Las características particulares
que poseen las redes de sensores inalámbricas establecen nuevos retos de diseño
como son el uso eficiente de la energía, la fiabilidad, el control de
congestión y la calidad de servicio. Estos factores deben ser satisfechos para
cumplir con los requerimientos que demandan las aplicaciones en este tipo de
redes.
En este sentido, uno de los retos
que cada vez cobra mayor importancia es la necesidad de implementar mecanismos
que proporcionen fiabilidad en la entrega de los datos extremos a extremo,
reduzcan la congestión y la pérdida de paquetes, además de proveer justicia en
la asignación de ancho de banda. Esto aunado a la tendencia de interconectar
las redes de sensores inalámbricas a otro tipo de redes como Internet, redes de
área local o intranets para la recepción de forma remota de los datos generados
por los sensores, hacen que la elección del protocolo de transporte adecuado
sea un aspecto esencial en el desarrollo de aplicaciones para este tipo de
redes.
Es por esto que en este capítulo
haremos un análisis de los protocolos de transporte tradicionales como TCP y
UDP y su viabilidad en las redes de sensores, además de identificar los
requisitos que deben cumplir los protocolos de transporte para WSN y acabaremos
presentando las distintos tipos de protocolos de transporte existentes para
este tipo de redes.
Limitaciones de los protocolos de transporte tradicionales
Los protocolos de transporte
tradicionales utilizados en Internet como lo son UDP y TCP presentan varios
inconvenientes para ser implementados en las redes de sensores.
En el caso del protocolo UDP, por
ejemplo, este no provee fiabilidad en la entrega de datos, que en la mayoría de
los casos es un requisito de las aplicaciones en este tipo de redes, ni tampoco
proporciona un mecanismos de control de flujo ni de congestión lo que puede
conducir a la pérdida de paquetes y el gasto innecesario de energía de los
nodos sensores.
Por otro lado, si analizamos el
sistema de comunicación fiable extremo a extremo proporcionado tradicionalmente
por TCP encontramos que este tiene serios problemas de rendimiento en las redes
inalámbricas, tanto en términos de tasas de transferencia como de eficiencia
energética.
Los principales problemas que
presenta el protocolo TCP en las WSN se describen a continuación:
Pérdida de paquetes no debida a la congestión: se refiere a que TCP
utiliza como mecanismo de detección de congestión la pérdida de paquetes lo que
conlleva a que TCP reduzca la tasa de transferencia con la finalidad de no colapsar
aún más los enlaces. Sin embargo, en una WSN las pérdidas de paquetes ocurren
generalmente por errores de transmisión del medio inalámbrico de manera que la
reducción de la tasa de transferencia lo que trae consigo es una reducción
innecesaria de la utilización del ancho de banda del enlace y por ende a una
degradación en el throughput y un retardo mayor en la comunicación. Una posible
solución es la utilización de mecanismos (implícitos o explícitos) de
retroalimentación entre los nodos que ayuden a detectar las diferentes causas
por las cuales la pérdida de paquetes ha ocurrido (calidad del enlace
inalámbrico, fallos en el nodo sensor, y/o congestión) y de acuerdo a esto
tomar la decisión más conveniente.
Retransmisiones costosas: TCP confía en las retransmisiones extremo
a extremo para proveer una entrega de datos fiable, sin embargo teniendo en cuenta
las limitaciones de energía de los sensores y las rutas multi-salto, este mecanismo
conllevaría a un mayor consumo de energía y ancho de banda en las WSN. Además
el mecanismo de control de congestión extremo a extremo utilizado por TCP
ocasiona que se responda muy tarde a una situación de congestión lo que resulta
en una gran cantidad de paquetes perdidos lo que se convierte en un gasto de
energía adicional en retransmisiones y los tiempos de respuestas tan largos
ocasionan un bajo throughput y baja utilización del enlace inalámbrico.
Topología Dinámica de la red: los cambios de topología que
caracterizan a las WSN debido a las condiciones del entorno (baja calidad del
enlace inalámbrico, interferencias de señal producidas por agentes externos) y
a la que en un momento dado la ruta entre dos puntos extremos de la red se vea interrumpida.
Tal comportamiento no es compatible con el funcionamiento de TCP el cual
considera una conectividad permanente extremo a extremo.
Red asimétrica: Se define como aquella en la que el camino
utilizado para transportar datos hacia el destino es diferente del camino
utilizado para retornarlos hacia el origen tanto en términos topológicos como
de latencia, ancho de banda o tasa de pérdida de paquetes. Las WSN son
asimétricas en la mayoría de los casos, aspecto que afecta directamente a la
transmisión de los ACK‟s del protocolo TCP, cuyo rendimiento puede verse
afectado.
Grandes variaciones del RTT: Debido a la variabilidad de la calidad
de los enlaces, la movilidad o la carga de tráfico, las rutas de encaminamiento
se ven modificadas a lo largo del despliegue de las redes de sensores. Esto
puede generar variaciones en el RTT, degradando el rendimiento de TCP.
Transmisión en tiempo real: Junto a UDP, en las redes de sensores
deben implementarse protocolos semejantes a RCP (Rate Control Protocol), de
forma que éstas puedan soportar la transmisión extremo a extremo del tráfico en
tiempo real.
Protocolos
de transporte existentes en WSN.
Los mecanismos de transporte que
existen para redes de sensores inalámbricas se pueden dividir en aquellos que
proporcionan en alguno o en ambos (Sea ascendente o descendente) y
una o la combinación de las siguientes funciones.
- Fiabilidad en la entrega de mensajes (incluyendo la recuperación de errores)
- Control de congestión
- Conservación de la energía
Además también pueden ser
clasificados en:
- Protocolos no basados en TCP.
- Protocolos basados en TCP
En este proyecto se utilizará
esta última clasificación de protocolos de transporte, identificando además,
las funciones y objetivos para los que fueron diseñados.
