MAC层协议

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,MAC,层协议,张莹,概述,在无线传感器网络中，介质访问把握medium access control，MAC协议准备无线信道的使用方式，在传感器节点之间安排有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层根底构造。,MAC协议处于传感器网络协议的底层局部，对传感器网络的性能能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。,传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要 MAC协议协调其间的无线信道安排，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。,概述,在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：,1节省能量。,2可扩展性。,由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点参与网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑构造具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑构造。,3网络效率。,网络效率包括网络的公正性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。,(4)算法简洁度。,MAC协议要具备上述特点，众多节点协同完成应用任务，必定增加算法的简洁度。由于无线传感器网络的节点计算力气和存储力气受限，MAC协议应当依据应用需要，在简洁度和上述性能之间取得折中。,(5)与其他层协议的协同。,无线传感器网络应用的特殊性对各层协议都提出了一些共同的要求，如能量效率、可扩展性、网络效率等，争论MAC协议与其他层协议的协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化,概述,MAC协议设计面临的问题：,空闲监听：,由于节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必需始终保持自己的射频局部处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗；,冲突碰撞：,假设两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就铺张掉,把握开销：,为了保证牢靠传输，协议将使用一些把握分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必需消耗确定的能量来发送它们；,串扰串音：,出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的消耗。,概述,概述,依据信道安排方式，MAC协议可以分为：,基于竞争的MAC协议,基于TDMA机制的MAC协议,其他类型的MAC协议,概述,概述,基于竞争的,MAC,协议,基于竞争的MAC协议有如下优点：,由于基于竞争的MAC协议是依据需要安排信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；,基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；,基于竞争的MAC协议不需要简洁的时间同步或集中把握调度算法,基于竞争的MAC协议访问无线信道的方式是按需随机访问信道，根本思想是当节点需要发送数据时，就竞争访问信道，假设竞争成功则开头发送数据，假设产生了数据碰撞，就依据确定的重发策略开头数据重发流程。,IEEE802.11MAC协议有分布式协调DCF和点协调PCF两种访问把握方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的根本访问把握方式。,在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，承受 CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。另外，全部定向通信都承受立刻的主动确认ACK帧机制，假设没有收到ACK帧，则发送方会重传数据。,PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的把握方式。它通过访问接入点access point，AP协调整点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的恳求，并在必要时赐予数据发送权。,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11MAC,协议,DCF模式下，没有进展集中把握的访问接入点，节点独立运行协议，承受CSMA/CA机制实现无线信道的共享。CSMA/CA中有两个关键点:,如何通过载波侦听确定无线信道的状态;,另一个是侦听到信道空闲后，为了削减碰撞，承受什么样的无线信道访问机制。,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,解决第一个问题:如何通过载波侦听确定无线信道的状态,IEEE802.11MAC中的载波侦听有物理载波侦听和虚拟载波侦听两种侦听方式，前者由物理层供给，后者由MAC层供给，我们争论的是MAC协议，所以只争论虚拟载波侦听。IEEE802.HMAC协议中的帧分为四种:,RTS(RequestTosend，恳求帧)、,CTS(ClearTosend，去除帧)、,ACK(Acknowledge，确认帧),DATA(数据帧)，,虚拟载波侦听是通过RTS/CTS帧来实现的。RTS/CTS帧中都,有一个字段表示本次数据交换还需要多长时间才能完成，这个字段叫做NAV(NetworkAllocationVector，网络安排矢量，)。,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,A,B,D,C,RTS,RTS,CTS,CTS,CTS,发送,RTS,帧,目的地比较，符合发送CTS帧,不是目的节点，修改,RTS,帧,NAV,字段,目的地址符合开头发送数据,DATA,不是目的地址，修改,NAV,字段,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,解决其次个问题:侦听到信道空闲后，为了削减碰撞，承受什么样的无线信道访问机制。,三种帧间间隔分别为：,1SIFSshortIFS：最短帧间间隔。使用 SIFS的帧优先级最高，用于需要立刻响应的效劳，如ACK帧、CTS帧和把握帧等。,2PIFSPCFIFS：PCF方式下节点使用的帧间间隔，用以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。,3DIFSDCFIFS：DCF方式下节点使用的帧间间隔，用以发送数据帧和治理帧。,上述各帧间间隔满足关系：DIFSPIFSSIFS。,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,CSMA/CA的根本访问机制：,当节点需要发送数据时，首先侦听信道状态，假设信道状态为空闲，并且经过DIFS后信道照旧空闲，则节点开头发送数据;,假设经过DIFS时间后信道忙，则节点等待信道再次空闲，然后再持续侦听DIFS的时间，假设在此期间始终空闲，节点就使用二进制退避算法进入退避状态以此避开碰撞,802.11MAC退避机制：,节点使用二进制退避算法确定好退避时间后，启动退避定时器并进入退避状态。,在退避状态下，假设信道空闲则进展计时，当退避定时器计时到达退避时间后完毕退避状态;,假设在到达退避时间前信道忙，则中止退避计时器中止并连续侦听信道，直到信道持续空闲DIFS后再连续退避定时器的计时，退避状态完毕后，节点就接入信道开头发送数据。,假设多个节点都进入退避阶段，则退避时间最小的节点将会成功竞争信道，通过这种退避算法接入信道，能够削减节点间数据碰撞的机率。,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,基于竞争的,MAC,协议,-IEEE802.11 MAC,协议,随机退避时间计算：退避时间=RandomaSlottime,802.11MAC,退避机制,基于竞争的,MAC,协议,SMAC,协议,SMAC(Sensor MAC)协议是基于IEEE802.11MAC并针对节能问题提出来的适用于无线传感器网络的MAC协议。SMAC适用于流量较小并能容忍确定的通信时延的传感器网络。SMAC针对能量铺张的几个主要缘由，如空闲侦听、碰撞重传、串音和把握消息等承受了如下机制进展节能：,周期性侦听/休眠的低占空比的工作方式；,邻居节点形成虚拟簇，簇内承受全都的睡醒时间表:,通过虚拟载波侦听、RTS/CTS握手机制以及随机退避访问信道的方式避开碰撞和串音;,通过消息分割削减把握消息的开销,SMAC虽然在节能上有了很大改进，但会引入时延增加的缺点，为了改善时延问题，SMAC又引入自适应流量的机制，将时延平均削减一半。,根本思想：,(1)承受周期性睡眠和监听方法削减空闲监听带来的能量损耗。对周期性睡眠和监听的调度进展同步，同步节点承受一样的调度，形成虚拟簇，同时进展周期性睡眠和监听，适合多跳网络。,(2)当节点正在发送数据时，依据数据帧特殊字段让每个与此次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，削减串扰带来的能量损耗。,(3)承受消息传递机制，削减把握数据带来的能量损耗。,基于竞争的,MAC,协议,SMAC,协议,1.周期性的侦听和睡眠,SMAC协议将时间周期性的以帧为单位进展划分，每个帧分成两局部:侦听阶段和睡眠阶段。,对于侦听阶段，SMAC中又将其进一步划分成两个子阶段，第一个阶段完成同步包的发送，其次个阶段完成数据包的发送。在睡眠阶段，节点关掉无线收发设备进展节能，并将这期间收到的数据缓存起来，等到侦听阶段时，将缓存的数据集中发送出去。SMAC协议承受IEEE802.11MAC中的数据发送机制:RTS/CTS/DATA/ACK机制，并且规定在数据发送期间不进入睡眠状态。,基于竞争的,MAC,协议,SMAC,协议,基于竞争的,MAC,协议,SMAC,协议,每个节点用SYNC同步消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保 存全部相邻节点的调度信息。,当节点启开工作时，首先侦听一段固定长度的时间，其长度至少是一个调度周期。假设在这段侦听时间内收到其他节点的调度信息，则将它的调度周期设置为与邻居节点一样，并在等待一段随机时间后播送它的调度信息。,当节点收到多个邻居节点的不同调度信息时可以选择第一个收到的调度信息，并记录收到的全部调度信息。,假设节点在这段侦听时间内没有收到其他节点的调度信息，则产生自己的调度周期并播送。,在节点产生和通告自己的调度后，假设收到邻居的不同调度，分两种状况；,假设没有收到过与自己调度一样的其他邻居的通告，则承受邻居的调度而丢弃自己生成的调度；,假设节点已经收到过与自己调度一样的其他邻居的通告，在调度表中记录该调度信息，以便能够与非同步的拥邻节点进展通信。,2.流量自适应监听,传感器网络往往来用多跳通信，而节点的周期性睡眠会导致通信延迟的累加。为了削减通信延迟的累加效应，SMAC承受了一种流量自适应监听机制。其根本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信完毕后唤醒并保持监听一段时间。假设节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立刻接收数据，而不需要等到下一个监听周期，从而削减了数据传输延迟。,基于竞争的,MAC,协议,SMAC,协议,3.串扰避开,SMAC协议中，在RTS/CTS帧中部带有目的地址和本次通信的持续时间信息，接收到该帧后，假设觉察目的地址不是本地地址，节点马上进入睡眠状态，并将此次通信的持续时间存储到本地的NAV中。NAV会随着本地时钟的运行递减。在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态，这就很大程度避开了串扰数据包的接收，削减了能量损耗。,为了削减碰撞和避开串音，SMAC协议承受与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波侦听机制以及RTS/CTS的通告机制。两者的区分在于当邻居节点处于通信过程中时，SMAC协议的节点进入睡眠状态。,S-MAC承受物理侦听，防止了冲突解决了隐蔽节点的问题；承受虚拟侦听，节点收到NAV的时候，立刻进入休眠状态，解决了串音问题,基于竞争的,MAC,协议,SMAC,协议,4.消息传递分片传输机制,假设在发送长信息时由于几个比特错误造成重传，则会造成较大的延时和能量损耗，假设简洁地将长包分段，则又会由于RTS/CTS的使用形成过多的把握开销。基于此，SMAC提出了“消息传递”机制。将长的信息包分成假设干个DATA，并将它们一次传递，但是只使用一个RTS/CTS把握分组作为交互。节点为整个传输预留信道，当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分段传输时间，并重传该分段，整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻居节点可以依据此时间