Алгоритмы канального уровня

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

Протоколы доступа к среде и их классификация

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.

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

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

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

Свойства протоколов канального уровня

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.

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.

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.

Протоколы «по расписанию»

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

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

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.

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

Протоколы на основе конкуренции

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

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

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.

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.

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

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

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

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

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

802.11
C
F
A
B
E
D
ACK

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.

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.

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.

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

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.

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.

Примеры протоколов канального уровня для WSN

CSMA vs TDMA в сенсорных сетях

CSMA vs TDMA в сенсорных сетях

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.

MAC Протоколы для WSN

MAC Протоколы для WSN

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.

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

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

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.

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

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

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.

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

Координированный сон
Расписание может отличаться
Граничный узел:
два расписания

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.

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

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

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)

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”

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”

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”

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.

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

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.

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)

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.

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.

B-MAC

B-MAC

B-MAC

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

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.

The End