[논문]DTN에서 노드 간 연결 가능성과 마스킹 연산을 이용한 중계노드 선정 기법

정래진; 전일규; 우병훈; 구남경; 이강환

doi:10.6109/jkiice.2016.20.5.1020

DTN에서 노드 간 연결 가능성과 마스킹 연산을 이용한 중계노드 선정 기법
Relay Node Selection Method using Node-to-node Connectivity and Masking Operation in Delay Tolerant Networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.5, 2016년, pp.1020 - 1030

정래진 (Interdisciplinary Program in Creative Engineering and Department of Computer Science Engineering, Korea University of Technology and Education) , 전일규 (Interdisciplinary Program in Creative Engineering and Department of Computer Science Engineering, Korea University of Technology and Education) , 우병훈 (Department of Computer Science Engineering, Korea University of Technology and Education) , 구남경 (Department of Computer Science Engineering, Korea University of Technology and Education) , 이강환 (Department of Computer Science Engineering, Korea University of Technology and Education)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 이동 속성 정보를 활용하여 이동 노드간의 연결 가능성을 분석하고 마스킹 기법을 이용하여 이웃한 이동노드 중 목적 노드와 연결 가능성이 가장 높은 이동노드를 중계노드로 선정하는 EPCM(Enhanced Prediction-based Context-awareness Matrix)을 제안한다. 기존 Delay Tolerant Network (DTN)의 전송방식은 노드의 단순 이동성에 의존하여 목적노드로 메시지를 전송하게 된다. 이러한 경우 목적노드와의 연결성이 낮은 이동노드를 중계노드로 선정하게 되면 이동노드의 메시지 저장 및 처리 능력 제한으로 인하여 전송 지연 또는 패킷 손실의 원인이 된다. 본 논문의 제안된 알고리즘에서는 이동노드의 속도와 방향 속성 정보를 고려하여 목적노드와의 연결성을 계산하고 마스킹 연산을 활용하여 가장 높은 연결 가능성을 가지고 있는 중계노드를 선정하여 목적 노드까지 메시지를 전달하게 된다. 모의실험에서 Epidemic 및 PROPHET 알고리즘과 제안하는 알고리즘의 패킷 전송률을 비교한 결과 제안하는 알고리즘이 노드의 이동 속성을 고려한 연결성으로 보다 높은 패킷 전송률을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper propose an improving relay node selection method for node-to-node connectivity. This concern with the mobility and analysis of deployed for masking operation using highest connectivity node. The major of Delay Tolerant Network (DTN) routing protocols make use of simple forwarding approach to transmit the message depend on the node's mobility. In this cases, the selection of the irrelevant mobile node induced the delay and packet delivery loss caused by limiting buffer size and computational power of node. Also the proposed algorithm provides the node connectivity considering the mobility and direction select the highest connectivity node from neighbor node using masking operation. From the simulation results, the proposed algorithm compared the packet delivery ratio with PROPHET and Epidemic. The proposed Enhanced Prediction-based Context-awareness Matrix(EPCM) algorithm shows an advantage packet delivery ratio even with selecting relay node according to mobility and direction.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 제안하는 노드 간 연결 가능성은 노드의 속도와 방향을 활용하여 노드간의 연결 가능성을 산출하는 방법을 제시하고 있다. 서로 다른 노드가 근접하여 통신을 확립하면, 노드의 ID, 속도와 방향, 속성정보의 유효기한, 연결 상태 등을 나타내는 네트워크 상황 벡터를 교환한다.
본 논문에서는 이동 속성 정보를 고려하여 이동노드 간 연결 가능성을 평가하며, 연결 가능성을 행렬로 표현한 후 마스킹 기법을 활용한 중계노드 선정하는 기법을 제안하였다. 기존의 DTN에서는 목적노드와 연결성이 낮은 중계노드가 선정되어 메시지를 전송하였을 경우 제한된 메시지 저장 및 처리능력으로 인한 전송 지연 및 패킷 손실 현상이 발생하였다.

제안 방법

단, DTN의 통신방식에 따라 노드의 통신범위가 좁아 연결이 확립된 이웃노드의 수가 적을 수 있으므로, 본 논문에서는 소스 노드로부터 2-Hop 범위의 이웃 노드들에 대해서만 한정하여 연결 확립 여부를 검색한다. 2-Hop 범위의 노드들 중 목적 노드와 연결 가능성이 높은 노드가 존재한다면, 이웃 노드를 거쳐 메시지를 전달하는 중계노드를 선택하여 경로를 설정한다.
마스킹 연산을 통해 메시지의 순환을 방지한 후, 병합된 인접행렬의 소스 노드 2의 행에서 연결되어 있는 이웃 노드 1과 3의 연결 상태를 확인한다. 병합된 인접 행렬에 따라 이웃 노드 1과 연결된 노드가 존재한다면 해당 노드의 연결 가능성을 비교하지만, 다른 이웃 노드들과 연결을 확립되지 않으므로 메시지를 전달할 수 없다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘은 노드의 이동 속성 정보를 활용하여 노드간 연결성을 분석하고 마스킹 연산을 활용하여 중계노드를 선정한다. 알고리즘의 성능을 비교하기 위하여 비교알고리즘으로 메시지를 복제하여 네트워크에 전파하는 Epidemic과 노드 간의 연결 횟수에 따라 연결 가능성을 산출하는 PROPHET알고리즘을 선정하였다.
위의 목적 노드와 이웃 노드가 서로 근접하여 통신을 확립할 수 있는 상황에 따라 연결 가능성을 산출하며, 다음 장의 마스킹 연산을 활용하여 가장 높은 연결 가능성을 보이는 이웃 노드를 중계노드로 선정하여 메시지를 전달한다.
이를 극복하기 위해 제안된 알고리즘은 노드의 이동 속성 정보를 고려하여 가장 높은 연결 가능성을 나타내는 중계노드를 선정하였으며, 마스킹 기법을 통해 더 넓은 범위에서 중계노드를 선정하게 된다. 모의 실험에서 제안하는 알고리즘과 Epidemic, PROPHET 알고리즘을 패킷 전송률 측면에서 성능을 비교하였으며, 이동 속성 정보를 고려하였을 때 더 효과적으로 메시지를 전달 할 수 있음을 알 수 있었다.
2-Hop 범위의 노드들 중 목적 노드와 연결 가능성이 높은 노드가 존재한다면, 이웃 노드를 거쳐 메시지를 전달하는 중계노드를 선택하여 경로를 설정한다. 제안하는 기법은 마스킹 연산을 병합된 인접행렬에 적용하여 경로상의 이웃 노드의 연결 가능성이 0인 경로를 제외하면서 최종적으로 연결 가능성이 높은 중계노드를 선택하여 가장 높은 경로를 설정하게 된다. 소스 노드 2로부터 메시지를 전달하기 위해 표 4의 의사코드와 같이 소스 노드 2에 대한 마스크 비트열을 생성하고 병합된 인접행렬의 각 행에 마스킹 연산을 수행한다.
제안하는 알고리즘인 EPCM(Enhanced Prediction-based Context-awareness Matrix)은 노드의 이동 속성 정보를 활용하여 노드간의 연결 가능성을 산출하며, 마스킹 연산을 활용하여 이웃한 노드들 중 연결성이 가장 높은 노드를 중계노드로 선정한다. 이동 속성 정보를 활용하여 연결 가능성을 판단함으로써 해당 이동노드를 지향하고 빠르게 이동하는 중계노드를 선택하여 메시지를 전달할 수 있다.
제안하는 중계노드 선정기법은 각 노드마다 자신과 이웃하는 노드와의 연결 상태를 0과 1로 확립되어 있는 노드들 중에 연결 가능성이 가장 높은 이웃 노드에게 메시지를 전달한다. 하지만 그림 5와 같이 소스 노드 2의 이웃 노드 1과 3이 목적노드의 반대방향으로 이동함에 따라 목적 노드와 연결가능성이 낮은 상황이라면 메시지를 전달할 수 없다.

이론/모형

본 논문에서 제안하는 알고리즘은 노드의 이동 속성 정보를 활용하여 노드간 연결성을 분석하고 마스킹 연산을 활용하여 중계노드를 선정한다. 알고리즘의 성능을 비교하기 위하여 비교알고리즘으로 메시지를 복제하여 네트워크에 전파하는 Epidemic과 노드 간의 연결 횟수에 따라 연결 가능성을 산출하는 PROPHET알고리즘을 선정하였다. 모의실험 환경은 아래의 표 6은 모의 실험 환경을 나타내고 있다.

성능/효과

네트워크 영역의 크기에서 1000×1000(m2)의 환경에서 수행한 실험결과가 비교한 알고리즘 모두 비슷한 성능을 보였으며, 1500×1500(m2)의 환경보다 약 10% 정도 더 높은 패킷 전송률을 보여주었다.
이동 속성 정보를 활용하여 연결 가능성을 판단함으로써 해당 이동노드를 지향하고 빠르게 이동하는 중계노드를 선택하여 메시지를 전달할 수 있다. 또한 본 연구에서는 마스킹 연산을 활용하여 물리적으로 근접한 이웃노드 뿐만 아니라 이웃노드를 거쳐 연결되어 있는 다른 노드들을 활용하여 중계노드를 선정함으로써 메시지를 효과적으로 전달 할 수 있는 중계노드를 선정하여 메시지를 목적노드에게 전달한다, 모의실험에서 대표적인 중계노드 선정기법인 Epidemic 및 PROPHET 알고리즘과 제안하는 알고리즘을 패킷전송률 측면을 비교하였을 때, 노드의 이동 속성 정보를 활용하여 연결 가능성을 산출하고, 중계노드를 선정한 제안하는 알고리즘이 더 향상된 패킷전송률을 나타내었다.
이를 극복하기 위해 제안된 알고리즘은 노드의 이동 속성 정보를 고려하여 가장 높은 연결 가능성을 나타내는 중계노드를 선정하였으며, 마스킹 기법을 통해 더 넓은 범위에서 중계노드를 선정하게 된다. 모의 실험에서 제안하는 알고리즘과 Epidemic, PROPHET 알고리즘을 패킷 전송률 측면에서 성능을 비교하였으며, 이동 속성 정보를 고려하였을 때 더 효과적으로 메시지를 전달 할 수 있음을 알 수 있었다. 이후 속도와 방향 외에 다른 여러 속성정보를 활용하여 이동 노드의 연결 가능성을 분석함으로써 효율적으로 메시지를 전달할 수 있는 연구가 필요하다.
그림 11과 같이 모든 비교 알고리즘에서 노드의 최대 속도가 증가할수록 패킷전송률이 높아지는 결과를 나타내었다. 이는 노드의 속도가 DTN에서 중요한 요소임을 확인할 수 있으며, 또한 네트워크 영역의 크기가 상대적으로 작은 경우에 노드가 근접할 수 있는 가능성이 높아 더 좋은 패킷 전송률을 보여주었다.
그림 10과 같이 모든 비교 알고리즘에서 버퍼크기가 증가할수록 패킷전송률이 높아지는 결과를 나타내었다. 이는 버퍼크기가 DTN에서 중요한 요소임을 확인할 수 있으며, 또한 네트워크 영역의 크기가 상대적으로 작은 경우에 노드가 근접할 수 있는 가능성이 높아 더 좋은 패킷 전송률을 보여주었다.

후속연구

모의 실험에서 제안하는 알고리즘과 Epidemic, PROPHET 알고리즘을 패킷 전송률 측면에서 성능을 비교하였으며, 이동 속성 정보를 고려하였을 때 더 효과적으로 메시지를 전달 할 수 있음을 알 수 있었다. 이후 속도와 방향 외에 다른 여러 속성정보를 활용하여 이동 노드의 연결 가능성을 분석함으로써 효율적으로 메시지를 전달할 수 있는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	종단 간 통신에서 확립된 모든 이동노드 중에서 목적노드에게 메시지를 성공적으로 전달할 수 있는 이웃노드를 선정하는 것이 중요한 이유는?	이후 메시지는 이동노드의 이동성에 따라 운반 및 중계되어 네트워크를 이동하며, 최종적으로 목적노드에게 전송된다. 종단 간 통신은 메시지 전송을 이동노드의 이동성에 의존하고 있으므로 통신이 확립된 모든 이동노드 중에서 목적노드에게 메시지를 성공적으로 전달할 수 있는 이웃노드를 선정하는 것이 중요하다. 단, 목적노드에게 전달되지 못한 메시지는 이동 노드의 제한된 메시지 저장 및 처리능력으로 전송 지연 시간이 증가하며, 패킷 손실 현상이 발생할 가능성이 있다.
	이동 노드간의 연결 가능성이 높은 중계노드를 선정하여 효과적으로 메시지를 전달하는 방안이 필수적인 이유는?	종단 간 통신은 메시지 전송을 이동노드의 이동성에 의존하고 있으므로 통신이 확립된 모든 이동노드 중에서 목적노드에게 메시지를 성공적으로 전달할 수 있는 이웃노드를 선정하는 것이 중요하다. 단, 목적노드에게 전달되지 못한 메시지는 이동 노드의 제한된 메시지 저장 및 처리능력으로 전송 지연 시간이 증가하며, 패킷 손실 현상이 발생할 가능성이 있다. 따라서 이동 노드간의 연결 가능성이 높은 중계노드를 선정하여 효과적으로 메시지를 전달하는 방안이 필수적이다.
	DTN이란?	기회적 통신은 노드간의 연결을 상시 확립하는 것이 아니라 서로 다른 노드가 물리적으로 근접하는 기회에 노드 간 연결을 확립한다. DTN(Delay Tolerant Network)은 기회적 통신방식으로 노드 간 통신을 수행하는 네트워크이며, 지연 내성망이라고도 한다. DTN은 통신을 위한 기반시설이 부족한 바다, 사막같이 드넓은 지역과 일정한 시간 및 경로로 대중교통 수단이 내부를 순환하는 도시, 통신 기반 시설이 부족한 재해재난 환경에서의 통신수단으로 연구되고 있다[3-5].

참고문헌 (8)

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상세보기
L. Pelusi, A. Passarella and M. Conti, "Opportunistic Networking : Data Forwarding in Disconnected Mobile AdHoc Networks," IEEE Communications Magazine, vol. 44, no. 11, pp.134-141, Nov. 2006.

상세보기
S. Ehsan, K. Bradford, M. Brugger, B. Hamdaoui, Y. Kovchegov, D. Johnson and M. Louhaichi, "Design and Analysis of Delay-Tolerant Sensor Networks for Monitoring and Tracking Free-Roaming Animals," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 11, no. 3, pp.1220-1227, Mar. 2012.

상세보기
C. Quadri, D. Maggiorini, S. Gaito and G. P. Rossi, "On the Scalability of Delay-Tolerant Routing Protocols in Urban Environment," Wireless Days (WD), 2011 IFIP, pp.1-6, Oct. 2011.
N. Uchida, N. Kawamura, G. Sato, and Y. Shibata, "Delay Tolerant Networking with Data Triage Method based on Emergent User Policies for Disaster Information Network System", Mobile Information Systems, vol. 10, no. 4, pp.347-359, Oct. 2014.

상세보기
A. Vahdat and D. Becker, "Epidemic Routing for Partially-Connected Ad Hoc Networks," Duck Univ. tech. rep. CS-2000-06, 2000.
A. Lindgren, A. Doria, and O. Schelen, "Probabilistic routingin intermittently connected networks," in Service Assurancewith Partial and Intermittent Resources, Springer, Berlin Heidelberg, pp 239-254, 2004.
P. Hui, J. Crowcroft and E. Yoneki, "BUBBLE Rap: Social-Based Forwarding in Delay Tolerant Networks," IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 10, no. 11, pp. 1576-1589, Dec. 2010.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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