无线传感网络MAC子层.

MAC目录CONTENTS简介BriefIntroduction01基本概念BasicConception02未来展望FutureProspect05结束End06功能应用ApplicationFunction03MAC协议MAC04简介简介4最近工作和生活都有些懈怠，事情比较多比较杂，搅在一起让人丧失了动力这段时间，追完了一部剧叫琅琊榜，看了几部电影，其中推荐InsideOutIEEE802系列标准把数据链路层分成MAC（MediaAccessControl，介质访问控制）和LLC（LogicalLinkControl，逻辑链路控制）两个子层。上面的LLC子层实现数据链路层与硬件无关的功能，比如流量控制、差错恢复等；较低的MAC子层提供LLC和物理层之间的接口。简介5网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC媒体访问控制MAC高层IEEE802物理层简介6按功能划分为两个子层：LLC（逻辑连路控制）MAC（介质访问控制）功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分进行区分，降低研究和实现的复杂度。基本概念基本概念8MAC子层定义：MAC（MediaAccessControl，媒体访问控制）子层定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是“先来先服务”的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现。基本概念9链路(物理链路)是指一条无源的点到点的物理线路段,且中间没有任何其它的交换结点数据链路(逻辑链路)传送数据时,除了物理线路外,还必须有必要的规程(procedure)来控制这些数据的传输。把实现相关规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。MAC协议指就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。功能应用功能应用11MAC子层处理与各种传输介质有送的问题，还负责在物理层上进行无差错的通信，其主要功能是：成帧/拆帧；实现和维护MAC协议；比特差错检测；寻址LLC子层与介质无关，其主要功能是：传输可靠性保障和控制；数据包的分段与重组差错控制；数据包的顺序传输功能应用12MAC子层负责把物理层的“0”、“1”比特流组建成帧，并通过帧尾部的错误校验信息进行错误校验；提供对共享介质的访问方法，包括以太网的带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌环（TokenRing）、光纤分布式数据接口（FDDI）等。MAC子层分配单独的局域网地址，就是通常所说的MAC地址（物理地址）。MAC子层将目标计算机的物理地址添加到数据帧上，当此数据帧传递到对端的MAC子层后，它检查该地址是否与自己的地址相匹配，如果帧中的地址与自己的地址不匹配，就将这一帧抛弃；如果相匹配，就将它发送到上一层中。功能应用13MAC应用MAC协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（LogicalLinksControl，逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。不管是在传统的有线局域网（LAN）中还是在目前流行的无线局域网（WLAN）中，MAC协议都被广泛地应用。在传统局域网中，各种传输介质的物理层对应到相应的MAC层，目前普遍使用的网络采用的是IEEE802.3的MAC层标准，采用CSMA/CD访问控制方式；而在无线局域网中，MAC所对应的标准为IEEE802.11，其工作方式采用DCF（分布控制）和PCF（中心控制）。功能应用14LLC应用逻辑链路（LogicalLinks）是实际电路或逻辑电路上交换通信信息的两个端系统之间的一种协议驱动通信会话。协议栈定义了两个系统在某种介质上的通信。在协议栈低层定义可用的多种不同类型的通信协议，如局域网络(LAN)、城域网(MAN)和象X．25或帧中继这样的分组交换网络。逻辑链路在物理链路(可以是铜线、光纤或其他介质)上的两个通信系统之间形成。根据OSI协议模型，这些逻辑链路只在物理层以上存在。可以认为逻辑链路是存在于网络两个末断系统间的线路。面向连接的服务，为了保证可靠的通信，需要建立逻辑线路，但在两个端系统间要维持会话。面向需要应答连接的服务分组传输并有返回信号的逻辑线路。这种服务产生更大的开销，但更加可靠，无应答不连接服务无需应答和预先的传送，在端系统间没有会话。功能应用15OSI协议栈中的数据链路层可进一步细分为较低的介质访问控制(MAC)子层和较高的逻辑链路控制(LLC)子层。当它接收到一个分组后，它从MAC子层向上传送。如果有多个网络和设备相连，LLC层可能将分组送给另一个网络。例如，在一个NetWare服务器上，可能既安装了以太网络适配器又安装了令牌网络适配器，NetWare自动地在连接到适配器的网络间桥接，这样原来在以太网上的分组就可以传送到令牌网上的目的地了，LLC层就象网络段间的交换或链路中继，它将以太网的帧重装成令牌环网的帧。MAC协议MAC协议17数据链路层的功能实现主要依靠MAC协议。MAC：MultipleAccessControl多路访问控制亦或是MediumAccessControl介质访问控制MAC协议决定了节点什么时候允许发送分组，而且通常控制对物理层的所有访问。MAC协议的主要功能：避免多个节点同时发送数据产生冲突，控制无线信道的公平合理使用，构建底层的基础网络结构。MAC协议最重要的功能是确定网上的某个站点占有信道，即信道分配问题。MAC协议18010203信道划分随机访问轮转访问时间（TDMA）、频带（FDMA）、码片（CDMA）划分ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD，其中CSMA/CD应用于以太网，CSMA/CA应用于802.11无线局域网主节点轮询；令牌传递蓝牙、FDDI、令牌环网MAC协议190301将信道划分为较小的“段”，一般有频分多址（FDMA）、时分多址(TDMA)、码分多址（CDMA）02节点轮流，但有更多信息要发送的能够轮流的较长时间信道划分随即访问轮转访问不划分信道，允许碰撞发生并想办法从“碰撞”恢复。一般而言为竞争类的MAC协议，当然也有分配类和混合类的协议。对于WLAN，其中竞争类协议主要有CSMA，MACA，MACAW，FAMA，BTMA等。而非竞争类的协议主要有FPRP等协议。三大类MAC协议20MAC协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享。MAC机制主要分为两类：1、基于竞争的协议；2、无竞争的信道协议。基于竞争的协议假定网络中没有中心实体来分配信道资源，每个节点必须通过竞争媒体资源来进行传送，当超过一个节点同时尝试发送时，碰撞就会发生。相反，无竞争的协议为每个需要需要通信的节点分配专用的信道资源。无竞争的协议能够有效的减少冲突，其代价是突发数据业务的信道利用率可能会比较低。MAC协议21MAC协议处于无线传感器网络协议底层，对网络性能有着较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一。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.能源有效性。由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决，节约能量也就成为设计无线传感器网络MAC协议首要考虑的因素。2.可扩展性。通常大部分处于无人照看模式的传感器网络应用都需要部署大量的节点，并且在传感器网络生命周期期存在节点数目、分布密度的不断变化、节点位置的变化以及新节点的加入等问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。这就需要MAC协议具有可扩展性，来适应这种动态变化的拓扑结构。MAC协议223.性能的综合测评。MAC协议的设计需要在多种性能间取得平衡。各项性能包括网络的实时性、公平性、带宽利用率以及网络吞吐量等方面。4.分布式算法。由于传感器节点的计算能力和存储能力有限，需要大量节点协同来完成某项任务，因此需要通过MAC协议的分布式算法有效的调度节点来完成任务。MAC协议23针对不同的用户应用需求，将WSN的MAC协议分为3个大类。1.基于竞争的MAC协议即节点在需要发送数据时采用某种竞争机制使用无线信道。这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。2.基于固定分配的MAC协议即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。目前比较成熟的机制是时分复用（TDMA）。MAC协议243.基于按需分配的MAC协议即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。MAC协议25WSNMAC协议名称：SensorS-MAC原理：依照802.11协议，周期性侦听，节点协同完成工作。优点：良好的扩展性缺点：节能效果不好，如图1中的节点3即使不需要收发数据也会侦听网络。适合：拓扑变化频繁的网络图1S-MAC协议MAC协议26名称：TimeoutT-MAC原理：TA时间内没有激活事件立即转入Sleep状态。优点：相比S-MAC减少侦听能量缺点：比S-MAC有更多的延时。适合：可变负载的网络图2T-MAC协议MAC协议27名称：WiseMAC协议原理：基于CSMA机制，使用Preamble采样技术，Preamble长度随机以避免冲突。优点：适应网络流量变化缺点：因为每个邻居节点不同的Sleep和Wake-up时间带来高延时和能源消耗适合：适用于节点密度较低的网络图3Wise-MAC协议未来展望未来展望29由于不同应用场合对网络的要求不同，对MAC协议来说，不存在一个适用于所有WSNs网络应用的MAC协议，也没有一种协议在各方面明显强于其他协议，各种MAC协议在能量有效性和网络延迟等性能之间，都存在不同程度的矛盾性，且受到多方面因素的制约，但能量有效性是设计一个好的MAC协议的关键因素，能量高效的MAC协议仍然是今后的一个开放性研究课题，在现有研究的基础上，将来WSNs网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势如下：1.利用多信道和动态的信道分屏技术进行节能研究。随着微电子机械技术的发展，低能、低成本、集成具有多信道或两个不同频率无线模块未来展望30的收发器已经成为可能。合理地使用多个信道的资源，基于局部节点协作的方法，进行信道的动态分配，可以实现节能和改进网络性能。信道分配技术利用调度算法，在发送时隙和节点之间建立起特定的映射关系，为我们进行节能协议的设计提供了良好的条件。2.采用跨层优化设计。WSNs网络由于受到节点的资源限制，分层的协议栈已不适应能量、内存等节点资源的有效利用。将MAC层、物理层以及网络层的设计相结合，根据局部网络的拓扑信息，采用综合各层的设计方法，实现对节点工作模式的有效控制，减少控制开销，从而取得更好的网络性能。结束THANKS