对一种改进的节能和医疗物联网应用程序的端到端安全协议

文摘

在本文中,我们提出了LCX-MAC(当地协调X-MAC) X-MAC的延伸。X-MAC是一个异步的工作周期介质访问控制(MAC)协议。X-MAC短暂的序言的使用的一个重要技术,允许发送方节点快速发送实际数据时,相应的接收器醒来。X-MAC节点发送简短的导言醒来它接收节点,导致能源、增加传输延迟,并使信道忙因为很多简短的前言是丢弃,因为这些天物联网(物联网)医疗保健用不同的传感器节点是时间关键型应用程序和需要快速反应。可能改善X-MAC本地信息的每个节点与其邻居节点将分享。这个地方信息交换将导致更少的开销比节点同步。计算的影响当地协调X-MAC在本文中,我们建立了一个分析模型包含的LCX-MAC X-MAC当地的协调。分析结果表明,LCX-MAC优于X-MAC和X-MAC / BEB的吞吐量,延迟,和精力。

1。介绍

与快速发展的物联网医疗设备,大量的数据传输有限的能源资源,因此要求物联网医疗环境主要是由无线传感器节点收集不同的数据环境(1,2]。MAC协议和工作周期机制已经建立了节能的主要物联网医疗和无线传感器网络(网络)。物联网医疗和网络有很多数量的节点;每个节点都有一个收发器和多个传感器来监测环境的变化和发送感知数据收集中心直接或通过一些中间节点。通知的事件很少发生,节点只醒来定期发送或接收数据在短时间内被称为工作循环机制。节点只在短时间内醒来,仍然大部分时间处于睡眠模式。在睡眠模式下,节点关闭收发机节约能源,避免闲置听。因此,一个工作循环交换延长睡眠时间和苏醒时间短时间来节约能源。

MAC协议和工作周期行为大致分为两类,异步和同步。节点在异步MAC协议随机唤醒并保持发送序言,直到其相应的接收器变得清醒。同步MAC协议不时地与他们的邻居节点交换他们的日程安排信息。第一个同步MAC协议是S-MAC [3),有许多修改等S-MAC麦迪(4],RMAC [5],DW-MAC [6],SCP-MAC [7主要目的是节约能源。

提高能源效率、异步MAC协议组成的B-MAC [8],WiseMAC [9],X-MAC [10)使用不同的方法相比,同步MAC协议。在异步MAC协议中,每个节点允许函数独立于它的邻居节点。独立工作的优点是节点不定期交换他们的进度信息;然而,在异步发送节点的MAC协议需要继续发送长的导言,直到相应的接收器节点醒来。甚至接收器检测到序言的存在,但它必须保持清醒,无法回复其发送者节点。发送方节点结束的时候无优先的序言策略发送实际数据。尽管异步MAC协议执行更好,与罕见类型的网络流量,这些协议前言一个责任周期的持续时间长的问题。那些较少的网络发送数据,工作周期长将消耗更多的能量,因为它需要长的导言醒来接收器。

B-MAC有许多变种。X-MAC是B-MAC变异有两个先进的功能。第一个函数是X-MAC允许接收器节点回复立即发送节点的可用性,即使是在序言的传播。X-MAC把可中断序言短的前言与休息的接收机醒来可以迅速回应,这被称为早期确认(ACK)。另一功能是X-MAC插入目标地址在每一个序言,所以听到节点问题已经解决了。

尽管X-MAC减少持续时间长的导言,它仍在拥挤的网络性能下降由于碰撞。没有机制X-MAC处理冲突。X-MAC,发送方节点不能识别的发生碰撞,因此,节点发送序言的完整周期一旦发生了碰撞。有碰撞的可能性使用常数的重传,因为争用窗口。注意,在二进制指数倒扣(BEB)算法,连续波是双连续碰撞发生。

网络节点在物联网医疗和过度拥挤,所以碰撞的概率很高,因为空间相关的论点(SCC)(11密切),许多节点位于同一事件和同时开始发送数据。为解决这个问题,我们需要设计和控制SCC因为碰撞可以发生减少吞吐量和能源效率。对于这个问题,我们提出了X-MAC / CA (12]和X-MAC / BEB [13]协议;X-MAC / CA X-MAC防撞(CA),和X-MAC / BEB X-MAC与BEB算法随机传输时间。随着网络变得拥挤,BEB减少碰撞的影响通过动态随机的传输时间。

至于X-MAC和X-MAC / BEB,发送方节点不断发送简短的导言,直到其接收方节点醒来,导致能源消耗,使介质忙许多短前言被丢弃,因为接收方节点不清醒。可能的改进X-MAC X-MAC / BEB是每个节点将分享其唤醒,这样每个节点与其邻居节点信息可以知道它的邻居节点的唤醒时间,命名为LCX-MAC。

这个唤醒的交换信息将导致非常低的开销相比,节点的同步用于其他同步协议,这将减少的问题发送许多数字发送简短的导言,现在每个节点只需要发送一个简短的导言。唤醒信息分享可以帮助邻近的节点访问共享媒介合作,这将解决空间相关的争用。本研究旨在开发一种节能和低延迟X-MAC为物联网医疗和网络协议。减少持续时间短的X-MAC前言/ BEB,我们将同步的唤醒时间源和目的地之间的节点。

本研究工作是我们之前的扩展X-MAC / BEB。X-MAC / BEB只添加到BEB X-MAC协议,但在本研究使用X-MAC / BEB调整发送节点的唤醒时间根据相应的接收器节点,作为发送方节点X-MAC和X-MAC / BEB发送简短的导言,直到他们的接收器的问题回复给更多的相当大的延迟和能源消耗。

X-MAC和我们提出X-MAC基于CSMA / CA和X-MAC / BEB。在CSMA,每个节点试图访问共享介质数据准备发送时使MAC协议简单而导致“忙中”作为一个节点发送简短的前言醒来它接收器节点,导致能源消耗,使中忙碌的简短的前言丢弃。繁忙的介质问题也会影响的结果应用长工作周期的方法,在发送节点不断发送许多短暂的序言,增加能源消耗其接收器节点醒来。

忙碌中通过发送许多短前言发生因为发送方节点没有信息的接收方节点工作周期信息(X-MAC和X-MAC / BEB是异步的MAC协议)。这个问题的可能的扩展X-MAC X-MAC / BEB是每个节点与邻国交往唤醒信息节点,发送方节点唤醒信息的接收方节点。

重要的是要注意,这唤醒的交流信息将导致非常低的开销相比,节点同步用于同步的MAC协议。不过,它将有效地解决繁忙的介质问题,每个发送节点只发送一个短的序言,知道其接收器节点醒来。

唤醒的信息交换允许邻近节点协调访问共享媒介,因此解决问题的空间相关的争用。例如,每个发送节点可以根据其邻居节点访问访问介质,导致增加吞吐量和降低能源消耗。这个邻居信息的交换和如何协调是热点研究问题,需要更多的研究。

本文的其余部分由以下组成。部分2关于相关工作和吗第三节介绍了LCX-MAC协议。第四节描述了马尔可夫模型的MAC协议对网络和物联网医疗保健。第五节介绍了LCX-MAC的扩展性能模型,第五节评估的性能与X-MAC LCX-MAC / BEB和X-MAC。最后,第六节总结了纸。

2。相关工作

获得更好的性能在MAC层,有很多不同的扩展等X-MAC提出,DDC MAC (14],CL-MAC [15],EX-MAC [16),(VT) (17],RIX-MAC [18],TRIXMAC [19],LA-MAC [20.]。

动态工作周期MAC (DDC-MAC)协议提出了物联网环境调整工作周期(DC)接收节点的比例和竞争窗口(CW)发送节点的大小根据各种设备的物联网的交通拥堵。DDC-MAC只减少了传输延迟和能量消耗。我们建议LCX-MAC不仅降低延迟和能源消耗,还增加了吞吐量。

CLMAC提出了多次反射减少延迟的网络;CLMAC使用同步函数包括接收者节点地址和交会(RDV)在短暂的序言。所有周围的邻居节点发送方节点应该醒来RDV点所示。所有的邻居节点,包括接收方节点读序言之后,安排下一个唤醒时间根据RDV点。减轻碰撞RDV时候,CL-MAC使用补偿算法在恒定的连续波。CL-MAC没有给出任何结果如何补偿算法对吞吐量的影响,延迟和能源消耗。

节能EX-MAC还希望减少延迟在种网络和物联网健康通过预订请求同步源和目的地之间的中间节点。然而,EX-MAC没有网络过载时的碰撞的机制。

提出了虚拟隧道(VT)降低端到端延迟多次反射了网络和物联网健康通过实现同步在邻居的工作周期(SND)机制。为此,VT插入时间表信息在每一个序言,所以每个节点知道下一个邻国的唤醒时间。VT还没有提供一个机制来碰撞问题。

有receiver-initiated MAC协议,RIX-MAC TRIX-MAC。都有相同的工作机制,由发送方节点根据其接收机调整唤醒唤醒时间早期ACK。两个协议显然包括接收方节点的唤醒时间包括唤醒时间提前ACK。然而,它需要定期的节点同步时钟时间的节点,这是非常困难的在大型网络和物联网医疗有很多节点,让时钟漂移问题。

LA-MAC列表发送节点醒来取决于相应的接收节点的优先级顺序唤醒时间。LA-MAC也降低了延迟通过允许发送节点传输多个帧接收机。然而,X-MAC只允许两个发送方发送的数据帧一个周期时,目标节点接收器是一样的。

LA-MAC不提供任何机制如何在重载下工作网络监控碰撞。

还有另一个类别的MAC协议最近使用轮为称为Quorum-system-based MAC协议。QTSAC [21]介绍了MAC协议最小化网络延迟和能源消耗。QTSAC不同于早期的基于群体的MAC协议使用两个高级特性。首先,它使用更多的规定性(Quorum时段)节点离水槽节点;第二,规定性分配,当数据传输。然而,使用更多的规定性的数量将增加能源消耗。

所有这些扩展X-MAC协议是无线传感器网络的建议。不过,我们当地的协调与BEB MAC和LCX-MAC不仅适用于网络,还包括物联网医疗解决方案的数据非常关键和时效性。

为确保端到端网络的源和目的节点之间的通信,使用不同的方法来识别网络中的恶意节点。安全分离Routing-Based验证消息(SDRVM) (22)提出了不同的特性。前两集创建基于剩余能量的节点,一组数据和v-message,第二个是基于剩余能量;数据包的节点记录ID与特定的概率。第三,调整节点的工作周期和节点的能量分为三个层次。在一个数据集,该节点的工作周期是最长的节点没有任何数据集是最短的工作周期。第四,如果一个节点有足够的能量,那么几次,传输数据和v-message存储在节点传输到最终目的地节点。然而,使用这些不同的模式会增加节点的能源消耗。

3所示。LCX-MAC(本地协调X-MAC)

图1礼物发送者的LCX-MAC算法的流程图节点。当一个发送者发送节点醒来,有一些数据,节点执行序言倒扣通过随机画一个整数的数字我从最小的连续波(竞争窗口)(0, )并持有的传播我时段。

计数为零后倒扣定时器和clear channel评估(CCA),当介质是免费的,然后发送者开始发送简短的前言和等待收到ACK结束时每一个序言。当介质是免费的,然后发送者开始发送简短的前言和等待收到ACK的序言。一旦发送节点得到证实,它发送一个数据帧和进入睡眠模式。如果发送方节点不得到一个ACK整个时期由于碰撞,倒扣计数器k增量。LCX-MAC尝试重新发送,直到下一次循环k达到预定的最大或传输成功。当发送方节点收到ACK早期,所以接收方节点将其唤醒时间发送给相应的发送节点。发送方节点调整唤醒时间根据其接收节点。最终成功的传播,k递减,除非k= 0。

当介质忙倒扣定时器的计数为零后,发送方节点保持清醒和接收其他节点序言;时知道目的地址是一样的,它要发送数据,所以它保持清醒为当前传输完成。在当前的传播,其他节点发送者使用常数竞争窗口倒扣避免碰撞,因为也许不止一个发送者等待发送数据帧。

的行为X-MAC / BEB和LCX-MAC如图2。两个发送节点,年代₁和年代₂,赢得竞争信道接收器发送数据帧R₁和R₂,分别。作为发送方节点年代₁选择偶然随机倒扣计时器小于年代₂,发送节点年代₁传输三个简短的前言的过期倒扣计时器。作为发送方节点年代₂检测介质忙倒扣计时器过期的,所以它拥有发送短暂的序言到下一个循环。在接下来的工作周期,发送方节点年代₂重启其BEB算法。作为发送方节点年代₂是唯一的发送方如图2,所以发送节点年代₂发送两个简短的前言倒扣计时器过期。至于LCX-MAC,发送方之间交换唤醒后信息和相应的接收器,发送方发送只有一个短暂的序言,导致节能和减少延迟。

4所示。马尔可夫模型工作周期的MAC协议

调查MAC协议的性能与工作周期行为,作者(23)提出了一个通用机制组成的两个模型:第一个模型的周期性行为和第二个模型针对任何个人行为的MAC协议。第一个建立马尔可夫模型根据数据帧存储在缓冲区的数量达到从上层或着手底层的通道。第二个模型是建立根据介质访问行为的MAC协议发送数据帧。利用这两个模型,我们将有两个广泛的方程,两个未知变量。

第一个工作周期的MAC协议的马尔可夫模型(23)描述的状态之间的转换节点如图3。节点的缓冲区状态表示为一些围成一圈,表示数量的帧缓冲队列的MAC协议。事件所示箭头对应链接的框架的离职或框架从上层的到来,分别。在所有允许的转换,这个模型做了一些假设,只有将传输一帧一个周期,而超过一帧可以到在一个周期内。表1包含所有重要的符号。

一个节点队列的马尔可夫模型有三个类型的概率。生成的概率我在一个周期frame一个_我固定的概率空队列状态π₀,一个节点只能传输一个数据帧每周期的概率p。方程(1)是一组方程,表达P_我,j、状态转移概率一个_我和p,在哪里我和j帧的数量节点队列在前面的周期和帧的数量在当前周期,分别。前两个方程(1)描述了从一个空的队列非空的队列根据帧的数量我发生,我帧到达一个周期。有关详细信息,请参考[23]。

的性能模型23构建(2)和(3相关的)π= (π₀,π₁,π_2,…,π_问)、独特的平稳分布P转换矩阵。在(2)π_我是一个节点固定概率我帧。

方程(3)显示稳定节点的一个条件。通过了解数据帧到达的信息,我们可以结合三个方程,(1)- (3),删除P_我,j和π_我通过表达只一个_我和p。

如果数据帧到达率是已知的,那么方程一个_我与泊松过程(4),是用来表达π₀一个函数的p(23]。

在(4),p我们需要另一个未知变量函数给出了(5),与p来π₀。(5),第二个模型为MAC协议是必要的p取决于介质访问行为。在下一节中,我们推导出(5)涉及p和π₀根据LCX-MAC的行为。

5。统计分析

5.1。吞吐量LCX-MAC

计算的吞吐量LCX-MAC (6),这是用于(23),是总数的比例数据成功传输一个周期T总周期长度T。

在(6),年代是一个数据帧的大小,π₀就是一个节点的概率没有帧队列中,然后呢P_Succ成功为每个节点传输一个数据帧。

的唯一区别X-MAC / BEB LCX-MAC是X-MAC / BEB平均发送T/ 2的一个周期短的序言,虽然LCX-MAC只发送一个简短的导言。

X-MAC / BEB方程如下:

方程LCX-MAC如下:

5.2。延迟LCX-MAC

方程(9)是用来计算的时间框架一代在接收器发送成功转让分为三种不同类型的延迟,D_问排队延迟,D_连续波随机补偿延迟,D_C争用延迟。

X-MAC / BEB方程如下:

方程LCX-MAC如下:

在LCX-MAC,发送方节点调整唤醒时间对应的接收机,而且没有争用延迟。

5.3。功耗的LCX-MAC

方程(11)用于找到每循环使用的总能量,每个节点,可以表示为节点的能量可以在五个不同的国家。E₁成功是一个节点,传送一个数据帧,E₂成功是一个节点,接收到数据帧时,E₃碰撞是一个节点传输数据帧时,E₄是一个节点,该节点是一个潜在的接收器的数据帧,但是失败了,因为碰撞,,最后,E₅整个活动时间保持清醒。X-MAC LCX-MAC作品的接收器节点,所以美国E₂,E₄,E₅有相同的能源消耗23]。

的唯一区别X-MAC / BEB和LCX-MAC X-MAC / BEB平均T/ 2次一个周期的能量消耗在早期发送简短的导言和接收应答,而LCX-MAC只发送一个简短的导言。

X-MAC / BEB方程如下:

方程LCX-MAC如下:

6。评估

本节对吞吐量、延迟和每帧LCX-MAC能耗,X-MAC / BEB, X-MAC分析模型。表2包含用于数学计算的重要参数和值。

图4表明LCX-MAC,由绿色的酒吧,优于X-MAC / BEB红酒吧和X-MAC所示所示蓝色酒吧随着节点数的增加。

图5表明LCX-MAC很小的延迟,因为只有少量的时间是用来发送一个简短的导言。相比之下,X-MAC / BEB和X-MAC发送平均周期的一半(T/ 2)时间短的序言;这就是为什么X-MAC / BEB的延迟和X-MAC上升时的节点数量增加。

图6显示,E_{帧/ s /节点}LCX-MAC, X-MAC / BEB, X-MAC瀑布随着网络中节点的数量的增加,因为节点发送数据帧的机会更少由于繁忙的介质,导致终止数据传输,因此节点大部分时间呆在睡眠模式。

7所示。结论和未来的工作

我们提出了物联网LCX-MAC医疗和网络,发送节点的唤醒时间配合相应的接收器来增加吞吐量,减少延迟,并减少能源消耗。平均周期的一半X-MAC和X-MAC / BEB,每个节点发送简短的前言和侦听早期ACK之前发送实际数据。我们也延长X-MAC / BEB的模型。结果表明,增加LCX-MAC X-MAC / BEB当节点的性能在物联网和网络成为填充。LCX-MAC的吞吐量相比,增加了130%的吞吐量X-MAC 40 / BEB的节点数量。LCX-MAC是一种同步的MAC协议和更低的开销相比,同步的MAC协议使最小的延迟,我们将与同步比较LCX-MAC MAC协议在我们未来的工作。X-MAC / BEB的能耗和LCX-MAC相比减少了40%的能源消耗X-MAC。

介绍了单希望网络拓扑。在未来,我们将扩展到多次反射网络拓扑节点的物联网环境中多次反射。我们还将做详细的仿真验证分析模型的结果在网络仿真器(ns2)版本2 (24]。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在手稿中。

的利益冲突

所有作者宣称他们没有利益冲突的任何形式的与本研究相关的研究。

确认

这项研究工作是由美国国家科学基金会支持的中国(U1636203)和中国国家重点研发项目(2016号yfb0801200)。

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