一、無線傳感網絡協議棧的構成

　　無線傳感器網絡協議棧由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層5 部分組成，和互聯網協議棧的五層協議相對應。

　　無線傳感網絡協議棧

　　物理層：數據收集、采樣、發送、接收，以及信號的調制解調；

　　數據鏈路層：媒體接入控制，網絡節點間可靠通信鏈路的建立，為鄰居節點提供可靠的通信通道；

　　網絡層：發現和維護路由；

　　應用層：提供安全支持，實現密鑰管理和安全組播；

　　傳輸層：為端到端的連接提供可靠的傳輸、流量控制、差錯控制、QoS 等服務，即便是在OSI 模型中也只有該層是負責總體數據傳輸和控制的，因此非常重要。

　　二、傳統協議的不足之處

　　傳統IP 網絡主要使用協議棧中傳輸層的UDP 和TCP 協議控制數據傳輸。UDP 協議是面向無連接的傳輸協議，不提供對數據包的流量控制及錯誤恢復；TCP 協議則提供了可靠的傳輸保證，如利用滑動窗口和AIMD 等機制進行擁塞控制，以及使用重傳進行差錯控制。但TCP 協議卻不能直接用于WSN，主要原因如下：

　　（1） TCP 協議遵循端到端（end-to-end）的設計思想，數據包的傳輸控制任務被賦予網絡的端節點上，中間節點只承擔數據包的轉發。而WSN 以數據為中心，中間節點可能會對相關數據進行在網處理（In-network Processing），即根據數據相關性對多個數據包內的信息進行綜合處理，得到新的數據包發送給接收端，直接使用TCP 協議會導致將此視為丟包而引發重傳。

　　（2） TCP 協議建立和釋放連接的握手機制相對比較復雜，耗時較長，不利于傳感器節點及時反饋被監測對象的相關信息。WSN 網絡拓撲的動態變化也給TCP 連接狀態的建立和維護帶來了一定的困難。

　　（3） TCP協議采用基于數據包（packet-based）的可靠性度量，即盡力保證所有發出的數據包都被接收節點正確收到。在WSN 中，可能會有多個傳感器節點監測同一對象，使得監測數據具有很強的冗余性和關聯性。只要最終獲取的監測信息能夠描述對象的真實狀況，具有一定的逼真度（fidelity），并不一定要求數據包傳輸的完全可靠，這種方式也被稱為基于事件的（event-based）可靠性度量。

　　（4） TCP 協議中數據包重傳通過端節點之間的ACK 反饋和超時機制來保證。傳感器網絡數據包中所含的數據量相對較小，大量ACK 包的傳輸會加重傳輸負載和能量消耗。并且，每次ACK 確認和數據包重傳都要從發送端發出經歷多跳傳輸路徑到達目的端，引發整條路徑上所有節點的能量消耗。

　　（5） WSN 中非擁塞丟包和多路傳輸等引起的數據包傳輸亂序，都會引發TCP 協議的錯誤響應，使得發送端頻頻進入擁塞控制階段，導致傳輸性能下降。

　　（6） TCP 協議要求每個網絡節點具有獨一無二或全網獨立的網絡地址。在大規模的WSN 中，為了減少長地址位帶來的傳輸消耗，傳感器節點可能只具有局部獨立的或地理位置相關的網絡地址或采用無網絡地址的傳輸方案，無法直接使用TCP 協議。

　　三、WSN 傳輸協議研究進展

　　當前對于無線傳感器網絡傳輸協議研究的工作還是側重于擁塞控制和可靠保證。該研究將擁塞控制分為流量控制、多路分流、數據聚合和虛擬網關等；可靠保證則包括數據重傳、冗余發送。

　　流量控制中，ERST、PORT 和IFRC 協議是基于報告速率調節的擁塞控制協議；Fusion、CCF 是基于轉發速率調節的擁塞控制協議，適合要求數據逼真度較高的網絡；Buffer-based、PCCP、CODA 則是基于綜合速率調節的擁塞控制協議。ERST 考慮了可靠性和能耗的因素，通過調整報告速率來減輕擁塞；PORT 協議則將報告速率調整問題建模為優化問題，解決ERST 的不足；IFRC 則著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個節點所分享。

　　Fusion 采用了令牌桶機制，節點要按照一定規則積累令牌，且發送一次數據就消耗一個令牌；CCF 用速率比較的方法，擁塞發生時節點將自身轉發速率與父節點告知的轉發速率比較，以其中較小的值來轉發數據包。

　　Buffer-based 采用基于緩沖區的輕量級控制機構。發送數據包之前，要求節點監聽鄰居節點的緩沖區溢出否；PCCP 對數據流賦與不同的加權優先級，來保證調整公平性；CODA 結合了開環和閉環控制方式來解決擁塞。網絡流量突發導致局部短暫擁塞時就啟用開環控制。同時，若某被監測事件的發生頻率低于設定的信道吞吐量，源節點即可自行調整報告速率，否則就啟動閉環擁塞控制。

　　多路分流就是通過多路轉發來分散流量，解決擁塞問題。其中，ARC 協議是利用網絡中的冗余節點構建新的轉發路徑，CAR 與ARC 方法相近，BGR 則是在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴大轉發路徑的可選范圍。

　　數據聚（融）合的必要性和重要性前文已述。協議包括CONCERT 和PREI。前者采用適應性聚合，后者將網絡劃分為大小相同的網絡，對來自同一網格的數據進行聚合。

　　可靠性方面，數據重傳協議包括網關向節點、節點向網關和雙向可靠保證3 類；冗余發送則包括拷貝發送（AFS、Rein form、MMSPEED、GRAB）和編碼冗余。

　　PSFQ、GARUDA 是網關向節點的。前者用緩發快取進行控制，后者則建立層次結構，進行階段性丟包恢復。RMST、RBC 是節點向網關的。前者是基于單路由協議設計的，除了原有的由數據源到網關的方向之外，增加了后向路徑，用于反饋丟包。BRTM 是雙向可靠保證的。

　　此外還有5 種隨機投遞傳輸協議并分別對它們建模分析，在仿真對比的基礎上做出了相關結論。這些協議包括：

　　1）逐跳可靠傳輸協議HHR、帶應答的逐跳可靠傳輸協議

　　HHRA 后者是前者的一個變體。HHR 是最簡單的該類協議。協議中，某轉發節點將同一數據包向其下一跳轉發節點進行多次發送。只要下一跳節點收到重發數據包一份副本，它就會繼續發送。HHRA則要求轉發節點等待來自接收者的應答包。若收到應答包，則終止本跳后續副本的轉發。

　　2）逐跳廣播傳輸協議HHB、帶應答的逐跳廣播傳輸協議

　　HHBA 后者是前者的一個變體。HHB 中，轉發節點向其多個下一跳鄰節點多次發送同一數據包。若任何一個鄰節點成功接收到至少一個數據包，它就繼續以一定概率轉發此包。HHBA 則引入應答機制來增加傳輸可靠性，并減少傳輸時能量的消耗。

　　3）Rein form協議

　　該協議在多條隨機路徑上同時發送一個數據包的多個副本，以此來產生數據冗余，提高傳輸可靠性

　　4）基于分簇的協同傳輸協議。分析了傳輸效能和網絡吞吐量的改善。協議分為四步：1）分簇，即確定簇頭并在各簇內確定協同傳輸的節點；2）簇內信息傳輸；3）簇內協同節點向匯聚節點發送數據；4）匯聚節點接收和檢測信號。該協議的主要問題是協同節點間的同步。研究者相信，這種技術可用于無線自組織網、無線局域網及無線傳感器網等多種場合

　　5）實時傳輸協議。主要研究了SPEED 協議，并在TinyOS1.1.11 和Crossbow 公司的Micaz 節點搭建的平臺上進行了實驗。

　　總結：

　　WSN的傳輸控制協議在以下幾個方面還有待進一步深入研究：

　　1） 設計跨層協作的傳輸控制協議。在WSN 中傳輸控制任務不能僅僅依靠傳輸層來完成， 傳感器節點協議棧中的各個層次應在傳輸層控制機制的協調下進行充分的交互與協作，共同支持和保證數據的可靠傳輸。

　　2） 提高傳輸控制協議的綜合控制能力。在WSN 應用過程中，網絡中擁塞和丟包的現象可能會同時發生并互相影響，網關和節點之間也會頻繁的進行數據交互。目前的控制協議大多只對單個數據流方向上的一種問題（擁塞或丟包）進行處理，新的傳輸控制協議應提供全面的綜合控制機制。

　　3） 基于多優先級的控制策略。網絡中出現不同的數據流對可靠性的要求可能會不同，需要在協議設計時考慮對優先級問題的處理。

　　4） 傳輸控制協議需要提供公平性保證。在確保傳輸效率的同時，網絡中的多個數據流應按照事先定義的公平性原則分享無線信道進行數據傳輸。

　　5） 支持WSN 中以數據為中心的設計方案。WSN 以數據為中心的特點帶來了一些新的設計方案，如無獨立地址的節點設計、數據的在網處理和分簇網絡結構等，新的傳輸控制協議需要提供對這些方案的支持。

　　6） 提供對節點移動性的支持。目前，WSN 傳輸控制協議基本都假定傳感器節點和網絡是靜態的。但在戰場、物流等應用中，節點的移動會給網絡傳輸帶來更多不可靠因素，加重丟包現象的發生，需要設計更高處理效率和更快處理速度的控制協議。