Сенсорный контроль доступа к среде передачи данных

Управление доступом к сенсорной среде ( S-MAC ) — это сетевой протокол для сенсорных сетей. Сенсорные сети состоят из крошечных компьютеров с беспроводной связью (сенсорных узлов), которые развернуты в большом количестве на определенной территории для создания независимых сетей, и пока они контролируют свое окружение в групповой работе с датчиками, их энергетические запасы истощаются. Особая форма одноранговой сети . Они предъявляют совершенно другие требования к сетевому протоколу (например, Интернету) и поэтому требуют специально созданных для них сетевых протоколов (SMAC). Датчик управления доступом к среде передачи подробно определяет, как узлы сенсорной сети обмениваются данными, управляет контролем доступа к среде передачи (MAC) для доступа к общей среде связи сети, регулирует структуру топологии сети и обеспечивает метод синхронизации.

Хотя сегодня S-MAC представляет в первую очередь академический интерес, он стал значительным шагом в исследованиях сенсорных сетей и вдохновил на создание многих последующих сетевых протоколов. Он был представлен в 2001 году Вэй Йе, Джоном Хайдеманном и Деборой Эстрин из Университета Южной Калифорнии и был предназначен для сохранения дефицитных, неперезаряжаемых энергетических ресурсов сенсорных узлов. Разработка финансировалась американским военным агентством DARPA в рамках проекта Sensor Information Technology (Sensit).

Структура протокола

Протокол основан на технологии рандеву, которая также используется в других областях информатики. Узел сети, который хочет отправить сообщение, сначала отправляет запрос на отправку (RTS, запрос на отправку адресату ). Если он готов получить сообщение, адресат отвечает подтверждением отправки (CTS, ясно для отправки ). Затем отправитель отправляет фактический пакет данных, который получатель подтверждает подтверждением (ACK ) . Это соглашение об обмене данными гарантирует отправителю, что адресат действительно слушает, и позволяет получателю отклонить передачу данных, ничего не делая, поскольку в данный момент он общается в другом месте.

Остальная часть протокола разделена на три области задач: ежедневная рутина, помехи связи и передача сообщений.

Распорядок дня

Сенсорные узлы имеют возможность перехода в режим ожидания, при котором все компоненты выключены, кроме часов. В этой «фазе сна» их энергопотребление минимально, но они неактивны и, в частности, не могут получать никаких сообщений. S-MAC предоставляет сенсорным узлам 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 в течение общего времени бодрствования.

Распорядок дня координируется с помощью синхронизирующих импульсов (SYNC), коротких сообщений следующего содержания: «Сейчас... час. Я пойду спать 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, адаптируется к указанному в нем распорядку дня. Если это был первый полученный сигнал SYNC, он определяет разницу во времени d между его текущим временем и временем сообщения и отправляет новый сигнал SYNC со следующим содержанием: «Сейчас... час. Я собираюсь заснуть через x-d секунд». Каждый узел запоминает распорядок дня соседних узлов, чтобы при необходимости установить контакт, нарушив собственный распорядок дня.

Поскольку несколько импульсов синхронизации могут стартовать одновременно или в разное время на разных концах сети, сеть может разбиться на группы, соответствующие разным дневным и ночным ритмам. Сенсорные узлы затем располагаются на границах этих групп, которые следуют распорядку дня всех соседних сетей. Хотя это обеспечивает связь между группами узлов, поскольку пограничные узлы имеют больше времени пробуждения, чем внутренние узлы, они потребляют больше энергии и выходят из строя раньше.

Даже электронные часы никогда не синхронизируются полностью. Поэтому необходимо предотвратить постепенное «расхождение» часов посредством возобновления импульсов синхронизации. Для этого S-MAC делит фазу пробуждения на две подфазы: более короткая первая предназначена для отправки и получения сообщений синхронизации, а более длинная вторая — для фактического обмена данными.

Часто обновляемые импульсы синхронизации также позволяют добавлять в сеть новые узлы во время непрерывной работы. Они получают SYNC от существующей сети и адаптируются к полученному ежедневному расписанию.

Проблемы со связью

Проблемы связи в компьютерных сетях приводят к потере данных и перерасходу энергии, и поэтому их следует избегать. Схема встречи S-MAC по своей сути уменьшает проблему скрытых станций, другие компоненты протокола, позволяющие избежать других помех, описаны ниже.

Конфликты данных возникают, когда два узла передают данные одновременно по общей среде связи: сигналы перекрываются, и оба сообщения становятся непригодными для использования. Чтобы избежать коллизий, S-MAC полагается на физический и виртуальный контроль несущей , т. е. на возможность исключить занятость среды связи перед передачей. Физический контроль несущей относится к фактическому кратковременному перехвату среды, чтобы исключить любое другое использование, тогда как виртуальный контроль несущей относится к ожиданию другой связи на основе ранее объявленных запросов на передачу.

Проверка виртуального оператора также позволяет избежать подслушивания. При подслушивании узел тратит энергию, поскольку прослушивает обмен данными, который для него не предназначен и с которыми он ничего не может поделать. Проверка виртуальной несущей реализуется путем одновременного сообщения длины отправляемого сообщения в каждом запросе на отправку. Из этого прослушивающие узлы могут сделать вывод, как долго среда связи будет занята после начала передачи данных, и на это время могут перейти в режим сна. Это реализуется с помощью вектора сетевого размещения (NAV). NAV устанавливается на значение, указанное в запросе на передачу, и постепенно отсчитывается с помощью таймера. Если NAV достигает значения 0, среда свободна в соответствии с виртуальным контролем несущей, и узел просыпается. После подтверждения физического определения несущей узел может инициировать собственную передачу данных.

Передача сообщений

В компьютерных сетях принято разбивать большие смежные блоки данных на небольшие пакеты или фрагменты . Если при передаче большого блока данных возникает ошибка, все данные необходимо отправить повторно; если в пакете возникает ошибка передачи, достаточно повторить отдельный фрагмент данных. Этому подходу также соответствует S-MAC. Обычно схема рандеву теперь будет применяться на уровне пакетов, т.е. каждый отдельный пакет будет подтверждаться полным набором сообщений рандеву RTS, CTS и ACK. Эти ненужные накладные расходы уменьшаются в S-MAC за счет отправки всех последовательных пакетов один за другим, так что для каждого полного блока данных требуется только один RTS и CTS.

Получатель подтверждает каждый полученный пакет подтверждением ACK, и если он не получен, отправитель повторяет последний фрагмент. Также можно было бы ограничить это одним подтверждением в конце всего сообщения, но разработчики сознательно отказались от этого, чтобы обеспечить перестраховку от ошибки связи со скрытой станцией : непрерывная отправка подтверждений предотвращает попадание узлов в получателя. среды от начала связи, даже если они не знают об обмене RTS-CTS взаимодействующих сторон. Для дальнейшего улучшения S-MAC рекомендует, чтобы ожидаемая оставшаяся продолжительность обмена данными также указывалась в каждом пакете и ACK; Таким образом, вновь добавленные или «неправильно» разбуженные узлы могут снова перейти в режим сна.

См. также

• Контроль доступа к медиа-файлам Zebra
• 802.11
• подтверждение связи
• Балансировщик нагрузки

Внешние ссылки

• Sensor-MAC (S-MAC): контроль доступа к среде для беспроводных сенсорных сетей