WiMinet 評說1.3：模擬式UDP中繼技術

1、前言

在《WiMinet 評說 1.2：多跳無線網(wǎng)絡的現(xiàn)狀》一文中，我們提到：在室外長距離的無線自組織網(wǎng)絡中，由于節(jié)點之間的鏈路損耗較大，其鏈路預算相對不足，其包誤碼率PER會相應升高，也就是丟包概率 p 會比較大；而在一個大規(guī)模網(wǎng)絡中，某些分支節(jié)點的通訊鏈路又會比較深，也就是網(wǎng)絡跳數(shù) n 比較大，在這種情況下其通訊成功率P_n自然也就顯著下降了，人們的切身感受就是這個鏈路不太穩(wěn)定。

此時人們的第一反應自然是上 TCP 算法，在發(fā)送節(jié)點啟用 TCP Client 算法，在接收點啟用 TCP Server 算法，實現(xiàn)端到端的控制，這樣不就可以解決多跳無線通訊網(wǎng)絡的可靠性了么？我們今天就來深入討論一下這個問題。

2、多跳網(wǎng)絡

很顯然在一個真實的無線通訊系統(tǒng)中，每一個節(jié)點都是具備雙向收發(fā)能力的，但是為了更加清晰的描述數(shù)據(jù)流向，我們將原始數(shù)據(jù)的發(fā)出者定義為發(fā)射機，將目標數(shù)據(jù)的接受者定義為接收機；如下圖所示，我們定義左邊紅色的“鐵塔”為發(fā)射機，右邊藍色的“鍋蓋”為接收機。

圖1-發(fā)射機與接收機

在一個較大規(guī)模的無線通訊網(wǎng)絡中，中繼通常有兩種存在形式，一種是獨立的中繼器，通常其硬件配置較高，性能也比較強勁，并安裝有多根天線；另外一種是普通的數(shù)據(jù)節(jié)點本身承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，這種節(jié)點成本較低，通常僅僅配置一根天線。無論其硬件配置和工作原理如何，它們都可以承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，為了更加直觀的描述中繼的工作機制，我們以雙天線的中繼器為例。

圖2-多跳無線中繼

在多數(shù)情況下，負責參數(shù)通訊的還有外部的用戶系統(tǒng)，比如連接數(shù)據(jù)庫的上位機應用程序和連接現(xiàn)場工業(yè)傳感器的嵌入式設備；通常負責發(fā)起數(shù)據(jù)請求的是上位機應用程序，二者以RJ45以太網(wǎng)線或者RS232電纜連接。

圖3-上位機應用軟件

負責采集數(shù)據(jù)并回傳的是嵌入式設備，二者以RS232電纜，TTL電平的串口或者GPIO端口直接相連。

圖4-下位機現(xiàn)場設備

3、業(yè)務流程與運作機制

按照我們之前的約定，我們選定網(wǎng)絡中一個具有6跳的（5個中繼）分支鏈路，在該鏈路上一個標準的通訊業(yè)務流程通常如下：

• 上位機系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)請求
• 數(shù)據(jù)請求通過有線電纜傳遞給發(fā)射機
• 發(fā)射機將數(shù)據(jù)發(fā)送給1號中繼
• 數(shù)據(jù)依次在中繼1→2→3→4→5之間傳遞，最后到達接收機
• 接收機將數(shù)據(jù)通過有線電纜傳遞給嵌入式系統(tǒng)
• 嵌入式系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

注意到，這里僅僅是數(shù)據(jù)的下行請求過程，在嵌入式系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)的采集之后，就會將其作為應答回傳給上位機系統(tǒng)，其上行通訊流程剛好和下行傳輸完全相反：

• 嵌入式系統(tǒng)送出采集到的數(shù)據(jù)
• 數(shù)據(jù)應答通過有線電纜傳送給接收機
• 接收機將數(shù)據(jù)發(fā)送給5號中繼
• 數(shù)據(jù)依次在中繼5→4→3→2→1之間傳遞，最后到達發(fā)射機
• 發(fā)射機將數(shù)據(jù)通過有線電纜傳遞給上位機系統(tǒng)
• 上位機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的存儲，計算和顯示

4、UDP多跳傳輸模型

我們都知道，有線通訊由于在封閉的通道中運行，其錯誤率通常在 10^-9~10^-12，可靠性是非常高的，我們基本不用考慮丟包的問題。這里為了敘述方便，我們將上位機應用程序的功能合并到發(fā)射機中去，將連接工業(yè)傳感器的嵌入式設備的功能合并到接收機中去，這樣簡化之后的模型就是下圖。

圖5-UDP多跳傳輸模型

在該模型中，每一個角色的基本工作原理如下：

• 發(fā)射機：產(chǎn)生數(shù)據(jù)請求，發(fā)送給中繼1，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，等待來自目標節(jié)點（接收機）的應答數(shù)據(jù)；如果在指定的時間之內(nèi)收到了應答數(shù)據(jù)則代表通訊成功；如果沒有則重新發(fā)送請求并增加計數(shù)器；當計數(shù)器到達某個限定數(shù)值則認定通訊失敗。
• 接收機：平時處于接收等待狀態(tài)，一旦從中繼5接收到了來自發(fā)射機的請求數(shù)據(jù)，則立刻生成應答數(shù)據(jù)，并交給中繼5。
• 中繼器：按照報文約定的指定的傳輸方向，復制報文并以重新發(fā)送給下一個接收節(jié)點，包括中繼，發(fā)射機和接收機。

上圖是丟包概率 p = 10% 的時候的一種效果模擬圖。這里設定了5次數(shù)據(jù)重傳，從該圖我們看出來每一次的通訊丟包情況都不同：

• 新數(shù)據(jù)請求，在發(fā)射機到中繼1的下行鏈路上就丟失了
• 第1次重傳，在中繼2到中繼3的下行鏈路上丟失了
• 第2次重傳，下行鏈路各跳全部成功，接收機正確的收到了數(shù)據(jù)，并生成了應答，但是應答數(shù)據(jù)在中繼5→中繼4的上行鏈路上丟失了
• 第3次重傳，在中繼3到中繼4的下行鏈路上丟失了
• 第4次重傳，下行鏈路各跳全部成功，接收機正確的收到了數(shù)據(jù)，并生成了應答，但是應答數(shù)據(jù)在中繼2→中繼1的上行鏈路上丟失了
• 第5次重傳，在在中繼5到接收機的下行鏈路上丟失了
• 重傳計數(shù)器到達極限，應用程序判定當前鏈路不穩(wěn)定，通訊失??！

5、總結(jié)

當然有的讀者心里會想，這個效果模擬圖太過于極端，上述流程中有好幾次差一點就通訊成功了呢，就差一口氣！如果我們加大嘗試的次數(shù)，說不定就成功了呢?

事實上在大多數(shù)情況下，加大嘗試次數(shù)，通訊成功率的確會有一定的改善，但無法從根本上消除問題?？紤]到有線鏈路的和無線多跳的通訊延遲，再疊加上目標設備的數(shù)據(jù)采集行為，下行或者上行鏈路的傳輸時間可能高達數(shù)百毫秒；在真實的環(huán)境中，還要考慮到各種系統(tǒng)延遲和等待操作，比如Windows，Linux等主流桌面操作系統(tǒng)的調(diào)度延遲，各級無線節(jié)點的單片機延遲，這個時間往往還需要進一步加大，最終這個總的時間往往高達數(shù)秒甚至幾十秒，在一個有幾百個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)整體掃描一遍，耗時將會比較長了。

從上述分析可以看出，端到端的重傳機制在跳數(shù)較深的無線自組織網(wǎng)絡中難以保證足夠的可靠性，即便犧牲延時，加大重傳次數(shù)，效果也不會有根本性的改善。那么問題來了！我們要怎么做才可以獲得理想的可靠性與實時性呢？敬請關注后續(xù)系列文章的深入解讀。