Synchronisation en réseau de capteurs

Plan de la présentation
Introduction
Synchronisation en réseau filaire
Synchronisation en réseau de
capteurs
Synchronisation en réseau sans fil
Les défis et difficultés
Principes
Classification
Nathalie Mitton
Les différents protocoles
[email protected]
(LIFL, projet INRIA/CNRS/USTL POPS)
Conclusion
2
POPS/LIFL
Définition
Motivations
On a besoin du temps pour
Dater un évènement
Evaluer le temps entre deux évènements
Ordonner les évènements
« Time synchronization in a computer network aims
at providing a common time scale for local clocks
of nodes in the network »
Synchronisation en réseau centralisé ?
Aucune ambigüité de temps
Synchronisation en réseau distribué ?
Aucune horloge globale ou mémoire partagée
Dérive d’horloge
Offset
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POPS/LIFL
4
POPS/LIFL
Terminologie
Le temps ou la date d’une horloge de la machine p
Cp(t) = apt+bp
Fréquence d’horloge : C’p(t) = ap
Taux auquel l’horloge progresse
Offset : bp
La synchronisation classique
différence entre Cp(t) et le temps réel (en général date de
départ)
Comparaison de deux horloges :
CA(t) = aAB CB(t) +bAB
POPS/LIFL
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POPS/LIFL
6
1
Remote Clock Reading Method
Time Transmission Method
A veut se synchroniser à B:
L’émetteur A synchronise le récepteur B:
TB
B
T1
A
T2
T3
T2
T1
A
R1
Tn
TB (T1 ) = TB +
R3
…
Rn
A envoie n messages de synchro. B estime l’horloge TA de A après
réception du nième message comme :
T1 − T0
2
TS = Rn − ( Rn − Tn ) + d
Avec
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POPS/LIFL
Tn =
T0
Rn =
1 n
∑ Ri
n i =1
8
Set-valued Estimation Method
A veut se synchroniser à B:
T1
1 n
∑ Ti
n i =1
POPS/LIFL
Offset Delay Estimation Method
B
R2
T1
A estime l’horloge de B au temps T1 :
A veut se synchroniser à B:
T2
TB
B
T0, T1, T2
A
T0
T3
T0
∆ est la dérive d’horloge entre A et B et d l’offset.
A estime ∆ et d :
∆=
Tn
B
T0
A
…
T3
(T1 − T0 ) − (T3 − T2 )
2
d=
A part de l’équation suivante CA(t) = aAB CB(t) +bAB et cherche à
estimer aAB et bAB à partir de plusieurs ensembles de valeurs (T0,
Tb, Tr).
T0 < aTB + b
(T1 − T0 ) + (T3 − T2 )
2
Tr > aTB + b
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POPS/LIFL
Tr
10
POPS/LIFL
Set-valued Estimation Method
La synchronisation en réseau sans fil
POPS/LIFL
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POPS/LIFL
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2
Les défis
Les défis
Energie limitée
Les réseaux ad hoc et de capteurs sont des réseaux
coopératifs.
Très grand nombre d’entités
Ce qui suppose
Bande passante limitée
Des actions coordonnées (telles le tracking)
Des agrégations de données
De l’ordonnancement
Limite la possibilité d’échanger un grand nombre de messages
Capacités de calcul limitées
Ne peut calculer des dérives pour chaque autre nœud du réseau
D’où l’importance de la synchronisation !!!
Mémoire limitée
Synchronisation sur des chemins multi-sauts
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Les défis
Exigences
Temps de propagation non déterministe
Précision
Impact du choix du matériel, des OS et de la couche
MAC
Durée de validité de la synchronisation
Robustesse
Mobilité
to : Envoi d’un message
accès au canal
Coût
Emetteur
message reçu par la couche MAC
Synchro locale ou globale ?
t1:traitement du message
Récepteur 1
t1_bis : traitement du message
Récepteur 2
POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Si on reliait tous les capteurs à une source d’énergie et
à une horloge universelle ?
La synchronisation en réseau sans fil
Classification
POPS/LIFL
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POPS/LIFL
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Maitre/esclave Vs P2P
Maitre/esclave Vs P2P
Maitre / Esclave
Maitre / Esclave ou ☺ ?
Tous les nœuds se synchronisent au même chef.
élection d’un chef.
Si le chef tombe, tout tombe.
Certaines synchronisations inutiles.
☺ Facile à mettre en œuvre.
Synchronisation Pair-à-Pair ou ☺ ?
Synchronisation Pair-à-Pair
Très difficile à mettre en œuvre.
☺ Plus robuste et plus flexible.
☺ Une paire de nœuds ne se synchronise que si nécessaire.
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Correction d’horloge Vs horloge débridée
Interne Vs externe
Correction d’horloge
Synchronisation interne
A chaque synchronisation, un nœud ajuste son horloge sur
celle de référence.
Il n’existe aucune horloge de référence dans le système.
Synchronisation externe
Horloge débridée
Il existe une horloge de référence, comme par exemple un
nœud équipé d’un GPS.
synchronisation maitre/esclave
Chaque horloge vit librement mais chaque nœud garde en
mémoire les données nécessaires pour convertir son temps
local en la base de temps de chacun des autres.
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Local Vs global
Comment classez-vous cet exemple ?
Synchronisation locale
Seul un sous-ensemble du système est synchronisé.
Synchronisation globale
Tout le réseau est synchronisé sur la même horloge.
POPS/LIFL
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POPS/LIFL
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4
Les protocoles
Malgré les problématiques du sans fil, la majorité
de ces protocoles se basent sur les méthodes
classiques.
Les protocoles de synchronisation en
réseau sans fil
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
RBS – Elson&Estrin 2001
RBS : Reference Broadcast Synchronization
Exploite la particularité de diffusion du sans fil
Cherche à synchroniser un ensemble de receveurs.
Suppose que tous les receveurs reçoivent en même temps.
La synchronisation en réseau sans fil
RBS
Source
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
RBS
☺ et ☺
☺
to : Envoi d’un message
Ne se synchronise que si nécessaire (si envoi de message)
accès au canal
Économie d’énergie
Emetteur
Plus grande partie des sources d’erreur éliminée
Estimation des dérives d’horloges indépendamment les unes des
autres
message reçu par la couche MAC
t1:traitement du message
Récepteur 1
Pas de conflit
t2 : traitement du message
Multi-sauts possible
Récepteur 2
Ne fonctionne pas si un seul récepteur
Grande complexité de messages à échanger
On suppose t1 = t2.
On élimine les premières zones d’incertitudes.
Horloges débridées.
POPS/LIFL
Pour n receveurs, n(n-1) messages
Temps de convergence non borné
L’émetteur reste non synchronisé
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POPS/LIFL
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Time Synchronization – Romer 2001
Synchronisation très faible:
Ne cherche qu’à ordonner deux évènements
Se limite aux synchronisations pair-à-pair.
Suppose une dérive d’horloge bornée.
La synchronisation en réseau sans fil
Time Synchronization
Ne se synchronise que si un évènement survient.
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Time Synchronization – Romer 2001
☺ et ☺
A encadre la date de l’évènement survenu à TB.
B
☺
TB
Ne se synchronise que si nécessaire (si envoi de message)
Économie d’énergie
Horloges débridées
Multi-sauts possible
Estimation bornée
A
T1
Si TU = temps universel, on a TU-ξ < T1 < TU+ξ.
A va encadrer la valeur T1-Tb afin de savoir depuis combien de
temps l’évènement a eu lieu à partir d’une estimation du RTT.
L’erreur (ou la taille de l’intervalle d’estimation)
augmente avec le nombre de sauts.
Nécessite une estimation du RTT.
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Network-wide synchronization – Ganeriwal, Kumar,
Adlakha & Srivastava 2003
Synchronisation globale
Utilise la méthode Offset Delay Estimation
En 2 étapes:
La synchronisation en réseau sans fil
Network-wide synchronization
POPS/LIFL
1. attribution d’un niveau à chaque nœud
2. synchronisation des nœuds de niveau i à leur père de niveau i-1
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POPS/LIFL
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6
Network-wide synchronization – Ganeriwal, Kumar,
Offset Delay Estimation Method
Adlakha & Srivastava 2003
A veut se synchroniser à B:
Etape 1 : attribution d’un niveau
T2
T1
B
T0
A
Par algorithme classique d’élection de leader.
Construction d’un arbre de niveau.
T0, T1, T2
Niveau 2
Niveau 0
T0
Niveau 1
T3
∆ est la dérive d’horloge entre A et B et d l’offset.
A estime ∆ et d :
Niveau 1
(T − T ) − (T3 − T2 )
∆= 1 0
2
(T − T ) + (T3 − T2 )
d= 1 0
2
Niveau 3
Niveau 1
Niveau 2
Niveau 2
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POPS/LIFL
Niveau 2
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POPS/LIFL
Network-wide synchronization – Ganeriwal, Kumar,
☺ et ☺
Adlakha & Srivastava 2003
Etape 2 :
Synchronisations initiées par la racine de l’arbre
Vagues de synchronisation
☺
Passe à l’échelle
Permet de nombreuses applications
Demande une hiérarchie
Temps de convergence pouvant être important
Niveau 0
Niveau 1
Niveau 2
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
Tiny Synchronization – Sichitiu & Veerarittiphan
2003
Basé sur échange de messages
Applique la méthode Set-valued Estimation
Détermine une borne assez fine de la dérive.
La synchronisation en réseau sans fil
Tiny Synchronization
POPS/LIFL
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POPS/LIFL
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7
Set-valued Estimation Method
☺ et ☺
☺
Faible complexité en calcul et mémoire
Robuste face à la perte de paquets
Supporte mal le passage à l’échelle
Temps de convergence pouvant être important
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
LTS – Greunen & Rabaey 2003
LTS : Lightweight Tree-based Synchronization
Cherche à synchroniser non pas en augmentant la précision
mais à diminuer la complexité pour une précision voulue.
La synchronisation en réseau sans fil
LTS
2 algorithmes
1 centralisé
1 distribué
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POPS/LIFL
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POPS/LIFL
LTS
☺ et ☺
Algo centralisé :
Un arbre couvrant est calculé à partir d’une source qui devient la
racine.
La racine à la responsabilité d’initier les synchronisations.
Les synchronisations se font en pair à pair le long des arêtes de
l’arbre.
☺
Évite les synchronisations inutiles
Algo distribué :
Chaque nœud décide d’initier ou non une synchronisation
quand il en a besoin.
Il envoie une requête de synchronisation à son nœud de
référence le plus proche (atteint par routage classique).
Il se synchronise avec ce nœud référence.
POPS/LIFL
Nécessite la synchronisation de tous les nœuds sur le
chemin vers le nœud référence
Goulot d’étranglement.
Peut générer un grand nombre de paires à synchroniser.
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POPS/LIFL
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Sources et autres références
F.Sivrikaya and B.Yener, « Time Synchronization in Sensor Networks: A Survey » IEEE Networks 2004
B. Sundararaman, U. Buy, A.D. Kshemkalyani, « Clock Synchronization in Wireless Sensor Networks: A
Survey », Ad-Hoc Networks 2005
J. Elson, L. Girod, and D. Estrin. « Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference
Broadcasts. » Proc. Fifth Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 2002), Vol
36, pp. 147–163, 2002.
J. Elson and K. Romer. « Wireless Sensor Networks: A New Regime for Time Synchronization ». Proc.
First Workshop on Hot Topics In Networks (HotNets-I), Princeton, New Jersey. Oct. 2002.
R. C. Shah and J. Rabaey. « Energy Aware Routing for Low Energy Ad hoc Sensor Networks ». IEEE
Wireless Communication Conference (WCNC), pp. 350–355,March 2002.
S. Ganeriwal, R. Kumar, S. Adlakha, and M. Srivastava. « Network-wide Time Synchronization in Sensor
Networks. » Technical Report, Networked and Embedded Systems Lab, Elec. Eng. Dept., UCLA, 2003.
K. Romer. « Time Synchronization in Ad Hoc Networks. » Proc. ACM Symposium on Mobile Ad Hoc
Networking and Computing (MobiHoc ’01), pp. 173–182, Oct. 2001.
M. L. Sichitiu and C. Veerarittiphan. « Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor
Networks. » Proc. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2003), 2003
J. van Greunen and J. Rabaey. « Lightweight Time Synchronization for Sensor Networks. » Proc. 2nd
ACM Int. Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications (WSNA ’03), California, Sept. 2003.
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