지연-허용 네트워크 (Delay-Tolerant Network; DTN)는 안정적인 통신 연결성이 보장되지 않는 네트워킹 환경에서 전개할 수 있는 비대칭 네트워킹 기술로써, 저장 공간에 수신한 데이터를 저장하고 통신 경로가 확보될 때 경우에만 데이터를 전송한다. DTN은 위성간의 통신을 지원하는 우주 통신 뿐만 아니라 센서 네트워크와 MANET (Mobile Ad-Hoc Network)에도 적용되고 있다. DTN 네트워킹 환경에서는 오버헤드가 작으면서도 라우팅 신뢰성이 높아서, 라우팅 속도와 성능을 전반적으로 향상시킬 수 있는 방안을 제공하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는, 시간 주기를 가지는 이동 노드들이 존재하는 네트워크에서 데이터를 효과적으로 전송하기 위하여, 라우팅 경로를 예측할 수 있는 시간 정보 기반의 DTN라우팅 기법을 제안한다. Omnet++시뮬레이션 도구를 이용한 성능 분석 결과, 제안된 시간 정보 기반의 DTN 라우팅 알고리즘이 기존의 DTN 라우팅 알고리즘들에 비해 적은 라우팅 오버헤드를 가지고도 라우팅 속도와 신뢰성을 높일 수 있는 기법임을 검증하였다.
지연-허용 네트워크 (Delay-Tolerant Network; DTN)는 안정적인 통신 연결성이 보장되지 않는 네트워킹 환경에서 전개할 수 있는 비대칭 네트워킹 기술로써, 저장 공간에 수신한 데이터를 저장하고 통신 경로가 확보될 때 경우에만 데이터를 전송한다. DTN은 위성간의 통신을 지원하는 우주 통신 뿐만 아니라 센서 네트워크와 MANET (Mobile Ad-Hoc Network)에도 적용되고 있다. DTN 네트워킹 환경에서는 오버헤드가 작으면서도 라우팅 신뢰성이 높아서, 라우팅 속도와 성능을 전반적으로 향상시킬 수 있는 방안을 제공하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는, 시간 주기를 가지는 이동 노드들이 존재하는 네트워크에서 데이터를 효과적으로 전송하기 위하여, 라우팅 경로를 예측할 수 있는 시간 정보 기반의 DTN라우팅 기법을 제안한다. Omnet++ 시뮬레이션 도구를 이용한 성능 분석 결과, 제안된 시간 정보 기반의 DTN 라우팅 알고리즘이 기존의 DTN 라우팅 알고리즘들에 비해 적은 라우팅 오버헤드를 가지고도 라우팅 속도와 신뢰성을 높일 수 있는 기법임을 검증하였다.
Delay-Tolerant Network (DTN) is an asynchronous networking technology that has been deployed for the networking environment in which steady communication paths are not available, and therefore it stores receiving data in a data storage and forward them only when the communication links are establish...
Delay-Tolerant Network (DTN) is an asynchronous networking technology that has been deployed for the networking environment in which steady communication paths are not available, and therefore it stores receiving data in a data storage and forward them only when the communication links are established. DTN can be applied to sensor networks and mobile ad-hoc network (MANET) as well as space communication that supports data transmissions among satellites. In DTN networking environments, it is very important to secure a scheme that has relatively low routing overhead and high reliability, so that it can enhance the overall routing speed and performance. In order for achieving efficient data transmissions among the nodes that have comparatively periodic moving patterns, this paper proposes a time information based DTN routing scheme which is able to predict routing paths. From the simulation results using Omnet++ simulation tools, it has been verified that the proposed time information based DTN routing algorithm shows satisfied levels of routing speed and routing reliability even with lower routing overheads.
Delay-Tolerant Network (DTN) is an asynchronous networking technology that has been deployed for the networking environment in which steady communication paths are not available, and therefore it stores receiving data in a data storage and forward them only when the communication links are established. DTN can be applied to sensor networks and mobile ad-hoc network (MANET) as well as space communication that supports data transmissions among satellites. In DTN networking environments, it is very important to secure a scheme that has relatively low routing overhead and high reliability, so that it can enhance the overall routing speed and performance. In order for achieving efficient data transmissions among the nodes that have comparatively periodic moving patterns, this paper proposes a time information based DTN routing scheme which is able to predict routing paths. From the simulation results using Omnet++ simulation tools, it has been verified that the proposed time information based DTN routing algorithm shows satisfied levels of routing speed and routing reliability even with lower routing overheads.
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문제 정의
DTN 환경에서 기존 라우팅 방법들과 본 논문에서 제안하는 라우팅 방식과 비교하기 위한 대표적인 DTN 라우팅 기반 지식들의 구현 방식과 동작 과정[12], 대표적인 라우팅 알고리즘들의 장점과 제시된 문제점을 살펴본다. 그리고 대표적인 라우팅 알고리즘들을 개선한 논문들과 연구들을 파악하여 본 논문에서 제시한 알고리즘의 효율성을 알아본다. 본 논문에서는 DTN 라우팅 이론 중 경로 예측 기법인 DTN 기존 라우팅 이론 중 Estimation 라우팅 알고리즘을 기본 원리로 한다.
연결이 불안전한 센서 기반 네트워크, 지상파를 이용하는 종단 간 연결을 유지할 수 없는 무선 네트워크, 인공위성 및 행성 간 네트워크, 수상 네트워크는 환경적인 요소 때문에 DTN을 사용하여야 한다. 이러한 환경에서 사용되는 DTN의 표준화동향을 살펴보고 기존의 DTN 라우팅 방법들이 지닌 문제점에 대해 살펴본다.
제안 방법
DTN 환경에서 기존 라우팅 방법들과 본 논문에서 제안하는 라우팅 방식과 비교하기 위한 대표적인 DTN 라우팅 기반 지식들의 구현 방식과 동작 과정[12], 대표적인 라우팅 알고리즘들의 장점과 제시된 문제점을 살펴본다. 그리고 대표적인 라우팅 알고리즘들을 개선한 논문들과 연구들을 파악하여 본 논문에서 제시한 알고리즘의 효율성을 알아본다.
DTN의 기본 동작 방식은 Store and Forward 방식으로 (그림 1)과 같이 기존의 OSI 7계층에서 Bundle 계층[8]을 추가하여 데이터를 저장할 수 있는 공간을 OSI 7계층사이에 추가하여 새로운 계층으로 만들었다. 연결이 끊어지더라도 저장 공간에 데이터를 저장하여 데이터를 전송할 수 있다.
<표 1>은 위에서 언급한 3가지 DTN 라우팅 알고리즘의 장점과 단점, 특징을 요약 한 것이다. 각 DTN 라우팅 프로토콜은 단점과 장점이 존재하고 포괄적인 환경에 대한 라우팅 방법이므로, 본 논문에서 제안하는 시간 정보 라우팅 알고리즘은 기존의 단점들을 개선하고 포괄적인 환경뿐만 아니라 패턴이 존재하는 환경에서 적용할 수 있는 라우팅 방법이다. Epidemic 라우팅은 알고리즘이 가장 단순하지만 플러딩을 하여 네트워크가 복잡하고 시간이 흐를수록 비효율성이 급증하며, SEPR은 네트워크의 상황을 고려하지 않아 라우팅 속도 면에서 최악이 될 수 있다.
자세한 사항은 3 장 제안 라우팅 알고리즘에서 다룬다. 기존 DTN 라우팅 알고리즘과 비교하여 본 논문에서 제안하는 시간 정보를 이용하는 라우팅 방법을 제안하고 검증한다.
측정한 타이머는 라우팅 테이블에 인접 노드와 만나는 시간의 상대적인 시간을 기록한다. 기존 라우팅 테이블에 상대적인 시간을 기록할 수 있는 테이블을 추가하여 타이머의 시간을 기록 및 최소 시간을 계산한다. 권한 테이블을 추가하여 각 노드는 인접 노드의 ID를 파악하고 통신 가능 시 ID를 확인하여 신뢰성 있는 라우팅이 가능하다.
시간 테이블은 각 노드들의 시간 정보를 바탕으로 오버헤드를 줄이고 라우팅 속도를 높인다. 두 개의 테이블과 시간 정보를 이용하여 기존의 DTN 라우팅 프로토콜의 효율성을 향상시킬 수 있는 라우팅 방법을 제안한다.
본 논문에서 제안하는 라우팅 방식은 (그림 2)와 같은 이동패턴이 규칙적인 노드가 존재하는 DTN 환경 토폴로지에서 A 노드에서 E 노드까지 메시지를 전송할 때 노드의 주기적 이동시간 정보를 이용하여 A에서 E까지의 라우팅 시간을 최소로 할 수 있는 경로를 예측하여 전송하는 것이다. 제안하는 라우팅 방법의 전제는 각 노드는 인접 노드와 만날 때마다 타이머가 작동한다.
t는 각 노드의 상대적인 인접노드의 주기 시간이므로 상대시간에서 절대시간(딜레이 단위)를 곱하여 최종 라우팅 시간을 측정할 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법은 기존 라우팅 방법과는 다르게 시간 정보만을 이용하여 알고리즘이 단순하고 오버헤드가 적은 장점을 가진다. 권한 테이블은 인접 노드와 처음 통신 후, 두 번째 만날 때까지 확인 후 일정 주기가 확인 되면 통신 가능한 경로의 노드로 인지 할 수 있다.
권한 테이블은 인접 노드와 처음 통신 후, 두 번째 만날 때까지 확인 후 일정 주기가 확인 되면 통신 가능한 경로의 노드로 인지 할 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법은 통신을 하기 전에 전체 경로를 설정하고 데이터를 전송하는 것으로, Estimation 기반 라우팅 방법을 기반으로 한 라우팅 방법으로 효율성을 높이고 신뢰성 있는 라우팅 방법을 제안 하였다.
기존 DTN 라우팅 방법들은 노드의 위치 정보, 지역을 방문한 횟수로 순위를 정하여 라우팅 방법을 결정하거나, 추가적인 정보를 전달 할 수 있는 장치를 추가하여 오버헤드가 크고, 비현실적인 방법이 존재 한다. 본 논문에서는 DTN의 특성을 반영하여 기존의 라우팅 테이블에 시간 테이블과 권한 테이블을 추가한다. 권한 테이블은 주변 노드의 ID를 확인하고 라우팅 신뢰성을 높인다.
시간 정보 라우팅의 효율을 고찰하기 위해 일정하게 움직이는 패턴을 가진 노드들이 존재할 경우 기존 DTN 라우팅 알고리즘들과 본 논문에서 제안한 성능 비교 실험이다. (그림 4)는 이전 토폴로지와 똑같은 환경에서 노드들의 속도나 이동 패턴이 불규칙적인 DTN 토폴로지에서 실험이다.
본 논문에서 제안하는 라우팅 방식은 (그림 2)와 같은 이동패턴이 규칙적인 노드가 존재하는 DTN 환경 토폴로지에서 A 노드에서 E 노드까지 메시지를 전송할 때 노드의 주기적 이동시간 정보를 이용하여 A에서 E까지의 라우팅 시간을 최소로 할 수 있는 경로를 예측하여 전송하는 것이다. 제안하는 라우팅 방법의 전제는 각 노드는 인접 노드와 만날 때마다 타이머가 작동한다. 측정한 타이머는 라우팅 테이블에 인접 노드와 만나는 시간의 상대적인 시간을 기록한다.
대상 데이터
<표 3>과 같이 DTN 환경을 구성하였으며 이동 모델은 무작위로 움직이는 패턴과 노드가 일정한 입력 받은 크기와 속도만큼 원 모양으로 이동하는 패턴이 있다. 시뮬레이션 크기는 가로와 세로 10km로 지정하여 우주통신에서 인공위성과 같이 움직이는 환경을 구성하였다. 시뮬레이션 기간은 5000초로 노드의 움직임이 인공위성과 비슷한 이동속도로 설정하였기 때문에 각 라우팅 알고리즘의 네트워크 수렴시간과 일정한 결과를 보여주기 위한 시간이다.
시뮬레이션의 토폴로지는 총 2개로 구성되었다. (그림 3)은 총 노드의 수는 5개이며, 하나의 DTN 환경은 노드가 일정하게 움직이는 패턴(인공위성 궤도, 지하철, 회사 출근 및 퇴근 등)이 존재하는 환경이다.
데이터처리
2장에서는 현재 DTN 라우팅 방법에 관련하여 진행 중인 연구에 대하여 기술하였고, 3장에서는 논문의 제안사항과 알고리즘을 기술하였다. 4장에서는 본 논문에서 제안한 알고리즘의 실용성 및 효율성을 기존 DTN 라우팅 기법과 비교하여 Omnet++ 시뮬레이션 환경으로 노드의 이동 패턴이 규칙적인 DTN 환경과 불규칙적인 DTN 환경을 구현하여 시간 정보 라우팅 알고리즘의 성능을 비교 검증 하였다. 마지막으로, 5 장에서는 결론 및 향후 연구 방향에 대하여 기술하였다.
이론/모형
본 논문에서 제안하는 시간 정보 라우팅의 성능을 분석하기 위해 비교되는 DTN 라우팅 알고리즘은 Epidemic 라우팅[2], SEPR[3], Prophet 라우팅[4]이다. 앞에서 서술한 것과 같이 3가지 라우팅은 DTN 라우팅 알고리즘에서 대표적인 라우팅 프로토콜이다.
그리고 대표적인 라우팅 알고리즘들을 개선한 논문들과 연구들을 파악하여 본 논문에서 제시한 알고리즘의 효율성을 알아본다. 본 논문에서는 DTN 라우팅 이론 중 경로 예측 기법인 DTN 기존 라우팅 이론 중 Estimation 라우팅 알고리즘을 기본 원리로 한다. 자세한 사항은 3 장 제안 라우팅 알고리즘에서 다룬다.
성능/효과
(그림 9)에서 시간 정보 라우팅 알고리즘은 규칙적인 환경에 비해서 네트워크 수렴시간이 늦어진 것을 볼 수 있다. 네트워크 수렴시간이 늦어지고, 라우팅 오버헤드가 급증하지만, 기존 DTN 라우팅 알고리즘과 비슷한 라우팅 오버헤드의 비율을 보여줌으로써 불규칙 적인 환경에서도 라우팅 오버헤드의 효율성이 기존 DTN 라우팅 알고리즘에 비해 뒤떨어지지 않다는 것을 보여주며, 규칙적인 환경에서 라우팅 오버헤드가 기존 DTN 라우팅 알고리즘에 비해 뛰어난 라우팅 오버헤드의 효율성을 보여준다.
노드의 이동 패턴이 규칙적인 DTN 환경에서 시뮬레이션 결과는 시간 정보 라우팅 알고리즘이 기존의 라우팅 알고리즘보다 오버헤드와 메시지 성공률, 라우팅 속도 면에서는 효율적인 면을 보여주고 있다. 노드의 이동 패턴이 불규칙적인 DTN 환경에서는 시뮬레이션 결과가 이전 결과보다 성능 저하로 인해 기존의 라우팅 알고리즘과 비슷하거나 어떤 부분에서는 더 좋은 결과를 보여준다.
종합적으로, 노드의 주기적인 시간 정보를 이용하는 시간 정보 라우팅 방법은 전체적으로 보았을 때 기존 DTN 라우팅 알고리즘보다 메시지의 발생 수가 어느 정도 유지되면서 종단 간 지연시간을 최소로 할 수 있다. 또한, 시간 정보 라우팅 알고리즘은 오버헤드 수치도 낮아 기존 DTN 라우팅 알고리즘보다 전체적인 성능향상을 보여준다.
시뮬레이션 결과로, 시간 정보 라우팅 알고리즘은 규칙적인 이동 패턴 환경에서 기존의 DTN 라우팅 알고리즘보다 모든 면에서 뛰어난 성능을 보여준다. 불규칙적인 환경에서도 기존의 DTN 라우팅 알고리즘과 비슷하거나 일정 구간에서 더 효율성이 좋은 부분을 보여준다.
시간 정보 라우팅 알고리즘은 메시지의 크기가 일정 한계점을 넘으면 증가 폭이 커지나, 상대적으로 가장 빠른 라우팅 속도를 보여준다. 종합적으로, 노드의 주기적인 시간 정보를 이용하는 시간 정보 라우팅 방법은 전체적으로 보았을 때 기존 DTN 라우팅 알고리즘보다 메시지의 발생 수가 어느 정도 유지되면서 종단 간 지연시간을 최소로 할 수 있다. 또한, 시간 정보 라우팅 알고리즘은 오버헤드 수치도 낮아 기존 DTN 라우팅 알고리즘보다 전체적인 성능향상을 보여준다.
그래프에서 시간 정보 라우팅은 라우팅 오버헤드의 증가폭이 작고, 시뮬레이션 시작부분과 네트워크 수렴 후 오버헤드 차이가 작다. 즉, 기존의 DTN라우팅 알고리즘에 비해 전체적 오버헤드의 크기가 작기도 하며, 수렴 후 오버헤드의 전체적인 크기가 작기 때문에 효율성이 높다.
불규칙적인 환경에서도 기존의 DTN 라우팅 알고리즘과 비슷하거나 일정 구간에서 더 효율성이 좋은 부분을 보여준다. 즉, 시뮬레이션을 통하여 제안하는 시간 정보 라우팅 알고리즘의 효율성을 확인할 수 있다.
(그림 10)에서도 시간 정보 라우팅 알고리즘이 규칙적인 환경에 비해 성능이 저하된 결과를 보여준다. 하지만 여전히 일정한 메시지의 크기 구간에서는 기존 DTN 라우팅 알고리즘보다 더 좋은 성능을 발휘하며, 다른 부분에서도 기존 DTN 알고리즘에 비해 라우팅 평균 지연시간 면에서 성능이 뒤떨어지지 않는 것을 보여준다.
후속연구
향후 연구과제로 DTN 번들 레이어에서 발생되는 번들 메시지[10]의 포맷형식[11]을 개선하여 제안한 라우팅의 효율을 높이고, 노드의 에너지 소모를 줄일 수 있는 DTN 라우팅 프로토콜에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지연-허용 네트워크 기술이란 어떤 기술인가?
지연-허용 네트워크 (Delay-Tolerant Network; DTN)는 안정적인 통신 연결성이 보장되지 않는 네트워킹 환경에서 전개할 수 있는 비대칭 네트워킹 기술로써, 저장 공간에 수신한 데이터를 저장하고 통신 경로가 확보될 때 경우에만 데이터를 전송한다. DTN은 위성간의 통신을 지원하는 우주 통신 뿐만 아니라 센서 네트워크와 MANET (Mobile Ad-Hoc Network)에도 적용되고 있다.
라우팅 기법 중 DTN 라우팅 방법은 어떤 한계점을 가지고 있는가?
그중에서 종단 간 연결성이 보장되지 않고 각 노드들이 이동성을 가지는 상황에서 라우팅 기법에 대한 연구가 가장 폭넓게 이루어지고 있다. 기존 DTN 라우팅 방법들은 노드의 위치 정보, 지역을 방문한 횟수로 순위를 정하여 라우팅 방법을 결정하거나, 추가적인 정보를 전달 할 수 있는 장치를 추가하여 오버헤드가 크고, 비현실적인 방법이 존재 한다. 본 논문에서는 DTN의 특성을 반영하여 기존의 라우팅 테이블에 시간 테이블과 권한 테이블을 추가한다.
DTN의 기본적인 개념은?
DTN의 기본적인 개념[1]은 지연 시간이 큰 이종 네트워크와의 통신을 위한 네트워크이다. 위성 통신을 지원하는 우주 통신과 지상 통신을 연결하기 위한 개념으로 등장하였다.
참고문헌 (11)
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