최근 연구가 활발히 전행되고 있는 IP기반 무선 센서네트워크 기술은 현대인들 삶의 질적 향상이나 요구사항을 만족시키기 위해 반드시 필요한 기술 중의 하나이다. IP기반 무선 센서네트워크의 대표 기술로는 6LoWPAN프로토콜이 있다. 기존 6LoWPAN 프로토콜 상에서 제공되는 기능 중 단편화 기법은 여러 개의 IEEE 802.15.4프레임이 나뉘어져 도착하는 것을 말하는데, 센서네트워크의 프로토콜 데이터 단위가 102바이트인데 반해 IPv6의 최대 전송 단위가 1280바이트로 큰 차이를 보이기 때문에 이를 극복하기 위한 기술로 단편 패킷 전송의 특성상 많은 에너지 소모가 일어난다. 본 논문에서 제안한 ID 기반 단편 패킷 전송 기법을 적용한 결과 주소 방식(16, 64bit)에 따라 약 7-22% 정도 전송횟수가 감소되었다. 뿐만 아니라, 기존 LOAD라우팅 프로토콜을 사용하여 경로 설정을 할 경우 센서노드가 통신을 할 수 없는 경우가 아니면 한번 설정된 경로는 변하지 않는다. 이는 특정 노드의 에너지 고갈을 야기 시키고 네트워크 전체에 영향을 주기 때문에 적절한 에너지 분배가 이루어져야 한다. 에너지 분배를 고려할 수 있도록 제안한 LOAD 라우팅 프로토콜은 통신이 이루어질수록 전체 네트워크 내에 모든 노드들의 에너지는 균등하게 유지됨을 보였다. 또한 한 번의 라우팅 수행 시 이웃 노드들의 정보를 획득할 수 있어 원 홉 데어터 전송에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안된 6LoWPAN 프로토콜은 에너지 제약 조건이 심한 무선 센서네트워크 환경에 매우 적합하다 할 수 있다.
최근 연구가 활발히 전행되고 있는 IP기반 무선 센서네트워크 기술은 현대인들 삶의 질적 향상이나 요구사항을 만족시키기 위해 반드시 필요한 기술 중의 하나이다. IP기반 무선 센서네트워크의 대표 기술로는 6LoWPAN 프로토콜이 있다. 기존 6LoWPAN 프로토콜 상에서 제공되는 기능 중 단편화 기법은 여러 개의 IEEE 802.15.4 프레임이 나뉘어져 도착하는 것을 말하는데, 센서네트워크의 프로토콜 데이터 단위가 102바이트인데 반해 IPv6의 최대 전송 단위가 1280바이트로 큰 차이를 보이기 때문에 이를 극복하기 위한 기술로 단편 패킷 전송의 특성상 많은 에너지 소모가 일어난다. 본 논문에서 제안한 ID 기반 단편 패킷 전송 기법을 적용한 결과 주소 방식(16, 64bit)에 따라 약 7-22% 정도 전송횟수가 감소되었다. 뿐만 아니라, 기존 LOAD 라우팅 프로토콜을 사용하여 경로 설정을 할 경우 센서노드가 통신을 할 수 없는 경우가 아니면 한번 설정된 경로는 변하지 않는다. 이는 특정 노드의 에너지 고갈을 야기 시키고 네트워크 전체에 영향을 주기 때문에 적절한 에너지 분배가 이루어져야 한다. 에너지 분배를 고려할 수 있도록 제안한 LOAD 라우팅 프로토콜은 통신이 이루어질수록 전체 네트워크 내에 모든 노드들의 에너지는 균등하게 유지됨을 보였다. 또한 한 번의 라우팅 수행 시 이웃 노드들의 정보를 획득할 수 있어 원 홉 데어터 전송에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안된 6LoWPAN 프로토콜은 에너지 제약 조건이 심한 무선 센서네트워크 환경에 매우 적합하다 할 수 있다.
Due to their rapid growth and new paradigm applications, wireless sensor networks(WSNs) are morphing into low power personal area networks(LoWPANs), which are envisioned to grow radically. The fragmentation and reassembly of IP data packet is one of the most important function in the 6LoWPAN based c...
Due to their rapid growth and new paradigm applications, wireless sensor networks(WSNs) are morphing into low power personal area networks(LoWPANs), which are envisioned to grow radically. The fragmentation and reassembly of IP data packet is one of the most important function in the 6LoWPAN based communication between Internet and wireless sensor network. However, since the 6LoWPAN data unit size is 102 byte for IPv6 MTU size is 1200 byte, it increases the number of fragmentation and reassembly. In order to reduce the number of fragmentation and reassembly, this paper presents a new scheme that can be applicable to 6LoWPAN. When a fragmented packet header is constructed, we can have more space for data. This is because we use 8-bits routing table ill instead of 16-bits or 54-bits MAC address to decide the destination node. Analysis shows that our design has roughly 7% or 22% less transmission number of fragmented packets, depending on MAC address size(16-bits or 54-bits), compared with the previously proposed scheme in RFC4944. The reduced fragmented packet transmission means a low power consumption since the packet transmission is the very high power function in wireless sensor networks. Therefore the presented fragmented transmission scheme is well suited for low-power wireless sensor networks.
Due to their rapid growth and new paradigm applications, wireless sensor networks(WSNs) are morphing into low power personal area networks(LoWPANs), which are envisioned to grow radically. The fragmentation and reassembly of IP data packet is one of the most important function in the 6LoWPAN based communication between Internet and wireless sensor network. However, since the 6LoWPAN data unit size is 102 byte for IPv6 MTU size is 1200 byte, it increases the number of fragmentation and reassembly. In order to reduce the number of fragmentation and reassembly, this paper presents a new scheme that can be applicable to 6LoWPAN. When a fragmented packet header is constructed, we can have more space for data. This is because we use 8-bits routing table ill instead of 16-bits or 54-bits MAC address to decide the destination node. Analysis shows that our design has roughly 7% or 22% less transmission number of fragmented packets, depending on MAC address size(16-bits or 54-bits), compared with the previously proposed scheme in RFC4944. The reduced fragmented packet transmission means a low power consumption since the packet transmission is the very high power function in wireless sensor networks. Therefore the presented fragmented transmission scheme is well suited for low-power wireless sensor networks.
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문제 정의
6LoWPAN의 주요 기능으로서 IPv6의 대용량 데이터를 무선 센서네트워크에서 사용하기 위해 단편과 재조합 기술이 제안되었지만 단편화 전송의 특성상 많은 단편 전송이 일어나게 되고 이는 센서 노드의 전력 손실에 심각한 영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서 센서 노드의 부하를 줄여줄 뿐만 아니라 에너지 절약을 위해 단편 패킷의 전송횟수를 줄이는 방안에 대해 고려한다. 6LoWPAN에서 제공하는 다른 기능으로서 LOAD 라우팅 프로토콜이 있다.
하지만 그것만으로는 센서 노드의 에너지를 효율적으로 사용하기에는 충분하지 못하였기에 그에 관련된 많은 연구들이 이루어지게 되었다. 우선 LOAD 프로토콜과 AODV 프로토콜의 차이점을 간략하게 비교한 다음 AODV 프로토콜에서는 어떤 방식으로 에너지를 효율적으로 사용하는가에 대해 연구된 내용들을 살펴보자. 기본적으로 센싱된 데이터를 전달하기 위한 경로 정보가 필요시 RREQ 메시지를 주변 노드에게 브로드캐스트 하고, 주변 노드들은 다시 주변 노드들에게 RREQ 메시지를 브로드캐스트 하여 목적지까지의 경로를 찾게 된다.
LOAD 프로토콜이 비록 AODV를 간략화시켜 저 비용 라우팅 기능을 수행한다지만, 6LoWPAN상에서 동작해야 하는 특성상 단편화 문제를 배제할 수 없다. 이 절에서는 6LoWPAN에서 제공되는 단편화 기법과 라우팅 프로토콜의 특징에 대해서 알아본다.
경로 설정에 있어서 간략화 되고 최적화된 기능을 수행하지만, 한번 선택된 경로는 거의 변동이 없고, 데이터 전송 시 선택된 특정 노드들만 전송을 수행하기 때문에 전체 센서 네트워크 차원에서 에너지 소모의 불균형이 일어난다. 이는 특정 노드의 에너지 고갈뿐만 아니라 심지어 네트워크 전체의 분열을 가져올 수 있기 때문에 본 논문에서는 센서 노드의 에너지 분배를 능동적으로 관리하고, 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 에너지 관리 방법과 신뢰성 있는 경로 설정 방법을 제안한다.
제안 방법
기존 Route Request 메시지에 A flag, Link Layer Self Address, Table id, Remaining Energy를 추가하였다. A flag는 Ack 메시지를 표시하는 비트로 전달 받은 Route Request 메시지를 다시 전달할 때 추가된다.
AODV 에 비교하면, 컨트롤 메시지의 사이즈를 줄이기 위해 목적지 시퀀스 넘버를 사용하지 않고, 길 찾는 과정을 간략화하였다. 또한 메시지 루핑 방지를 위해 오직 목적지 노드만 RREQ(Route Request) 메시지에 대해 RREP(Route Reply) 메시지를 보내도록 설계하였다. 그림 2는 6LqWAN상에서 동작하는 LOAD 라우팅 프로토콜의 메시지 전달 흐름을 나타낸 것이다.
실험 결과 약 T22% 정도 전송 횟수가 감소됨을 보였고, 센서 노드가 통신할 때 소모되는 전력이 가장 크다는 점에서 전송 횟수의 감소는 센서 노드의 에너지를 절약하는데 큰 영향을 미친다. 또한 에너지를 고려하지 않고 오직 최단거리 경로 선정 방법을 사용하여 일부 특정 노드에게 심각한 에너지 소모를 야기 시키는 LOAD 라우팅 프로토콜에 전체 센서노드의 에너지를 효율적으로 분배할 수 방법을 적용해 보았다. 제안한 라우팅 기법에서는 전체 센서 노드가 경로 설정에 평등하게 참여를 하게 되고 소모되는 에너지 또한 전체 네트워크 차원에서 균등하게 유지될 수 있었다.
본 논문에서 제안한 기법의 성능을 평가하기 위해 6LoWPAN 프로토콜을 C언어로 구현한 후 유비쿼터스신기술연구센터[14]에서 제작된 UTRC-SN110 센서노드에 IEEE 802.15.4를 탑재하고, Adaptation Layer를 추가하였다. 테스트환경은 신호에 영향을 미치지 않도록 장애물이 없는 공간에서 12개의 노드를 그림 7과 같은 형식으로 배치하였다.
또한 일반적인 데이터 전송은 하나의 정보를 한번에 전송하지만 단편 패킷 전송의 특성상 하나의 IP기반 정보를 한번의 전송으로 전달할 수 없고 IP 데이터를 보내기 위해서는 수~수십번의 패킷을 전달해야 하는데, 이는 선택된 경로상의 노드들에게 엄청난 에너지 소모를 발생시키고 심각한 경우 특정 노드의 동작이 멈추어 버림으로써 네트워크 분열을 일으킬 수도 있다. 본 논문에서 제안한 방식은 라우팅 과정에 있어서 전체 센서노드의 에너지를 고려한 능동적인 경로선정이 가능하고. 오버헤드가 발생하지 않는 웅답 메시지를 보냄으로서 신뢰성을 보장한다.
필요하다. 센서 노드의 에너지를 효율적으로 관리하기 측면으로 두 가지 방법을 고려해 보았다. 센서 노드의 전력 소모를 줄여 수명을 연장시키는 방법과 전체 센서네트워크 내에서 사용되는 각 센서 노드들의 에너지를 균등하게 사용함으로서 네트워크 수명을 연장시키는 방법을 고려하였다.
센서 노드의 에너지를 효율적으로 관리하기 측면으로 두 가지 방법을 고려해 보았다. 센서 노드의 전력 소모를 줄여 수명을 연장시키는 방법과 전체 센서네트워크 내에서 사용되는 각 센서 노드들의 에너지를 균등하게 사용함으로서 네트워크 수명을 연장시키는 방법을 고려하였다. 제안된 단편 전송 기법은 6LoWPAN 프로토콜의 데이터 전달 방식에서 목적지를 식별하기 위해 사용하는 주소 대신 기존 헤더의 정보를 테이블에 관리하고, 테이블 ID를 교환함으로써 가용 Payload 공간을 더 많이 사용하여 단편 패킷의 전송 횟수를 감소시켰다.
이 값은 상대적인 값이며, 기존의 라우팅 프로토콜과 제안한 프로토콜의 에너지 소모 측면에서 차이점을 분석하기 위해 사용하였다. 정량적 평가를 위해 설정한 시나리오를 보면 각 노드가 라우팅 테이블을 유지하는 시간은 5분으로 설정하고, Packet(x)가 전달될 때마다 라우팅을 수행하여 새로운 경로를 선택하게 된다.
6LoWPAN에서 제공하는 다른 기능으로서 LOAD 라우팅 프로토콜이 있다. 이 프로토콜은 센서 노드에 의해 센싱된 데이터를 목적지 노드로 전달하기 위해 경로를 탐색하고 결정하는 동작을 수행하며, 최단 거리에 의한 경로 선택 방식과 오버헤드 감소를 목적으로 목적지 노드만이 경로 응답 메시지를 전송한다. M.
센서 노드의 주소를 16비트 주소로 사용할 경우 제안된 방식이 약 7% 정도 전송 횟수가 감소되고, 64비트 주소를 사용한 경우 더 많은 Payload 공간을 확보할 수 있어서 22% 정도 전송 횟수가 감소됨을 보였다. 제안한 라우팅 프로토콜의 성능 평가를 위해 표 4 와 같은 전송 시나리오를 설정한 후 각 전송에 따른 에너지 소모량을 정량적으로 분석하였다. [15]에서 제시한 시뮬레이터 기반 센서 노드의 전력 모델에 기반하여, 식(배터리 가용 전류량 - 송 /수신시 소모되는 전류)을 잔여 에너지 계산에 사용하였다.
테스트환경은 신호에 영향을 미치지 않도록 장애물이 없는 공간에서 12개의 노드를 그림 7과 같은 형식으로 배치하였다. 제안한 알고리즘 검증은 전송 시패킷의 손실 보다는 패킷의 전송 횟수가 감소되는데 중점을 두고 최대 3홉 전송을 시도하였다.
메시지임을 알게 된다. 처음 수신하는 노드는 Route Request 테이블 및 Routing 테이블(표 2)을 생성/기록하는데, 만약 다른 경로를 통해서 동일한 RREQ ID를 가진 메시지를 추가로 수신할 경우 Route cost와 Remaining Energy정보를 함께 비교하여 동일 cost 내에서 잔여 에너지가 가장 많은 노드를 선택하고 Route Request 테이블을 업데이트 한다. 이 과정에서 이미 에너지 잔량이 적은 노드는 능동적으로 경로 선택에서 제외되고, Route Reply 메시지는 에너지가 보다 많은 노드를 통해서 소스 노드로 향할 수 있게 된다.
A flag는 Ack 메시지를 표시하는 비트로 전달 받은 Route Request 메시지를 다시 전달할 때 추가된다. 한 번의 전송으로 이웃하는 모든 노드들이 메시지를 수신할 수 있는 브로드캐스트의 특성을 이용한 것으로 그림 7의 1번 노드가 Route Request 메시지를 받고 다음 홉으로 재전송할 때 Route Request 메시지의 A flag를 set하고, 자신의 주소와 자신이 생성한 Table id, 에너지 잔량 정보를 추가하여 재전송을 하게 된다. 이때 Ackl이 포함된 Route 묘equest 메시지를 수신한 S 노드는 동일한 RREQ ID와 Route cost로 자신이 보낸 메시지임을 알고 버려야 하지만, A flag가 set 되었을 경우 Link Layer Self Address의 주소를 통해 누구의 Ack 인지 판단하여 Link Layer Self Address와 Table id로 이웃 테이블(표 1)을 생성/기록한다.
이론/모형
제안한 라우팅 프로토콜의 성능 평가를 위해 표 4 와 같은 전송 시나리오를 설정한 후 각 전송에 따른 에너지 소모량을 정량적으로 분석하였다. [15]에서 제시한 시뮬레이터 기반 센서 노드의 전력 모델에 기반하여, 식(배터리 가용 전류량 - 송 /수신시 소모되는 전류)을 잔여 에너지 계산에 사용하였다. 가용배터리 전류량을 대략 500mA라 하고, [12]에서 측정한 값에 의해 송신시에는 평균 17mA, 수신시에는 평균 20mA를 계산 값으로 사용한다.
성능/효과
기존 6LoWPAN 프로토콜에서 제공되는 단편화 기법과 수정된 단편화 기법을 통하여 각각 5회의 IP 데이터를 전송한 결과 그림 11과 같이 전송 횟수가 감소됨을 볼 수 있었다. 센서 노드의 주소를 16비트 주소로 사용할 경우 제안된 방식이 약 7% 정도 전송 횟수가 감소되고, 64비트 주소를 사용한 경우 더 많은 Payload 공간을 확보할 수 있어서 22% 정도 전송 횟수가 감소됨을 보였다.
11과 같이 전송 횟수가 감소됨을 볼 수 있었다. 센서 노드의 주소를 16비트 주소로 사용할 경우 제안된 방식이 약 7% 정도 전송 횟수가 감소되고, 64비트 주소를 사용한 경우 더 많은 Payload 공간을 확보할 수 있어서 22% 정도 전송 횟수가 감소됨을 보였다. 제안한 라우팅 프로토콜의 성능 평가를 위해 표 4 와 같은 전송 시나리오를 설정한 후 각 전송에 따른 에너지 소모량을 정량적으로 분석하였다.
제안된 단편 전송 기법은 6LoWPAN 프로토콜의 데이터 전달 방식에서 목적지를 식별하기 위해 사용하는 주소 대신 기존 헤더의 정보를 테이블에 관리하고, 테이블 ID를 교환함으로써 가용 Payload 공간을 더 많이 사용하여 단편 패킷의 전송 횟수를 감소시켰다. 실험 결과 약 T22% 정도 전송 횟수가 감소됨을 보였고, 센서 노드가 통신할 때 소모되는 전력이 가장 크다는 점에서 전송 횟수의 감소는 센서 노드의 에너지를 절약하는데 큰 영향을 미친다. 또한 에너지를 고려하지 않고 오직 최단거리 경로 선정 방법을 사용하여 일부 특정 노드에게 심각한 에너지 소모를 야기 시키는 LOAD 라우팅 프로토콜에 전체 센서노드의 에너지를 효율적으로 분배할 수 방법을 적용해 보았다.
수행한다. 전체적인 과정을 살펴보면, 송신측의 Adaptation Layer에서는 IP계층으로부터 데이터를 받기 전까지 대기 상태로 존재하다가 만약 IPv6 데이터 전달 요청을 받게 되면, 전체 IPv6 데이터를 가용한 Payload 공간에 맞는 크기로 분할하고, 분할된 첫 번째 데이터에 First fragment 헤더를 추가한 후 라우팅 테이블에 기록된 경로 정보를 이용하여 전송한다.
센서 노드의 전력 소모를 줄여 수명을 연장시키는 방법과 전체 센서네트워크 내에서 사용되는 각 센서 노드들의 에너지를 균등하게 사용함으로서 네트워크 수명을 연장시키는 방법을 고려하였다. 제안된 단편 전송 기법은 6LoWPAN 프로토콜의 데이터 전달 방식에서 목적지를 식별하기 위해 사용하는 주소 대신 기존 헤더의 정보를 테이블에 관리하고, 테이블 ID를 교환함으로써 가용 Payload 공간을 더 많이 사용하여 단편 패킷의 전송 횟수를 감소시켰다. 실험 결과 약 T22% 정도 전송 횟수가 감소됨을 보였고, 센서 노드가 통신할 때 소모되는 전력이 가장 크다는 점에서 전송 횟수의 감소는 센서 노드의 에너지를 절약하는데 큰 영향을 미친다.
또한 에너지를 고려하지 않고 오직 최단거리 경로 선정 방법을 사용하여 일부 특정 노드에게 심각한 에너지 소모를 야기 시키는 LOAD 라우팅 프로토콜에 전체 센서노드의 에너지를 효율적으로 분배할 수 방법을 적용해 보았다. 제안한 라우팅 기법에서는 전체 센서 노드가 경로 설정에 평등하게 참여를 하게 되고 소모되는 에너지 또한 전체 네트워크 차원에서 균등하게 유지될 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제안하고 구현한 경량화된 6LoWPAN 프로토콜은 센서 노드의 부족한 자원을 효율적으로 관리하고 센서 네트워크 전체의 수명을 연장시킴으로써 무선 센서네트워크 환경을 사용되는 다양한 분야에서 효율적으로 사용될 수 있다.
집중적인 에너지 소모가 일어남을 알 수 있다. 하지만 수정된 라우팅 프로토콜에서는 데이터 전송이 이루어질수록 전체 센서 노드의 에너지가 균등해지는 것을 보였다.
후속연구
제안한 라우팅 기법에서는 전체 센서 노드가 경로 설정에 평등하게 참여를 하게 되고 소모되는 에너지 또한 전체 네트워크 차원에서 균등하게 유지될 수 있었다. 따라서 본 논문에서 제안하고 구현한 경량화된 6LoWPAN 프로토콜은 센서 노드의 부족한 자원을 효율적으로 관리하고 센서 네트워크 전체의 수명을 연장시킴으로써 무선 센서네트워크 환경을 사용되는 다양한 분야에서 효율적으로 사용될 수 있다.
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