+超时重发机制以及自适应技术能够有效解决这一问题, 在误码率大于等于1×10-3时, 通过协议帧中的校验代码和能够检测出收到的协议帧数据有误, 但无线通信网的传输系统一般能提供优于1×10-3的传输环境, 因此, 该管理协议能满足管理需要。

3 结束语

NWNMP协议基于流行的标准协议的传输管理思想, 针对窄带无线信道传输特点进行设计。采用专用协议组包格式, 能够定义各种管理操作和管理信息格式。通过在无线网络环境下进行的NWNMP协议仿真试验, 验证了该协议在信道误码率低于1×10-4, 且信道带宽较窄的情况下能够满足无线信道环境下对网络管理协议的功能及性能指标要求, 能够较好地适应无线网络环境, 从而保证各种网管信息的安全传输。该管理协议的设计思想可应用于军事无线通信网络中的管理协议设计。

摘要：基于无线通信网的灵活性和机动性的特点, 其在军事通信领域中应用越来越广, 而无线通信网网络管理系统设计中的一个重要问题是解决无线信道所传送的网络管理协议。针对某种窄带无线通信网网络管理需求, 提出了一种适应此需求的基于UDP的专用网络管理协议NWNMP (Narrowband Wireless Network Management Protocol) , 并对NWNMP协议的报文结构、操作原语、传输机制进行了设计, 最后通过仿真试验, 验证了设计的合理性。

关键词：窄带,无线信道,管理协议,NWNMP

参考文献

[1]ITU-T.CORBA-based TMNservices.Q.816[S], 2001.

[2]ITU-T.Open Systems Interconnections-Structure of management information:Definition of management information.X.721[S], 1992 (ISO/IEC10165-2) .

[3]ITU-T.TMNguidelinesfor defining CORBAmanaged objects.X.780[S], 2001.

[4][美]OMG编著.CORBA系统结构、原理与规范[M].韦乐平, 薛君敖, 孟洛明译.北京:电子工业出版社, 2000.

无线通信系统的传输技术分析论文篇2

【摘要】随着人们对无线通信技术需求的不断提高，基于传输技术的优化设计无线通信终端技术，能通过无线通信模块实现与无线互联网的连接，并且可以通过无线通信访问互联网上的内容，实现无线上网功能。在通信工程中，传输技术占据着非常重要的地位，随着通信工程的普及以及移动信息设备的不断发展，必须解决网络传输技术问题。论文主要对传输技术在无线通信系统中的应用进行探讨。

【关键词】通信论文

1引言

近些年，我国的数据业务和视频业务等通信业务有了很大的提升，人们的生活和生产中信息数据的传递的需求也不断的提高。所以，必须加强通信工程的建设，并对传输技术在通信工程中的应用进行分析，从而为人们的生活和生产提供良好的通信服务。在通信工程中，传输技术占据着非常重要的地位，随着通信工程的普及和移动信息设备的不断发展，网络传输技术是一个必须要解决的问题，需要通过对传输技术在通信工程中的应用进行分析，找出传输技术未来的发展方向。

2分析无线通信技术

在当前社会中，无线通信技术是一种能为个人手持设备（如PDA、手机）、电脑等终端提供无线接入网络的方式，应用无线传输网络信号的方法使终端设备与网络互相连接，为用户提供方便的无线通信服务。在无线通信技术中，不仅可以帮助用户访问网络中的电子邮件、提供Web以及流式媒体的网络信号，还能为用户提供基于无线访问宽带互联网的支持，使人们更便捷地上网浏览消息，发挥积极的应用价值。

3无线通信系统中应用传输技术的特点

3.1传输产品体积较小

现阶段，随着信息化技术的发展和科技的进步，传输的产品的体积正在不断地缩小，例如，通信工程延伸出来的一些产品的体积在不断地缩小，在体积缩小的同时，传输产品的灵活性逐渐有了提高，传输产品体积的缩小减小了产品占据的空间，为人们在使用传输产品的同时带来了很大的便利，也降低了生产传输产品的成本。而且体积小的传输产品还具有较高的性价比，传输产品通过点和点之间的传输，给通信工程的发展创造了便利的条件。

3.2传输设备呈现一体化

通过对传输产品的传输效率和速度进行分析，传输设备的一体化进程可以为监管提供非常有效的便捷条件。在一体化的传输设备中，相关管理工作人员能使用一些备用设备对信号进行传输，这样可以有效地提高传输产品的便捷性。利用SDH技术将接口板卡和传输产品进行结合，能提高传输设备的传输信息的效率，特别是使用分插技术时，不仅可以对传输产品中的电路进行灵活性的分配，而且对整体局域网的建设也有很大的帮助。

3.3传输设备具有多样化功能

由于传输信息的产品的体积非常小，在体积小这个基础上，一台传输产品设备上聚集了很多独立的设备具有的功能[1]，很大程度地减少了这些独立设备对光纤的占有数量和规模，从而提高了传输信息的线路的使用效率。传输产品多样化的功能让传输技术的质量和价值都有高效的体现，同时也为传输产品的用户提供了一个非常便利的应用。

4无线通信系统中关键传输技术的种类

4.1MIMO技术

MIMO技术主要是利用多个天线实现多发和多收的目的，天线数量越多，信道的容量也就越大，通过技术的应用可以使信道的传输的可靠性大大提高，并且使信道的容量也得到进一步的提升，有效降低误码率。目前，MIMO的相关理论已不断成熟，国内外很多机构都专门建设了研究MIMO技术的实验平台，例如，在我国的东南大学和北京邮电大学就有专门的实验室。我国对这种技术的研究也是源于20世纪末，截至，我国自主MIMO技术的项目就有30多个，国家在启动863计划后，先后有十几家高校和企业参与到了这个计划中。

4.2OFDM技术

OFDM技术可以有效地克服信道频率的选择性衰落，其实是一种多载波调制。这个技术的使用原则是把信道分成多个正交子信道，然后再把高速数据转换为并行的低速字数据流，再分别调制到子信道上进行传输。众所周知，子信道上的信号贷款必然小于信道的相关带宽，所以可以把每一个子信道都看成是一个平淡的衰落信道，在OFDM技术的实际应中，其本质是和交织、纠错编码结合在一起[2]。

4.3自适应传输技术

自适应传输技术可以根据不同的环境、业务需求等对传输的模式、功率和带宽等进行有效地改变，这样不但保证了传输的质量，而且也提高了对信道的使用效率。自适应传输系统的模型图如图1所示。

5传输技术在通信工程中的应用探究

5.1长途干线网中对传输技术的应用

在长途干线网的早期使用的是SDH，即同步数字系统。随着经济的发展和人们生活水平的提高，传输技术使用的用户逐渐增加，由于SDH在进行长途信息的传输过程中，+MSC的间距相比较来说都比较大，所以在长途干线网中使用同步数字体系的成本比较高，而且不仅成本较高，使用同步数字体系的传输产品的各个方面都有很高的要求。为了解决上述的传输问题，技术人员往往会将WDM系统和SDH系统进行结合，这种二者结合的方式不仅没有对传输产品的硬件进行改变，而且还增加了传输设备的容量。通过ASON系统和DWDM系统之间进行组合的方式，能把二者的优势有效地发挥出来，而且还能有效地提高整体网络的功能。由于ASON系统有单节交叉等方面的特点，所以使用ASON系统不仅能增加容量，还能增加灵活性。

5.2本地骨干网中对传输技术的应用

通过对本地骨干网的研究分析，我们可以看出目前传输技术在本地骨干网中的`应用主要表现在：通过智能网络技术和同步数字系统等一些先进的传输技术在本地骨干网中的应用，很大程度地推动了我国计算机网络技术的发展[2]，促进了我国通信工程中资源的高效使用。因为本地骨干网的容量较小，因此，在进行信息传输时只能传输一些容量较小的信息，这是本地骨干网最大的缺点。在本地骨干网中，传输技术有非常明显的优势，即不仅具有很好的性价比，而且传输信号的效果也非常好。所以在进行短距离的信号传输时，传输技术的应用比较广泛。

5.3无线传输中传输技术的作用

无线传输在传输信号时采用的是电磁波形式。在传输信号的方法中，无线传输的成本是最低的，并且无线传输的运行过程也相对比较稳定。把无线传输技术和监控技术结合在一起，可以形成一种无线监控系统，无线监控系统能实现不同地区的信号之间的传输和监控的工作。同时，利用无线监控系统还能建立起便捷的视频数据库。因此，无线传输技术不仅能提高传输技术的扩展性，还具有十分高效的扩展性。

6应用效益分析

基于传输技术优化设计无线通信终端系统，确保设计的无线通信终端是应用无线通信技术实现的，不仅能确保设计好的终端设备为一些便携式电子产品提供无线接入的功能，也可以满足人们随时随地上网的需求，使设计好的无线通信终端能够拥有更多的用户群。基于传输技术优化设计无线通信终端，可以有效地扩大无线通信的网络覆盖范围，并且可以实现对整个城市的信号覆盖。同样，基于传输技术设计无线通信终端，也可以在手持终端以及增值业务中大量应用该技术，以发挥其积极的影响以及社会应用效益。

7结语

总而言之，通过对传输技术和通信工程进行全面的研究和分析，可以发现传输技术在通信工程中的发展会逐渐走向多样性和多元化的道路。当传输技术出现多元化的发展时，会提高通信工程中一些相关传输设备的使用性能和效率。同时多样性的传输技术能让通信工程中的信号传输和网络的连接变得更加便捷和稳定，从而实现通信工程的有效、可靠和稳定的运行。在通信工程中传输设备体积比较小的基础上[3]，逐渐把很多独立设备具有的功能进行了集中，这样不仅能提高传输线路的使用效率，还减少了传输信号的成本，同时传输技术多样化的发展趋势，也对传输设备的功能进行了增加，从而提高了传输设备相关业务的能力。

【参考文献】

【1】周宸宇,刘佳权,杜昊霖.无线协同中继通信系统的传输技术分析[J].通讯世界,(8):83.

【2】陈博杰.认知无线通信系统中的传输技术研究与实现[D].西安:西安电子科技大学,.

传输协议无线通信篇3

关键词：蓝牙无线技术；蓝牙协议：RBTFT

中图分类号：TN925

1 蓝牙无线技术的重要性概述

蓝牙技术相比其他电子设备而言，是一种成本低、科技含量高的非封闭式的无线通讯技术，其使用范围受距离限制明显，只能在短距离范围内与电脑、便携设备、打印机、数码相机、键盘、电脑鼠标等实现无线连接。当前，受科学技术进步的推动和资源节约型社会的影响，无线连接技术发展迅速，受到社会欢迎。蓝牙无线技术的发展应用对于无线移动数据通信业务的发展起到了促进作用，蓝牙无线技术普遍采用的2.4G赫兹频带为全球通用标准，能保证蓝牙无线技术在世界各地的推广使用。换句话来说，蓝牙无线技术使得各种电子数码产品之间实现无线沟通，净化了空间和节约了资源。整合蓝牙无线技术，可以在设备方圆九米的范围内实现电脑、便携设备、收集、打印机、键盘等设备的无线连接，拓展无线通信网络道路。当前，蓝牙无线技术主要采取分散式网络结构和快跳频、短包技术，实现点对点及点对多点通信。

2 蓝牙协议的概念

蓝牙协议的目的是使符合该协议的各种设备之间能够传递信息。两个相互之间传递信息设备需要使用相同的协议栈。蓝牙协议栈采用的结构是用来完成数据流的过滤和传输以及跳频和数据帧传输的分层结构。当然不同设备可以在不同的协议栈上实行。但是，必须遵循一个共同的原则，那就是所有的协议栈都要使用蓝牙协议中的数据层和物理层。支持蓝牙使用模式的应用层在协议中的最高位置。有的应用不要用到协议中的所有内容。相反，应用仅用在蓝牙协议栈中垂直方向的协议。基带，链路管理，逻辑链路控制与适应协议和服务搜索协议是蓝牙的核心协议的四个组成单元。（1）基带协议可以确保互相连接的蓝牙设备射频连接，以形成一个微小的网络。（2）在蓝牙各设备间连接的建立和设置需要链路管理协议。链路管理协议通过发起连接，进行身份验证和加密，通过协调确定基带数据大小；无线设备的节能模式和工作周期需要链路管理协议控制，以及那个微小网络内设备的连接状态也是由该协议所控制的。（3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）可以说是基带的上层协议，L2CAP与链路管理协议是一个并列的关系，两个协议是并行工作的。但是这两个协议也有一定的区别，当业务数据不经过链路管理协议时，这个时候适配协议会提供上层服务。（4）服务搜索协议（SDP），使用该协议可以查询到相应的设备信息和服务类型，各蓝牙设备间在此基础上建立相应的连接。所谓的支持协议主要指的是蓝牙协议层，包括逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、无线射频通信（RFCOMM）和业务搜索协议（SDP）。L2CAP提供分割和重组业务。RFCOMM是用于传统串行端口应用的电缆替换协议。SDP包括一个客户/服务器架构，负责侦测或通报其它蓝牙设备。

3 RBTFT协议的研究与实现

3.1 RBTFT协议的可靠性和稳定性

RBTFT协议（Reliable Bluetooth File Transfer的简称）是指在RFC0MM协议基础之上建立的一条端到端（或点到点）的文件传输协议。该协议的主要目标在于在蓝牙设备和其他数码设备之间建立一条无线连接通道，该通道应具有可靠性和稳定性，以便践行文件的可靠传输。该协议目前通常采用的开发应用程序是VC++，以WIN98/2000/NT为应用平台，但RBTFT协议并不受VC++这一具体编程语言和WIN98/2000/NT操作系统的限制，它支持不同工作形式，包括一次传输多个文件、断点续传、CRC校验等等，其设计思想源是在传统的帧传输方式得到启发的（这中方式在数据传送过程中要求一帧一帧地发送，而不是整体发送）。为了确保文件传送的可靠性，RBTFT协议明确了RBTFT帧的定义，规定帧由报头和数据子包两部分组成，其中报头指明帧的类型（同时携带CRC校验信息），数据子包有不同的子包结束符构成，并明确是否有后续包等情况。RBTFT协议在进行数据传输时，采用发送---应答---握手---失败的传输方式，即在发送文件时一帧为单位，每发送一帧数据收到一个应答，说明此次发送是成功的。

蓝牙技术在利用RBTFF协议传送文件时，最先要做的工作是进行串口初始化操作，如果这个操作成功，成功报告将通过异步消息RBTFF—CONNECT向应用程序发送，告知系统文件传输通信线路连接已经建立。开始是连接通信线路，接通成功后开始发送数据，此时实际数据发送的多少将根据内部缓冲区的内存来决定，数据信息在内部缓冲区内被暂时存储起来，根据RBTFF协议将这些数据以一帧帧的文件形式，并在文件里加入了帧信息和CRC校验信息。接收方在接收文件的过程中，每成功接收一份文件，接收方系统将对接收的文件进行CRC校验。如果文件接收不成功，将通过RBTFF协议后重发或协商，如果发送成功的前提下，不会向应用程序系统发送任何信息报告，如果发送不成功，系统会自动放弃此链接线路，同时错误报告向发送给应用程序。应用程序将自我重新复位此链接线路，也可以进行其他对应的程序处理。在文件传输过程中，无论是文件发送方还是文件接收方，任何一方断开文件链接，应用系统内部都将接收到文件传输关闭的信息，断开文件传输链接线路。在文件接收方的按帧发送的数据将被去掉枕头并重新回入接收缓冲区，重新组合为原来的传输整体文件。之后再继续下一个文件的传输，直至文件完全传送。提高蓝牙无线传送文件的可靠性，在应用层面主要依靠RBTFF协议支持断点续传。断点续传的原理在于RBTFF数据帧在报头中携带有一个信息，该信息会指明文件数据在文件具体某个位置开始的偏移量。当发生错误或连接中断时，接收方发送一个带有偏移量的信息帧，使得应用程序系统能自动识别文件发送方重新传送文件的意思，这种技术在文件数据量大的时候效果明显。

3.2 RBTFT协议发送文件的过程

蓝牙文件传输RBTFF协议发送单个文件的详细过程可以这么理解：当相互之间传递信息的设备，开始的时候设备要进行重试次数计数器的初始化，也就是计数器归零。当收发设备双方建立连接，发送方设备搜寻文件指针，读取文件长度并设置并发送报头，这个报头里包含有文件名称以及大小。接收方会发来的响应报头信息。此时若接收方返回“已经准备接收”，则开始发送第一个数据包，当然接收方可以拒绝接收并信息返回。接收方返回确认信息后发下一个数据包；若尝试连接过中重试20次后，还不能恢复连接，则放弃需要重新建立连接。当接收方发送带有偏移量的信息帧时，发送方接收该信息帧后，会自动跳到指定偏移量处继续传送，接收方放弃传输，文件传输完毕。“文件传输完毕”这样的提示信息会在设备屏幕上输出来。

4 结束语

蓝牙无线文件传输协议RBTFT的研究与实现对于蓝牙技术的发展有重要作用，明晰RBTFT的工作原理和发送文件过程，有利于更好地实现蓝牙无线文件传输的发展。

参考文献：

[1]王楠，侯紫峰，宋建平等.蓝牙无线连接可靠性措施的研究与实现[J].小型微型计算机系统，2003（05）.

[2]刘任庆.蓝牙技术的抗干扰性与可靠性分析[J].技术交流，2009（03）.

作者简介：李莉（1980.04-），女，吉林人，教师，讲师，硕士，研究方向：计算机科学与技术。

传输协议无线通信篇4

目前无线局域网已相当普及, 不仅具有方便灵活的特点, 而且其传输速度大大提高, 大有赶超有线局域网以太网的趋势, 例如802.11n标准的无线局域网已经达到了320Mbps。无线局域网具有运营成本低、网络布线成本低与管理配置方便的优点, 特别适用于智能监控系统中在移动变化复杂和网络布线不确定的通信环境中。但是它在实际使用中也遇到了很多问题, 其中网络局域网的安全性问题就是制约无线局域网发展的一个严重瓶颈。信息安全中的安全威胁是指人、物、事件或概念对某一资源的保密性、完整性、可用性或合法使用所造成的危险[1,2,3]。由于无线局域网的无线链路是完全暴露在外, 它遭受的网络攻击主要集中在数据链路层与网络层, 不但遭受来自无线网络的攻击也可能遭受来自有线网络的攻击。

1 无线局域网特性

1.1 快捷、方便

无线局域网可以根据实际需要安排资源分配, 不需要各个终端通过电缆进线连接通信。利用无线局域网, 系统可以在无线访问节点AP (Access Point) 信号覆盖的范围内通信, 而不需要通过其他网络交换设备的支持进线通信。

1.2 灵活的网络访问

在有线局域网内, 如有额外的用户需要接入网络, 必须改变网络拓扑, 重新进线网络布线, 这必然大大增加了经济成本。在无线局域网中, 只要有无线信号的覆盖, 用户可以随时随地接入无线局域网, 这样提高了网络访问的灵活性。

1.3 站点和设备集成程度高

无线局域网可以通过无线电波的形式连接以太网设备, 为系统用户提供经济、方便的网络连接。无线站点之间无论是点对点还是单点对多点的连接都可以进行有效设置, 广泛地应用到智能监控系统的通信环境中。无线技术能解决大量系统用户对唯一有线高速网络链路的争用, 可以高效共享无线通讯链路。

2 无线局域网的安全性威胁

无线局域网的安全性威胁主要体现在以下几个方面。

2.1 广播侦听

在无线局域网中, 由于无线链路的开放性使黑客可以使用WEPcrack与AirSnort等无线探测软件进行侦听、记录无线局域网中的数据包。例如, 在一个使用802.11b协议的无线局域网通信环境, 数据传输速率达到理论最大值11Mbps, 无线接入点AP一直处于繁忙状态其数据流量为3 000Byte/s;WLAN中使用WEP协议对传输的数据进行加密处理。通过计算分析, 大约超过10h就能获得WEP协议重复使用初始化向量加密的数据包, 攻击者可以成功破解出WEP的加密密钥。

2.2 拒绝服务攻击

拒绝服务DOS (Denial of Service) 是非法用户大量使用系统资源, 导致系统无法给系统合法用户提供服务的一种攻击手段。在无线局域网中, 黑客一般通过泛洪 (Flooding) 攻击、干扰无线通信频段、破坏通信信号等方式来阻止系统正常用户接入网络, 甚至让无线网络不能正常工作。

2.3 消息注入与主动侦听

目前绝大多数无线网络设备都支持IEEE802.11无线网络协议, 这样黑客攻击者可以使用软件修改信息帧结构的某些字段, 所以黑客可以产生或者修改无线网络中数据帧。重发攻击是消息注入攻击的常用手段, 这种方法不仅可以进行实时攻击也可以进行非实时攻击, 并且不破坏网络传输的数据帧。入侵者可以通过捕获网络中传输的消息, 并且将截获的会话消息帧格式保留下来, 等待它需要对无线网络进行破坏的时候, 就可以将保留的数据帧进行有机组合然后重放到网络中, 也可以不经处理就直接放入网络, 对无线局域网进行攻击。

2.4 中间人攻击

中间人攻击指攻击者通过某些方式连接到无线网络中并完成了接入认证, 复制或是篡改合法用户与无线接入点之间的传输数据而不被发现。它需要攻击者一直接入到无线网络中并且与各终端进行通信, 攻击者通过对截获的数据信息进行分析欺骗终端节点和无线接入点。

2.5 MAC欺骗

无线局域网的一种接入认证方式是通过终端网卡MAC地址进行认证, 无线局域网只会对事先约定好的MAC地址终端认证并接入。虽然网卡的MAC地址是固化在网卡硬件上, 但是可以通过软件的手段伪装MAC地址来进行MAC欺骗攻击。

无线局域网虽然遭受着严重的信息安全威胁, 但是我们可以通过各种手段来实现无线局域网的身份认证、访问控制、数据机密性、数据完整性与不可否认性。在无线网络中实现信息安全的目的可以通过非密码机制手段与密码机制手段。非密码机制手段主要是无线电技术对无线局域网的无线信号进行处理来实现安全的目的, 这样就需要对网络的硬件进行修改。

3 IEEE802.11i安全标准

2004年6月IEEE委员会提出了新无线局域网安全标准802.11i, 在这个无线局域网安全标准中提出了无线局域网的新的安全体系RSN (Robust Security Network) , 即强健安全网络, 旨在提高无线网的安全能力, 该标准主要包括802.1x认证机制、基于TKIP和AES的数据加密机制以及密钥管理技术, 目标是实现身份识别、接入控制、数据的机密性、抗重放攻击、数据完整性校验[2]。

在IEEE802.11i安全标准中主要完成3个功能, 分别是数据加密、身份认证与密钥管理。

在网络数据加密方面, 此标准中定义了TKIP、CCMP和WRAP 3种加密方式, 其中TKIP机制采用WEP安全标准中的RC4流密码作为核心加解密算法;CCMP机制采用AES加解密算法和CCM加解密鉴别方法, 使得无线局域网的安全性大大提升, 这些是强健安全网络 (RSN) 的强制要求;WRAP机制基于OCB模式的AES加解密算法, 这种方式可以同维护时数据的机密性和完整性, 但它在RSN中是可选的。

在身份认证方面, IEEE802.11i安全标准采用802.1x和可扩展认证协议 (EAP) 。其中IEEE802.1x是一种基于端口的网络接入控制技术, 用户只有成功通过身份认证才能接入无线网络。这个协议中包含3个实体, 分别是客户端、认证者和认证服务器。对于无线局域网来说, 客户端发起请求接入无线网络, 客户端必须装有802.1x客户端软件, 这种客户端通常被称为终端 (STA) 。认证者是客户端需要访问的控制端口, 一般是无线局域网中的AP, 在认证的过程中认证者的作用只是传递数据, 所有认证算法的执行过程都是通过客户端终端盒认证服务器之间执行。认证服务器执行具体的认证算法, 通知认证者是否可以让客户端终端访问指定的服务, 并且身份认证需要的信息都存储在这台服务器上, 它就是经常提到的RADIUS服务器。802.1x本身不提供具体的认证机制, 它需要和上层服务一起完成用户的身份认证和密钥交换, 在这里802.1x协议使用EAP协议作为认证信息交换机制, EAP消息封装在EAPOL分组中。这里EAP是身份认证信息的承载体, 对各种认证技术有很好的兼容性。EAP-TLS采用基于证书的传输层安全方式在使用强加密方式的客户端终端和认证服务器之间提供双向认证, 并生成加密无线传输数据的密钥, 具有高度可靠的安全性能。[3]

在密钥管理方面, IEEE802.11i安全标准主要负责各种密钥的生成和密钥生命周期的管理。用户终端每次加入AP都需要实时身份认证和生成新密钥, 每次离开AP就意味着原来密钥生命周期结束。在此安全标准中包含两种密钥:一种是用于单个用户的密钥, 另一种是用于小组组播的密钥。单播密钥首先由身份认证生成的主会话密钥 (MSK) 生成主密钥 (PMK) , 然后再由主密钥生成加密传输数据的临时密钥 (PTK) 。

安全的RSNA建立过程分为6个阶段, 分别如下所述。

第一阶段:无线网络信号发现与安全配置参数确定。AP有两种工作方式, 一种是在某一个特定频率的信道发送信标帧 (Beacon) , 表示AP无线接入点的存在, 同时会在这些信息中包含自己的安全信息参数。另外一种方式是AP会监听某些特定频率的信道, 如果收到无线终端的探询请求帧, 那么它就对这些请求帧做出应答。同时无线终端也可以主动或是被动地发现并连接这些无线接入点。

第二阶段:无线认证接入。无线终端从众多可以访问的AP中选择一个, 然后与此AP进行认证连接, 注意此时的认证是很脆弱的, 只是进行简单的口令认证。这时它们也交换安全信息参数, 以确定下一步如何进行IEEE802.1x的认证。

第三阶段:IEEE802.1x与EAP认证。产生一个组播密钥 (GTK) , 并将这个密钥发送到该组。此阶段是无线终端与RADIUS认证服务器之间执行EAP-TLS双向认证协议, 认证者AP只是进行数据中转的功能。执行完双向认证协议之后, RADIUS认证服务器一方面认证了无线终端的身份为合法用户同时也生成了共享密钥也就是主会话密钥 (MSK) 。之后RADIUS认证服务器与无线终端都是用相同的算法从主会话密钥 (MSK) 推导出主密钥 (PMK) , 客户端与认证服务器就都拥有了相同的主密钥 (PMK) 。

第四阶段:四次握手生成单播密钥。此阶段无线终端与认证者AP进行四次握手, 通过这四次握手认证者AP确认无线终端拥有主密钥 (PMK) , 同时确定安全机制, 生成临时密钥 (PTK) 用于以后数据传输中的数据加密。这时IEEE802.1x的端口打开, 进行数据传输。

第五阶段:组播密钥生成。当存在组播时才会有这个阶段。

第六阶段:数据传输。这是无线终端与认证者AP通过协商的加密组件与产生的临时密钥 (PTK) 对传输的数据进行加密传输。这时就可以传输数据了。

4 结语

无线局域网具备快捷、方便、灵活的优点, 其网络访问、站点和设备的集成程度高但存在着潜在的安全问题, 比如广播侦听、拒绝服务攻击、消息注入与主动侦听、MAC欺骗等。针对这些问题, 本文论述了IEEE802.11i协议的安全标准, 从网络数据加密、身份认证和密钥管理三个方面, 阐述了IEEE802.11i协议的安全措施。

参考文献

[1]王军号.基于IEEE802.11标准的无线局域网安全策略研究[J].贵州大学学报, 2009, 26 (6) :88-90.

[2]邵丹.无线局域网安全标准的比较与分析[J].长春理工大学学报, 2009, 19 (12) :61-64.

传输协议无线通信篇5

摘要：光纤通信网络是一种新型的网络传输系统，通过光纤技术形成传输速度快、运行安全、有效的网络传输平台，具有传输一体化的特点。在用户的使用过程中，光纤技术有着很多的优点，极大地加快了数据传输和控制的速度，提供了更加方便、快捷的网络传输平台，建立了一个较为安全、稳定的数据传输体系，为用户的使用带来了极大的方便。结合光纤通信技术在使用过程中所具有的优点，文章对其作出了具体的描述，从输入与输出两个方面作出了解决方案。

关键词：光纤通信论文题目

1光纤通信具有的优点

光纤通信技术通过先进的传输模式，建立了一个安全、稳定的数据传输平台，形成了数据通信和传输的有效结合，在使用的过程中出现了问题，应当立刻调整其作业流程，努力为用户构建一个稳定的信号传输系统，这样就能实现数字一体化操作，促进网络系统的发展。在通信网络技术方面，光纤通信很好地做到了信号传递和控制的有效结合，根据传输模式形成了一体化传输服务。例如，根据网络传输的特点通过多元化的方式来完成信号连接，促进了通信网络的高速发展[1]。

2网络传输过程中的要素

2.1智能技术

光纤通信数字化是一种新型的网络传输模式，在使用的过程中通过光传送网络的技术手段，很好地实现了数字业务模式的优化升级，形成了传输和调度的有效结合。在布局所具有的特点方面，数字网络能够保证传输信号的平稳运行，增加了信号传输的速度，根据特有的传输线路，对传输系统采取了优化设计，极大地提升了网络空间的运行速度[2]。在使用的过程中，数字网络保证了传送和控制的一体化，这些方式都很好地提升了业务双向流通的传输效率。

2.2网络通信的移动技术

近年来光纤通信技术得到了较快的发展，设计新型分组传输网络已经成为现代信息通信技术的主流，这项技术已经广泛应用于信号传输平台，使数字化效率得到了很大的.提升。光纤通信的使用体现了传输技术的多元化发展，根据新型网络布局能够很好地实现数据化运营、改善网络运输的环境，应当不断地提升数字网络在数据传输中的功能，不断缩小数据网络的负荷值，实现数据网络的高效运行。

2.3路由技术的使用

在进行传输时，无线网构建了一个较为复杂的网络运行平台，等到数据到达服务器后，应当立刻对数据进行分析，这样才能够对数据作出准确的分析，路由器是网络传输过程中一个十分重要的环节，所以，保证网络数据的传输是必不可少的，3S技术在网络传输的过程中有着很多的优点，已经成为无线传感器数据传输的主要方式[3]。

3数据传输过程中的输入系统应用

3.1数据传输的系统

数字网络在网络数据传输的过程中，能够很好地实现流量自主化控制，避免了资源的浪费，缩小了传输过程中的流量损耗。在设计的过程中，对网络平台的资源采取有效的控制方式，对流量值进行合理设定，如果到达设定值以后，光纤通信网络能够自动调整流量的大小，这些方式都能够有效地提升网络运行的速度，优化网络运行的结构，有效地解决传统网络运行中的缺陷，这些都对网络的传输有着很大的影响。3.2数据传输中服务系统在目前，如何提升网络运行过程中通信技术，促进数据传输的速度，如何实现网络资源的有效利用，以及如何通过通信技术实现网络工程建设，已经成为目前网络建设中的主要问题。在网络建设的过程中，通过“数字化”进行网络工程建设，实现了网络资源的合理利用以及传输与通信的一体化建设，在“数字化”通信中所遇到的难题，应当采取相应的解决方式，实现网络资源的合理利用，减少资源浪费，不断对“数字化”运行的过程中所遇到的问题进行总结[4]。

3.3采取相应的措施整合系统

数字光纤在传输的过程中采取先进的技术，将光纤传输技术、遥感技术等进行了有效结合，通过数据传输平台进行合理规划，促进了功能结构的优化升级(见图1)。科学技术在经济发展的过程中起到了很大的作用，光纤通信应当紧跟科技发展的进程，才能不断地发展进步，由于“数字化”还没有全面推广，在实际运行的过程中还有着很多的问题，严重影响了实际操作的可操控性，企业应当对遇到的问题不断进行总结，不断改善网络运行的程序，为工程通信建设提供更加广阔的服务平台，通信对经济的发展起着很关键的作用，根据“数字化”可以促进现代城市的经济发展，保证光纤经济可持续发展[5]。

3.4网络运行中的操作系统

为了不断加快数据传输的发展，应当根据“数字化”构建一个较为完整的平台，不断对网络进行升级，为用户提供更加优质的服务，在互联网建设中遇到问题，光纤通信要不断进行技术创新，努力实现技术的优化创新，向用户提供更加优质的网络环境，“数字化”已经成为现代企业运行的主流，电网企业要紧跟技术的发展，不断对数字通信系统进行创新，加快无线网络的一体化进程，根据相关政策的要求，本文对“数字化”作出了简要阐述，并对此提出了行之有效的系统改造方案。

4网络运行中输出系统的应用

随着科学技术的不断发展，无线传感器已经得到了较为广泛的使用，它可以和路由器进行有效结合，不断革新数字通信技术，光纤通信技术是网络通信技术的重要组成部分，能够根据不同算法对数据传输进行合理的控制，为用户的使用带来很大的方便，避免了传统无线传输所具有的缺陷。

4.1进行安全有效的管理

光纤传输技术在使用的过程中有着很好的数据处理功能，可以向不同的用户提供相应的服务。光纤通信数据在光纤传输系统中占有十分重要的位置，能够很好地实现数据传输和操控处理一体化，做到数据的自动化控制。根据不同客户的需求，不断对数据传输的模式进行优化改造，极大地提升了网络运行的总体效率。随着用户的增加，光纤传输数据处理也会出现更多的难题，小容量数据库不能很好地满足客户的需求[6]。

4.2网络运行中的层次管理

由于受到多种方面的影响，通信监控系统在实际使用的过程中也存在着很多的问题，对数据传输和控制带来很大不便。未来，随着光纤技术的不断发展，可以为用户提供更加广阔的服务平台，对路由系统进行优化，不断对无线通信网络结构进行优化升级，解决传统通信网络中的不足，这些都可以通过光纤技术来实现。

5结语

总而言之，为了使通信网络更好地为客户服务，需要不断地对通信操作过程中的输入/输出系统方案进行优化，加快数据向平台的传输速度，面对传统数据处理中的缺陷，光纤通信技术有着很多的优点，从数据收集、传输、分析、管理等方面都有着很大的优势。未来，光纤信号还会得到不断的发展，需要建立更加完善的网络传输体系，为用户的使用提供更大的便捷。

[参考文献]

[1]丁元明，李花芳.卫星通信高速数据传输系统设计[J].计算机工程，(9)：252-254.

[2]成雄飞.关于通讯中光纤通信技术目前应用现状的探讨[J].科技资讯，(30)：16.

[3]雷厉，胡建平，朱勤专.未来飞行器测控通信体系结构及关键技术[J].电讯技术，2011(7)：1-6.

[4]贺秦禄，李战怀，王乐晓，等.磁盘存储测试技术研究[J].计算机科学，2012(6)：1-5.

[5]寇超勇，刘伟，门金瑞.基于光纤通信和PCI总线的高速传输系统[J].光通信技术，2012(5)：45-47.

无线能量传输篇6

故事出自《苹果树下的宇宙飞船》，一部平淡的儿童科幻小说，却描绘了外星人骨灰级的无线能量传输技术。从太阳系以外的一颗星球，把能量定向传送给一艘停在地球上的宇宙飞船，功率大到能让飞船飞出太阳系，返回母星。这种技术绝对是阳春白雪，高大上。那地球人的技术呢？

我们从电动牙刷说起。电动牙刷的动力来自手柄里的充电电池，充电的时候把牙刷立在底座上就行，手柄上没有电源插孔，手柄和底座之间也没有电源连线。这就是最简单的无线能量传输，原理是法拉第电磁感应定律，底座和手柄里各有一个线圈。当底座线圈接通交流电时，线圈的垂直方向会产生交变磁场，磁场穿过手柄线圈，并在线圈里产生感生电动势，经过整流之后为手柄里的电池充电。同样的原理也用在许多无线充电的手机、平板电脑、智能手表里，而且还被用于植入人体的医疗器件——无线充电比开刀接电线可方便多了。

插一段历史，是谁最早利用电磁感应原理来无线传送能量的呢？提示一下，他的姓氏被用作磁场单位，而且一家制造电动跑车的公司就以他的姓氏命名。这位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世纪末，他就开始研究利用电磁感应定律来无线传递能量。在一系列成功的无线传输演示后，他提出了一个不切实际的设想，要与正在尝试无线电报的马可尼竞争。他计划建造一座沃登克利弗塔（也被称为特斯拉塔），不但可以在纽约和伦敦之间传送信息，还能无线输送电能。1901年，他忽悠银行家约翰·摩根投资15万美元（这在当时可是一大笔钱）在长岛建塔。结果，钱花光了，这座57米高的塔还没开始运行，竞争对手马可尼就已经成功。摩根拒绝继续资助，特斯拉虎落平阳，无奈放弃，塔被拆除还债。有意思的是，特斯拉未能成功的实验居然还被后人用来牵强附会地解释通古斯大爆炸。

言归正传，这些例子都有一个共同点，两个线圈必须靠得很近，也就是说设备要紧贴充电器。有远一点儿的吗？当然有。2007年，麻省理工学院的教授马林·索尔贾希克验证了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。他和合作者用充电线圈点亮了2米开外的60瓦灯泡。当时，他小声嘀咕了一句：“其实还是特斯拉的振荡变压器最先利用共振来无线传递能量。”这位教授随后创办了WiTricity公司，研发推广磁共振无线充电技术。这项技术可以做到用一个充电器给多个手机或平板电脑同时充电，手机的放置也可以随心所欲，横着、竖着甚至立着都没问题。磁共振无线充电还有一个重要用途——给电动或者混合动力的汽车充电。想象一下，您开着电动轿车回家，进车库停好，埋在地下的线圈就自动和车底盘上的线圈进行识别，然后开始充电，根本不用费事插电线，给邻居演示一下，肯定能引起羡慕嫉妒恨。高通公司成功进行了真车实验。一家叫Plugless的公司早已经开售汽车无线充电配件，不过这家公司并没有透露具体用到什么技术。新西兰奥克兰大学的教授格兰特·乔维奇和约翰·鲍埃斯提出了更科幻的动态充电设想：在公路下面埋设很多充电线圈，这样车就可以边走边充电。既然随时在充电，那么车上的电池就不需要很大，节省了空间和重量。不过，想想看，整条公路都要挖坑埋线圈，肯定需要大笔砸钱才行。

这些例子都是利用几十、几百千赫（kHz）或几兆赫（MHz）的电磁波来传送能量，距离只有几米，功率最多几千瓦，小打小闹。整个电磁波谱那么宽，用更高频率行吗？行呀。用高频率的微波和激光还有一个很大的好处，那就是方向性好，传播距离远。在前面说到的应用里，其实都用到了屏蔽材料，把低频的电磁场限制在线圈附近，尽量减少对外部的辐射，既避免损耗又保证使用者的身体健康。而微波和激光就不需要这样的屏蔽。下面就详细说说地球人真正像点儿样的无线能量传输技术。

先说微波。1941年，一部短篇科幻小说《推理》问世，作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站，这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后，美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量，然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强，而且可以24小时不间断。问题来了，在这位工程师的设想中，卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大，把这么大的东西送上太空并不容易，而且地面站需要更大尺寸的微波接收天线。20世纪70年代末，美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目，结论是未知因素太多，无法准确判断。20世纪90年代，美国航空航天局重新评估它，结果还是一样，要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想，2014年，日本宇航研究开发机构（JAXA）的教授司理佐佐木撰文曝料，日本要在25年内把太阳能卫星变成现实，计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛，用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切？第一，日本没有多少石油资源;第二，日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三，福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵，2015年3月，三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验，传送距离500米。

发射太空飞船是利用微波能量传输的另一设想。位于科罗拉多州的初创公司“逃逸动力学”（Escape Dynamics）专门研究利用微波为飞行器无线传输能量。他们的目标是实现以微波辐射为动力的太空飞行。太空飞船在起飞和飞行过程中受到地面微波站的辐射，从而获得动力，无须使用传统的化学燃料。太空飞船使用热推进器，以氢作为工作流体氢以液体的形式储藏于一个低温罐内，里面出来的氢气经由涡轮泵加压到150个标准大气压，然后进入热交换器;热交换器吸收微波能量，把氢气加热到2000 ℃，最后从喷管喷出，从而推进飞船飞行。顺便提一句，热交换推进技术并不是什么新发明，有兴趣的读者可以上网搜搜20世纪60年代的火箭飞行器核引擎（NERVA）。

他们设想的发射情节是这样的：飞船直立在发射台上，旁边的起始段微波站开始照射飞船，提供动力，使飞船起飞。飞行起始段结束后，位于200千米外的助推段微波站接力，继续为飞船提供动力，将其送入地球轨道。释放诸如卫星之类的载荷后，飞船滑翔返回，最后水平着陆。返回大气层时摩擦产生的高热可以继续为热交换器提供能量，从而产生飞行动力，这样有利于控制滑翔姿态，使之安全着陆。

需要什么频率的微波呢？研究人员把微波频率初步定在92千兆赫（GHz）。微波功率要多大呢？这取决于飞船的重量。在初步设计中，飞船加上载荷大约1吨重，还没一辆家用轿车重，所需的微波功率大概是400兆瓦。假设微波源的效率是50%，那么电网就要提供多1倍的电力。在电网和微波站之间还需要一个储藏电力的中转站，发射的时候，中转站在飞船起飞阶段，大概5分钟提供65兆瓦时的能量。这时候如果鸟群不幸飞过微波束，不知道会不会瞬间变成“炸鸡”。公司的科学家计划使用发射功率为500千瓦的微波源，要达到400兆瓦的微波功率，就需要800个微波源。即使几个微波源共用一个天线，那也需要上百个微波天线来组成相位阵列，可比小说《三体》里的红岸天线壮观多了。

讲了半天，这些都是凌云壮志。现在进展到哪里了？2015年夏天，科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎，高比冲意味着推进系统的高效率。另外，他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去，微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源，准备进行千米距离上的能量传输实验。

在太阳能发电卫星和发射太空飞船的例子里，可以用激光代替微波。激光的方向性更好，能量密度也更大。具体说呢，就是把激光器作为发射端，光伏电池板作为接收端。这不是和太阳能发电很像吗？是的，不过激光的能量密度要大得多，而且可以发射到指定位置上，即使夜晚也可以用。利用激光传输能量的设想早在20世纪70年代就有了，如今，人们已经梦想了各种应用，涵盖陆、海、空、太空。太空中，卫星、飞船、空间站或是月球车都可以用激光束来充电，光束来自地球或是太阳能发电卫星。同样，激光还可以为无人机提供动力，甚至给海底的潜水艇或传感器充电。陆地上，在没法铺设输电线路的特殊地区或是危险的战场，小到士兵身上的电池，大到前线基地，都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越说越像让我们高山仰止的外星科技了。

现实还处于初始阶段。2003年，在美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的大楼里，人们成功试飞了一个小型飞行器，首次实现了纯粹以激光束为动力的飞行。实验中，工作人员用功率1千瓦的红外波段激光照射一架小飞机。飞机底部的光伏电池板把红外线转换成电能，为一台6瓦的电动机供电，给飞机提供飞行动力。美国航空航天局为了推动无线能量传输的发展，举办了一系列能量束挑战赛（Power BeamChallenge），要求参赛者设计一个能够攀爬绳索的机械装置，动力来自地面的无线能量传输。绳索有1千米长，由一架直升机悬吊在空中。这其实是在模拟太空电梯。2009年，激光动力（LaserMotive）公司胜出，获得了90万美元的奖金。现在，这家公司正致力无人机的激光能量传输技术。

回到本文的标题。和开着飞碟四处溜达的外星人相比，地球人还在蹒跚学步。或者换句话说，我们还处在玩模型飞机的水平。千里之行，始于足下，2015年7月，美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。如果能够成功，无线能量传输会给太空探索带来很多好处：首先，太空飞船可以反复使用，费用远低于传统的多级化学火箭;其次，因为无须点火，所以发射起来更安全;最后一点，无论是采用激光还是微波，能量都来自电力，不需要任何燃烧，发射与飞行不产生温室气体，低碳环保。

传输协议无线通信篇7

压缩传感(Compressed Sensing,CS)理论利用不相关的观测矩阵能使一个信号向量变换成稀疏向量,根据重构算法通过线性投影(测量值),完成信号的高准确度恢复[1]。压缩传感已经广泛应用于各种数字信号和图像处理的领域中,也可以用于提高无线网络的性能。

有些研究已经将压缩传感应用于无线传感器网络中[2,3,4,5],文献[6]提出单跳传感器网络中有多个节点同时向Sink传输测量值结果。假定发生稀疏事件,即Sink接收到的测量数量远小于传感器的数量,那么每个测量数据都可以从少量具备压缩传感的观测中恢复过来[7]。

在本文中主要研究多跳无线传感器网络,并且采取了文献[8]中提到的方法,即发生稀疏事件。本文提出了一种基于压缩传感和泛洪的协议,它可以使Sink获得并精确重构稀疏数据,并且既没有通过任何重负载路由,也没有通过MAC协议,而是通过利用碰撞来实现。在单跳网络中,由于数据包发生碰撞,干扰/叠加的测量数据都可以通过文献[6,8]中提及的基于压缩传感的算法得到解决,但是它们在多跳的网络中就会构成重大问题,每个节点都要转发接收到的所有数据包,由于干扰测量的数量可能大幅地增加,从而导致基于压缩传感的算法由于稀疏的损失而表现不佳。

需要注意的是,本文的目标与传感器网络中现有的压缩传感数据恢复方案完全不同:如文献[6]所述,生成的事件本身被假设为稀疏事件,无论何时仅允许少数传感器发送重要的数据时,这种情况的发生会导致这些稀疏数据之间没有相关性。在这种情况下,如文献[9]所述,现有的基于压缩传感的技术将不再适用,因为没有数据相关性可以利用。

相反,本文的新颖性在于利用压缩传感技术,通过洪泛法和干扰的运用实现叠加稀疏数据的有效传输,并且没有利用传统避免冲突的MAC调度和路由。仿真结果表明,提出的基于压缩传感的协议实现了良好的Sink数据重建,同时与传统协议相比大大减少了开销和延迟。

1 网络模型

研究的多跳无线传感器网络模型具有N个节点和1 个Sink,如图1 所示。如果传感器Sn检测到一个事件,那么根据提出的协议将测量值转发到Sink上。考虑到单跳传感器网络[6],本文假设数字传输在x ∈{ - 1,1} 范围内,而且在整个网络中可能有多达K个事件同时发生,但是与节点的数量相比,即K ≪ N,这些事件被视为稀疏事件。

考虑到网络的特殊结构,每个节点只与其最亲密的邻居通信,距离为d,因此它可能会有2,3 或4 个邻居(取决于节点的位置)。例如,在图2 中一个由节点S1发送的数据包只会被节点S2和S6接收,而一个由节点S7发送的数据包将被节点S2,S6,S8和S12接收。为简单起见,本文假定节点轮流处于传输或接收模式中:如果在时间t时,一个在网格位置(i, j) 的节点处于传输模式,然后在时间t + 1 时,它将处于接收模式,而它的4个邻居分别在位置(i ± 1, j) 和(i, j ± 1) 上将处于传输模式。假定这些节点同步[6],信道被认为是加性高斯白噪声信道,而且在距离为d的邻居之间所有的链接都有相同的增益。也就是说,如果从每个邻近的节点获得的信道收益在接收的节点上是已知的,那么假设衰落和路径损耗效应不会影响协议。

2 提出的协议

为了利用数据聚合,本文考虑了一种基于简单泛洪过程的路由选择,在数据包接收之时,每个节点在本地传播该数据包,直到它到达Sink为止。然而,与单跳的情况不同,在这种多跳的设置中有些重大问题需要解决。如果每个节点仅仅转发接收到的所有数据包,那么叠加的数量将大幅增加,由于每个数据包的稀疏损失而造成较差的压缩传感恢复。此外,如果按照单跳的情况给每个源节点分配一个信号序列,那就不可能区分接收到的多个数据包是否是由于自我干扰造成的。

为了缓解这些问题,提出的协议设计如下:

增加信号序列的长度,以便每个序列同时在ID空间和时间空间编码,即每个测量值都与一个独特的序列an,l相关,返回数组的尺寸为M的向量,确定组成一对(源节点ID Sn,跳数l)。这里Sn表示最初发现这一测量值的传感器,l是它的时间戳参数,被定义为通过转发装载此测量值的数据包经过的跳数,从它的源节点开始计算直到它在网络中所在的当前位置。在本文中由1概率的Rademacher随机过程生成的伪随机信号序列得出an,l∈{ - 1,+1}M。因此,修复数据包的最大延迟或者L在跳数存在的时间,取决于网络的大小,返回数组的尺寸M有NL序列an,l,本文设置M < NL以减少开销消费。码分多址类型的调节可以用于允许叠加同步收到的信号。注意,这里提到的同步并不是严格的假设,所考虑的应用通常需要低数据率。序列an,l集合形成尺寸为M × NL的矩阵A,它的列q =(n - 1)L + l包含an,l。在实践中,这些序列可能由哈希函数生成,已知的种子在所有的节点上,因此可以假定为已知数,没有额外的开销。为了记数的方便,假设xALL表示长度为NL的稀疏向量,其中{xALL}(n - 1)L + l= xn,l,它对整个网络的所有数据测量值进行分组,用所有可能的跳数进行报告,即:

其中:L + 1 表示第一项存储源节点S1的数据,跳数为l = 0,1,2,⋯L,同样,L + 1 表示最后一项存储源节点SN的数据,跳数为l = 0,1,2,⋯,L。因此,每个节点Sk都会接收到长度为M的向量yk,假设有一个尚未确定的方程组,其中长度为NL的未知数向量应该只用M个非相关观测就能得到恢复。压缩传感的理论规定,xk可以被准确恢复,如果恢复情况M  c K log(N K),其中c是一个常数,假设xk是稀疏的或在某些转换领域有个稀疏的表示[10]。

提出的算法运算如下:

(1)如果源节点Sj在传输模式中检测到一个新的事件,测量值在xj,0∈{-1,+1}范围内被l= 0 初始化,它传送M位的数据包Pj= xj,0aj,0,被它的所有邻居节点k ∈ N(Sj) 接收到。例如,假设S1和S3为图1 中的源节点,在时间t = 0 时,数据包P1= x1,0a1,0被S1的邻居节点S2和S6接收到,数据包P3= x3,0a3,0被S3的邻居节点S2,S4和S8接收到。

(2)在时间t时,如果传感器节点Sk处于接收模式,那么它接收到的信号yk就包含了所有从其邻居节点n ∈ N(Sk) 同时传输的数据。在节点Sk接收到的信号表达为:

其中:xj,l表示源节点Sj接收到的测量值,如果它实际上已经被节点Sn转发出去的话,那么它就包含在数据包pn中;返回数组的尺寸M的向量zk表示加性高斯白噪声。使用上面定义的矩阵A,式(1)可重新表述为:

其中xk是NL的向量,它的ith组件为:

在图1的示例中,注意Sj= Sn即源节点和传输节点一致,根据步骤(1)的描述,在Sink节点S2接收到的信号表示为y2= Ax2+ z2,其中x2=[x1,0,0,…,0,x3,0,0,…,0]T。

(3)Sink节点Sk应用压缩传感的原则对接收信号yk中包含的每个测量值进行解码。这个问题可以由l1- l2表述,优化为:

其中拉格朗日乘子 λ 在表述误差和解决方案的稀疏之间进行权衡。提出方案的主要计算工作量源自步骤(3),由迭代减低阈值算法进行解决,因为它对复杂性的要求很低[9]。

(4)对重构向量xk进行重整,以便每个组件都属于{-1,+1}范围内。

(5)在对节点Sk收到的测量数据进行解码后,它们各自的(源ID,时间戳)序列aj,l可以被识别。然后节点Sk将每个新解码的测量序列aj,l与之前接收到的测量序列作比较,这些信息储存在其本地表格中Q(Sk)={aq,l′由Sk,0 ≤ l′≤ l接收}。

如果序列aq,l′存在于Q(Sk),q = j,l′≤ l :任何从Sj获得的新数据都应该有一个较小的跳数l < l′,除非沿着最短路径传输的新数据包丢失了,这在此设置中很少发生。所以伴随着较高的概率,这个数据已经收到。因此,Sk将已经解码的数据从xj,laj,l数据集合中丢弃并将其转发出去。

如果序列aq,l′’存在于Q(Sk),q = j,l′> l:尽管两者共享相同的源节点Sj,但这是一个新的数据,因为它比存储的数据拥有更小的跳数。因此,Sk将转发解码的数据xj,laj,l。

在所有其他的情况下,Sk将转发xj,laj,l。例如,在图1 中,节点S2基于步骤(3)和步骤(4)从y2重建x1,0和x3,0。两个测量数值将被转发,因为它们都是最先被接收到的数据,但是本地的表格更新为Q(Sk)={a1,0, a3,0}。

(6)由于所有的数据xj,laj,l都将被转发,因此跳数增加到l + 1 。在Q(Sk) 中,l > L中所有解码的测量值以及序列都被丢弃。 Sk对将要转发的所有剩余数据进行叠加,并且转发该数据包。图2 中,在t = 1 时发送的所有偶数节点中,S2发送由节点S1,S3,S7接收到的数据包P2= x1,1a1,1+ x3,1a3,1。基于步骤(5),S1放弃了x1,1,S3放弃了x3,1。同样,S8发送由Sink接收到的数据包P8= x3,1a3,1。

(7)在持续时间Tout的会话期间,Sink对所有进来的数据包运行重建算法。如果接收到相同数据的多个版本,那么分集增益就可能实现。由第一个接收到的数据包计算测量值时间:如果第一次接收到xj,l,那么它的时间由T -(l + 1) 计算,其中T是Sink跳数的实际时间。考虑到步骤(5)的过程,Sink第一次不可能同时接收到一个给定测量的多个版本,这个测量数值具有不同的跳数。也就是说,如果Sink接收到Pk= xj,laj,l+ xj,maj,m,其中l < m,而且还有一个当地的表格Q(Sink)={aj,l},那么最可能得到l  l′< m,即xj,m和xj,l相等,但它是通过网络中更长的路线接收到的。 xj,l被视为一个新的测量值,时间为T -(l + 1),而xj,m作为xj,l′’的复制品,提供多样性。

3 仿真结果

在49 个节点的网络中,一个常规的7 × 7 网格中,K源生成测量值。这些稀疏生成的事件发生在每个会话期间的随机时段,例如,它们可能会同时发生。每个会话在跳数超时Tout后结束,在此时对Sink收集到的测量值进行评估。每个链接的信噪比(SNR)固定为30 d Bs。每个仿真点平均超过300个会话。注意,为了专注于测量值的重建性能,这里只有一个测量值是由每个会话的源节点生成,而测量值的次数可以检索,如步骤(7)。因此,本文评估所有会话的平均重建误差[2，4],将一次会话定义为:

其中:x0为N维向量,包含所有N个传感器的原始测量值数据;x̂ 表示在一次会话结束时,在Sink收集到的测量值数据的重塑向量。

图3显示了本文协议的平均重建误差为K={2,…,10},序列长度M ={35,40},L ={6,7} 和Tout={25,30}。可以注意到,在这两种情况下,即使K的数值更大都可以实现良好的重建,因为这意味着数据叠加的数量更加稀疏。通过增加Tout和M,分别实现了更高的分集增益和重建精度。

在没有数据相关性可以利用时,如文献[2,4]中提及的基于压缩传感恢复算法为传统的转发协议,诸如AODV路由和MAC调度,可以保证没有冲突发生。因此,本文通过两种参考算法传统的基于MAC调度的简化AODV路由和传统的CDMA比较提出的协议。在传统的AODV协议中,在每一次会话期间,只有传输测量值的源节点向Sink继续进行路由发现,通过一个24 B的路由请求数据包洪泛其邻居节点来实现。洪泛还在继续,直到到达Sink为止,它选择了最短路径将20 B的路由回复数据包转发到源节点。在同一路径上的所有其他节点记住它们向Sink前进的路线。一旦路线固定,每个数据包就被转发到Sink上。

为简单起见,每个数据包都将由一个可以保证没有冲突产生的理想MAC调度器按照顺序进行转发。数据包格式基于IEEE 802.15.4 标准。由于两种参考算法在这个系统模型中都能实现接近于零的重建误差,而且考虑到第一种算法没有干扰,而第二种算法没有正交编码,因此仅在开销和延迟传输方面对性能进行比较。由于开销和数据(源节点ID和测量值)合并到提出的协议和传统的CDMA协议中,本文评估了用于重建的传输数据包所需的总数量。

对于本文的协议而言,用于重建的传输数据包所需的数量为(单位:B):

其中PProptotal为每个会话中传输的数据包总数,包括所有由于洪泛造成转发的数据包。同样对于传统的CDMA协议而言,可以得出:

其中:L = 6;PProptotal和PCDMAtotal都是通过仿真得出的平均值。图4 显示了本文的协议需要有与传统的AODV协议数量相当的数据包,当允许小的误差存在时(M=35),所需的数量甚至更少。与传统的CDMA相比,本文的协议增益上升到90%。

最后,本文对每种协议所需的平均传输延迟进行评估,在图5 中以跳数表示每个源测量值。如在提出的协议和传统的CDMA协议中,每个测量值在一次会话中的随机时间生成,而且所有的数据包在Tout期间都被Sink接收,最多需要花费Tout跳数来集合所有的测量值。

图5 显示了Tout除以源测量值的数量,给出了两种协议每个测量值延迟的实际平均值上限。如果允许最小的误差存在,那么提出协议的延迟上限等于传统的CDMA协议的延迟上限,同时可以通过略长的延迟实现接近于零的误差。相比传统的AODV协议的延迟,本文的协议延迟随着K的增长而迅速下降,降至75%。因此,提出的协议提供了接近于零的重建误差,同时与传统协议相比,实现了大开销和传输延迟的节约。

4 结论

本文提出了一种新颖的基于压缩传感的协议,可以进行不定期的同时传输,应用于多跳的无线传感器网络中,将稀疏测量值数据传送给Sink。相比传统的路由和MAC调度策略以及基于CDMA的协议,本文提出的协议实现了低重建误差,在开销和延迟方面实现了明显的节约。

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传输协议无线通信篇8

在一些具有破坏性的环境中,任何情况的发生都有可能造成传感器节点的突然死亡,于是,实现快速和准确的消息传输成为了一个无线传感器网络可靠性和服务质量的重要方面。因此,在一些节点失效的情况下,需要一种机制来保证足够的信息收集。换句话说,这种机制需要有一定的容错率,确保网络中出现一个或者一些节点死亡的情况时并不会影响到整个传感器网络所要执行的任务。

以往的一些研究方法主要是通过减少数据传输量或者融合数据来实现能量高效的无线传感器网络,该文提出了一种新的、智能的机制——基于数据补偿的可靠性数据传输机制(PCI),该方案建立在分簇路由的基础上,一方面用以减少不必要的、冗余的信息,另一方面通过补偿信息传输不足来保证传输的可靠性。PCI可以提高网络可靠性、减少传输时延、使网络能量得到高效利用。PCI

1 系统总体设计 1 系统总体设计

1.1 系统模型

PCI包括三个部分:可靠性概率计算模型P,消息分类机制C和智能均衡机制I。可靠性概率计算模型给出了接收方正确接受发送方发送的有效消息的可靠性概率,接着PCI可以由此计算出当前簇头节点(CH)发送的数据包能够被基站(BS)正确接受的概率。基于此可靠性概率值,通过消息分类机制C,PCI可以同步实现对消息的分类和转发。此外,PCI根据智能均衡机制中的补偿判断模块决定是过滤还是补偿信息。根据不同的情况,PCI调用不同的机制。我们将每单位时间内发送相同类消息的数量定义为消息的频率。补偿判断模块判断消息的频率并根据信息的饱和度来调用不同的模块。消息的饱和度是某个阈值。当消息饱和时,智能均衡机制调用冗余过滤模块来过滤那些具有时空相关特性的冗余信息。当消息不饱和时,智能均衡机制通过调用消息补偿模块提高消息的传输率,以此来保证能有足够的有效信息能够被基站准确的接收。

1.2 网络模型

分簇的网络可以有效的减少网络的能耗,延长网络的生命周期。LEACH协议就是一个典型的例子[2],这种协议运用分布式算法使网络中的节点自组织成簇,每个簇由簇内的簇头节点控制,这些簇头节点收集并融合来自其成员节点的信息,之后将这些信息转发至基站。而ECDG协议则是在成簇阶段之后,在这些均匀分布的簇头节点中生成一个路由树,只有作为根节点的簇头节点才负责把自身和其他簇头节点转发过来的融合消息转发至基站。与同类型的LEACH协议相比,ECDG也采用轮换选取簇头节点的方式,不同的是,他采用在簇头节点之间建立路由树的方法将信息通过多跳的方式传输至基站,如图1所示。

考虑到大规模无线传感器网络的适用性,PCI协议是建立在ECDG协议[4]的基础上提出来的,我们假设:1) 一个传感器网络是由一个基站和大量的传感器节点组成,这些节点是自组织成簇的;2) 每个簇内的成员节点由该簇内的簇头节点监控,簇头节点可以广播消息至簇内的所有节点;3) 所有的节点在部署完毕后都是静止不动的。4) 每个簇头节点对于其簇内的成员节点而言,都是消息可达的。如图1所示,簇头节点通过单跳或者多跳的方式将数据转发至基站。簇内的成员节点的主要功能有两点:感知和传输数据。感知模块负责监控周围的环境,之后采集到的数据将被传输至簇内的簇头节点。

1.3 文中所用到的符号解释

A1:接收方能够准确接收到的有效数据量,比如:基站。

Ci:网络中的第i个簇。

A2:Ci发往基站的数据量。

Hab:节点a到节点b的跳数。

Hi:簇头节点到基站的跳数。

P:默认的网络中传输错误的概率值[3]。

Pab:节点a和b之间传输的准确率。

Pt:簇头节点和基站之间传输的准确率。

2 功能模块的实现与测试

在这一节中,我们将重点介绍PCI协议的组成结构和工作原理。如图2所示,PCI协议主要包括三个部分:1) 可靠性概率计算机制;2) 消息分类机制;3) 智能均衡机制。

在簇头节点选取阶段,PCI协议在簇头节点中同步地建立起来。在簇头节点处理消息之前,PCI首先运用概率估计算法计算出当前簇头节点发送的有效数据被基站正确接受的概率。然后,PCI开始处理消息,这个处理过程分为两个阶段:消息分类阶段和智能均衡阶段。在第一个阶段,PCI通过消息分类机制,同步实现对消息的分类和转发;第二阶段,PCI通过智能均衡机制决定是过滤还是补偿信息。其中的补偿判断模块的功能是确定消息的频率并根据信息的饱和度来调用不同的模块。

2.1 可靠性概率计算机制

出于无线传感器网络固有的传输容易出错的特点,一般的网络不能提供良好的可靠性传输。因此,有必要估计有效消息能被基站准确接收的概率。依据此概率值,PCI可以确定能被基站成功接受的数据量。根据ECDG协议可知,ECDG形成了多个簇,其中绝大部分的簇头节点以多跳的方式将消息转发至基站。其中每一跳,消息都将按照同样的可靠性概率来转发。

在这一节,我们提出了一种从簇头节点到基站可靠传输概率的计算方法。我们假定无线传感器网络有默认的传输误码率P。为了简化计算,我们用式子1和2来分别表示数据量和传输概率之间的关系以及两个节点之间传输概率的关系:

根据如上所述,我们可以得到在成簇阶段每个簇头结点到基站的跳数,这个跳数不是固定的,而是节点的空间位置决定的,我们称之为Hi。不失一般性,我们可以根据下式得到可靠性传输的概率:

首先,可以设定默认值p b,b+1 =1-p ,因此式子2可表示为:

为了简化计算,根据泰勒级数理论,可靠性传输概率p t≈1-p(H) i -1。为了保证这个可靠性概率,我们假设Ci至少需要发送A2量的数据至基站。A1则可以由下式得到:

因此,如果要保证作为根节点的簇头节点至少有1bit的数据传输至基站,也就是当A1 =1时,A2可由下式得到:

通过式子5的结果,我们可以实现保证至少1Byte的消息数据可以被基站成功接收。在发送了足够数量的消息之后(比如A2的数据量),各簇头节点会通知其成员节点暂缓发送数据,直到新的一轮开始。通过可靠性概率计算机制,PCI可以减少许多多余的消息数据的发送,因此减少了通信开销。节点可以通过其内部的状态表来抑制冗余消息重发。

在不同的情况下,节点可以适当的调整这些重复消息的发送量以保证数据传输建立在可靠性概率的基础之上。此外,随着网络的运行,各节点的能量逐渐的减少,传输错误的概率逐渐增加。为了解决这一问题,基站会根据其接收的消息数量来调整概率参数值。

2.2 消息分类机制

消息分类机制在消息处理之前建立,负责消息的采集和分类。一般情况下,簇头节点内的消息数据来源主要分为三种:1)节点自己生成的消息数据;2) 来自簇内其他非簇头节点的消息;3) 转发来自其他簇头节点的消息。

簇内的每个节点都有唯一的ID,这些ID均存储在该簇的簇头节点的成员节点ID表中,通过此表,簇头节点可以区分不同的消息类型。为了减少网络的传输时延和能耗,上述第三种类型的消息将被直接转发至基站,因为这些来自其他簇头节点的消息已经被负责转发他们的簇头节点处理过了,因此,无需耗费有限的能量再去处理。对于前两种数据,我们将提出一种合理的融合方案, 这种方案可以进一步的保证网络的可靠性,并且利用概率论的方法在下一个机制中实现数据补偿。

2.3 智能均衡机制

智能均衡机制包括三个部分:1) 补偿判断模块;2) 冗余过滤模块;3) 消息补偿模块。

2.3.1补偿判断模块 J

补偿判断模块负责判断当前状态下是否需要进行数据补偿。我们设计一个名为AList的表来保存各种最新发送的消息数据, 并通过此表来区分和传输消息。AList表内的内容如下:< MT, Fre ,BS >。在这三项中,MT表示消息的类型,BS是一个用来表示消息饱和度状态的布尔型变量。如果BS的值是正的,则表示此种类型的消息发送量已足够,类似的消息数据将暂时延缓发送。然后,冗余过滤模块将发送饱和度反馈信息至补偿判断模块,以决定是否需要调用消息补偿模块。Fre代表某一种类型的消息数据的数量。当它超过某个值时(这个值是基于可靠性概率Pt时需要传输的最小消息数据量Max),我们确定此类消息数据的发送量已足够,此时,布尔型变量的值设为正,并同时更新AList。

此外,在补偿判断模块分类消息数据之前,需要将新接收到的消息与记录在AList中的历史消息进行比较。事实上,无线传感器网络中的节点一般具有时空相关性,我们可以假设同一簇内某一时期产生的消息数据类型是相同的,这表示在正常情况下,同一簇内某一时期产生不同类型消息的概率是非常小的。此外,AList表需要占用一小部分的内存空间,并且这个空间里存储的内容会被不断的更新。

简单来说,令D={(M) i ,W i |(M) 1 ,W 1 ,(M) 2 ,W 2 ,...,(M)} n ,W n表示AList表中最近的消息记录。D是一个根据FIFO准则设定的动态数据集合。M i 代表MT,W i 代表M i 的频率(Fre), 1≤i≤n。当来自成员节点的新消息数据M a到达簇头节点时,补偿判断模块将通过下式来验证它。

其中,M i∈D .此函数表示M a和M i之间的相异度。Ma将和数据集D内的数据一一比对,如果它与某个M i匹配,则此函数的值并不小于某个阈值,这代表M a是和之前发送的消息数据是同类型的,此时增加W i的值并进入下一步的工作。否则,这代表M a是一个新类型的消息,它将被存入AList并更新AList表。

2.3.2冗余过滤模块F

冗余过滤模块用于处理冗余消息。传感网能否以一种高效的方式来转发消息数据是十分关键的。众所周知,节点通过无线链路传输数据所产生的能耗要远大于节点处理同等量消息所产生的能耗。如前文所述,实际上,当监控区域内的事件发生时,同一簇内绝大多数的节点采集和发送的数据中包含的内容是相同的。个别的节点同时发送不同类型的消息数据的可能性很低。因此,并不需要所有的节点都与基站通信。这表示,我们需要将数据进行聚合,并在保证可靠性概率的基础之上只发送一定量的消息数据即可。

根据概率计算的结果可知,在某一阶段,当监测区域有事件发生时,每个簇头节点至少发送Max的数据量以保证此发送的有效消息可以被基站准确的接收。而不同的簇头节点由于其到基站的跳数不同,发送量也不同。为了进一步保证可靠性,基站会发送查询信息到每个簇头节点以告知他们是暂缓发送数据还是增加传输量。在发送了足够多的信息之后,在此轮接下来的时间内即使出现数据采集不足的情况,簇头节点也不会再进行消息补偿,因为基站已经接收到了足够可靠的信息。这样做避免了不必要的补偿措施。随后,簇头节点停止消息数据传输。

2.3.3 消息补偿模块 A

由于无线传感器网络经常被部署在恶劣的环境中,所以整个网络经常会遭受不同程度的损坏。如果发生爆炸,比如出现火山喷发或腐蚀性液体泄露的情况等等,均会损坏传感器节点,这将会导致网络消息数据采集不足。针对此类问题,我们通过消息补偿模块的功能来解决。如图3所示,传感网络一共包含6个簇:簇1~6,从图中可以看出,簇1、4、5内的节点分别遭到了不同程度的破坏,簇1和簇5内节点损坏情况比较严重,簇4相对较轻。一旦簇头节点侦测到此状况,他将通过对簇内成员节点数量的检查来确认此情况。举列来说,在簇5内部,将近70%的节点遭到了破坏,这导致该簇的数据采集量在短时间内急剧下降,此时簇头节点将调用消息补偿模块的功能来增加消息数据的量。另一方面,如果簇头节点遭到破坏,簇内剩余的节点将重新组簇或者加入到相邻的簇中。簇4内的节点由于受损数量较少,并不会出现数据采集不足的情况。

根据上节所述情况,当簇头节点通过冗余消息过滤模块发送的反馈信息得知消息数据量不足时,补偿判断模块将调用补偿机制来增加发送的相关数据量,直到有Max的数据量发送往基站。为了保证传输的可靠性,在下面两种情况下会调用消息补偿模块的功能:1.簇内节点大面积受损,导致消息数据采集发送不足;2.该簇所监控区域某段时间内发生瞬态事件。

3 仿真及结果分析

在这一节,我们通过MATLAB仿真来评估PCI协议的性能。根据PCI协议的要求,我们将此仿真建立在无线传感器网络ECDG协议的基础之上。为了比较PCI、ECDG和LEACH之间的性能,我们在这三种不同的环境下做了仿真。并且为了提高可比性和可行性,在这三种环境下仿真的网络参数都是相同的。网络仿真参数如下表所示。

表中E elec 表示节点内发送或接收电路的能耗;E amp 表示发送放大器的能耗。我们将网络生命周期作为评估标准。网络生命周期是指从网络部署完毕后开始运行到所有节点都死亡的整个过程的时间。

图4表明在网络遭到破坏之后的很长一段时间内,PCI可以通过补偿机制来继续保证网络传输的可靠性。相反的,在同样的情况下,LEACH和ECDG却不能保证有足够的数据量来实现网络可靠性。随着网络受损程度的逐渐增加,使用PCI协议的网络所表现出来的高可靠性也越来越显著。

4 结束语

本文提出了一种新的、智能的机制——基于补偿机制的可靠数据传输协议PCI。该机制一方面可以减少网络的消息数据传输量,另一方面,当网络遭到破坏而出现数据传输量不足的情况时,PCI可以对数据传输进行补偿,以保证网络的可靠性。仿真结果表明,采用PCI协议的网络比采用的LEACH和ECDG的网络可靠性更高,网络能量利用更加高效。

摘要：该文在无线传感器网络分簇路由的基础上,提出了一种基于补偿机制的可靠数据传输协议PCI,该协议可以实现高效、及时、可靠的数据收集和传输。PCI主要包括三个重要部分:1)可靠性概率计算机制;2)消息分类机制;3)智能均衡机制。通过调用这三种机制,PCI协议可以减少冗余信息以提高传输性能,并且可以补偿信息发送量的不足以保证数据传输的可靠性。通过仿真可以发现,PCI协议比LEACH和ECDG有着更快的数据采集速率并且使整个网络具有更好的稳定性。

传输协议无线通信篇9

在无线传感器网络的研究方向中, 结构健康监测成为当前国内外工程领域的研究热点。在桥梁、隧道、公路、大坝等众多大型土木工程建筑领域以及军事应用领域中[1,2], 实现多参数、多功能、分布式的实时、传感检测网络一直是人们追逐的研究目标。大型的土木工程建筑长期受到环境的荷载作用、材料腐蚀老化等灾变的耦合因素, 不可避免的产生结构损伤[3]和抗力衰减[4], 从而导致对自然灾害的抵抗能力下降, 严重会引发突发的灾难性事故。为了使大型建筑设计寿命及服务能力减缓受其影响, 避免引起突发事故, 有必要对土木建筑结构实现远程、实时、在线的自动结构健康监测[5]。

2 结构健康监测对无线传感器网络的特殊需求

理想的结构健康监测系统, 需要在被测结构发生损伤的初期阶段就能发现损伤并能够迅速定位以便及时了解结构损伤程度, 为结构的安全性实时进行评估和预测。结构健康监测系统针对无线传感器网络传输特性有以下需求:

(1) 实时性:网络需要实时准确地采集传感信号并对信号进行有效分析, 因此快速的实时反应, 可靠的通信质量, 尽量短的数据采集时间, 是保证实时高效结构监测的关键。

(2) 传输灵活性:被监测的结构正常运作时参数变化通常比较缓慢, 但当险情发生时, 局部传感器节点参数会发生剧烈变化, 此时需要监测系统具备对局部结构进行密集采集信息, 以便及时采取补救抢修措施。因此, 系统需要具备被动侦听[6]和主动扫描[6]的双重功能。

(3) 网络自治性:在结构健康监测系统中, 节点的动态添加和退出都会使网络发生变化, 为了维持整个网络正常工作, 网络应该具有很强的自治性。

(4) 安全稳定性:结构健康监测系统, 特别是航空、军事技术结构的应用中, 将采集的数据稳定可靠地传输到终端控制中心进行处理和判别, 保证数据不受篡改、毁坏和丢失, 避免恶意攻击是系统发挥重要作用必要的条件。

3 针对结构健康监测的无线传感器网络传输设计

结合结构健康监测的需求和无线传感网络的特点, 我们提出一种基于多层结构的无线传感器网络监测系统-多参量无线传感器网络结构监测系统, 实现以多参量无线传感器、基站及控制中心为构架的集总式无线传感网络系统, 通过运用排队论、信息融合等先进技术对传感网络中的感测信息进行提取、分析, 最终实现对被测场的描述、决策功能及健康监测。

整个系统采用分层结构, 如图1所示, 最低层 (监测层) 是由大量自主研发的无线传感器节点组成, 用以在被测区域内采集相应数据。每个传感器节点都具有运算、存储以及同网络内其他节点的全双工通信能力。Sink层负责将由下层无线传感器网络发回的数据进行分析、存储、转发给控制层, 每一个基站都包括负责分析、融合以及转发数据的sink节点和能够存储原始数据的可移动网络数据硬盘。控制中心通过从下层网络发回数据的时间戳来及时更新数据, 保证数据的实时性, 同时还可以为Internet上的远程终端提供访问接口。

3.1 网络传输协议的制定

结构健康监测需要稳定的链路传输, 一个负责数据流的传输协议可以为应用层提供一个节能、可靠和高质量的数据传输服务。系统中各个节点的状态、采集的数据都具有实时变化性, 若采取节点和基站直接通信容易出现冲突、造成网络出错[7]。因此, 多参量无线传感器网络结构监测系统采用分簇网络, 将相互临近的传感器自组织后形成"簇", 簇首汇集簇内各传感器节点的数据和信息, 通过多跳的无线网络路由协议传输至基站和控制中心。正常状态下, 无线传感器节点以某种频率按照传输协议制定的数据通信格式向基站主动发送数据, 簇内节点轮流进入IDLE状态以达到节省能量的效果, 控制中心可实时监测各传感器节点的状态;当控制中心对某一监测位置有数据要求时, 则按照传输协议制定的命令控制格式发送命令对该位置相对应的传感器进行授权, 建立新的连接并传输数据。

3.1.1 传输协议的监控命令格式

当控制中心对监测网络有不同的需求时, 需要通过发送监控命令对传感器网络进行授权, 传感器网络接受授权后提取相应的传感器节点或簇信息, 传输至控制中心。针对用户终端对健康结构监测系统的需求, 具体命令将分为:人为设定、取消节点为簇首 (MSCH/MCCH) ;采集某个节点的数据 (FON) ;采集某个簇的数据 (FOC) ;采集整个网络的数据 (系统正常运行时默认, FWN) ;查询整个网络的路由 (FWR) ;网络自动发送数据的时隙 (数据采集频率, DCF) 。

定义无线传感器网络传输命令控制请求帧 (ACK) 格式如图 2所示, 其中, 0xD3和0x91为报头, BASE_ID为基站编号, length为数据包长度, cmd为传输命令, MAC_H为簇编号 (cluster_ID) , MAC_L为簇内编号 (sensor_ID) , checksum为校验和。

网络接收到控制中心发出的命令控制请求 (AFC) 后, 相应的传感器节点向控制中心发送对应的应答消息 (RTC) 。图 3定义了RTC的帧格式。其中, Succeed=1, 说明命令执行成功, 为0说明该节点已坏掉 (基站做超时和多次判断) 。

3.1.2 传输协议的数据通信格式

当接到传输命令的相应传感器节点回复应答命令 (RTC) 后, 将开始采集控制命令请求的数据并进行传输, 网络数据传输前必须将发送的数据进行打包, 以提高数据传输的准确性和效率;同样数据传输后续进行解包, 以得到必要的相关信息。定义无线传感网络数据帧格式如图4所示。按此形式进行数据打包和解包, 完成无线传感器网络的实时通信。图中, SinkData (i) 为第i簇的数据, Datacab (j) 为一个传感器节点的数据, Type为传感器种类 (温度、应力、振动等) , Data0～Data5为传感器数据, Data6～Data7为扩展字节。与传输控制命令相对应, 数据帧类型分为FON、FOC、FWN。

表 1表示了传输协议命令控制帧和数据帧的关系以及相应的赋值。

3.2 sink层及控制层各模块之间的通信机制

多参量无线传感器网络结构监测系统在基站采用了Linux操作系统的ARM板, 实现无线传感器网络和Internet的无缝连接。正常工作情况下, 采用有线Internet方式与控制中心进行通信, 在环境恶劣或者有线线路故障等情况下无法采用有线连接时, 基站配备的CDMA模块将会及时启用与服务器终端连接通信, 保障了通信的畅通。以有线Internet为主要的数据传输方式, 以CDMA无线方式为辅助, 一方面扩展了系统的应用性, 另一方面增强了系统的安全性和抗风险能力, 保障了数据的实时传输。

图 5所示, 控制中心主要分为三部分:实时通信服务器、数据库服务器、控制终端。实时通信服务器一方面负责与基站进行通信, 接收无线传感器网络采集的实时数据包, 按照数据通信协议分析数据包的具体信息, 更新数据库信息;另一方面, 与控制终端间的通信, 接受控制终端的合法监控请求向基站发送监控命令, 向控制终端发送预警信号, 请求管理员及时处理警情。控制终端亦可以直接访问数据库服务器, 完成查询历史数据、制表、绘图等工作。独立通信的特性可以防止在实时通信数据库出现不正常工作时数据库服务器受影响, 实现了服务器的负载均衡。

4 网络传输性能及实用效果

4.1 多参数的采集

将24只传感器节点投放到被测区域 (多参量无线传感器网络结构监测系统模拟监测大型桥梁建筑) , 以四种属性监测桥梁的健康状态:温度、压力、振动、应变。图6是控制终端通过与实时通信服务器通信得到的场分布部分截图。如图6所示, 24只传感器节点自组织形成6个簇, 簇首分别为1、6、11、15、19、22号节点, 其中以6、11号节点为一级簇簇首, 15、19、22号节点为二级簇簇首, 簇首汇集本簇内的所有正在工作的传感器数据信息, 与基站通信 (图6中的C) , 基站将数据压缩加密后送至控制中心。

实时通信服务器按照整个网络所制定的数据传输帧格式, 将传感器的节点ID、类型、数值、监测时间、传感器工作状态等信息解析出来, 以表格或曲线图的形式进行描述, 使被测部位的实时状态更加直观。图7是处于实时接收状态的传感器节点信息, 以曲线的形式分别描述了4号温度传感器节点和5号压力传感器节点的实时数据。

4.2 路由重组

传感器网络在使用过程中, 不可避免的要有部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效, 也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中, 这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少, 从而使网络的拓扑结构随之变化。此时, 多参量无线传感器网络结构监测系统必须进行路由重组。假设11号节点发生故障退出网络, 簇内网络需要更新路由, 重新选出一个簇首, 并按照传输控制协议将更新的路由报告给控制中心。

从图 8更新后的场分布图可以看出, 原以11号节点为簇首的簇内, 路由重组后将12号节点选为簇首, 负责汇集簇内的数据。

4.3 实时报警效果

多参量无线传感器网络结构监测系统在正常工作的时候, 服务器属于被动侦听状态, 对计算机串口进行侦听, 实时判断是否有数据输入, 输入的数据根据传输协议进行数据解码、分析、存储, 当监测到传感器发送的数据接近或超过预设阈值时, 监控终端将以图9中所示, 用黄色提醒和红色提醒表示被测点将要发生险情或正在发生险情。实时传输服务器开始主动扫描, 向基站发送监测控制命令, 实现密集采样, 提高数据采集速率, 采集预警节点的数据, 可以实时了解该节点的变化, 及时采取补救抢修措施, 达到报警和网络监控的目的。

图 9表示5号压力传感器节点数据和21号温度传感器节点的实时温度将要到达危险阈值, 提醒管理员进一步分析数据防止事故的发生。而19号压力传感器节点变化已经超过危险阈值, 提醒管理员立即处理险情。

5 结论

多参量无线传感器网络结构监测系统采用的分层体系结构, 不仅可灵活的控制远程终端获取数据和向网络发送控制命令的权限, 还便于系统的维护和扩展。该系统可自动采集桥梁隧道等大型建筑的状态参数, 使得远程用户随时通过控制终端可视软件获得和处理被测建筑的状态信息, 不仅可保证这些信息的安全性、完整性、约束性和可靠性, 还可对这些信息进行分析、查询、存储、判断等功能。本系统不仅可用在桥梁、隧道、公路、大坝等众多大型土木工程建筑以及军事应用领域中, 还可用在煤矿、电力、水环境等工业领域, 具有极高的实用性和可移植性。

参考文献

[1]Guiling Sun, Wenhe Yue, Bo Liu.Design and Study ofDistribution Map of a General Architecture for WirelessSensor Networks Based on GDI+[C].InternationalConference on Computer Science and Software Engineer-ing 2008, 12-14 Dec:444-447.

[2]Shi Yongjie, Sun Guiling.Design of Wireless Sensor Net-work Node Based on C8051F020 and CC1100 Fiber BraggGrating[C].The IET Commun-ications Conference onWireless, Mobile and Sensor Networks 2007 (CCWMSN07) , 12-14 December, Shanghai, China.

[3]Bovio.I, Lecce.L.Health monitoring:new techniquesbased on vibrations measurements and identification algo-rithms[J].Aerospace Conference, 2005, 12 (5) :3601-3609.

[4]王真之, 王晓东, 周宇等.一种新型的桥梁结构健康远程监控系统[J].计算机应用研究, 2008, 25 (2) :637-640.

[5]叶伟松, 袁慎芳.无线传感网络在结构健康监测中的应用[J].传感技术学报, 2006, 19 (3) :890-894.

[6]王赫, 何慧, 唐朔飞.大规模网络宏观预警的研究现状与分析[J].计算机应用研究, 2008, 25 (2) :321-326.

传输协议无线通信篇10

如何进行高效的数据传送一直是Internet领域研究的重点问题。近年来, 并行数据传送被认为是提高Internet数据传送效率的关键技术。目前TCP (传输控制协议) 是Internet上应用最为广泛的运输层协议, 它为Internet的可靠数据传送和稳定工作做出了重要贡献。随着宽带网络技术的不断发展, 当前的网络条件发生了很大的变化。传统TCP固有的协议特性和技术特征造成基于TCP的应用不能充分利用网络的全部带宽资源。为了提高数据的传输效率, 研究人员提出了多种解决方案, 这些技术方案可分为两类:继续使用传统TCP, 在其基础上进行适当的改进, 比如并行TCP技术及高速TCP等;破旧立新, 设计新的一代运输层协议, 利用其新特征和优点来提高传输效率。SCTP (stream control transmission protocol, 流控制传输协议) [1]是近年来出现的新的运输层协议, 其内建的并行数据传送特性可以进行高效的数据传送。

本文针对上述两种方案, 分别介绍了并行TCP和SCTP多流 (multi-streaming) 两种Internet并行数据传送技术:阐述了两种技术的基本工作原理, 分析了各自的优缺点, 并对这两种技术进行了分析和比较, 进一步探讨并行TCP技术和SCTP多流技术的未来发展趋势和研究方向。本文内容为工程人员选择两种并行传送技术提供参考意见。

1 并行TCP

TCP是面向连接的Internet运输层协议, 具有面向字节流、可靠传送、全双工通信等特征。TCP的这些特征和机制保证了数据传送的可靠性和健壮性。毫无疑问, 网络上绝大多数的数据流量都是通过TCP进行传输的。但时至今日, 随着网络技术的提高和相应网络带宽资源的增加, TCP受到自身拥塞控制机制的限制, 已经不能充分利用现有网络的带宽资源。为了克服这个困难, 人们对传统TCP进行改进, 出现了许多新的技术, 如高速TCP, 它基于对传统TCP算法的改进。文献[2]对当前一些高速TCP的性能进行了比较分析。而并行TCP技术由于其简单易行而备受关注。

并行TCP是通过增加端到端的TCP连接数目以及TCP流之间的协作来提高TCP的性能[3]。应用层采用并行TCP技术不需要修改现有的TCP栈, 在传输层的实现也只是对TCP窗口变化机制的修改。与其他高速TCP相比, 并行TCP实现简单, 具有更好的可行性。并行TCP的本质仍是TCP, 是一种应用层控制的并行数据传送技术。并行TCP之所以能提高数据传输的速率, 可以从以下面两方面入手描述其原因[3]。

第一, 并行的TCP流共享链路带宽, 而相应的每一个TCP连接都占用网络带宽的一小部分。与传统TCP只采用单个TCP连接的情况相比, 对于并行TCP中的单个连接来说, 带宽时延乘积就减小了很多。故每个连接相比较而言在检测到丢包后的恢复能够更加迅速, 从而使得链路的总体吞吐量得到增加。

第二, 并行TCP连接在传输较大的数据块时, 该数据块通常将被分为多个小块, 然后将每个小块分配给单个TCP连接进行传输。正常情况下, 由于每一个TCP连接都是采AIMD (additive-increase multiplicative-decrease) 算法, 在一个RTT (round trip time) 内, 并行流总的拥塞窗口就会增加N (N为并行的TCP连接数目) , 在同样的时间内, 并行TCP流将比单个TCP流增长几乎快N倍。在拥塞避免阶段, 传统TCP拥有单个TCP流, 其拥塞窗口将减少到原来的1/2, 而并行TCP流对于拥塞信号的处理, 仅仅是针对自身的窗口减半措施, 不影响其他流。所以整体而言, 由于其他TCP并未受到影响。所以总的拥塞窗口仅仅缩小了0.5N。因此, 并行TCP流的窗口减小速度相较于单一的TCP流要小得多。

尽管并行TCP已经被证明能够有效地提高网络传输速率, 但其自身还有许多问题有待研究。其中的根本性问题是如何解决好并行TCP在追求数据传送效率的同时带来的公平性问题。从技术层面, 怎样根据流量和网络的状态确定并行连接数目是一个关键问题, 因为TCP连接数过多会导致网络出现拥塞, 并会消耗大量的主机资源, 过少则不能充分利用网络带宽。

2 SCTP多流

SCTP是目前新一代通用传输层协议, 不仅继承了TCP和UDP (user datagram protocol) 的优点, 同时新增了多个新特征, 如多宿主 (multi-homing) 和多流等。其中, SCTP的多流特征对提高数据传输效率有较大帮助。

2.1 多流的概念

相对于TCP的连接, SCTP的端到端数据传送逻辑通道称为关联 (association) 。一个SCTP关联可以由多个流组成, 而每个流可以看成是用来连接终端的单向逻辑的数据通道。图1所示为主机A和B之间的一个关联中存在多流连接。主机A到主机B之间存在两条流出的数据流和两条流入的数据流, 同时从主机B到主机A也有两条流出的数据流和两条流入的数据流。在SCTP连接建立期间就已经决定了每个方向上数据流的数目。每条数据流都有一个独立的传输机制, 从而允许SCTP的多个流之间相互独立地传输, 互不干扰。

类似TCP, SCTP使用序列号TSN (transmission sequence number) 标记数据信息[不同于TCP的字节序, SCTP是数据块 (chunk) 排序]。SCTP确保在给定流中消息按顺序发送, 多个流之间相互独立。当然SCTP也支持面向消息的、无序的数据传输服务, 类似于UDP。SCTP多流工作在传输层, 因而可以改善所有基于SCTP的应用层服务。

2.2 基于SCTP多流的数据传送

STCP关联中的每条数据流拥有唯一的流标识 (SID:stream identifier) , 并有自己的流序列号 (SSN:stream sequence number) , 在同一条流中, SSN可以保证接收到的数据按序向上层协议递交。若完整的用户消息被分段到各个数据块 (chunk) 中, 每个chunk的SSN必须一致, 而且它们的TSN必须是连续的。接收方根据SSN来判别它们是否属于同一个用户消息, 使用TSN来重组被分块的用户消息。在SCTP数据chunk中, 使用“B位”和“E位” (均为一位, 置1为有效) 来指明用户消息的起始段和结束段。

在TCP中, 当发送方传输多个报文段并且首段丢失时, 后面的已经正确接收的报文段不能立即向上层协议提交, 而必须在接收方的缓冲队列中等待直到首段被重传且无误到达。这种队头 (HOL:head-of-line) 阻塞推迟了数据到应用程序的传递。然而, 在SCTP中, 如果在某条流中丢失了数据, 仅仅该流在接收端因等待重传而被阻塞。由于数据流逻辑上独立, 其他数据流并不受影响, 它们可以继续向上层协议递送数据。使用SCTP的开发人员可以在SCTP网络接口初始化时指定流入流及流出流的数目, 在此基础上决定使用哪条流来传输何种类型的数据, 使用哪条流来接收什么类型的数据。如在Web应用中, 服务器端可以使用不同的流来同时传输Java applet程序, 视频数据, 图像数据及纯文本数据等, 这样可有效地提高并行性, 加快网页的传输速度, 提高用户体验[4]。

3 并行TCP与SCTP的比较

由于SCTP也是一个面向连接的协议, 并且其拥有多流特征, 这样SCTP就可以代替并行TCP提供运输层的服务能力。因此, Internet将面临选用并行TCP还是SCTP来满足他们对运输层服务的需求的问题。我们从以下几方面对两者进行分析比较, 从而为两种协议的选择提供一些参考意见。

3.1 传输效率

并行TCP和SCTP多流都采用了并行传送技术, 因而都能够有效地提高端到端的数据传输效率。

理论上, 在一定范围内, 终端间数据传输能力随着并行TCP的连接数和SCTP关联中流的数量增加而增加。两者的区别在于, 并行TCP的各个连接独立地使用带宽资源, 连接之间的相互协调由应用层负责;SCTP多流的各个流由所在的关联负责协调, 其协调机制与应用无关。

在流量控制方面, 使用并行TCP时, 每个TCP连接都需要独立地探索网络状态, 各个TCP之间无法分享网络状态的信息;SCTP中多流之间可共享关联中的网络状态信息。但是也正由于各个流之间共享网络状态信息, 任何一个流中数据的丢失都会导致拥塞窗口的整体减小, 而在并行TCP中一个TCP连接的拥塞窗口的变化并不会影响其他TCP连接。

3.2 协议开销

并行TCP技术基于传统TCP, TCP连接需客户、服务器端经“三次握手”来建立, 通过一对IP地址和端口号来识别。而在SCTP中, 使用关联来描述两个端点之间的连接, 它由“四次握手”建立, 由一对IP地址列表 (其中每个端点的IP地址可为一个或多个) 和端口号来识别。由于每个TCP连接的建立都需要三次握手过程, 都需要端点维护其状态。SCTP多流情况下, 终端之间只需进行一次连接建立过程, 也只需维护一个关联的状态。因此, 相对于并行TCP, SCTP多流消耗的端系统资源与流的数量关系不大, 总的开销较小。

3.3 用户间公平性

网络中的用户需共享网络的各种资源。当资源供应充足时, 用户可以根据自己的需要使用网络资源, 而当资源供应不能满足所有用户的需求时, 合理的做法是在用户之间公平地分配稀缺资源。

公平性是TCP设计时遵循的基本原则, 即在各个连接之间公平地分配瓶颈结点的带宽资源。显然, 用户建立的连接数量越多, 其占用的资源也就越多。因此, 如果不改变TCP连接的参数设置, 并行TCP的高效必将牺牲用户间的公平性[5]。如果SCTP关联中每个流完全独立共享网络资源, SCTP多流面临同样的公平性问题。但SCTP多流由同一关联进行控制, 因而可以比较容易地限制流的资源使用, 从而保证用户间资源共享的公平性。

3.4 协议部署

并行TCP完全建立在TCP的基础之上, 只需在应用层进行适当的分配即可以在端到端之间进行并行数据传送。由于服务进程并不关心客户端是否采用并行TCP技术, 部署并行TCP只需修改客户端程序即可。SCTP是近年来开发的一个新的运输层协议, 尽管目前标准已经较为完善, 也有一些应用, 但其普及程度远低于TCP。使用SCTP多流意味着在操作系统中增加SCTP的支持, 重新开发相应的网络应用程序, 特别是服务器端程序。考虑到时间和经济上的成本, 这并不是件容易的事。因此, SCTP多流的应用需要更多的用户认可和投入。

4 结束语

TCP作为当前Internet上应用广泛的运输层协议, 其存在的意义毋庸置疑, 今后一段时间仍将是Internet上各种应用的开发基础。但随着网络技术, 特别是宽带技术的发展, 如何改进和设计新的运输层协议提高网络资源利用率受到了广泛的关注。并行TCP通过在客户端使用多个TCP连接提高数据传送速率。同时, SCTP作为新一代传输层协议, 不但继承了传统TCP的特点, 其多流特性也可以提高网络的资源利用率。

本文对并行TCP技术和SCTP的多流特征作了较为详细的介绍并从多个角度对两者进行了比较与分析。我们认为, 为了维护Internet的长期稳定运行, 无论是并行TCP还是SCTP都需要解决好用户公平性问题。从长远来看, 设计完善的SCTP协议有望得到更多的使用。

参考文献

[1]IETF RFC4960.Streamcontrol transmission protocol (SCTP) [S].

[2]董红琴, 各种高速TCP性能比较[J].信息技术, 2008 (3) :134-137.

[3]王建新, 贾文娟, 彭娜.并行TCP技术的研究及应用[J].电信快报, 2009 (9) :5-8.

[4]张蓉, 李健.基于SCTP多数据流特性的Web传输[J].信息技术, 2005 (6) :30-32.

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