Sensor Media Adgangskontrol

Sensor Media Access Control [ Controlsɛnsə ˈmiːdiə ˈæksɛs kənˈtɹəʊl ] ( S-MAC , " Sensor Media Access Control ") er en netværksprotokol til sensornetværk . Sensornetværk består af bittesmå, trådløst kommunikerende computere (sensornoder), der er indsat i stort antal i et område, netværk uafhængigt og overvåger deres omgivelser i gruppearbejde med sensorer, indtil deres energireserver er opbrugt. Som en særlig form for ad hoc-netværk har de helt andre krav til en netværksprotokol end for eksempel Internettet og kræver derfor netværksprotokoller, der er specielt udviklet til dem. Sensor Media Access Control definerer i detaljer, hvordan noderne i et sensornetværk udveksler data, styrer adgangen til det fælles kommunikationsmedium på netværket som Media Access Control (MAC), regulerer strukturen af netværkstopologien og tilbyder en metode til synkronisering .

Selvom i dag af rent akademisk interesse og uden praktisk anvendelse, var S-MAC et vigtigt skridt i sensornetværksforskning og inspirerede adskillige efterfølgende netværksprotokoller. Det blev præsenteret i 2001 af Wei Ye, John Heidemann og Deborah Estrin fra University of Southern California og er især rettet mod at bevare sensorknudernes knappe, ikke-genopladelige energiforsyning. Udviklingen blev økonomisk støttet af det amerikanske militærbureau Defense Advanced Research Projects Agency som en del af Sensor Information Technology (SenSIT) -projektet.

klassifikation

Da S-MAC blev introduceret i 2001, var der allerede en bred vifte af netværksprotokoller til digital trådløs kommunikation via mobiltelefoni og den nye teknologi til trådløse lokalnetværk (WLAN) til netværk af bærbare computere. Multiplex-processer gjorde det muligt at betjene et stort antal mobiltelefoner på samme tid, nyere enheder etablerede kortdistance radioforbindelser med Bluetooth, og i computersektoren var IEEE 802.11g den anden udvidelse af industristandarden for WLAN'er.

Forskning i mobile ad hoc-netværk var dog endnu ikke kommet så langt, at man kunne tale om dominerende tilgange eller endog forudsigelige standarder. Forslagene frem til det tidspunkt ændrede eksisterende protokoller mere eller mindre med succes. Power Aware Multi-Access Protocol med Signal Ad Hoc Networks (PAMAS) variation af Multiple Access with Collision Avoidance- protokollen imødegik i stigende grad behovene til mobile enheder med begrænsede energireserver, men krævede en ekstra kommunikationskanal for at forhindre samtidig medieadgang. Time Division Multiple Access (TDMA) fungerede problemfrit i sin rå form med Bluetooth med maksimalt otte slutenheder, men kunne ikke let overføres til store sensornetværk. En unavngiven TDMA variation af Sohrabi og Pottie gjort utilstrækkelig udnyttelse af den tilgængelige sendetid og derved drastisk reduceret data throughput . Piconet og forskellige ændringer af Carrier Sense Multiple Access (CSMA) viste løfte, men var stadig umodne.

S-MAC blev foreslået af PAMAS og IEEE 802.11 . Det kombinerer de to teknologier Carrier Sense Multiple Access og Time Division Multiple Access for specifikt at imødekomme de særlige krav til sensornetværkene. Dermed tager S-MAC hensyn til det faktum, at i modsætning til antagelserne fra PAMAS kun en kommunikationskanal normalt er tilgængelig og bryder med princippet om retfærdighed i computernetværk . I normale computernetværk konkurrerer forskellige brugere og processer om det fælles medium, så en retfærdig regulering af medieadgang giver mening. I sensornetværk er der dog kun en enkelt netværksdækkende applikation, der til en vis grad konkurrerer med sig selv, og dets overordnede mål har prioritet frem for retfærdighed over for individuelle netværksnoder.

Sensornetværk har hidtil været et forskningsområde uden praktiske anvendelser, så S-MAC også er af udelukkende akademisk interesse. Udkastets hovedstyrke lå i at skabe et udgangspunkt for en hel række lignende lagrede supplerende protokoller: T-MAC , WiseMAC , DSMAC , B-MAC , μ-MAC , M-MAC og Z-MAC var ikke kun baseret på navne på deres fælles pioner. Blandt andet blev S-MAC implementeret med TinyOS , et operativsystem specielt designet til sensorknudepunkter, og som "forfader" til de specialiserede sensornetværksprotokoller bruges det ofte til sammenligninger.

Protokolstruktur

Protokollen er baseret på rendezvous-teknikken , som også bruges inden for andre områder inden for datalogi. Et netværk node , der ønsker at sende en besked først sender en send-anmodning (RTS, anmodning om at sende ) til adressaten. Hvis de er klar til at modtage, svarer den adresserede person med en bekræftelse på transmission (CTS, klart at sende ). Afsenderen sender derefter den aktuelle datapakke, som modtageren kvitterer med en kvittering for modtagelse ( ACK , bekræftelse ). Denne dataudvekslingsaftale forsikrer afsenderen om, at adressaten virkelig lytter og gør det muligt for modtageren at nægte en datatransmission uden at skulle gøre noget, fordi han i øjeblikket kommunikerer ellers.

Resten af ​​protokollen er opdelt i tre ansvarsområder: daglig rutine, kommunikationsforstyrrelser og messaging.

daglig rutine

Sensorknudepunkter kan skifte til en standbytilstand, hvor alle komponenter undtagen uret er slukket. I denne "søvnfase" er deres energiforbrug minimalt, men de er inaktive og kan især ikke modtage beskeder. S-MAC specificerer en fast "daglig rutine" for sensornoder med regelmæssige vågne-og-sove-cyklusser. Så mange noder som muligt skal følge den samme daglige rutine for at sikre sikker kommunikation under den fælles vågne tid.

De daglige rutiner koordineres via synkroniseringsimpulser (SYNC'er), korte beskeder med det analoge indhold: “Det er nu ... ur. Jeg går i dvale om x sekunder. ”Efter tænding venter hver sensorknude på en SYNC-besked fra en anden knude. Hvis den ikke modtager en, sender den en selv efter en tilfældig periode. Den, der modtager en SYNC, tilpasser sig den daglige rutine, der er angivet i den. Hvis det var den første modtagne SYNC, bestemmer den tidsforskellen d mellem dens aktuelle tid og tidspunktet for meddelelsen og sender en ny SYNC med indholdet: “Det er nu ... ur. Jeg går i dvale om x - d sekunder. ”Hver knude husker de daglige rutiner for sine naboknuder for at etablere kontakt med sin egen daglige rutine, hvis det er nødvendigt.

Da flere synkroniseringsimpulser kan starte i forskellige ender af netværket på samme tid eller på forskellige tidspunkter, kan netværket med denne metode opdeles i netværk, der følger forskellige dag- og natrytmer. Ved grænserne for disse grupper er der sensorknudepunkter, der følger de daglige rutiner for alle nærliggende netværk. Selvom dette sikrer kommunikation mellem knudegrupperne, da grænseknudepunkterne har længere vågentider end indre knudepunkter, bruger de mere energi og fejler tidligere.

Selv elektroniske ure er aldrig nøjagtigt det samme. Det er derfor nødvendigt at bruge fornyede synkroniseringsimpulser for at forhindre, at tiderne gradvis "flyder fra hinanden" . Til dette formål sørger S-MAC for, at opvågningsfasen opdeles i to underfaser: den kortere første er beregnet til afsendelse og modtagelse af synkroniseringsmeddelelser, jo længere sekund til den aktuelle dataudveksling.

Ofte fornyede synkroniseringsimpulser gør det også muligt at tilføje nye noder til netværket under løbende drift. Du modtager en SYNC fra det eksisterende netværk og tilpasser dig den daglige rutine.

Kommunikationsproblemer

Kommunikationsproblemer i computernetværk fører til datatab og spild af energi og skal derfor undgås. S-MACs rendezvous-ordning reducerer naturligvis problemet med skjulte stationer ; yderligere komponenter i protokollen for at undgå andre forstyrrelser er vist nedenfor.

Datakollisioner opstår, når to noder transmitterer samtidigt over det fælles kommunikationsmedium: signalerne overlapper hinanden, og begge meddelelser bliver ubrugelige. For at undgå kollisioner bygger S-MAC på fysisk og virtuel bærer-test (Carrier Sense) , dvs. evnen til at udelukke brugen af ​​kommunikationsmediet inden afsendelse. Den fysiske bærertest henviser til den faktiske korte lytning til mediet for at udelukke enhver anden brug, mens den virtuelle bærertest henviser til forventningen om anden kommunikation baseret på transmissionsanmodninger, der er annonceret på forhånd.

Den virtuelle køretøjstest undgår overhør på samme tid . Ved overhørelse spilder en node energi, fordi den lytter til dataudvekslinger, der ikke er beregnet til den, og som den ikke kan gøre noget med. Den virtuelle operatørcheck implementeres ved, at længden af ​​den meddelelse, der skal sendes, kommunikeres på samme tid i hver sendeanmodning. Lytteknudepunkter kan ud fra dette konkludere, hvor længe kommunikationsmediet vil være optaget efter datatransmissionens start og kan gå i dvale i denne tid. Dette bruger en netværksallokeringsvektor (NAV, netværksallokeringsvektor implementeret). NAV'en indstilles til den værdi, der meddeles i sendeanmodningen og tælles gradvist ned ved hjælp af en timer. Hvis NAV når værdien 0, er mediet gratis i henhold til den virtuelle Carrier Sense, og noden er vækket. Efter forsikring med den fysiske Carrier Sense kan noden derefter starte sin egen datatransmission.

Beskeder

I computernetværk er det almindeligt at opdele store sammenhængende dataenheder i små pakker eller fragmenter . Hvis der opstår en fejl under transmission af en stor dataenhed, skal alle data sendes igen. Hvis der opstår en transmissionsfejl i en pakke, er det tilstrækkeligt at gentage det enkelte datafragment. Denne tilgang følges også med S-MAC. Normalt vil rendezvous-ordningen nu blive anvendt på pakkeniveau, det vil sige, at hver individuelle pakke ville blive bekræftet med et komplet sæt af RTS-, CTS- og ACK-rendezvousmeddelelser. Denne unødvendige overhead reduceres i S-MAC ved at sende alle relaterede pakker efter hinanden i ét stykke, så der kun kræves en RTS og CTS pr. Komplet dataenhed.

S-MAC-protokol. Hver pakke bekræftes med en ACK. Pakke 2 går tabt og gentages, fordi der ikke er nogen ACK.

Modtageren bekræfter hver modtaget pakke med en ACK, og hvis dette ikke er gjort, gentager afsenderen det sidste fragment. Her kunne man også begrænse sig til en enkelt ACK i slutningen af ​​den overordnede besked, men udviklerne har bevidst besluttet imod det for at opbygge en genforsikring mod kommunikationsforstyrrelsen Skjult station : Den kontinuerlige afsendelse af ACK'er forhindrer noder i nærheden af ​​modtageren fra kommunikation til start, selvom de ikke har hørt om RTS-CTS-udvekslingen af ​​kommunikationen. For en yderligere forbedring anbefaler S-MAC at specificere den forventede resterende varighed af dataudvekslingen i hver pakke og ACK; Nyligt tilføjede eller "forkert" vækkede noder kan gå i dvale igen.

Effektivitet

Da S-MAC var en af ​​de første omfattende netværksprotokoller til sensornetværk, sammenlignede udviklerne ikke deres metode med andre sensornetværksprotokoller, men med industristandarden IEEE 802.11 til trådløs netværkskommunikation. Da sensornetværk danner ad-hoc-netværk, kan 802.11 i sin ad-hoc-tilstand også bruges som en protokol til sensornetværk. Faktisk blev 802.11 oprettet til helt andre krav og behandler for eksempel ikke på nogen måde emnet energieffektivitet. Følgelig er S-MAC betydeligt mere effektiv end 802.11 i sensornetværk.

S-MAC har to store svagheder. På den ene side er dette fremkomsten af ​​multipelbelastede kantknudepunkter, som allerede vist ovenfor, når netværket er opdelt i flere netværk af synkroniseringsimpulser. Da grænseknuderne følger flere daglige rutiner på samme tid, dvs. har flere vågne timer end andre knudepunkter, bruger de mere energi og fejler tidligere. Grænseknudepunkterne er særlig vigtige, da uden dem opdeles hele netværket i flere individuelle netværk.

På den anden side kan det ske, at modtagere går i dvale, før afsenderen kan kontakte dem med en sendeanmodning. Hvis der i øjeblikket er kommunikation i gang, kan en anden sensorknude, der ønsker at sende data, ikke sende en anmodning. Dataens adressat er derfor ikke opmærksom på den eksisterende sendeanmodning og kan gå i dvale, før afsenderen kommer til at sende sendeanmodningen. Det er her S-MAC-efterfølgeren Timeout Media Access Control (T-MAC) kommer ind for at opnå en øget effektivitet.

Det blev også kritiseret, at S-MAC går langt ud over målet med en MAC-protokol ved samtidig at implementere netværksinitialisering, synkronisering, datafragmentering og skjult stationsbehandling. Ifølge udviklerne hos Berkeley Media Access Control (B-MAC) skal disse opgaver outsources til deres egne konfigurerbare moduler.

Sensornetværksprotokoller, der senere blev udviklet, adresserede specifikt svaghederne ved S-MAC'er og viste sig som forventet at være mere effektive. Selv den direkte efterfølger T-MAC var i stand til at forbedre energiudbyttet sammenlignet med S-MAC gennem mindre ændringer. B-MAC overgik S-MAC med hensyn til datakapacitet og energieffektivitet. Der er ingen store sammenligninger af sensornetværksprotokoller; Nogle forskere tvivler på nytten af ​​sådanne undersøgelser og antager, at der aldrig vil være en protokol til sensornetværk , men altid et udvalg af protokoller, der er forskelligt velegnede til forskellige scenarier.

Weblinks

svulme

Hovedkilde:

  • W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin: En energieffektiv MAC-protokol til trådløse sensornetværk. (PDF; 183 kB) I: Proceedings of the 21. International Joint Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM 2002) , New York, USA, juni 2002. Først offentliggjort som teknisk rapport ISI-TR-543, USC / ISI , September 2001.

Individuelle beviser:

  1. ↑ a b se hovedkilden
  2. ^ W. Ye, University of Southern California: SCADDS: Skalerbare koordinationsarkitekturer til dybt distribuerede systemer. Evalueret 23. marts 2007.
  3. ^ S. Singh, CS Raghavendra: PAMAS : Strømbevidst multiadgangsprotokol med signalering til ad hoc-netværk. I: ACM Computer Communication Review , 28 (3), s. 5-26, juli 1998
  4. ^ K. Sohrabi, GJ Pottie: Ydelse af en ny selvorganiseringsprotokol for trådløse ad hoc-sensornetværk. I: Proceedings of the IEEE 50th Vehicular Technology Conference 1999 , Vol. 2, s. 1222-1226.
  5. ↑ J. Polastre, J. Hill, D. Culler: Alsidig adgang til medie med lav effekt til trådløse sensornetværk. ( Memento af 6. marts 2007 i internetarkivet ) I: Forløbet af den anden ACM-konference om indbyggede netværkssensorsystemer (SenSys'04) , 3. til 5. november 2004.
  6. ↑ T. van Dam, K. Langendoen: En Adaptive Energy-Efficient MAC-protokollen for trådløse sensor netværk ( Memento fra den 31. marts 2010 i det Internet Archive ) (PDF, 284 kB) I: Proceedings of Første ACM konferencen om Embedded Networked Sensorsystemer (SenSys) , Los Angeles, Californien, november 2003.
  7. ^ I. Rhee, A. Warrier, M. Aia, J. Min: Z-MAC: En hybrid MAC til trådløse sensornetværk. ( 5. februar 2007- mindesmærke på internetarkivet ) Teknisk rapport, Institut for Datalogi, North Carolina State University, april 2005.
  8. ↑ I. Demirkol, C. Ersoy, F. Alagöz: MAC Protokoller for trådløse sensor netværk: En Undersøgelse. (PDF; 244 kB) I: IEEE Communications. 44 (4), s. 115-121. April 2006
Denne artikel blev tilføjet til listen over fremragende artikler den 12. maj 2007 i denne version .