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저전력 손실 네트워크에서의 적응형 다중경로 라우팅 알고리즘
Adaptive Multipath Routing Algorithm for Low-power Lossy Networks 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.19 no.2, 2019년, pp.91 - 96  

김승현 (상명대학교 컴퓨터과학과) ,  정진우 (상명대학교 휴먼지능정보공학과)

초록
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일반적인 무선 센서 네트워크는 연결이 안정적이지 않고 외부 간섭에 민감하며 토폴로지가 유동적이므로 상황에 맞는 효율적인 전송 경로 설정이 중요하다. IETF (Internet Engineering Task Force)의 RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-power Lossy Networks) 표준 라우팅 프로토콜은 다양한 환경 변화에 유연하게 대응하기 어려우며 네트워크 토폴로지의 불균형으로 인한 패킷 손실 문제가 상존한다. 다중경로로 여러 부모 노드를 통해 패킷을 전송할 경우 이러한 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만 경우에 따라 필요 이상의 timeslot 할당으로 지연시간 증가를 초래할 수 있다. 본 논문에서는 상황에 따라 적절하게 다중경로를 사용하는 적응형 다중경로 RPL 알고리즘을 제안하고, 시뮬레이션을 통해 이의 효율성이 기존 RPL이나 다중경로 RPL에 비해 높음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

For a wireless sensor network in general, efficient routing decision is important because wireless connections are not stable, sensitive to external interference, and topology changes dynamically. RPL standard of IETF is not flexible to various environmental changes and causes packet loss and delay ...

주제어

#Multipath RPL   #Nework Balance   #Overflow   #Packet loss   #RPL  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 기존 RPL을 개선하여 상황에 따라 효율적으로 동작하는 적응형 다중경로 RPL을 제시하였다. 이를 통해 통신량이 많은 상황에서는 다중경로의 사용을 통해 오버헤드로 인한 패킷 손실을 줄일 수 있고 bottleneck 현상으로 인한 네트워크의 불균형을 해결하여 지연시간을 낮출 수 있다.

가설 설정

  • 1. 다중경로를 사용하기 위해 설정한 전송 slot과 수신 slot이 유지되어 전체적 slotframe의 길이가 확장된 상태로 유지된다. 이는 전체 지연시간을 커지게 만든다.
  • 2. 루트 노드로 가까워질수록 연결되는 물리적인 노드들의 수는 작아질 수밖에 없다.하지만 모든 노드에서 발생하는 패킷들은 루트 노드에게 전송되어야 하므로 루트 노드 부근에서 병목현상이 집중된다.
  • B1 노드는 C1 노드를 자식 노드로 갖고 있고 B2 노드는 C2, C3, C4, C5 노드를 자식 노드로 갖고 있다. A1 노드와 A2 노드의 slotframe 당 데이터 생성률은 1/7이고 B1, B2, B3 노드들의 slotframe 당 데이터 생성률은 1/5이며 C1, C2, C3, C4, C5 노드들의 slotframe당 데이터 생성률은 1/3~2/3으로 데이터 생성 및 전송률이 높은 네트워크 환경을 가정한다. 또한, 각 노드의 버퍼 크기는 10으로 고정하여 overflow의 발생 확률이 높은 환경을 선정한다.
  • [1] 해당 RPL을 실행하는 데 필요한 최소 slotframe 크기는 7 timeslots이다.
  • 그중 자율적인 스케줄링의 경우 중앙집중형 스케줄링이나 분산된 스케줄링보다 상호 협의 과정이 없으므로 오버헤드가 적고 확장하기 쉽다. 따라서 본 논문에서는 데이터링크 계층에서 자율적 스케줄링 방식을 사용하는 Orchestra[5]를 사용하였다고 가정한다.
  • 시뮬레이션의 길이는 100 slotframe 동안의 결과를 하나의 시뮬레이션 단위로 진행하며 총 100 단위의 시뮬레이션에 대한 평균으로 나타낸다. 또한, slotframe의 크기는 토폴로지 내의 모든 노드가 통신할 수 있는 최소 크기로 유동적으로 변화하며 RPL의 모드가 변하는 순간 일괄적으로 변화한다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
TSCH는 무엇인가? TSCH(time slotted channel hopping)는 안정성이 높고 deterministic 한 지연시간을 보장하며 적은 에너지를 소비하는 매체접근제어기술이다[3]. TSCH에서는 모든 노드가 동기화되어 있으며 시간은 timeslot으로 쪼개지는데, 이는 노드가 패킷을 전송하고 ACK (acknowledgement)를 받기까지 충분한 길이여야 한다.
무선 네트워크 환경이 유선 네트워크 환경과 차이점은 무엇인가? 최근 들어 스마트 팩토리, 차량 간 통신, 스마트 홈, 지능형 빌딩 등과 같은 다양한 분야에서 무선 네트워크 센서가 사용되고 있다. 유선 네트워크 환경과는 다르게 무선 네트워크 환경은 보통 연결이 안정적이지 않고 외부 간섭에 민감할 뿐 아니라 노드의 이동성으로 인해 토폴로지가 유동적이다. 따라서 토폴로지의 변화에 따라 적절히 데이터의 전송 경로를 설정하는 라우팅 알고리즘의 설계가 중요하다.
RPL에 다중경로를 적용하려는 시도의 장점은 무엇인가? 이를 위해 RPL에 다중경로를 적용하려는 시도가 있다. 이는 병목현상이나 네트워크의 불균형을 방지하여 전체적인 네트워크의 수명을 늘릴 수 있도록 도와주며, 패킷의 단대단(End-to-End) 지연시간을 줄일 수 있다. 기존 연구[7]에서 제안하는 다중경로 RPL은 기본적으로 연결할 수 있는 모든 부모 노드들에 패킷을 전송하는 방식을 사용한다.
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참고문헌 (9)

  1. RPL: IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks,(RFC 6550) 

  2. Taghizadeh, Seyedreza, Hossein Bobarshad and Halima Elbiaze. "CLRPL: Context-Aware and Load Balancing RPL for Iot Networks Under Heavy and Highly Dynamic Load." IEEE Access 6 (2018) DOI:10.1109/ACCESS.2018.2817128 

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  3. Mi-Ryong Park, Dongwon Kim. (2017). Scheduling Scheme and Performance Analysis of IEEE802.15.4e TSCH. The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, 17(5), 43-49. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.5.43 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. Bui Xuan Yen, Wonhee Lee, Youngsuk Kim and Myungsik Yoo, "Performance Evaluation of Wireless Networked Control System Based on IEEE 802.15.4e With Redundancy," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 38, No. 7, pp. 572-580, Jul, 2013. DOI:http://dx.doi.org/10.7840/kics.2013.38B.7.572 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. Duquennoy, Simon, Beshr Al Nahas, Olaf Landsiedel and Thomas Watteyne. "Orchestra: Robust Mesh Networks Through Autonomously Scheduled TSCH." SenSys (2015). DOI: 10.1145/2809695.2809714 

  6. Badach, Anatol. (2017). A Literature Collection on Routing in the Internet of Things (IoT) with RPL - Part 2: RPL Extensions. DOI :10.13140/RG.2.2.12610.48329. 

  7. Zhu, Licai, Ruchuan Wang and Hao Yang. "Multi-Path Data Distribution Mechanism Based on RPL for Energy Consumption and Time Delay." Information 8 (2017): 124. DOI: 10.3390/info8040124. 

    상세보기 crossref

  8. Iova, O., Theoleyre, F., & Noel, T. (2015). Using multiparent routing in RPL to increase the stability and the lifetime of the network. Ad Hoc Networks, 29, 45-62. DOI:10.1016/j.adhoc.2015.01.020 

    상세보기 crossref

  9. Hsiao, P., Hwang, A., Kung, H.T., & Vlah, D. (2001). Load Balancing Routing for Wireless Access Networks. INFOCOM. DOI:10.1109/INFCOM.2001.916291 

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