17、物联网网络与传输层技术解析

物联网网络与传输层技术解析

1. TCP与6LoWPAN的挑战

1.1 TCP在6LoWPAN中的问题

TCP是一种面向连接的传输协议，能实现可靠的数据传输。然而，在6LoWPAN环境下，TCP存在诸多问题。

首先，TCP需要一定的计算复杂度，这对于嵌入式设备来说可能无法满足。而且，TCP的重传机制会导致额外的端到端延迟。在物联网（IoT）中，低功耗局域网（LLNs）容易出现数据包丢失的情况，重传现象较为常见。重传会增加网络流量，在网络容量有限的情况下，容易引发冲突，进而导致更多的数据包丢失，最终造成应用层数据包丢失的增加。

其次，TCP假设数据包丢失是由于中间设备（如路由器）队列满而丢弃数据包导致的拥塞。但在IoT中，数据包丢失大多是因为低信噪比（SNR）环境下信号受到噪声严重干扰。对于低流量场景，TCP会降低传输速率以应对拥塞，但在很多情况下，快速重传提供类似前向纠错（FEC）的机制来克服信道引入的丢失更为合适。

1.2 Nagle算法的影响

在实时传感应用中，流量需要尽快发送。但TCP的Nagle算法会缓冲数据包有效载荷，直到有足够的数据才发送数据报，这会增加延迟，影响实时性能，甚至导致应用层数据包丢失。不过，一些应用可以在其TCP栈中禁用Nagle算法来提高实时性能。6LoWPAN并不依赖TCP进行会话管理，TCP仅支持未压缩的流量。

1.3 示例计算

考虑一个传感器，每20ms直接通过TCP流传输3字节的读数（无会话/应用层协议）。当Nagle算法启用且缓冲60字节后再传输时，计算如下：
- 需缓冲的消息数量 (N = \frac{60 \text{