無線傳感網(wǎng)絡MAC子層

1、 MAC 目錄CONTENTS簡介Brief Introduction01基本概念Basic Conception02未來展望Future Prospect05結束End06功能應用Application Function03MAC協(xié)議MAC04PARTONE簡介簡介4最近工作和生活都有些懈怠，事情比較多比較雜，攪在一起讓人喪失了動力這段時間，追完了一部劇叫瑯琊榜，看了幾部電影，其中推薦Inside OutIEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）和LLC（Logical Link Control，邏輯鏈路控制）兩個子層。上面的LLC

2、子層實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與硬件無關的功能，比如流量控制、差錯恢復等；較低的MAC子層提供LLC和物理層之間的接口。簡介5網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層邏輯鏈路控制 LLC媒體訪問控制 MAC高層 IEEE 802物理層簡介6 按功能劃分為兩個子層：LLC（邏輯連路控制）MAC（介質(zhì)訪問控制）功能分解的目的：將功能中與硬件相關的部分和與硬件無關的部分進行區(qū)分，降低研究和實現(xiàn)的復雜度。PARTTWO基本概念基本概念8MAC子層定義：MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）子層定義了數(shù)據(jù)包怎樣在介質(zhì)上進行傳輸。在共享同一個帶寬的鏈路中，對連接介質(zhì)的訪問是“先來先服務”的。物理尋址在此處被定

3、義，邏輯拓撲（信號通過物理拓撲的路徑）也在此處被定義。線路控制、出錯通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實現(xiàn)?；靖拍?鏈路鏈路(物理鏈路物理鏈路)是指一條無源的點是指一條無源的點到點的物理線路段到點的物理線路段,且中間沒有任何其且中間沒有任何其它的交換結點它的交換結點數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路(邏輯鏈路邏輯鏈路)傳送數(shù)據(jù)時傳送數(shù)據(jù)時, 除了物理線除了物理線路外路外, 還必須有必要的規(guī)還必須有必要的規(guī)程程(procedure)來控制這些來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。把實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的傳輸。把實現(xiàn)相關規(guī)程的硬件和軟件加到鏈規(guī)程的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數(shù)據(jù)鏈路。路上，就構成了數(shù)據(jù)鏈路。M

4、AC協(xié)議協(xié)議指就是通過一組規(guī)指就是通過一組規(guī)則和過程來有效、則和過程來有效、有序和公平地使用有序和公平地使用共享介質(zhì)。共享介質(zhì)。PARTTHREE功能應用功能應用11MACMAC子層處理與各種傳輸介質(zhì)有送的問題，還負責在物理層上進行無差錯的通信，其主要功能是：l成幀/拆幀；l實現(xiàn)和維護MAC協(xié)議；l比特差錯檢測；l尋址LLCLLC子層與介質(zhì)無關，其主要功能是：l傳輸可靠性保障和控制；l數(shù)據(jù)包的分段與重組差錯控制；l數(shù)據(jù)包的順序傳輸功能應用12MAC子層負責把物理層的“ 0 ” 、“1”比特流組建成幀，并通過幀尾部的錯誤校驗信息進行錯誤校驗；提供對共享介質(zhì)的訪問方法，包括以太網(wǎng)的帶沖突檢測的載波

5、偵聽多路訪問（CSMA/CD）、令牌環(huán)（Token Ring）、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）等 。MAC子層分配單獨的局域網(wǎng)地址，就是通常所說的MAC地址（物理地址）。MAC子層將目標計算機的物理地址添加到數(shù)據(jù)幀上，當此數(shù)據(jù)幀傳遞到對端的MAC子層后，它檢查該地址是否與自己的地址相匹配，如果幀中的地址與自己的地址不匹配，就將這一幀拋棄；如果相匹配，就將它發(fā)送到上一層中。功能應用13MAC應用nMAC協(xié)議位于OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層分為上層LLC（Logical Links Control，邏輯鏈路控制），和下層的MAC（媒體訪問控制），MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質(zhì)。

6、在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數(shù)據(jù)的時候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至LLC（邏輯鏈路控制）層。 不管是在傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)（LAN）中還是在目前流行的無線局域網(wǎng)（WLAN）中，MAC協(xié)議都被廣泛地應用。在傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，各種傳輸介質(zhì)的物理層對應到相應的MAC層，目前普遍使用的網(wǎng)絡采用的是IEEE 802.3的MAC層標準，采用CSMA/CD訪問控制方式；而在無線局域網(wǎng)中，MAC所對應的標準為IEEE 802.11，其工作方式

7、采用DCF（分布控制）和PCF（中心控制）。 功能應用14LLC應用n邏輯鏈路（Logical Links）是實際電路或邏輯電路上交換通信信息的兩個端系統(tǒng)之間的一種協(xié)議驅(qū)動通信會話。協(xié)議棧定義了兩個系統(tǒng)在某種介質(zhì)上的通信。在協(xié)議棧低層定義可用的多種不同類型的通信協(xié)議，如局域網(wǎng)絡(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)和象X25或幀中繼這樣的分組交換網(wǎng)絡。邏輯鏈路在物理鏈路(可以是銅線、光纖或其他介質(zhì))上的兩個通信系統(tǒng)之間形成。根據(jù)OSI協(xié)議模型，這些邏輯鏈路只在物理層以上存在。可以認為邏輯鏈路是存在于網(wǎng)絡兩個末斷系統(tǒng)間的線路。 面向連接的服務，為了保證可靠的通信，需要建立邏輯線路，但在兩個端系統(tǒng)間要維持會

8、話。面向需要應答連接的服務 分組傳輸并有返回信號的邏輯線路。這種服務產(chǎn)生更大的開銷，但更加可靠，無應答不連接服務 無需應答和預先的傳送，在端系統(tǒng)間沒有會話。功能應用15OSI協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路層可進一步細分為較低的介質(zhì)訪問控制(MAC)子層和較高的邏輯鏈路控制(LLC)子層。當它接收到一個分組后，它從MAC子層向上傳送。如果有多個網(wǎng)絡和設備相連，LLC層可能將分組送給另一個網(wǎng)絡。例如，在一個NetWare服務器上，可能既安裝了以太網(wǎng)絡適配器又安裝了令牌網(wǎng)絡適配器，NetWare自動地在連接到適配器的網(wǎng)絡間橋接，這樣原來在以太網(wǎng)上的分組就可以傳送到令牌網(wǎng)上的目的地了，LLC層就象網(wǎng)絡段間的交換或

9、鏈路中繼，它將以太網(wǎng)的幀重裝成令牌環(huán)網(wǎng)的幀。PARTFOURMAC協(xié)議MAC協(xié)議17數(shù)據(jù)鏈路層的功能實現(xiàn)主要依靠MAC協(xié)議。MAC：Multiple Access Control 多路訪問控制亦或是Medium Access Control 介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議決定了節(jié)點什么時候允許發(fā)送分組，而且通?？刂茖ξ锢韺拥乃性L問。MAC協(xié)議的主要功能：避免多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突，控制無線信道的公平合理使用，構建底層的基礎網(wǎng)絡結構。MAC 協(xié)議最重要的功能是確定網(wǎng)上的某個站點占有信道，即信道分配問題。MAC協(xié)議18010203信道劃分隨機訪問輪轉(zhuǎn)訪問時間（TDMA）、頻帶（FDMA）、碼片（C

10、DMA）劃分A L O H A , S -ALOHA,CSMA,CSMA / C D ， 其 中CSMA/CD應用于以太網(wǎng)，CSMA/CA應用于802.11無線局域網(wǎng)主節(jié)點輪詢；令牌傳遞藍牙、FDDI、令牌環(huán)網(wǎng)MAC協(xié)議190301將信道劃分為較小的“段”，一般有頻分多址（FDMA）、時分多址(TDMA)、碼分多址（CDMA）02節(jié)點輪流，但有更多信息要發(fā)送的能夠輪流的較長時間信道劃分隨即訪問輪轉(zhuǎn)訪問不劃分信道，允許碰撞發(fā)生并想辦法從“碰撞”恢復。一般而言為競爭類的MAC協(xié)議，當然也有分配類和混合類的協(xié)議。對于WLAN，其中競爭類協(xié)議主要有CSMA，MACA，MACAW，F(xiàn)AMA，BTMA等。

11、而非競爭類的協(xié)議主要有FPRP等協(xié)議。三大類MAC協(xié)議20MAC協(xié)議的主要作用是保證公平性和有效的資源共享。MAC機制主要分為兩類：1、基于競爭的協(xié)議； 2、無競爭的信道協(xié)議?；诟偁幍膮f(xié)議假定網(wǎng)絡中沒有中心實體來分配信道資源，每個節(jié)點必須通過競爭媒體資源來進行傳送，當超過一個節(jié)點同時嘗試發(fā)送時，碰撞就會發(fā)生。相反，無競爭的協(xié)議為每個需要需要通信的節(jié)點分配專用的信道資源。無競爭的協(xié)議能夠有效的減少沖突，其代價是突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務的信道利用率可能會比較低。MAC協(xié)議21MAC協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議底層，對網(wǎng)絡性能有著較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡高效通信的關鍵協(xié)議之一。在設計無線傳感器網(wǎng)絡的MAC

12、協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面：n1.能源有效性。由于目前節(jié)點的能量供應問題并沒有得到很好解決，節(jié)約能量也就成為設計無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議首要考慮的因素。n2.可擴展性。通常大部分處于無人照看模式的傳感器網(wǎng)絡應用都需要部署大量的節(jié)點，并且在傳感器網(wǎng)絡生命周期期存在節(jié)點數(shù)目、分布密度的不斷變化、節(jié)點位置的變化以及新節(jié)點的加入等問題，所以無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構具有動態(tài)性。這就需要MAC協(xié)議具有可擴展性，來適應這種動態(tài)變化的拓撲結構。MAC協(xié)議22n3.性能的綜合測評。MAC協(xié)議的設計需要在多種性能間取得平衡。各項性能包括網(wǎng)絡的實時性、公平性、帶寬利用率以及網(wǎng)絡吞吐量等方面。n4.分布式算法。

13、由于傳感器節(jié)點的計算能力和存儲能力有限，需要大量節(jié)點協(xié)同來完成某項任務，因此需要通過MAC協(xié)議的分布式算法有效的調(diào)度節(jié)點來完成任務。MAC協(xié)議23針對不同的用戶應用需求，將WSN的MAC協(xié)議分為3個大類。1.基于競爭的MAC協(xié)議即節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時采用某種競爭機制使用無線信道。這就要求在設計的時候必須要考慮到如果發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，采用何種沖突避免策略來重發(fā)，直到所有重要的數(shù)據(jù)都能成功發(fā)送出去。2.基于固定分配的MAC協(xié)議即節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻和持續(xù)時間是按照協(xié)議規(guī)定的標準來執(zhí)行，這樣以來就避免了沖突，不需要擔心數(shù)據(jù)在信道中發(fā)生碰撞所造成的丟包問題。目前比較成熟的機制是時分復用（TDMA）。

14、MAC協(xié)議243.基于按需分配的MAC協(xié)議即根據(jù)節(jié)點在網(wǎng)絡中所承擔數(shù)據(jù)量的大小來決定其占用信道的時間，目前主要有點協(xié)調(diào)和無線令牌環(huán)控制協(xié)議兩種方式。MAC協(xié)議25WSN MAC協(xié)議名稱：Sensor S-MAC原理：依照802.11協(xié)議，周期性偵聽，節(jié)點協(xié)同完成工作。優(yōu)點：良好的擴展性缺點：節(jié)能效果不好，如圖1中的節(jié)點3即使不需要收發(fā)數(shù)據(jù)也會偵聽網(wǎng)絡。適合：拓撲變化頻繁的網(wǎng)絡 圖1 S-MAC協(xié)議MAC協(xié)議26名稱：Timeout T-MAC原理：TA時間內(nèi)沒有激活事件立即轉(zhuǎn)入Sleep狀態(tài)。優(yōu)點：相比S-MAC減少偵聽能量缺點：比S-MAC有更多的延時。適合：可變負載的網(wǎng)絡圖2 T-MAC協(xié)

15、議MAC協(xié)議27名稱：WiseMAC協(xié)議原理：基于CSMA機制，使用Preamble采樣技術，Preamble長度隨機以避免沖突。優(yōu)點：適應網(wǎng)絡流量變化缺點：因為每個鄰居節(jié)點不同的Sleep和Wake-up時間帶來高延時和能源消耗適合：適用于節(jié)點密度較低的網(wǎng)絡圖3 Wise-MAC協(xié)議PARTFIVE未來展望未來展望29 由于不同應用場合對網(wǎng)絡的要求不同，對MAC協(xié)議來說 ，不存在一個適用于所有WSNs網(wǎng)絡應用的MAC協(xié)議，也沒有一種協(xié)議在各方面明顯強于其他協(xié)議，各種MAC協(xié)議在能量有效性和網(wǎng)絡延遲等性能之間，都存在不同程度的矛盾性，且受到多方面因素的制約，但能量有效性是設計一個好的MAC協(xié)議的關鍵因素，能量高效的MAC協(xié)議仍然是今后的一個開放性研究課題，在現(xiàn)有研究的基礎上，將來WSNs網(wǎng)絡MAC協(xié)議的進一步研究策略和發(fā)展趨勢如下：1.利用多信道和動態(tài)的信道分屏技術進行節(jié)能研究。隨著微電子機械技術的發(fā)展，低能、低成本、集成具有多信道或兩個不同頻率無線模塊未來展望30的收發(fā)器已經(jīng)成為可能。合理地使用多個信