無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC子層

1、 MAC 目錄CONTENTS簡(jiǎn)介Brief Introduction01基本概念Basic Conception02未來展望Future Prospect05結(jié)束End06功能應(yīng)用Application Function03MAC協(xié)議MAC04PARTONE簡(jiǎn)介簡(jiǎn)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(dòng)力這段時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)子層。上面的LLC

2、子層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與硬件無關(guān)的功能，比如流量控制、差錯(cuò)恢復(fù)等；較低的MAC子層提供LLC和物理層之間的接口。簡(jiǎn)介5網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)介6 按功能劃分為兩個(gè)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(guān)的部分和與硬件無關(guān)的部分進(jìn)行區(qū)分，降低研究和實(shí)現(xiàn)的復(fù)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(jìn)行傳輸。在共享同一個(gè)帶寬的鏈路中，對(duì)連接介質(zhì)的訪問是“先來先服務(wù)”的。物理尋址在此處被定

3、義，邏輯拓?fù)洌ㄐ盘?hào)通過物理拓?fù)涞穆窂剑┮苍诖颂幈欢x。線路控制、出錯(cuò)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(shí)現(xiàn)?；靖拍?鏈路鏈路(物理鏈路物理鏈路)是指一條無源的點(diǎn)是指一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段到點(diǎn)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(jié)點(diǎn)它的交換結(jié)點(diǎn)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(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí), 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(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸。把實(shí)現(xiàn)相關(guān)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(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。路上，就構(gòu)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(yīng)用功能應(yīng)用11MACMAC子層處理與各種傳輸介質(zhì)有送的問題，還負(fù)責(zé)在物理層上進(jìn)行無差錯(cuò)的通信，其主要功能是：l成幀/拆幀；l實(shí)現(xiàn)和維護(hù)MAC協(xié)議；l比特差錯(cuò)檢測(cè)；l尋址LLCLLC子層與介質(zhì)無關(guān)，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(cuò)控制；l數(shù)據(jù)包的順序傳輸功能應(yīng)用12MAC子層負(fù)責(zé)把物理層的“ 0 ” 、“1”比特流組建成幀，并通過幀尾部的錯(cuò)誤校驗(yàn)信息進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)；提供對(duì)共享介質(zhì)的訪問方法，包括以太網(wǎng)的帶沖突檢測(cè)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(dú)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(biāo)計(jì)算機(jī)的物理地址添加到數(shù)據(jù)幀上，當(dāng)此數(shù)據(jù)幀傳遞到對(duì)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(yīng)用13MAC應(yīng)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(fù)責(zé)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(shí)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(shí)候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，如果沒有錯(cuò)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(yīng)用。在傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，各種傳輸介質(zhì)的物理層對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的MAC層，目前普遍使用的網(wǎng)絡(luò)采用的是IEEE 802.3的MAC層標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CD訪問控制方式；而在無線局域網(wǎng)中，MAC所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用14LLC應(yīng)用n邏輯鏈路（Logical Links）是實(shí)際電路或邏輯電路上交換通信信息的兩個(gè)端系統(tǒng)之間的一種協(xié)議驅(qū)動(dòng)通信會(huì)話。協(xié)議棧定義了兩個(gè)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(luò)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)和象X25或幀中繼這樣的分組交換網(wǎng)絡(luò)。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(gè)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?？梢哉J(rèn)為邏輯鏈路是存在于網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)末斷系統(tǒng)間的線路。 面向連接的服務(wù)，為了保證可靠的通信，需要建立邏輯線路，但在兩個(gè)端系統(tǒng)間要維持會(huì)

8、話。面向需要應(yīng)答連接的服務(wù) 分組傳輸并有返回信號(hào)的邏輯線路。這種服務(wù)產(chǎn)生更大的開銷，但更加可靠，無應(yīng)答不連接服務(wù) 無需應(yīng)答和預(yù)先的傳送，在端系統(tǒng)間沒有會(huì)話。功能應(yīng)用15OSI協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路層可進(jìn)一步細(xì)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(dāng)它接收到一個(gè)分組后，它從MAC子層向上傳送。如果有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備相連，LLC層可能將分組送給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。例如，在一個(gè)NetWare服務(wù)器上，可能既安裝了以太網(wǎng)絡(luò)適配器又安裝了令牌網(wǎng)絡(luò)適配器，NetWare自動(dòng)地在連接到適配器的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shí)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(diǎn)什么時(shí)候允許發(fā)送分組，而且通?？刂茖?duì)物理層的所有訪問。MAC協(xié)議的主要功能：避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(gòu)建底層的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。MAC 協(xié)議最重要的功能是確定網(wǎng)上的某個(gè)站點(diǎn)占有信道，即信道分配問題。MAC協(xié)議18010203信道劃分隨機(jī)訪問輪轉(zhuǎn)訪問時(shí)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(yīng)用于以太網(wǎng)，CSMA/CA應(yīng)用于802.11無線局域網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)輪詢；令牌傳遞藍(lán)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(shí)分多址(TDMA)、碼分多址（CDMA）02節(jié)點(diǎn)輪流，但有更多信息要發(fā)送的能夠輪流的較長(zhǎng)時(shí)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(fù)。一般而言為競(jìng)爭(zhēng)類的MAC協(xié)議，當(dāng)然也有分配類和混合類的協(xié)議。對(duì)于WLAN，其中競(jìng)爭(zhēng)類協(xié)議主要有CSMA，MACA，MACAW，F(xiàn)AMA，BTMA等。

11、而非競(jìng)爭(zhēng)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(jī)制主要分為兩類：1、基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議； 2、無競(jìng)爭(zhēng)的信道協(xié)議?；诟?jìng)爭(zhēng)的協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中沒有中心實(shí)體來分配信道資源，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須通過競(jìng)爭(zhēng)媒體資源來進(jìn)行傳送，當(dāng)超過一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)嘗試發(fā)送時(shí)，碰撞就會(huì)發(fā)生。相反，無競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議為每個(gè)需要需要通信的節(jié)點(diǎn)分配專用的信道資源。無競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議能夠有效的減少?zèng)_突，其代價(jià)是突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道利用率可能會(huì)比較低。MAC協(xié)議21MAC協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議底層，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有著較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一。在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC

12、協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面：n1.能源有效性。由于目前節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題并沒有得到很好解決，節(jié)約能量也就成為設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議首要考慮的因素。n2.可擴(kuò)展性。通常大部分處于無人照看模式的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要部署大量的節(jié)點(diǎn)，并且在傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期期存在節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分布密度的不斷變化、節(jié)點(diǎn)位置的變化以及新節(jié)點(diǎn)的加入等問題，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性。這就需要MAC協(xié)議具有可擴(kuò)展性，來適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議22n3.性能的綜合測(cè)評(píng)。MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)需要在多種性能間取得平衡。各項(xiàng)性能包括網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、公平性、帶寬利用率以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面。n4.分布式算法。

13、由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限，需要大量節(jié)點(diǎn)協(xié)同來完成某項(xiàng)任務(wù)，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(diǎn)來完成任務(wù)。MAC協(xié)議23針對(duì)不同的用戶應(yīng)用需求，將WSN的MAC協(xié)議分為3個(gè)大類。1.基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議即節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用某種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制使用無線信道。這就要求在設(shè)計(jì)的時(shí)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(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間是按照協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，這樣以來就避免了沖突，不需要擔(dān)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(jī)制是時(shí)分復(fù)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(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)數(shù)據(jù)量的大小來決定其占用信道的時(shí)間，目前主要有點(diǎn)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(diǎn)協(xié)同完成工作。優(yōu)點(diǎn)：良好的擴(kuò)展性缺點(diǎn)：節(jié)能效果不好，如圖1中的節(jié)點(diǎn)3即使不需要收發(fā)數(shù)據(jù)也會(huì)偵聽網(wǎng)絡(luò)。適合：拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò) 圖1 S-MAC協(xié)議MAC協(xié)議26名稱：Timeout T-MAC原理：TA時(shí)間內(nèi)沒有激活事件立即轉(zhuǎn)入Sleep狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：相比S-MAC減少偵聽能量缺點(diǎn)：比S-MAC有更多的延時(shí)。適合：可變負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)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(jī)制，使用Preamble采樣技術(shù)，Preamble長(zhǎng)度隨機(jī)以避免沖突。優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變化缺點(diǎn)：因?yàn)槊總€(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)不同的Sleep和Wake-up時(shí)間帶來高延時(shí)和能源消耗適合：適用于節(jié)點(diǎn)密度較低的網(wǎng)絡(luò)圖3 Wise-MAC協(xié)議PARTFIVE未來展望未來展望29 由于不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求不同，對(duì)MAC協(xié)議來說 ，不存在一個(gè)適用于所有WSNs網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的MAC協(xié)議，也沒有一種協(xié)議在各方面明顯強(qiáng)于其他協(xié)議，各種MAC協(xié)議在能量有效性和網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)一個(gè)好的MAC協(xié)議的關(guān)鍵因素，能量高效的MAC協(xié)議仍然是今后的一個(gè)開放性研究課題，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將來WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的進(jìn)一步研究策略和發(fā)展趨勢(shì)如下：1.利用多信道和動(dòng)態(tài)的信道分屏技術(shù)進(jìn)行節(jié)能研究。隨著微電子機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，低能、低成本、集成具有多信道或兩個(gè)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(gè)信