'

Алгоритмы канального уровня

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

Алгоритмы канального уровня Садков Александр Аспирант РФ axel@wl.unn.ru http://www.wl.unn.ru Сайт курса: http://www.sumkino.com/wsn/course


Слайд 1

План Протоколы доступа к среде и их классификация Свойства протоколов канального уровня Протоколы по расписанию Протоколы с конкуренцией Примеры протоколов канального уровня в WSN


Слайд 2

Протоколы доступа к среде и их классификация


Слайд 3

Протоколы доступа к среде Любая среда передачи (радио эфир, Ethernet и т.д.) ограчиненна в виду того, что одновременно ей может воспользоваться только однин или ограниченное число пользователей. Протоколы канального уровня (MAC) занимаются управлением доступа к единой среде передачи данных.


Слайд 4

Cordless headset Bluetooth Access Point Разработан для замены кабелей Разработан для замены проводов в локальных сетях 802.11 Zigbee/802.15.4 Протоколы доступа к среде Разработан для маломощных автономных устройств


Слайд 5

Классификация MAC протоколов MAC Централизованные Распределенные Гарантированный доступ Случайный доступ FDMA TDMA CSMA


Слайд 6

Классификация MAC протоколов Протоколы на основе конкуренции Узлы конкурируют за доступ к среде передачи Примеры: ALOHA (Pure and Slotted), CSMA Протоколы по расписанию Узлы передают в различных подканалах Примеры: FDMA, TDMA, CDMA


Слайд 7

Свойства протоколов канального уровня


Слайд 8

Свойства MAC протоколов Избежание коллизий Основная задача MAC протоколов Энергетическая эффективность Важное свойство в сенсорных сетях. MAC контролирует трансивер. Масштабируемость и адаптивность MAC протоколы должны уметь адаптироваться. Эффективность использования канала Не так важно в сенсорных сетях.


Слайд 9

Свойства MAC протоколов Задержка Важность зависит от конкретного приложения. Пропускная способность Зависит от приложений. Goodput. Справедливость В сенсорных сетях может быть неоднородное распределение трафика. Наиболее важными факторами в серсорных сетях являются энергетическая эффективность, избежание колиизий и адаптивность.


Слайд 10

Энергетическая эффективность MAC протоколов Энергетическая эффективность один из самых главным факторов в сенсорных сетях. Основные источники потерь энергии: Коллизии Атбрибут «конкурентных» протоколов. Пассивное прослушивание канала Для маломощных трансиверов, затраты энергии на прием сообщения могут быть больше чем на его передачу. Overhearing Может быть доминирующим фактором при большой нагрузки и плотности узлов. Control Packet Overhead Уменьшают эффективную goodput.


Слайд 11

Протоколы «по расписанию»


Слайд 12

Протоколы по расписанию Передача информации запланирована заблаговременно. Нет конкуренции Нет приема «чужих» пакетов (overhearing) Поддержка чувствительного к задержкам трафика (Voice). Высокое QoS


Слайд 13

Time Division Multiply Access: TDMA Каждый фрейм делится на слоты. Нет прямого взаимодействия между узлами Базовая станция рассылает расписание Необходима жесткая синхронизация


Слайд 14

Time Division Multiply Access: TDMA Недостатки и достоинства Основное достоинство TDMA схему, это высокая энергетическая эффективность. Недостатки: Необходимость организации кластерной структуры. Кластерхэды взаимодействуют по-другому принципу(FDMA, CDMA). Ограниченная масштабируемость и адаптивность. Необходима жесткая синхронизация узлов во времени.


Слайд 15

Bluetooth Узлы кластеризуются в пикосети(piconets). Каждая пикосеть имеет master и максимум 7 slave узлов. Master опрашивает(poll) каждый узел на передачу. Пикосети могут объеденяться в Scatternet


Слайд 16

Протоколы на основе конкуренции


Слайд 17

ALOHA : packet radio networks send when ready 18-35% channel utilization CSMA (Carrier Sense Multiple Access): “listen before talk” 50-80% channel utilization Протоколы на основе конкуренции


Слайд 18

Проблема скрытого и обнаруженного терминалов Радио эфир является общим ресурсом Классический CSMA работает неэффективно из-за проблем «скрытого» и «обнаруженного» терминала. C B A D C B A D «Скрытый» терминал «Обнаруженный» терминал


Слайд 19

Протокол MACA Протокол MACA (Ethernet) – решение проблемы скрытого терминала. RTS-CTS-DATA схема. Когда узел слышит сигнал CTS, он ничего не передает в течении времени передачи данных. Время передачи данных содержится в пакетах RTS, CTS.


Слайд 20

Протокол MACAW (Wireless) Передача информации в беспроводных каналах связи часто связана с высоким уровнем ошибок. RTS-CTS-DATA-ACK схема. Если узел не получает ACK, он передает информацию повторно.


Слайд 21

802.11 C F A B E D RTS RTS = Request-to-Send


Слайд 22

802.11 C F A B E D RTS RTS = Request-to-Send NAV = 10 NAV = оставшееся время передачи


Слайд 23

802.11 C F A B E D CTS CTS = Clear-to-Send


Слайд 24

C F A B E D CTS CTS = Clear-to-Send NAV = 8 802.11


Слайд 25

802.11 C F A B E D DATA DATA пакет следует за CTS. Успешный прием данных подтверждается посылкой пакета ACK.


Слайд 26

802.11 C F A B E D ACK


Слайд 27

CSMA/CA избежание коллизий Полудуплексное радио не может быть использовано для алгоритма обнаружения коллизий. CSMA/CA: Беспроводные протоколы канального уровня часто используют алгоритмы избежания коллизий вкупе с механизмом обнаружения несущей. Обнаружение несущей: когда узел хочет начать передавать пакет, он предварительно слушает канал. Избежание коллизий: узел обнаружевший сигнал RTS или CTS ничего не передает в течении определенного времени. Когда канал становиться свободен, узел ждет случайно выбранный промежуток времени перед началом передачи.


Слайд 28

CSMA/CA Физическое обнаружение несущей. Виртуальное обнаружение несущей на основе NAV (Network Allocation Vector ) NAV постоянно обновляется на основе полученных (overhead) пакетов RTS/CTS/DATA/ACK. Узлы ничего не передают пока присутствует несущая (физическая/виртуальная) Backoff ипользуется для уменьшения вероятности коллизий.


Слайд 29

Backoff Interval Во время передачи пакета, выбирается backoff интервал в диапазоне [0,MaxBackoff]. Где MaxBackoff- можно задавать произвольно, в зависимости от задач. Выбранный backoff интервал отсчитывается назад(уменьшается) пока канал свободен. Отсчет прекращается, когда канал занят. Когда backoff интервал становится равным 0 посылается RTS пакет.


Слайд 30

Backoff Interval: Пример MaxBackoff=31 B1-backoff интервал на узле 1 B2-backoff интервал на узле 2


Слайд 31

Backoff Interval Backoff интервал является частью накладных расходов MAC протоколов. Выбор большого MaxBackoff приводит к увеличению накладных расходов. Выбора маленького MaxBackoff приводит к увеличению коллизий. Так как количество узлов готовых передавать одновременно изменяется во времени нужны механизмы управления максимальным backoff интервалом. IEEE 802.11 DCF: максимальное значение backoff интервала MaxBackoff может изменяться во времени в зависимости от количества коллизий.


Слайд 32

Backoff Interval Когда узел не получает CTS пакет на посланный RTS, то он увеличивает MaxBackoff MaxBackoff удваивается (вплоть до максимального значения) Когда узел успешно передает данные, он сбрасывает значение MaxBackoff до минимально возможного. График значений MaxBackoff имеет пилообразную форму.


Слайд 33

Примеры протоколов канального уровня для WSN


Слайд 34

CSMA vs TDMA в сенсорных сетях


Слайд 35

CSMA vs TDMA в сенсорных сетях


Слайд 36

MAC протоколы для WSN MAC протоколы для WSN Началось в 2000 с одной статьи Экспоненциальный рост к 2004 уже более 16 статей Кслассификация По количеству используемых каналов По способу организации передачи между узлами По способу уведомления о передачи.


Слайд 37

MAC Протоколы для WSN


Слайд 38

MAC Протоколы для WSN


Слайд 39

MAC Протоколы для WSN Энергетическая эффективность это основной критерий в сенсорных сетях. Что вызывает нежелательные затраты энергии? Коллизии Системные пакеты (Control Packet Overhead) Прием нежелательного трафика (Overhearing unnecessary traffic) Большое время ожидания передачи Протоколы канального уровня в сенсорных сетях должны обеспечивать сохранение энергии по всем параметрам.


Слайд 40

Свойства MAC протоколов Избежание коллизий Основная задача MAC протоколов Энергетическая эффективность Масштабируемость и адаптивность. Размер сети, ее плотность и топология. Задержки Использование канала Пропускная способность Справедливость } Вторично в WSN


Слайд 41

S-MAC: Co-ordinated Adaptive Sleeping Ye, Heidemann (USC), Estrin (UCLA)


Слайд 42

S-MAC: Co-ordinated Adaptive Sleeping Комбинирование основных достоинств протоколов «по расписанию» (TDMA) и «конкурентных» протоколов (CSMA). Синхронизированное расписание. Расписание подобрано таким образом, что когда узлы хотят передачть информацию, они просыпаются синхронно Несинхронизированная передача. Когда узел проснулся и хочет передать информацию, он делает это с посощью алгоритма CSMA/CA.


Слайд 43

S-MAC: Co-ordinated Adaptive Sleeping Основной компромисс: жертвуя задержками/справедливостью улучшаем энергетическую эффективность. S-MAC пытается уменьшить затраты энергии за счет: Пассивный прием – периодическое засыпание. Коллизии – использование RTS/CTS Overhearing – выключение радио, когда передача не предназначается для этого узла. Служебные пакеты – передача сообщений


Слайд 44

Проблема: пассивное прослушивание канала приводит к болшим потерям энергии. Решение: периодическое засыпание. Координированный сон Выключение трансивера во время сна Уменьшение duty cycle до ~10%


Слайд 45

Выбор расписания Каждый узел хранит таблицу с расписанием всех своих соседей. При составлении первичного расписания происходит следующее: Узел слушает определенное количество времени. Если он не получает информацию о расписании своих соседей, он выбрает свое расписание случайным образом и рассылает его. Данный узел называется синхронизатором (SYNCHRONIZER) Если узел получает расписание другого узла, то он просто следует этому расписанию. Этот узел называется ведомым (FOLOWER) и через случайный промежуток времени рассылает свое расписание.


Слайд 46

Выбор расписания Требуется периодическая синхронизация . Синхронизатор периодически рассылает синхронизационный пакет (SYNC) своим соседям. Узел, при получении синхронизационного пакета, подстраивает свое расписание.


Слайд 47

Координированный сон Расписание может отличаться Граничный узел: два расписания


Слайд 48

Адаптивное прослушивание Проблема: Высокая задержка при multi-hop передаче. Решение: Пробуждение на короткий период времени при окончании каждой передачи. 4 1 2 3 listen Уменьшает задержку в двое.


Слайд 49

Избежание коллизий S-MAC основан на конкуренции Алгоритм похож на IEEE 802.11 ad hoc mode Физическое и виртуальное обнаружение несущей Случайный выбор backoff интервала RTS/CTS для решения проблемы скрытого терминала RTS/CTS/DATA/ACK последовательность


Слайд 50

Избежание приема нежелательных пакетов Проблема: Прием пакетов предназначенных для других узлов. Решение: Засыпать, когда соседние узлы передают. Кто должен спать? Все непосредственные соседи применика и передатчика Как долго? Каждый пакет содержит поле с информацией о длительности передачи


Слайд 51

S-MAC: практические эксперименты Платформа Mica Motes (UC Berkeley) 8-bit CPU at 4MHz, 128KB flash, 4KB RAM 20Kbps radio at 433MHz TinyOS Конфигурация S-MAC Низкий duty cycle с адаптивным прослушиванием Низкий duty cycle без адаптивного прослушивания Автивный режим (без засыпания)


Слайд 52

S-MAC: практические эксперименты 11 узлов расположены цепочкой, с источником на одном конце и базовой станцией на другом. При небольшом трафике S-MAC имеет существенное преимущество. Адаптивное прослушивание канала приобретает большее значение при большом трафике. * Wei Ye, John Heidemann “Medium Access Control in WSN”


Слайд 53

Адаптивное прослушивание значительно сокращает задержки, выхванные периодическим засыпанием. Latency under highest traffic load Number of hops Average message latency (S) 10% duty cycle without adaptive listen 10% duty cycle with adaptive listen No sleep cycles Latency under lowest traffic load Number of hops Average message latency (S) 10% duty cycle without adaptive listen 10% duty cycle with adaptive listen No sleep cycles S-MAC: практические эксперименты * Wei Ye, John Heidemann “Medium Access Control in WSN”


Слайд 54

Адаптивное пролушивание увеличивает пропускную способность. Effective data throughput under highest traffic load Number of hops Effective data throughput (Byte/S) No sleep cycles 10% duty cycle with adaptive listen 10% duty cycle without adaptive listen Меньшее время для передачи одного объема данных. S-MAC: практические эксперименты * Wei Ye, John Heidemann “Medium Access Control in WSN”


Слайд 55

S-MAC: достоинства и недостатки Достоинства Значительно более эффективный чем обычный CSMA/CA Планирует время сна и время активности для обеспечения энергетически эффективной передачи при удоволетворительных задержках. Недостатки Алгоритмически сложнее Существенные затраты на организацию (расписание) Комбинирует обнаружение несущей, RTS/CTS и засыпание по расписанию в один MAC протокол, что может помешать при оптимизации под конкретные приложения.


Слайд 56

B-MAC: Versatile Low-power medium access for sensor networks Joe Polastre, Jason Hill, David Culler (U.C. Berkeley)


Слайд 57

B-MAC Разделение канального уровня и контроля доступа к среде, дает лучшую оптимизацию под конкретные приложения. Сон без расписания (Unscheduled sleep) Уменьшает количество служебной информации. Но передатчику необходимо больше усилий, чтобы пробудить приемник от сна. Пробуждение без расписания (Unscheduled wakeup) Временные интервалы между просыпаниями очень короткие Может быть использован CSMA/CA или другие app-specific алгоритмы.


Слайд 58

BMAC setMode (Listening/Transmit) setPreambleLength setCheckInterval RTS/CTS MAC Tree-optimized MAC Event-response optimized MAC B-MAC BMAC позволяет разделить Обнаружение несущей Достоверность доставки (link-layer reliability) RTS/CTS (для решения проблемы скрытого терминала)


Слайд 59

Long Preamble Data transmission Sender Receiver Receive data Carrier sense B-MAC Передатчик посылает длинную преамбулу, которая перекрывает время между двумя “carrier sense” промежутками. При передачи данных может быть использован алгоритм RTS/CTS или любой другой.


Слайд 60

Long Preamble Data transmission Sender Receiver Receive data Check interval Carrier sense B-MAC CheckInterval должен быть достаточно короткий, чтобы обеспечить разумную длинну преамбулы. Время “carrier sense” должно быть достаточно коротким, чтобы не тратить много энергии.


Слайд 61

B-MAC


Слайд 62

B-MAC


Слайд 63

B-MAC


Слайд 64

Заключение Протоколы доступа к среде и их классификация Свойства протоколов канального уровня Протоколы по расписанию Протоколы с конкуренцией Примеры протоколов канального уровн в WSN


Слайд 65

Литература Medium Access Control in Wireless Sensor Networks Wei Ye and John Heidemann Energy-Efficient Medium Access Control Koen Langendoen and Gertjan Halkes An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks Tijs van Dam,Koen Langendoen, Sensys 2003 Medium Access Control with Co-ordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, IEEE/ACM Transactions on Networking, 2004.


Слайд 66

The End


Слайд 67

Design Discussion: MAC layer for event detection Given: 1 High-powered camera sensor Many (20) low-power camera sensors Requirement: Low-power cameras are periodically sensing Trigger high-power camera when low-power ones detect motion within time Delta. Discuss appropriate choice of MAC layer (TDMA/FDMA/CDMA/CSMA) for Single hop vs multihop Large vs Small Delta Scheduled vs unscheduled sleep


×

HTML:





Ссылка: