Датчик контроля доступа к носителям

Sensor Media Access Control [ ˈsɛnsə ˈmiːdiə ˈæksɛs kənˈtɹəʊl ] ( S-MAC , « Sensor Media Access Control ») - сетевой протокол для сенсорных сетей . Сенсорные сети состоят из крошечных компьютеров с беспроводной связью (сенсорных узлов) , которые развернуты в большом количестве на территории, работают в сети независимо и контролируют свое окружение в групповой работе с сенсорами до тех пор, пока их запасы энергии не будут исчерпаны. Как особая форма одноранговой сети , они предъявляют совершенно другие требования к сетевому протоколу, чем, например, Интернет, и поэтому требуют сетевых протоколов, специально разработанных для них. Sensor Media Access Control подробно определяет, как узлы сенсорной сети обмениваются данными, контролирует доступ к общей коммуникационной среде сети как Media Access Control (MAC), регулирует структуру топологии сети и предлагает метод синхронизации .

Хотя сегодня S-MAC представляет чисто академический интерес и не имеет практического применения, он стал значительным шагом в исследовании сенсорных сетей и послужил вдохновением для многих последующих сетевых протоколов. Он был представлен в 2001 году Вэй Йе, Джоном Хайдеманном и Деборой Эстрин из Университета Южной Калифорнии и в особенности направлен на сохранение дефицитных неперезаряжаемых источников энергии сенсорных узлов. Разработка была поддержана военным агентством США Defense Advanced Research Projects Agency в рамках проекта Sensor Information Technology (SenSIT).

классификация

Когда в 2001 году был представлен S-MAC, уже существовал широкий спектр сетевых протоколов для цифровой беспроводной связи через мобильную телефонию и появившуюся тогда технологию беспроводных локальных сетей (WLAN) для сетевых портативных компьютеров. Мультиплексные процессы сделали возможным одновременное использование большого количества сотовых телефонов, более новые устройства устанавливали беспроводные соединения ближнего действия с помощью Bluetooth, а в компьютерном секторе IEEE 802.11g стал вторым расширением отраслевого стандарта для WLAN.

Однако исследования мобильных специальных сетей еще не продвинулись настолько далеко, чтобы можно было говорить о преобладающих подходах или даже о предполагаемых стандартах. Внесенные на тот момент предложения более или менее успешно изменили существующие протоколы. Power Aware Multi-Access Protocol with Signaling Ad Hoc Networks (PAMAS) вариант протокола множественного доступа с предотвращением коллизий в большей степени удовлетворяет потребности мобильных устройств с ограниченными запасами энергии, но требует дополнительного канала связи для предотвращения одновременного доступа к среде передачи. Множественный доступ с временным разделением (TDMA) безупречно работал в необработанном виде с Bluetooth с максимум восемью оконечными устройствами, но не мог быть легко перенесен в большие сенсорные сети. Безымянный вариант TDMA, разработанный Сохраби и Потти, недостаточно использовал доступное эфирное время и тем самым резко снизил пропускную способность . Piconet и различные модификации множественного доступа с контролем несущей (CSMA) были многообещающими, но все еще оставались незрелыми.

S-MAC был предложен PAMAS и IEEE 802.11 . Он сочетает в себе две технологии множественного доступа с контролем несущей и множественного доступа с временным разделением для конкретного удовлетворения особых требований сенсорных сетей. При этом S-MAC принимает во внимание тот факт, что, в отличие от предположений PAMAS, обычно доступен только один канал связи, и нарушает принцип справедливости в компьютерных сетях . В обычных компьютерных сетях разные пользователи и процессы конкурируют за общую среду, поэтому справедливое регулирование доступа к среде имеет смысл. В сенсорных сетях, однако, есть только одно единственное общесетевое приложение, которое в определенной степени конкурирует с самим собой, и его общая цель имеет приоритет над справедливостью по отношению к отдельным сетевым узлам.

Сенсорные сети до сих пор были областью исследований без практического применения, поэтому S-MAC также представляет исключительно академический интерес. Основное преимущество конструкции заключается в создании исходной основы для целого ряда аналогична хранимых дополнительных протоколы: T-MAC , WiseMAC , DSMAC , B-MAC , μ-MAC , М-MAC и Z-MAC были не только на основу имена их общего пионера. Среди прочего, S-MAC был реализован с TinyOS , операционной системой, специально разработанной для сенсорных узлов, и как «предок» специализированных сетевых протоколов сенсоров, он часто используется для сравнений.

Структура протокола

Протокол основан на методе рандеву , который также используется в других областях информатики. Сетевой узел, который хочет отправить сообщение, сначала отправляет запрос на отправку (RTS, запрос на отправку ) адресату. Если они готовы к приему, адресат отвечает с подтверждением передачи (CTS, clear to send ). Затем отправитель отправляет фактический пакет данных, который получатель подтверждает подтверждением получения ( ACK , подтверждение ). Это соглашение об обмене данными гарантирует отправителю, что адресат действительно слушает, и позволяет получателю отказаться от передачи данных, не предпринимая никаких действий, поскольку он в настоящее время общается иначе.

Остальная часть протокола разделена на три области ответственности: распорядок дня, нарушения связи и обмен сообщениями.

повседневные дела

Узлы датчиков имеют возможность переходить в режим ожидания, в котором все компоненты, кроме часов, выключены. В этой «фазе сна» их потребление энергии минимально, но они неактивны и, в частности, не могут получать никаких сообщений. S-MAC дает узлам датчиков фиксированный «распорядок дня» с регулярными циклами пробуждения и сна. Как можно больше узлов должны следовать одному и тому же распорядку дня, чтобы обеспечить безопасную связь во время общего пробуждения.

Распорядок дня координируется с помощью импульсов синхронизации (SYNC), коротких сообщений с аналогичным содержанием: «Сейчас ... часы. Я засну через x секунд ». После включения каждый сенсорный узел ожидает сообщения SYNC от другого узла. Если он не получает его, он отправляет его сам через случайный период времени. Тот, кто получает SYNC, приспосабливается к определенному в нем распорядку дня. Если это был первый полученный SYNC, он определяет разницу во времени d между своим текущим временем и временем сообщения и отправляет новый SYNC с содержанием: «Сейчас ... часы. Я засну через x - d секунд ». Каждый узел запоминает распорядки дня своих соседних узлов, чтобы при необходимости установить контакт со своим распорядком дня.

Поскольку несколько импульсов синхронизации могут начинаться на разных концах сети одновременно или в разное время, с помощью этого метода сеть может быть разбита на сети, которые следуют разным дневным и ночным ритмам. Затем сенсорные узлы располагаются на границах этих групп и следуют ежедневным распорядкам всех соседних групп. Хотя это обеспечивает связь между группами узлов, поскольку граничные узлы имеют более длительное время пробуждения, чем внутренние узлы, они потребляют больше энергии и выходят из строя раньше.

Даже электронные часы никогда не бывают одинаковыми. Следовательно, необходимо использовать возобновленные импульсы синхронизации, чтобы предотвратить постепенное «расхождение» времен. С этой целью S-MAC предусматривает разделение фазы пробуждения на две подфазы: более короткая первая предназначена для отправки и приема сообщений синхронизации, а более длинная вторая - для фактического обмена данными.

Часто возобновляемые импульсы синхронизации также позволяют добавлять новые узлы в сеть во время текущей работы. Вы получаете SYNC от существующей сети и адаптируетесь к повседневной жизни.

Проблемы со связью

Проблемы со связью в компьютерных сетях приводят к потере данных и бесполезной трате энергии, поэтому их следует избегать. Схема рандеву S-MAC, естественно, уменьшает проблему скрытых станций ; ниже показаны дополнительные компоненты протокола, позволяющие избежать других помех.

Конфликты данных возникают, когда два узла передают одновременно через общую среду связи: сигналы перекрываются, и оба сообщения становятся непригодными для использования. Чтобы избежать коллизий, S-MAC основывается на тестировании физического и виртуального носителя (Carrier Sense) , то есть на возможности исключить использование среды передачи данных перед отправкой. Тест физической несущей относится к фактическому краткосрочному прослушиванию среды, чтобы исключить любое другое использование, в то время как тест виртуальной несущей относится к ожиданию другой связи на основе запросов передачи, объявленных заранее.

Тест виртуального автомобиля также позволяет избежать подслушивания . Подслушивая, узел тратит энергию, потому что он прослушивает обмен данными, которые не предназначены для него и с которыми он ничего не может сделать. Проверка виртуального носителя реализуется тем, что длина отправляемого сообщения сообщается одновременно в каждом запросе на отправку. Узлы прослушивания могут сделать вывод из этого, как долго среда связи будет занята после начала передачи данных и может перейти в спящий режим на это время. Это использует вектор распределения сети (NAV, реализованный вектор распределения сети ). NAV устанавливается на значение, указанное в запросе на отправку, и постепенно отсчитывается с помощью таймера. Если NAV достигает значения 0, среда свободна в соответствии с виртуальным контролем несущей, и узел активизируется. После подтверждения с помощью определения физического носителя узел может инициировать собственную передачу данных.

Обмен сообщениями

В компьютерных сетях принято разделять большие непрерывные блоки данных на небольшие пакеты или фрагменты . Если при передаче большого блока данных возникает ошибка, все данные должны быть отправлены заново; если ошибка передачи возникает в пакете, достаточно повторить отдельный фрагмент данных. Такого же подхода придерживается и S-MAC. Обычно схема рандеву теперь будет применяться на уровне пакета, то есть каждый отдельный пакет будет подтверждаться полным набором сообщений рандеву RTS, CTS и ACK. Эти ненужные накладные расходы уменьшаются в S-MAC путем отправки всех связанных пакетов один за другим, так что для каждой полной единицы данных требуется только один RTS и CTS.

Протокол S-MAC. Каждая посылка подтверждается ACK. Пакет 2 теряется и повторяется из-за отсутствия ACK.

Получатель подтверждает каждый полученный пакет с помощью ACK, и если это не сделано, отправитель повторяет последний фрагмент. Здесь также можно ограничиться одним ACK в конце общего сообщения, но разработчики сознательно отказались от этого, чтобы создать перестраховку от нарушения связи. Скрытая станция : непрерывная отправка ACK предотвращает узлы в непосредственной близости от получателя, даже если он не слышал об обмене данными RTS-CTS. Для дальнейшего улучшения S-MAC рекомендует указывать ожидаемую оставшуюся продолжительность обмена данными в каждом пакете и ACK; Недавно добавленные или «неправильно» пробужденные узлы могут снова перейти в спящий режим.

Эффективность

Поскольку S-MAC был одним из первых всеобъемлющих сетевых протоколов для сенсорных сетей, разработчики сравнивали свой метод не с другими протоколами сенсорных сетей, а с отраслевым стандартом IEEE 802.11 для беспроводной связи. Поскольку сенсорные сети образуют одноранговые сети, 802.11 в его специальном режиме также может использоваться в качестве протокола для сенсорных сетей. На самом деле 802.11 был создан для совершенно других требований и, например, никак не затрагивает тему энергоэффективности. Соответственно, S-MAC значительно эффективнее 802.11 в сенсорных сетях.

У S-MAC есть два основных недостатка. С одной стороны, это возникновение многократно загруженных граничных узлов, уже показанных выше, когда сеть разбивается на несколько сетей импульсами синхронизации. Поскольку граничные узлы одновременно выполняют несколько ежедневных процедур, т.е. имеют больше часов бодрствования, чем другие узлы, они потребляют больше энергии и выходят из строя раньше. Пограничные узлы особенно важны, поскольку без них вся сеть разбивается на несколько отдельных сетей.

С другой стороны, может случиться так, что получатели засыпают до того, как отправитель сможет связаться с ними с запросом на отправку. Если связь в настоящее время происходит, другой узел датчика, который хочет отправить данные, не может сделать запрос на отправку. Таким образом, получатель данных не знает о существующем запросе на отправку и может перейти в спящий режим до того, как отправитель придет для отправки запроса на отправку. Именно здесь вступает в действие преемник S-MAC Timeout Media Access Control (T-MAC) для повышения эффективности.

Также критиковалось, что S-MAC выходит далеко за рамки протокола MAC, одновременно реализуя инициализацию сети, синхронизацию, фрагментацию данных и обработку скрытых станций. По словам разработчиков Berkeley Media Access Control (B-MAC), эти задачи должны выполняться их собственными настраиваемыми модулями.

Протоколы сенсорной сети, разработанные позже, специально направлены на устранение недостатков S-MAC и, как и ожидалось, оказались более эффективными. Даже прямой преемник T-MAC смог улучшить выход энергии по сравнению с S-MAC за счет незначительных модификаций. B-MAC превзошел S-MAC с точки зрения пропускной способности и энергоэффективности. Нет крупномасштабных сравнений протоколов сенсорных сетей; Некоторые исследователи сомневаются в полезности таких исследований и предполагают, что никогда не будет протокола для сенсорных сетей , но всегда будет набор протоколов, которые по-разному хорошо подходят для разных сценариев.

веб ссылки

опухать

Основной источник:

Индивидуальные доказательства:

  1. ↑ a b см. Основной источник
  2. ^ W. Ye, Университет Южной Калифорнии: SCADDS: масштабируемые архитектуры координации для глубоко распределенных систем. Проверено 23 марта 2007 г.
  3. ^ С. Сингх, К. С. Рагхавендра: PAMAS: Протокол множественного доступа с учетом мощности с сигнализацией для специальных сетей. В: ACM Computer Communication Review , 28 (3), стр. 5-26, июль 1998 г.
  4. ^ К. Сохраби, GJ Pottie: Производительность нового протокола самоорганизации для беспроводных специальных сенсорных сетей. В: Proceedings of the IEEE 50th Vehicle Technology Conference 1999 , Vol. 2, pp. 1222-1226.
  5. ↑ Дж. Поластр, Дж. Хилл, Д. Каллер: Универсальный доступ к среде передачи данных с низким энергопотреблением для беспроводных сенсорных сетей. ( Памятка от 6 марта 2007 г. в Интернет-архиве ) В: Материалы второй конференции ACM по встроенным сетевым сенсорным системам (SenSys'04) , 3-5 ноября 2004 г.
  6. ↑ Т. ван Дам, К. Лангендоен: Адаптивный энергоэффективный протокол MAC для беспроводных сенсорных сетей ( памятная записка от 31 марта 2010 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 284 кБ) В: Материалы первой конференции ACM по встроенным сетям Sensor Systems (SenSys) , Лос-Анджелес, Калифорния, ноябрь 2003 г.
  7. ^ I. Rhee, A. Warrier, M. Aia, J. Min: Z-MAC: гибридный MAC для беспроводных сенсорных сетей. ( 5 февраля 2007 сувенира на Internet Archive ) Технический отчет, Факультет компьютерных наук, Государственный университет Северной Каролины, апреля 2005 года.
  8. ↑ I. Demirkol, C. Ersoy, F. Alagöz: MAC-протоколы для беспроводных сенсорных сетей: обзор. (PDF; 244 kB) В: IEEE Communications. 44 (4), стр. 115-121. Апрель 2006 г.
Эта статья была добавлена в список отличных статей 12 мая 2007 года в этой версии .