传感器网络协议栈

传感器网络协议栈

网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。虽然无线传感器网络与传统网络相比有很多不同的地方，但是其网络协议栈都可以划分成TCP／IP的五层模型，如表1所示。其中，物理层遵照IEEE 802.15.4标准提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层又分成两个子层：逻辑链接控制层(LLC)和介质访问控制层(MAC)，主要负责数据成帧、帧检测、媒介访问控制和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件。
TCP／IP的五层模型 功能
应用层 任务调度、数据分发和定位等
传输层 传输控制 网络层 路由；网络互连
数据链路层 MAC；逻辑链路控制
物理层 超宽带（Ultra-wide Bandwidth）；扩频

无线传感器网络的特点

作为一种新型网络，相比传统的无线网络，无线传感器网络具有如下特点：
（1）大面积的空间分布 比如在农业应用方面，可以将无线传感器网络部署在田地里检测农产品的生长情况，形成大面积的监视网络。

（2）能源受限制 由于布置传感器的区域有些是在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，几乎不可能更换电源，而网络中每个节点的电源是有限的，这要求网络功耗小，以延长网络的寿命。
（3）网络自动配置 无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，管理和组网都非常简单灵活。

（4）网络的自动管理和高度协作性 传感器可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。

（5）传感器网络的拓扑结构变化快 传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化，导致网络拓扑结构十分复杂。
（6）通信能力有限 传感器网络的传感器的通信覆盖范围只有几十到几百米，通信带宽窄而且经常变化，而且由于更多地受到地理、地势、地貌以及天气等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线不能正常工作。

无线传感器网络MAC协议

无线传感器网络是一种具有无中心、自组织、快速展开和移动等特点的对等网络，WSN没有中心控制器，所有节点分布式运行，共同承担网络的构造和管理功能，具有很强的容错性和鲁棒性。同时，这些网络特性也给WSN协议的设计和使用带来很大的挑战。MAC协议处于无线传感器网络协议的底层，对网络的性能有直接的影响，是网络高效通信的关键协议。

MAC协议的分类

针对不同的WSN应用，一般可以按照下列几种方式对MAC协议分类：

第一，分布式控制还是集中控制。分布式协议是无中心的，网络中各个节点地位是平等的；集中式控制协议，是有中心的基于接入点(Access Point)的MAC协议。

第二，单信道还是多信道。这种标准可以将协议有分为三类：(1)单信道MAC协议，该类协议用于只有一个共享信道的WSN，如ALOHA、CSMA等，所有控制报文和数据报文都在同一信道上收发，容易发生控制报文之间、控制报文与数据报文之间、数据报文之间的冲突；(2)双信道MAC协议。用于包含两个共享信道的网络，一个信道为只传递控制报文的控制信道和一个只传递数据报文的数据信道，这样控制报文就不会与数据报文冲突。并能完全解决隐藏终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突；(3)多信道MAC协议。如DCA-PC、CSMA与双信道的区别是各节点具有多个数据信道，相邻节点可以使用不同数据信道同时进行通信。

第三，固定分配信道方式还是随机访问信道方式。固定分配信道方式一般是采用时分复用(TDMA)、频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配；无线信道的随机竞争方式是指节点在需要发送数据时随机竞争使用无线信道，它重点考虑减少节点间的干扰和采用有效的退避算法来降低报文碰撞率。
几种经典无线MAC协议

基于竞争的MAC协议

基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。IEEE 802.11 MAC协议采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)是典型的基于竞争MAC协议。例如：S-MAC协议、T-MAC协议、ARC-MAC协议、Sift-MAC协议、Wise-MAC协议等。
基于CSMA/CA的MAC协议

CSMA/CA主要应用于无线局域网IEEE 802.11MAC协议在分布式协调(DCF)工作模式下的一种协议。在DCF工作模式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避算法，实现无线信道的共享。
基于S-MAC协议
S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在IEEE 802.11MAC的基础上，采用固定周期性的侦听和睡眠、消息传递技术等多种机制来减少了节点能量的消耗。S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。针对S-MAC协议存在的不足，研究人员对其进行了改进，提出了一种带有自适应睡眠的S-MAC协议。
基于T-MAC协议
T-MAC(Timeout-MAC)协议与自适应睡眠的S-MAC协议基本思想大体相同。数据传输仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK的4次握手机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA(Time Active)时隙，若TA时隙之间没有任何时间发生，则活动结束进入睡眠状态。TA的取值对于T-MAC协议性能至关重要，其约束条件为：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。