Synchronisation en réseau de capteurs

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1 Plan de la présentation Introduction Synchronisation en réseau de capteurs Nathalie Mitton (LIFL, projet INRI/CNRS/USTL POPS) Synchronisation en réseau filaire Synchronisation en réseau sans fil Les défis et difficultés Principes Classification Les différents protocoles Conclusion 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? ucune ambigüité de temps Synchronisation en réseau distribué? ucune horloge globale ou mémoire partagée Dérive d horloge Offset 3 4 Terminologie Le temps ou la date d une horloge de la machine p C p (t) = a p t+b p Fréquence d horloge : C p (t) = a p Taux auquel l horloge progresse Offset : b p différence entre C p (t) et le temps réel (en général date de départ) La synchronisation classique Comparaison de deux horloges : C (t) = a C (t) +b 5 6

2 veut se synchroniser à : Remote Clock Reading Method L émetteur synchronise le récepteur : Time Transmission Method T T T T 3 T n T T T 3 T n R R R 3 R n T 0 T estime l horloge de au temps T : T T0 T ( T ) = T + 7 envoie n messages de synchro. estime l horloge T de après réception du n ième message comme : vec TS = Rn ( Rn Tn ) + d T = n n T i n i= R = n n R i n i= 8 Offset Delay Estimation Method Set-valued Estimation Method veut se synchroniser à : veut se synchroniser à : T T T T 0 T 0, T, T T 0 T 3 T 0 T r est la dérive d horloge entre et et d l offset. estime et d : T T0 ) ( T = ( 3 T ) d = ( T T T0 ) + ( T3 ) part de l équation suivante C (t) = a C (t) +b et cherche à estimer a et b à partir de plusieurs ensembles de valeurs (T 0, T b, T r ). T T 0 r < at > at + b + b 9 0 Set-valued Estimation Method

3 Les défis Les réseaux ad hoc et de capteurs sont des réseaux coopératifs. Ce qui suppose Des actions coordonnées (telles le tracking) Des agrégations de données De l ordonnancement D où l importance de la synchronisation!!! Energie limitée Très grand nombre d entités Les défis ande passante limitée 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 Mémoire limitée Synchronisation sur des chemins multi-sauts 3 4 Les défis Exigences Temps de propagation non déterministe Précision Impact du choix du matériel, des OS et de la couche MC Durée de validité de la synchronisation Mobilité Robustesse Emetteur to : Envoi d un message accès au canal message reçu par la couche MC Coût Récepteur t:traitement du message Synchro locale ou globale? t_bis : traitement du message Récepteur 5 6 Si on reliait tous les capteurs à une source d énergie et à une horloge universelle? Classification 7 8 3

4 Maitre/esclave Vs PP Maitre/esclave Vs PP Maitre / Esclave Tous les nœuds se synchronisent au même chef. Maitre / Esclave ou? élection d un chef. Si le chef tombe, tout tombe. Certaines synchronisations inutiles. Facile à mettre en œuvre. Synchronisation Pair-à-Pair Synchronisation Pair-à-Pair ou? Très difficile à mettre en œuvre. Plus robuste et plus flexible. Une paire de nœuds ne se synchronise que si nécessaire. 9 0 Correction d horloge Vs horloge débridée Interne Vs externe Correction d horloge chaque synchronisation, un nœud ajuste son horloge sur celle de référence. Synchronisation interne Il n existe aucune horloge de référence dans le système. Horloge débridée 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. Synchronisation externe Il existe une horloge de référence, comme par exemple un nœud équipé d un GPS. synchronisation maitre/esclave 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

5 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 5 6 RS Elson&Estrin 00 RS : Reference roadcast 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. RS Source 7 8 RS Emetteur Récepteur Récepteur to : Envoi d un message accès au canal message reçu par la couche MC t:traitement du message t : traitement du message On suppose t = t. On élimine les premières zones d incertitudes. Horloges débridées. Ne se synchronise que si nécessaire (si envoi de message) Économie d énergie Plus grande partie des sources d erreur éliminée Estimation des dérives d horloges indépendamment les unes des autres Pas de conflit Multi-sauts possible Ne fonctionne pas si un seul récepteur Grande complexité de messages à échanger Pour n receveurs, n(n-) messages Temps de convergence non borné L émetteur reste non synchronisé

6 Time Synchronization Romer 00 Synchronisation très faible: Ne cherche qu à ordonner deux évènements Se limite aux synchronisations pair-à-pair. Time Synchronization Suppose une dérive d horloge bornée. Ne se synchronise que si un évènement survient. 3 3 Time Synchronization Romer 00 encadre la date de l évènement survenu à T. T T Si TU = temps universel, on a TU-ξ < T < TU+ξ. va encadrer la valeur T-Tb afin de savoir depuis combien de temps l évènement a eu lieu à partir d une estimation du RTT. Ne se synchronise que si nécessaire (si envoi de message) Économie d énergie Horloges débridées Multi-sauts possible Estimation bornée L erreur (ou la taille de l intervalle d estimation) augmente avec le nombre de sauts. Nécessite une estimation du RTT Network-wide synchronization Ganeriwal, Kumar, dlakha & Srivastava 003 Synchronisation globale Utilise la méthode Offset Delay Estimation Network-wide synchronization En étapes:. attribution d un niveau à chaque nœud. synchronisation des nœuds de niveau i à leur père de niveau i

7 Offset Delay Estimation Method Network-wide synchronization Ganeriwal, Kumar, dlakha & Srivastava 003 veut se synchroniser à : T T T 0 T 0, T, T T 0 T 3 Etape : attribution d un niveau Par algorithme classique d élection de leader. Construction d un arbre de niveau. Niveau 0 Niveau Niveau est la dérive d horloge entre et et d l offset. estime et d : T T0 ) ( T = ( 3 T ) d = ( T T T0 ) + ( T3 ) Niveau Niveau Niveau Niveau 3 37 Niveau Niveau 38 Network-wide synchronization Ganeriwal, Kumar, dlakha & Srivastava 003 Etape : Synchronisations initiées par la racine de l arbre Vagues de synchronisation Passe à l échelle Permet de nombreuses applications Niveau 0 Demande une hiérarchie Temps de convergence pouvant être important Niveau Niveau Tiny Synchronization Sichitiu & Veerarittiphan 003 asé sur échange de messages pplique la méthode Set-valued Estimation Tiny Synchronization Détermine une borne assez fine de la dérive

8 Set-valued Estimation Method 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 LTS Greunen & Rabaey 003 LTS : Lightweight Tree-based Synchronization Cherche à synchroniser non pas en augmentant la précision mais à diminuer la complexité pour une précision voulue. LTS algorithmes centralisé distribué LTS lgo 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. lgo 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. Évite les synchronisations inutiles 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

9 Sources et autres références F.Sivrikaya and.yener, «Time Synchronization in Sensor Networks: Survey» IEEE Networks 004. Sundararaman, U. uy,.d. Kshemkalyani, «Clock Synchronization in Wireless Sensor Networks: Survey», d-hoc Networks 005 J. Elson, L. Girod, and D. Estrin. «Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference roadcasts.» Proc. Fifth Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 00), Vol 36, pp , 00. J. Elson and K. Romer. «Wireless Sensor Networks: New Regime for Time Synchronization». Proc. First Workshop on Hot Topics In Networks (HotNets-I), Princeton, New Jersey. Oct. 00. R. C. Shah and J. Rabaey. «Energy ware Routing for Low Energy d hoc Sensor Networks». IEEE Wireless Communication Conference (WCNC), pp ,March 00. S. Ganeriwal, R. Kumar, S. dlakha, and M. Srivastava. «Network-wide Time Synchronization in Sensor Networks.» Technical Report, Networked and Embedded Systems Lab, Elec. Eng. Dept., UCL, 003. K. Romer. «Time Synchronization in d Hoc Networks.» Proc. CM Symposium on Mobile d Hoc Networking and Computing (MobiHoc 0), pp. 73 8, Oct. 00. M. L. Sichitiu and C. Veerarittiphan. «Simple, ccurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks.» Proc. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 003), 003 J. van Greunen and J. Rabaey. «Lightweight Time Synchronization for Sensor Networks.» Proc. nd CM Int. Workshop on Wireless Sensor Networks and pplications (WSN 03), California, Sept