南京邮电大学《传感器网络》要点及参考

一.CSMA/CA原理、流程：

这种协议实际上就是在发送数据帧之前先对信道进行预约。(详见附录)

二.WSN构成、特点、协议栈：

无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。

1.构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。

2.特点：自组织网络、以数据为中心、应用相关性、动态性、大规模，可靠性。(大可以动自应)

3.协议栈结构:纵向：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层

横向：能源管理平台、移动管理平台、任务管理平台

4.结构:平面结构、分级结构。

5.通信部分：物理层和MAC层

6.传感器节点结构：电源模块、通信模块、处理器模块、传感模块。

节点特点：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。

三．Adhoc与WSN异同：

相同点:自组织网络,网络自动配置,多跳路由,动态拓扑结构,需要考虑网络的安全性

自组织(Adhoc)网络是一种由移动节点组成的临时的、多跳的、对等的自治系统。WSN

是Ad hoc 网络的一种典型应用，但WSN与传统的Adhoc网络存在以下区别：

1）WSN节点数量更为庞大，分布更为密集；

2） WSN节点更容易失效，网络拓扑变化频繁；

3） WSN主要使用广播通信机制，而Adhoc网络是基于点对点的通信；

4） WSN节点的动力能源、运算能力、存储器大小均受局限；

5）Adhoc是对等式网络,无中心；WSN以数据为中心。

四、能量浪费原因

能量消耗的主要来源:

碰撞Collisions

无意偷听Overhearing

控制包开销Control packet overhead

空闲侦听Idle listening

好的扩展能力和冲突避免机制是必须的

有用能量消耗：1）发送、接收数据；2)处理询问请求；3)转发询问和数据到邻居节点。

无用能量消耗：1)信道的空闲侦听;2)由于碰撞导致的重传，例如两个数据包同时到达同

一节点；3)无意偷听：当节点接收到一个不属于他的数据包时产生和处理控制数据包开销。

五、WSN链路重传、端到端重传的概念及其应用场合

链路层确认：邻居节点重传

传输层确认：端到端重传

对于好的信道，使用端到端方案; 链路层重传仅适用于较长的路由。

六、WSN中路由器作用、功能和特征

参考百度

七、APIT

近似三角形内点测试法（APIT, Approximate Point-In-Triangulation test）找到若干个由参考节点构成的三角形，则节点必然在这些三角形的交集内。使用这个交集的重心估计节点的位置。

APIT算法分四步：

（1）信标交换，

（2）三角形内点测试（PIT, Point-In-Triangulation testing），

（3）交集运算计算三角形的重合区域，

（4）重心（COG, Center of Gravity）计算求节点的位置。

基本过程：

未知节点首先收集其邻近信标节点的位置信息；

从这些信标节点组成的集合中任意选取三个节点，假设集合中有n个元素，那么共有Cn3种不同选取方法，确定Cn3个不同三角形，逐一测试未知节点是否位于每个三角形内部，直到穷尽所有Cn3种组合或达到定位所需精度；

计算包含目标节点所有三角形的重叠区域，并求质心；

八、dijkstra算法

参考百度

九、zigbee协议和拓扑结构、类型

协议:ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。

协议栈：物理层、MAC子层，网络安全层、应用架构、应用层

网络拓扑结构类型:星型、网状型，簇状型。

十、TOA定位工作原理

基本思想：已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。

定位过程：发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据传播时间和速度计算发送节点和接收节点之间的距离；利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置；

十一、定向扩散路由协议

这是一个由目的节点发起的反应式路由算法，只有要求的时候路由才建立。发送节点可以选择最优返回路径。

1）兴趣扩散（从观察者，可以是洪泛法，也可以是基于以前缓存的定向扩散）

2）数据扩散（多路径路由）

3）路径加强

4）反向路径加强

就按需数据查询机制而言，DD与SPIN不同

a)Sink节点只有在需要时才Flooding兴趣

i.可以节省很多能量

b)在SPIN中,传感器节点广告数据的可用性

优点

c)以数据为中心：所有通信都是邻居节点和邻居节点之间的，不需要节点的地址

d)每个节点都有聚合和缓存功能

缺点

e)按需查询驱动: 不适用需要持续数据传递的应用，比如：环境检测

f)基于属性命名的方案取决于应用

i.对于每个不同的应用需要事先定义

传感器节点有额外的处理开销

传感器网络的特性:以数据为中心,没有中心鉴权,资源受限,节点与物理位置是绑定的,节点可能不知道网络的拓扑结构,节点通常是固定的

直接扩散特点：

以数据为中心

—单个节点是不重要的

查询驱动

—Sink节点把查询作为兴趣

—满足兴趣的源节点可以被找到

—中间节点向Sink节点转发兴趣

局部修复和路径加强

多路径传输，健壮性好

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）即载波监听多路访问/冲突检测机制。在传统的共享以太网中，所有的节点共享传输介质。如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。

CSMA/CD控制方式的优点是：

原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

CSMA/CD应用在OSI 的第二层数据链路层。

它的工作原理是: 发送数据前先侦听信道是否空闲,若空闲，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突,则立即停止发送数据，等待一段随机时间,再重新尝试。

其原理简单总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发.

CSMA/CD采用IEEE 802.3标准。

它的主要目的是：提供寻址和媒体存取的控制方式，使得不同设备或网络上的节点可以在多点的网络上通信而不相互冲突。

控制规程的核心问题：解决在公共通道上以广播方式传送数据中可能出现的问题（主要是数据碰撞问题）

控制过程包含四个处理内容：侦听、发送、检测、冲突处理

（1）侦听：

通过专门的检测机构，在站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送（线路是否忙）？

若“忙”则进入后述的“退避”处理程序，进而进一步反复进行侦听工作。

若“闲”，则一定算法原则（“X坚持”算法）决定如何发送。

（2）发送：

当确定要发送后，通过发送机构，向总线发送数据。

（3）检测：

数据发送后，也可能发生数据碰撞。因此，要对数据边发送，边检测，以判断是否冲突了。

（4）冲突处理：

当确认发生冲突后，进入冲突处理程序。有两种冲突情况：

①侦听中发现线路忙

②发送过程中发现数据碰撞

①若在侦听中发现线路忙，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，一直到可以发送为止。每次延时的时间不一致，由退避算法确定延时值。

②若发送过程中发现数据碰撞，先发送阻塞信息，强化冲突，再进行侦听工作，以待下次重新发送（方法同①）

CSMA/CD是carrier sense multiple access/collision detected 的缩写，可译为“载波侦听多路访问/冲突检测”，或“带有冲突检测的载波侦听多路访问”。所谓载波侦听（carrier sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要侦听总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备

好的数据。所谓多路访问（multiple access)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。所谓冲突（collision），意思是，若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，两个工作站都同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，两个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称数据冲突又称碰撞。为了减少冲突发生后的影响。工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。

CSMA/CA实际上就是在发送数据帧之前先对信道进行预约。

CSMA/CA协议中的RTS和CTS帧

①在图中，

●站B、站C、站E在站A 的无线信号覆盖的范围内。而站D不在其内。

●站A、站E、站D在站B 的无线信号覆盖的范围内，但站C不在其内。

②如果站A要向站B发送数据，那么，站A在发送数据帧之前，要先向站B发送一个请求发送帧RTS(Request To Send)。在RTS帧中已说明将要发送的数据帧的长度。站B 收到RTS帧后就向站A回应一个允许发送帧CTS(Clear To Send)。在CTS帧中也附上A欲发送的数据帧的长度(从RTS帧中将此数据复制到CTS帧中)。站A收到CTS帧后就可发送其数据帧了。现在讨论在A和B两个站附近的一些站将做出什么反应。

●对于站C，站C处于站A的无线传输范围内，但不在站B的无线传输范围内。因此站C能够收听到站A发送的RTS帧，但经过一小段时间后，站C收听不到站B发送的CTS帧。这样，在站A向站B发送数据的同时，站C也可以发送自己的数据而不会干扰站B接收数据(注意：站C收听不到站B的信号表明，站B也收不听到站C的信号)。

●对于站D，站D收听不到站A发送的RTS帧，但能收听到站B发送的CTS帧。因此，站D在收到站B发送的CTS帧后，应在站B随后接收数据帧的时间内关闭数据发送操作，以避免干扰站B接收自A站发来的数据。

●对于站E，它能收到RTS帧和CTS帧，因此，站E在站A发送数据帧的整个过程中不能发送数据。

③虽然使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，它们的长度分别为20和14字节。而数据帧则最长可达2346字节，相比之下的开销并不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发，则浪费的时间就更大。虽然如此，但协议还是设有三种情况供用户选择：

●使用RTS和CTS帧；

●当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS和CTS帧；

●不使用RTS和CTS帧。

④尽管协议经过了精心设计，但冲突仍然会发生。

例如：站B和站C同时向站A发送RTS帧。这两个RTS帧发生冲突后，使得站A收不

到正确的RTS帧因而站A就不会发送后续的CTS帧。这时，站B和站C像以太网发生冲突那样，各自随机地推迟一段时间后重新发送其RTS帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。

⑤为了尽量减少冲突，802.11标准设计了独特的MAC子层。

3工作流程

CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是:

1.送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由於每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。

2.送出数据前，先送一段小小的请求传送报文(RTS : Request to Send)给目标端，等待目标端回应CTS: Clear to Send 报文后，才开始传送。利用RTS-CTS握手(handshake)程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。同时由於RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。

CSMA/CA通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是对于802.11还是802.3来说，这种方式都增加了额外的负担，所以802.11网络和类似的Ethernet网比较总是在性能上稍逊一筹。

主要差别

1CSMA/CD：带有冲突检测的载波监听多路访问，可以检测冲突，但无法“避免”, CSMA/CA：带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”；

2.两者的传输介质不同,CSMA/CD用于总线式以太网802.3标准,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等；

3.检测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；

4.WLAN中，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉；

5.本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。

综上，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难的