JP2009124303A - アドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メッセージの転送に使用する経路情報に不具合が生じた際の経路の再確立のためのオーバヘッドを削減することができるアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法を得る。
【解決手段】複数のノード１０１が自律的にネットワーク１００を形成し、送信元ノードから送信先ノードへメッセージを転送する際に、送信元ノードと送信先ノードの間に位置する各ノードが、送信先ノードに向けた隣接ノードを経路情報として保持し、Hop-by-Hop routingにより送信先ノード宛のメッセージを転送するアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法であって、各ノードは、経路情報として同一宛先ノードに向けた複数の経路情報を保持する。
【選択図】図２

Description

この発明は、送信元ノードから送信先ノードへのメッセージを転送するために、各ノードが宛先となるノードに向けた隣接ノードを経路情報として保持するHop-by-Hop routingと呼ばれるメッセージ転送方法により、複数のノードが自律的にネットワークを構成するアドホックネットワークシステムにおいて、宛先ノードに向けた複数の経路情報の保持及び経路情報の参照に基づくメッセージ転送を行うためのアドホックネットワークシステムにおけるメッセージ転送方法に関するものである。

近年の無線通信技術の進展と電子機器の小型化及び高度化に伴い、従来のインフラストラクチャ型の通信形態に対して、既存のネットワーク・インフラを利用することなく通信機器間での通信を可能とするアドホックネットワークへの関心が高まっている。

このアドホックネットワークは、従来の固定的なインフラストラクチャ型のネットワークとは異なり、（１）物やデバイス間の通信、（２）膨大な物やデバイスによる自律的なネットワークの構築、（３）既存の通信インフラに依存しないネットワーク構築、（４）一時的に利用する手軽なネットワークの構築といった特徴を持っており、トポロジーの変化に対しても自律的に対応することが求められる。

現在、上記の特徴を満たすため、アドホックネットワークを形成するための多くのルーティング・プロトコル（アドホックルーティングプロトコル）が提案されている。例えば、ＤＳＲ（Dynamic Source Routing）（例えば、非特許文献１参照）、ＡＯＤＶ（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）（例えば、非特許文献２参照）、ＯＬＳＲ（Optimized Link State Routing）（例えば、非特許文献３参照）等がある。

ＤＳＲやＡＯＤＶは、On-Demand型のルーティング・プロトコルであり、通信の要求が生じた際に送信元から送信先までの経路を求め、通信を行うものである。一方、ＯＬＳＲは、Proactive型のルーティング・プロトコルであり、常時経路情報を交換することによりトポロジー情報を管理し、通信の要求が生じた際に保持する経路情報をもとに通信の開始が可能となっている。

また、ネットワークを単一のアドホックルーティングプロトコルにより形成するFlat Routingとして分類されるＤＳＲやＡＯＤＶ、ＯＬＳＲとは異なり、大規模ネットワークへの対応を目指し、各ノードをクラスタ（或はゾーン）でまとめることにより、階層的に経路探索・制御を行う階層型ルーティング・プロトコルも提案されている。

例えば、ＣＧＳＲ（Clausterhead-Gateway Switch Routing）（例えば、非特許文献４参照）、ＨＳＲ（Hierarchical State Routing）（例えば、非特許文献５参照）、ＺＲＰ（Zone Routing Protocol）（例えば、非特許文献６参照）、ＬＡＮＭＡＲ（Landmark Ad Hoc Routing Protocol）（例えば、非特許文献７参照）等がある。

さらに、近年では、センサ・ネットワークなどへの適用に向けて、ZigBee Allianceでは、ＡＯＤＶを基本とする経路制御手法が規定されている。なお、センサ・ネットワークにおいては、各ノードからの情報がサーバやゲートウェイ機器などの特定のノードに集中することに着目し、各ノードが特定ノードに向けた経路情報を保持するMany-to-One routingと呼ぶ経路制御手法も併せて規定している（例えば、非特許文献８参照）。

David B. Johnson, 他２名, "The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR)", pp. 1-97, IETF MANET Working Group INTERNET-DRAFT, 19 July 2004, [2005年4月21日検索］, インターネット＜URL：http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet-dsr-10.txt＞ C. Perkins, 他２名, "Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing", pp. 1-30, Network Working Group, Request for Comments:3561, July 2003, [2005年4月21日検索], インターネット＜URL：http://www.ietf.org/rfc/rfc3561.txt＞ T. Clausen, Ed. 他1名, "Optimized Link State Routing (OLSR)", pp. 1-61, Network Working Group, Request for Comments:3626, October 2003, [2005年4月21日検索], インターネット＜URL：http://www.ietf.org/rfc/rfc3626.txt＞ Ching-Chuan Ching, 他１名, "Routing and Multicast in Multihop, Mobile Wireless Networks", Proc. IEEE ICUPC'97, October 1997 Guangyu Pei, 他３名, "A Wireless Hierarchical Routing Protocol with Group Mobility", 0-7803-5669-1/$10.00(c) 1998 IEEE Zygmunt J. Haas, 他１名, "The Performance of Query Control Schemes for the Zone Routing Protocol", IEEE/ ACM Transactions on Networking, Vol. 9, No. 4, August, 2001 Guangyu Pei, 他２名, "LANMAR: Landmark Routing for Large Scale Wireless Ad Hoc Networks with Group Mobility", Proc. ACM/IEEE MOBHOC 2000, August, 2000 "パーソナルエリアネットワークを実現する技術-ZigBee-",電子情報通信学会、通信ソサイエティマガジン、2007年秋号

ＡＯＤＶやZigBee Allianceにおける経路制御手法では、送信元ノードと送信先ノード間の経路の確立は、中継経路中の各ノードが該当宛先ノードに向けたNext hop（隣接ノード）のみを保持することによる。そして、該当宛先ノード宛のメッセージを受信した際には、保持する経路情報に従い隣接ノードに受信メッセージを転送するHop-by-Hop routingと呼ばれる転送手法に基づいている。しかし、特に、センサ・ネットワークなどにおいては、ノードの移動だけに留まらず、無線環境の変化やセンサ・ノードの故障（バッテリー切れによる電源Offを含む）などにより、頻繁な経路の切り替えが想定される。

そのため、通信の発生時に保持する、或いは確立した経路情報に従い、各ノードはメッセージの転送を実施するが、該当経路情報による隣接ノードが存在しない可能性があり、該当メッセージの転送に失敗する場合が存在する。前記メッセージの転送の失敗は、該当メッセージの損失につながるといった問題があった。また、送信元ノードは、該当宛先ノードに対する経路の再確立を実施する必要があり、経路の再確立のためのオーバヘッドの増大といった問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、メッセージの転送に使用する経路情報に不具合が生じた際の経路の再確立のためのオーバヘッドを削減することができるアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法を得ることを目的とする。

この発明に係るアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法は、複数のノードが自律的にネットワークを形成し、送信元ノードから送信先ノードへメッセージを転送する際に、送信元ノードと送信先ノードの間に位置する各ノードが、送信先ノードに向けた隣接ノードを経路情報として保持し、Hop-by-Hop routingにより送信先ノード宛のメッセージを転送するアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法であって、各ノードは、経路情報として同一宛先ノードに向けた複数の経路情報を保持することを特徴とする。

この発明によれば、各ノードが、経路情報として宛先ノードに向けた転送先となる複数の隣接ノードを経路情報として持つことにより、メッセージの転送に使用する経路情報に不具合が生じた際にも、メッセージの転送に使用する経路情報を別の経路情報と置き換えることにより、該当宛先ノードに対する経路エラーの通知を出す必要がなく、ひいては送信元ノードにおける該当宛先ノードに対する経路の再確立のための経路探索手順を回避することにより、経路中の一部の経路情報の不具合による経路の再確立のためのオーバヘッドの削減が図れるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明に係るもので、複数のノードが自律的にネットワークを構成するアドホックネットワークシステムの構成を示すシステム構成図である。上記システムにおけるアドホックネットワーク１００を構成する各ノード（符号１０１は、符号１０１−Ａ，１０１−Ｂ，・・・，１０１−Ｙを総称する）は、無線リンクを介して接続され、On-Demand型でなり、Hop-by-Hop routingによる転送手法を行うＡＯＤＶ（Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing）やZigBee Allianceにおける経路制御手法等のアドホックルーティングプロトコルを実行することにより、アドホックネットワーク１００を構築している。

最初に、図２を参照して、アドホックネットワーク１００内のノード１０１間の通信を行う際の経路探索手順について説明する。アドホックネットワーク１００内のノード１０１−Ａが、ノード１０１−Ｙと通信を行う際には、まず、経路探索要求メッセージ（Route Request）をアドホックネットワーク１００内にばらまく（フラッディングする）（ＳＱ２０１）ことにより、送信先となるノード１０１−Ｙまでの経路探索手順を開始する。

Route Requestを受信するノードは、Route Requestに含まれる送信先ノードが自ノードでなく、且つRoute Requestが持つシーケンス番号とその他の情報の組により、該当Route Requestを未処理の場合（上記処理を受信Route Requestの重複チェックと呼ぶ）には、受信したRoute Requestを再度、ネットワーク内にフラッディングする（ＳＱ２０２）。ここで、該当Route Requestの送信元に対する経路情報（Reverse Path）を自身の経路テーブルに登録する。

また、Route Requestを受信するノードは、受信Route Requestの重複チェックにより重複したRoute Requestの受信を検出した際には、コンフィグレーションにより規定されるＮ個の重複までを許容し、受信したRoute Requestを再度、フラッディングし、Route Requestの送信元に対する経路情報を登録する（ＳＱ２０３）。

一方、Route Requestに含まれる送信先ノードとなるノードは、Route Requestの受信に対して、受信したRoute Requestの送信先に対する経路が最適となる際には、経路探索応答メッセージ（Route Reply）をRoute Requestの送信元に対して通知する（ＳＱ２０４）。ここで、送信先ノードより通知されるRoute Replyは、Route Requestのフラッディングにより各ノードにて登録された経路情報に基づいた経路に沿って転送される（ＳＱ２０５）。すなわち、Route Replyを受信するノードは、Route Replyの送信元ノードに対する経路（Forwarding Path）を自身の経路テーブルに登録するとともに、Reverse Pathとして経路テーブルに登録済である経路情報に従って、受信するRoute Replyを転送する。

上記に加えて、Route Requestに含まれる送信先ノードは、最適となる経路以外にコンフィグレーションにより規定されるＮ個までの経路に対して、Route Replyを通知する（ＳＱ２０６）。

上記により、ノード１０１−Ａとノード１０１−Ｙの間に位置するノードは、ノード１０１−Ａ及びノード１０１−Ｙに対する経路情報として複数の転送先となる隣接ノードを持つ。図３は、ノード１０１−Ａとノード１０１−Ｙの間に位置するノード１０１−Ｂが保持する経路情報を概念的に示しており、ノード１０１−Ｂは、ノード１０１−Ｙに対するメッセージの転送に使用する第一の経路情報としてノード１０１−Ｂ１を、そして複数の経路情報として、ノード１０１−Ｂ２及びノード１０１−Ｂ３などを保持しており、同一の送信先ノードについては、コンフィグレーションにより規定される最大Ｎ個までの経路情報を保持している。なお、図３において、２２は送信先ノードの識別子、２３は次ホップ（転送先）ノードの識別子、２４は状態フラグ、２６はその他の情報を示す。

ここで、各ノードが複数の経路情報を保持する際には、各経路情報の優先度の決定において、宛先ノードまでの距離（ホップ数）に加えて、隣接ノードとの間のリンク品質（無線強度や利用可能な帯域幅）、隣接ノードの持つバッテリー残量や処理負荷などのリソース残量をもとに決定する。図４は、各経路情報の優先度決定の一例を示しており、送信先ノードまでのホップ数２７、隣接ノードとのリンク品質２８、及び隣接ノードのリソース残量２９をもとに優先度２１を決定している。例えば、優先度２１の算出式の一例として、次のように示すことができる。
［優先度２１］＝α×［送信先までのホップ数２７］
＋β×［隣接ノードとのリンク品質２８］
＋γ×［隣接ノードのリソース残量２９］
α、β、γは定数

次に、ノード１０１−Ｙ宛のメッセージの転送について、経路探索手順における転送シーケンスを示す図５を参照して説明する。ノード１０１−Ｙ宛のメッセージを受信するノード１０１−Ｂは、保持する経路情報を参照し、ノード１０１−Ｙに対する第１の経路情報としてノード１０１−Ｂ１を獲得する。そして、該当受信メッセージをノード１０１−Ｂ１に向けて転送する。ここで、転送したメッセージがノード１０１−Ｂ１にて受信処理が行われない場合には、ノード１０１−Ｂは、ノード１０１−Ｙに対する第２の経路情報として、ノード１０１−Ｂ１を除く情報から経路情報、ここでは、ノード１０１−Ｂ２を獲得し、前記獲得した経路情報、ノード１０１−Ｂ２に向けて、再度、当該メッセージを転送する。

なお、ノード１０１−Ｂは、隣接ノードに転送したメッセージが該当隣接ノードにて受信処理が行われたかどうかの判断については、該当隣接ノードからの応答メッセージの受信やPromiscuous modeにおいて該当ノードが転送する当該メッセージの受信により行う。

以上のように、各ノードが、経路情報として宛先ノードに向けた転送先となる複数の隣接ノードを経路情報として持つことにより、メッセージの転送に使用する経路情報に不具合が生じた際にも、メッセージの転送に使用する経路情報を別の経路情報と置き換えることにより、該当宛先ノードに対する経路エラーの通知を出す必要がなく、ひいては送信元ノードにおける該当宛先ノードに対する経路の再確立のための経路探索手順を回避することにより、経路中の一部の経路情報の不具合による経路の再確立のためのオーバヘッドを削減することが可能となる。

また、同一宛先ノードに向けた複数の経路情報の保持において、該当ノードまでの距離（ホップ数）、隣接ノードとの電波強度や利用可能な帯域幅、及び隣接ノードの持つバッテリー量などのリソースの残量などをもとに、複数の経路情報に対して優先度を設けることにより、宛先ノードに向けた最適な経路を順次使用することが可能となる。さらに、このことにより、ネットワーク内のトラヒックの分散やネットワークとしてのライフタイムの延長が可能となる。

また、各ノードがメッセージの転送の失敗時に、複数の該当宛先ノードに対する経路情報から別の経路情報を用いて転送を継続することにより、該当メッセージの損失を回避することが可能となる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１では、送信元ノードと送信先ノードの間に位置するノードが、宛先ノードに対して複数の経路情報を保持し、メッセージの転送失敗時に別の経路情報を用いて再度、転送を試みる経路制御手法について述べたが、特定の属性を持つメッセージの転送において、自ノードが持つ経路情報の数や周囲に位置する隣接ノードの数などに基づいて、複数の隣接ノードに向けて同時に該当メッセージを転送する実施の形態を示す。

図６は、特定の属性を持つメッセージの転送シーケンスを示す図である。ノード１０１−Ａは、ノード１００−Ｙに向けた特定の属性を持つメッセージを複数のノード、例えば３つの隣接ノード１０１−ａ，１０１−ｂ，１０−１ｃに向けて転送を行う。ここで、ノード１０１−Ａの隣接に位置するノード数は比較的に少ないため、より多くの隣接ノードに向けて同時転送を行っている。

一方、ノード１０１−Ｂにおいては、隣接に位置するノード数が比較的多いため、少ない隣接ノード、ここでは、２つの隣接ノードに向けて、特性の属性を持つメッセージの同時転送を行っている。

以上のように、特定の属性を持つメッセージを複数の隣接ノードに対して同時に転送する際に、該当ノードが持つ経路情報の数や周囲に位置する隣接ノードの数などをもとに、同時に転送する隣接ノードの数を決定し、該当宛先ノードに向けた複数の経路情報の中から前記決定した数の経路情報を用いて該当メッセージの転送を行うことにより、ネットワーク内のノードの配置にばらつきがある際にも、各ノードで最適な同時転送数の決定が可能となり、効率的な特定の属性を持つメッセージの転送が可能となる。

上述した実施の形態によれば、複数のノードが自律的にネットワークを形成し、送信元ノードから送信先ノードへメッセージを転送する際に、送信元ノードと送信先ノードの間に位置する各ノードが、送信先ノードに向けた隣接ノードを経路情報として保持し、Hop-by-Hop routingにより送信先ノード宛のメッセージを転送する際、各ノードは、経路情報として同一宛先ノードに向けた複数の経路情報を保持することにより、メッセージの転送に使用する経路情報に不具合が生じた際にも、メッセージの転送に使用する経路情報を別の経路情報と置き換えることにより、該当宛先ノードに対する経路エラーの通知を出す必要がなく、ひいては送信元ノードにおける該当宛先ノードに対する経路の再確立のための経路探索手順を回避することにより、経路中の一部の経路情報の不具合による経路の再確立のためのオーバヘッドの削減が図れるという効果がある。

また、同一宛先ノードに向けた複数の経路情報の保持において、該当ノードまでの距離（ホップ数）、隣接ノードとの電波強度や利用可能な帯域幅、及び隣接ノードの持つバッテリー量などのリソースの残量などをもとに、複数の経路情報に対して優先度を設けることにより、宛先ノードに向けた最適な経路を順次使用することが可能であり、さらに、ネットワーク内のトラヒックの分散やネットワークとしてのライフタイムの延長が図れるという効果がある。

また、各ノードがメッセージの転送の失敗時に、複数の該当宛先ノードに対する経路情報から別の経路情報を用いて転送を継続することにより、該当メッセージの損失の回避を図れるという効果がある。

さらに、特定の属性を持つメッセージを受信し、該当メッセージを複数の隣接ノードに対して同時に転送する際に、該当ノードが持つ経路情報の数や周囲に位置する隣接ノードの数などをもとに、同時に転送する隣接ノードの数を決定し、該当宛先ノードに向けた複数の経路情報の中から前記決定した数の経路情報を用いて該当メッセージの転送を行うことにより、該当メッセージの損失回避を図れるという効果がある。

この発明に係るもので、複数のノードが自律的にネットワークを構成するアドホックネットワークシステムの構成を示すシステム構成図である。 この発明の実施の形態１に係るもので、図１のアドホックネットワーク１００内のノード１０１間の通信を行う際の経路探索手順について説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るもので、図１のノード１０１−Ａとノード１０１−Ｙの間に位置するノード１０１−Ｂが保持する経路情報を概念的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係るもので、各経路情報の優先度決定の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るもので、ノード１０１−Ｙ宛のメッセージの転送について、経路探索手順における転送シーケンスを示す図である。 この発明の実施の形態２に係るもので、特定の属性を持つメッセージの転送シーケンスを示す図である。

符号の説明

１００ アドホックネットワーク、１０１（１０１−Ａ，１０１−Ｂ，１０１−Ｙ） ノード。

Claims (4)

1. 複数のノードが自律的にネットワークを形成し、送信元ノードから送信先ノードへメッセージを転送する際に、送信元ノードと送信先ノードの間に位置する各ノードが、送信先ノードに向けた隣接ノードを経路情報として保持し、Hop-by-Hop routingにより送信先ノード宛のメッセージを転送するアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法であって、
   各ノードは、経路情報として同一宛先ノードに向けた複数の経路情報を保持する
   ことを特徴とするアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法。
2. 請求項１に記載のアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法において、
   各ノードが保持する同一宛先ノードに向けた複数の経路情報は、宛先ノードまでの距離（ホップ数）、隣接ノードとのリンク品質及び隣接ノードのリソース残量をもとに優先度が決定される
   ことを特徴とするアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法。
3. 請求項１または２に記載のアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法において、
   各ノードは、保持する複数の経路情報のうち、第一の経路情報によるメッセージの転送に失敗した際に、保持する複数の経路情報の中から第二の経路情報を取り出し、第二の経路情報に従いメッセージの転送を行う
   ことを特徴とするアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法において、
   各ノードは、特定の属性を持つメッセージを複数の隣接ノードに対して同時に転送する際に、自ノードが持つ経路情報の数や周囲に位置する隣接ノードの数をもとに同時に転送する隣接ノードの数を決定する
   ことを特徴とするアドホックネットワークにおけるメッセージ転送方法。

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