Sensör Ortamı Erişim Kontrolü

Sensör Ortam Erişim Kontrolü [ ˈsɛnsə ˈmiːdiə ˈæksɛs kənˈtɹəʊl ] ( S-MAC , " Sensör Ortamı Erişim Kontrolü ") sensör ağları için bir ağ protokolüdür . Sensör ağları, bir alanda çok sayıda yerleştirilen, bağımsız olarak ağa bağlanan ve enerji rezervleri tükenene kadar sensörlerle grup çalışmasında çevrelerini izleyen küçük, kablosuz iletişim kuran bilgisayarlardan (sensör düğümleri) oluşur . Geçici ağın özel bir biçimi olarak, bir ağ protokolü için örneğin İnternetten tamamen farklı gereksinimleri vardır ve bu nedenle onlar için özel olarak geliştirilmiş ağ protokollerini gerektirirler. Sensör Ortam Erişim Kontrolü, bir sensör ağının düğümlerinin nasıl veri alışverişi yaptığını, Ortam Erişim Kontrolü (MAC) olarak ağın ortak iletişim ortamına erişimi nasıl kontrol ettiğini, ağ topolojisinin yapısını nasıl düzenlediğini ve senkronizasyon için bir yöntem nasıl sunduğunu ayrıntılı olarak tanımlar .

Bugün tamamen akademik bir ilgiye sahip olmasına ve hiçbir pratik uygulaması olmamasına rağmen, S-MAC sensör ağ araştırmalarında önemli bir adımdı ve daha sonraki sayısız ağ protokolüne ilham verdi. Bu Wei Ye John Heidemann ve 2001 yılında sunuldu Deborah Estrin gelen Güney Kaliforniya Üniversitesi ve özellikle sensör düğümleri kıt, şarj edilemeyen enerji kaynaklarını koruma hedefleniyor. Geliştirme, Sensör Bilgi Teknolojisi (SenSIT) projesinin bir parçası olarak ABD askeri kuruluşu Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından finansal olarak desteklendi.

sınıflandırma

S-MAC 2001 yılında piyasaya sürüldüğünde, mobil telefon aracılığıyla dijital kablosuz iletişim için geniş bir ağ protokolleri yelpazesi ve daha sonra taşınabilir bilgisayarları ağa bağlamak için kablosuz yerel alan ağlarının (WLAN) ortaya çıkan teknolojisi vardı . Multiplex süreçleri aynı anda çok sayıda cep telefonunu çalıştırmayı mümkün kıldı, daha yeni cihazlar Bluetooth ile kısa mesafeli kablosuz bağlantılar kurdu ve bilgisayar sektöründe IEEE 802.11g WLAN'lar için endüstri standardının ikinci genişlemesiydi.

Bununla birlikte, mobil geçici ağlara yönelik araştırmalar, hâkim yaklaşımlardan ve hatta öngörülebilir standartlardan söz edilebilecek kadar ilerlememişti. O zamana kadar yapılan öneriler mevcut protokolleri az çok başarılı bir şekilde değiştirdi. Sinyalizasyon Ad Hoc Networks ile Güç Aware Çoklu Erişim Protokolü (PAMAS) değişimi Çarpışma Kaçınma ile Çoklu Erişim protokolü giderek ele sınırlı enerji rezervleri ile mobil cihazların ihtiyaçlarını ancak eşzamanlı medya erişimi engellemek için ek bir iletişim kanalı gerektiriyordu. Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (TDMA), maksimum sekiz uç cihazla Bluetooth ile ham haliyle kusursuz bir şekilde çalıştı, ancak büyük sensör ağlarına kolayca aktarılamadı. Sohrabi ve Pottie'nin isimsiz bir TDMA varyasyonu, mevcut yayın süresinin yetersiz kullanımını sağladı ve bu nedenle veri çıkışını büyük ölçüde azalttı . Piconet ve Carrier Sense Multiple Access'in (CSMA) çeşitli modifikasyonları umut vadetti, ancak henüz olgunlaşmamıştı.

S-MAC, PAMAS ve IEEE 802.11 tarafından önerildi. Sensör ağlarının özel gereksinimlerini özellikle karşılamak için iki teknolojiyi Taşıyıcı Algılama Çoklu Erişim ve Zaman Bölmeli Çoklu Erişim birleştirir . Bunu yaparken S-MAC, PAMAS'ın varsayımlarının aksine, genellikle tek bir iletişim kanalının mevcut olduğu ve bilgisayar ağlarında adalet ilkesinden koptuğu gerçeğini dikkate alır . Normal bilgisayar ağlarında, farklı kullanıcılar ve süreçler ortak ortam için rekabet eder, böylece adil medya erişim düzenlemesi mantıklıdır. Bununla birlikte, sensör ağlarında, belirli bir dereceye kadar kendisiyle rekabet eden tek bir ağ çapında uygulama vardır ve genel hedefi, bireysel ağ düğümlerine yönelik adaletten daha önceliklidir.

Sensör ağları şimdiye kadar hiçbir pratik uygulaması olmayan bir araştırma alanı olmuştur, bu nedenle S-MAC aynı zamanda yalnızca akademik ilgi alanıdır. Tasarımın temel gücü, benzer şekilde depolanmış bir dizi ek protokol için bir başlangıç ​​temeli oluşturmakta yatmaktadır: T-MAC , WiseMAC , DSMAC , B-MAC , μ-MAC , M-MAC ve Z-MAC yalnızca ortak öncülerindeki isimler. Diğer şeylerin yanı sıra S-MAC, sensör düğümleri için özel olarak tasarlanmış bir işletim sistemi olan TinyOS ile uygulandı ve özel sensör ağ protokollerinin "atası" olarak, genellikle karşılaştırmalar için kullanılır.

Protokol yapısı

Protokol, bilgisayar biliminin diğer alanlarında da kullanılan randevu tekniğine dayanmaktadır . Bir mesaj göndermek isteyen bir ağ düğümü , önce alıcıya bir gönderme isteği (RTS, gönderme isteği) gönderir . Almaya hazırlarsa , kişi bir iletim onayı ile yanıt verir (CTS, göndermek için açık ). Gönderici hesaplamadan sonra gerçek veri paketini gönderir kabul bir ile kabulünü alınması ( ACK , alındı ). Bu veri alışverişi anlaşması gönderene, muhatabın gerçekten dinlediğini garanti eder ve alıcının, şu anda başka türlü iletişim kurduğu için hiçbir şey yapmak zorunda kalmadan bir veri iletimini reddetmesini sağlar.

Protokolün geri kalanı üç sorumluluk alanına bölünmüştür: günlük rutin, iletişim kesintileri ve mesajlaşma.

günlük rutin

Sensör düğümleri , saat dışındaki tüm bileşenlerin kapalı olduğu bir bekleme moduna geçme yeteneğine sahiptir. Bu "uyku evresinde" enerji tüketimleri minimumdur, ancak aktif değildirler ve özellikle herhangi bir mesaj alamazlar. S-MAC, sensör düğümlerine düzenli uyanma ve uyku döngüleri ile sabit bir "günlük rutin" verir. Paylaşılan uyanma süresi boyunca güvenli iletişim sağlamak için olabildiğince çok düğüm aynı günlük rutini takip etmelidir.

Günlük rutinler senkronizasyon dürtüleri (SYNC'ler), benzer içerikli kısa mesajlarla koordine edilir : “Şimdi ... saat. X saniye içinde uykuya geçeceğim. ”Açtıktan sonra, her sensör düğümü başka bir düğümden bir SYNC mesajı bekler. Bir tane almazsa, rastgele bir süre sonra kendisini gönderir. SYNC alan kişi, içinde belirtilen günlük rutine uyum sağlar. Alınan ilk SENK ise, o andaki zamanı ile mesajın zamanı arasındaki zaman farkını d belirler ve içerikle yeni bir SENK gönderir: "Şimdi ... saat. X - d saniye içinde uyuyacağım. ”Her düğüm, gerekirse kendi günlük rutini ile temas kurmak için komşu düğümlerin günlük rutinlerini hatırlar.

Ağın farklı uçlarında aynı anda veya farklı zamanlarda birkaç senkronizasyon darbesi başlayabildiğinden, bu yöntemle ağ, farklı gündüz ve gece ritimlerini takip eden ağlara bölünebilir. Sensör düğümleri daha sonra bu grupların sınırlarına oturur ve tüm komşu grupların günlük rutinlerini takip eder. Bu, düğüm grupları arasında iletişimi sağlasa da, sınır düğümleri iç düğümlere göre daha uzun uyanma sürelerine sahip olduklarından, daha fazla enerji tüketirler ve daha erken başarısız olurlar.

Elektronik saatler bile asla tam olarak aynı değildir. Bu nedenle , zamanların kademeli olarak "uzaklaşmasını" önlemek için yenilenmiş senkronizasyon darbelerinin kullanılması gereklidir . Bu amaçla, S-MAC uyanma aşamasının iki alt faza bölünmesini sağlar: Birincisi daha kısa olanı senkronizasyon mesajları göndermek ve almak için, daha uzun olanı ise gerçek veri alışverişi içindir.

Sık sık yenilenen senkronizasyon darbeleri, devam eden işlem sırasında ağa yeni düğümler eklemeyi de mümkün kılar. Mevcut ağdan bir SYNC alırsınız ve günlük rutine adapte olursunuz.

İletişim problemleri

Bilgisayar ağlarındaki iletişim sorunları, veri kaybına ve enerji israfına yol açar ve bu nedenle kaçınılması gerekir. S-MAC'ın buluşma şeması doğal olarak gizli istasyon sorununu azaltır ; diğer rahatsızlıkları önlemek için protokolün diğer bileşenleri aşağıda gösterilmiştir.

Veri çarpışmaları , iki düğüm ortak iletişim ortamı üzerinden aynı anda iletim yaptığında meydana gelir: sinyaller çakışır ve her iki mesaj da kullanılamaz hale gelir. S-MAC, çarpışmalardan kaçınmak için fiziksel ve sanal taşıyıcı testine (Carrier Sense) , yani göndermeden önce iletişim ortamının kullanımını hariç tutma becerisine dayanır . Fiziksel taşıyıcı testi , başka herhangi bir kullanımın dışlanması için ortamın gerçek kısa dinlemesine atıfta bulunurken, sanal taşıyıcı testi, önceden duyurulan iletim taleplerine dayalı diğer iletişimlerin öngörülmesine atıfta bulunur.

Sanal araç testi ayrıca kulak misafiri olmayı da önler . Kulak misafiri olarak, bir düğüm, kendisine yönelik olmayan ve hiçbir şey yapamayacağı veri alışverişlerini dinlediği için enerji israf eder. Sanal taşıyıcı kontrolü, gönderilecek mesajın uzunluğunun her gönderme talebinde aynı anda iletilmesi şeklinde uygulanır. Dinleme düğümleri bundan, veri aktarımının başlamasından sonra iletişim ortamının ne kadar süre meşgul olacağı ve bu süre boyunca uyku moduna geçebileceği sonucuna varabilir. Bu, bir ağ tahsis vektörü kullanıyor (NAV, uygulanan ağ tahsis vektörü ). NAV, gönderme talebinde iletilen değere ayarlanır ve bir zamanlayıcı kullanılarak kademeli olarak geri sayılır. NAV 0 değerine ulaşırsa, ortam sanal Taşıyıcı Algısına göre serbesttir ve düğüm uyandırılır. Fiziksel taşıyıcı algısıyla güvence altına alındıktan sonra, düğüm kendi veri iletimini başlatabilir.

Mesajlaşma

Bilgisayar ağlarında, büyük bitişik veri birimlerini küçük paketlere veya parçalara ayırmak yaygındır . Büyük bir veri birimi iletilirken bir hata meydana gelirse, tüm veriler yeniden gönderilmelidir; bir pakette bir aktarım hatası meydana gelirse, tek tek veri parçasını tekrarlamak yeterlidir. Bu yaklaşım S-MAC ile de takip edilmektedir. Genellikle buluşma şeması artık paket seviyesinde uygulanacaktır, yani her bir paket, tam bir buluşma mesajları RTS, CTS ve ACK setiyle teyit edilecektir. Bu gereksiz ek yük, S-MAC'da tüm ilgili paketleri birbiri ardına göndererek azaltılır, böylece tam veri birimi başına yalnızca bir RTS ve CTS gerekir.

S-MAC protokolü. Her paket bir ACK ile onaylanır. Paket 2 kayboldu ve ACK olmadığı için tekrarlandı.

Alıcı alınan her paketi bir ACK ile doğrular ve bu yapılmazsa gönderici son parçayı tekrar eder. Burada da kişi, genel mesajın sonunda tek bir ACK ile sınırlandırılabilir, ancak geliştiriciler, iletişim bozukluğuna karşı bir reasürans oluşturmak için kasıtlı olarak buna karşı karar verdiler Gizli İstasyon : ACK'ların sürekli gönderilmesi düğümleri önler Alıcının yakınında, iletişimin RTS-CTS değişimini duymamış olsalar bile, iletişimden başlamak için. Daha fazla iyileştirme için S-MAC, her pakette ve ACK'da beklenen kalan veri alışverişi süresinin belirtilmesini önerir; Yeni eklenen veya "yanlış" uyanan düğümler tekrar uyku moduna geçebilir.

Verimlilik

S-MAC, sensör ağları için ilk kapsamlı ağ protokollerinden biri olduğundan, geliştiriciler yöntemlerini diğer sensör ağ protokolleriyle değil, kablosuz ağ iletişimi için endüstri standardı IEEE 802.11 ile karşılaştırdılar. Sensör ağları geçici ağlar oluşturduğundan, 802.11 geçici modda sensör ağları için bir protokol olarak da kullanılabilir . Aslında 802.11 tamamen farklı gereksinimler için oluşturulmuştur ve örneğin enerji verimliliği konusuyla hiçbir şekilde ilgilenmez. Buna göre, S-MAC, sensör ağlarında 802.11'den önemli ölçüde daha verimlidir.

S-MAC'ın iki büyük zayıflığı vardır. Bir yandan bu, ağ senkronizasyon darbeleri ile birkaç ağa bölündüğünde, yukarıda zaten gösterilen çok sayıda yüklenmiş sınır düğümlerinin ortaya çıkmasıdır. Sınır düğümleri aynı anda birkaç günlük rutini takip ettiğinden, yani diğer düğümlere göre daha fazla uyanma saatine sahip olduklarından, daha fazla enerji tüketirler ve daha erken başarısız olurlar. Sınır düğümleri özellikle önemlidir, çünkü bunlar olmadan tüm ağ birkaç ayrı ağa bölünür.

Öte yandan, gönderen onlarla bir gönderme isteği ile iletişime geçmeden önce alıcılar uykuya dalabilir. Şu anda iletişim devam ediyorsa, veri göndermek isteyen başka bir sensör düğümü gönderme talebinde bulunamaz. Verinin muhatabı bu nedenle mevcut gönderme talebinden haberdar değildir ve gönderen gönderme talebini göndermeden önce uyku moduna geçebilir. Verimlilikte bir artış sağlamak için S-MAC halefi Zaman Aşımı Ortam Erişim Kontrolü (T-MAC) devreye giriyor.

Ayrıca, S-MAC'in ağ başlatma, senkronizasyon, veri parçalama ve gizli istasyon muamelesini aynı anda uygulayarak bir MAC protokolünün hedefinin çok ötesine geçtiği eleştirildi. Berkeley Media Access Control'deki (B-MAC) geliştiricilere göre, bu görevler kendi yapılandırılabilir modüllerine dış kaynak olarak verilmelidir .

Daha sonra geliştirilen sensör ağ protokolleri, özellikle S-MAC'lerin zayıf yönlerini ele aldı ve beklendiği gibi daha verimli olduklarını kanıtladı. Doğrudan halefi olan T-MAC bile, küçük modifikasyonlarla S-MAC ile karşılaştırıldığında enerji verimini artırabildi. B-MAC, veri çıkışı ve enerji verimliliği açısından S-MAC'den daha iyi performans gösterdi. Sensör ağ protokollerinin büyük ölçekli karşılaştırmaları yoktur; Bazı araştırmacılar, bu tür çalışmaların yararlılığından şüphe ediyor ve sensör ağları için hiçbir zaman bir protokol olmayacağını , ancak her zaman farklı senaryolar için farklı şekilde uygun olan bir dizi protokol olacağını varsayıyor .

İnternet linkleri

kabarma

Ana kaynak:

Bireysel kanıt:

  1. ↑ a b ana kaynağa bakın
  2. ^ W. Ye, Güney Kaliforniya Üniversitesi: SCADDS: Derin Dağıtılmış Sistemler için Ölçeklenebilir Koordinasyon Mimarileri. 23 Mart 2007'de değerlendirildi.
  3. ^ S. Singh, CS Raghavendra: PAMAS: Ad hoc ağlar için sinyalizasyona sahip , güce duyarlı çoklu erişim protokolü. İçinde: ACM Computer Communication Review , 28 (3), pp. 5-26, Temmuz 1998
  4. ^ K. Sohrabi, GJ Pottie: Kablosuz ad hoc sensör ağları için yeni bir kendi kendine organizasyon protokolünün performansı. İçinde: IEEE 50. Araç Teknolojisi Konferansı 1999 , Cilt 2, sayfa 1222-1226.
  5. ↑ J. Polastre, J. Hill, D. Culler: Kablosuz Sensör Ağları için Çok Yönlü Düşük Güçlü Ortam Erişimi. ( Memento arasında yer 6 Mart 2007 , Internet Archive ) in: Gömülü Ağ Sistemleri'nde İkinci ACM Konferansı (SenSys'04) Tutanakları , Kasım 3-5, 2004.
  6. ↑ T. van Dam, K. Langendoen: Kablosuz Algılayıcı Ağlar İçin Adaptif Enerji Verimli MAC Protokolü ( Memento 31 Mart 2010 , Internet Archive ) (PDF; 284 kB) olarak: Birinci ACM Konferansı Tutanakları Gömülü Networked üzerinde Sensor Systems (SenSys) , Los Angeles, California, Kasım 2003.
  7. ^ I. Rhee, A. Warrier, M. Aia, J. Min: Z-MAC: Kablosuz Sensör Ağları için Hibrit MAC. ( 5 Şubat 2007 İnternet Arşivi'nde hatıra ) Teknik Rapor, Bilgisayar Bilimleri Bölümü, North Carolina Eyalet Üniversitesi, Nisan 2005.
  8. ↑ I. Demirkol, C. Ersoy, F. Alagöz: Kablosuz Algılayıcı Ağlar İçin MAC Protokolleri: Bir Araştırma. (PDF; 244 kB) In: IEEE Communications. 44 (4), s. 115-121. Nisan 2006
Bu makale, bu sürümde 12 Mayıs 2007 tarihinde mükemmel makaleler listesine eklenmiştir .