JP5892545B2 - Dynamic tiering method in network - Google Patents
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Description
本発明は、急激なトラフィック増減に対応できるネットワークにおける動的階層化方法に関する。 The present invention relates to a dynamic tiering method in a network that can cope with a sudden increase or decrease in traffic.
無線メッシュネットワーク(非特許文献1)はノードをメッシュ状に結び無線のバックボーンを構築するネットワークである。無線技術が低コスト化し、無線通信装置はメッシュノードとして複数の無線通信をサポートできるようになり、クライアントアクセス、双方向サービスなどの機能が提供できるようになっている。 A wireless mesh network (Non-Patent Document 1) is a network in which nodes are connected in a mesh shape to construct a wireless backbone. The cost of wireless technology has been reduced, and wireless communication devices can support a plurality of wireless communication as mesh nodes, and can provide functions such as client access and interactive service.
無線メッシュネットワーク例えばモバイルアドホックネットワーク(Mobile Ad-hoc NETwork:以下MANETと略称する)は、基地局や固定網に依存せず、移動端末(以下ノードという)を構成要素とする自律分散形のネットワークであり、ノードがバケツリレー的に(マルチホップで)データ転送を行う。MANET環境において、ノードの移動を効率的に管理し、データパケットの到達性能を向上させるプロトコルとして、自律分散クラスタリングと自律分散クラスタリングを用いた階層ルーティングHi-AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector アドホックオンデマンド距離ベクトル、非特許文献2、非特許文献3)が提案されている。Hi-AODVは自律分散クラスタリングで構成したクラスタの集合にAODV を適用した階層ルーティングである。自律分散クラスタリングは大規模なネットワークをクラスタと呼ばれる複数の小さなサブネットワークに分け、クラスタヘッドと呼ばれる管理ノードが各クラスタ管理する手法である。このように、ネットワークを複数のクラスタに分けて階層化することにより、制御パケットの削減など効率的なルーティングを行うことができる。このような階層化手法は無線メッシュネットワークにも適用可能である。
A wireless mesh network, such as a mobile ad-hoc network (hereinafter abbreviated as MANET), is an autonomously distributed network that does not depend on a base station or a fixed network but has mobile terminals (hereinafter referred to as nodes) as components. Yes, the node performs data transfer in a bucket-relay manner (multi-hop). Hierarchical routing Hi-AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector ad hoc on) using autonomous distributed clustering and autonomous distributed clustering as a protocol to efficiently manage node movement and improve data packet arrival performance in MANET environment A demand distance vector, Non-Patent
またアドホックネットワークにおいては、クラスタを適正な形状に構成できる通信方法も知られている(特許文献1)。 Further, in an ad hoc network, a communication method that can configure a cluster in an appropriate shape is also known (Patent Document 1).
スマートフォンやタブレット端末などで高帯域を要するサービスを利用するユーザが増加しており、ノードに流れるトラフィックが増加している。さらに、Internet of Things(モノのインターネット、非特許文献4)に代表されるモノ(センサ、無線タグ等)とモノとの通信の増加や災害時の基地局の故障や安否確認の連絡の集中(非特許文献5)により、急激なトラフィック上昇が起こる可能性があり、ノードに流れるトラフィックの予想は困難である。このような環境において階層化手法を用いた場合、常に同じ大きさのクラスタで運用すると、トラフィックの増加が起こるとクラスタヘッドの負荷が高くなる。その結果、クラスタヘッドでパケットロスを起こしスループットの低下につながる。 The number of users who use services requiring high bandwidth on smartphones and tablet terminals is increasing, and traffic flowing through the nodes is increasing. Furthermore, communication between things (sensors, wireless tags, etc.) represented by the Internet of Things (Non-patent Document 4) and things, and concentration of communication for failure and safety confirmation of base stations during disasters ( Non-patent document 5) may cause a sudden increase in traffic, and it is difficult to predict the traffic flowing in the node. When the hierarchization method is used in such an environment, if the operation is always performed in a cluster of the same size, the load on the cluster head increases when traffic increases. As a result, packet loss occurs at the cluster head, leading to a reduction in throughput.
特許文献1に記載の通信方法は、地理的な形状を考慮し、丸みを帯びたクラスタ形状とし、ゲートウェイ数の削減を目的とするものであり、急激なトラフィック増への対応を目的としたものとは異なる。
The communication method described in
本発明は、自律分散クラスタリングの考え方を用いてネットワークを複数のクラスタに分割して管理し、クラスタ内を流れるトラフィックによってクラスタを動的に変える方法を提案するものである。本発明方法では、定期的に送信される制御パケットによりリアルタイムにトラフィック情報を取得・管理する。そして、クラスタヘッドがトラフィックが高いと判断した場合には動的にクラスタを分割・結合させる。それにより、クラスタヘッドの負荷を分散させ、スループット低下を防ぐ。 The present invention proposes a method in which a network is divided into a plurality of clusters and managed using the concept of autonomous distributed clustering, and a cluster is dynamically changed by traffic flowing in the cluster. In the method of the present invention, traffic information is acquired and managed in real time using control packets transmitted periodically. When the cluster head determines that the traffic is high, the clusters are dynamically divided and combined. As a result, the load on the cluster head is distributed to prevent a decrease in throughput.
本発明に係るネットワークにおける動的階層化方法は、ネットワークが複数のクラスタに分割され、1つのクラスタには、該クラスタを管理する1つのクラスタヘッドが存在し、該クラスタヘッドは、該クラスタヘッドから定期的にクラスタメンバにブロードキャストされ、受信したクラスタメンバが下流ノードにこれを転送するメンバパケットと、前記クラスタの、前記メンバパケットを受信した葉ノードから、前記クラスタヘッドへ向けて、上流ノードへ送信するメンバ確認応答パケットと、からなる制御パケットにて制御され、前記メンバパケットMEPを受信した各ノードは前記メンバパケットの送信元ノードを親としてツリーを構築し、前記クラスタ内の各メンバは、常に自身の時間当たりの通過データパケット量を記録し、前記クラスタ内の記録した時間当たりの通過パケット量が前記メンバ確認応答パケットに記載され、自身のノード情報とともに前記メンバ確認応答パケット送信ごとのデータとして定期的に前記クラスタヘッドに送られ、他のクラスタと隣接するノードであるゲートウェイは、自身の情報に加えて隣接するクラスタのノード情報及びトラフィック情報を前記メンバ確認応答パケットに載せて送信し、前記クラスタヘッドは前記クラスタメンバからの前記メンバ確認応答パケットをもとに、クラスタメンバリストを生成し、前記クラスタを管理し、各メンバの通過パケット量を集め、その和を前記クラスタ内の総トラフィックとし、前記クラスタヘッドは定期的に前記クラスタ内の総トラフィックを確認し、あらかじめ設定された閾値の上限を超えた場合は前記クラスタを分割し、設定した閾値の下限を下回った場合は、隣接するクラスタのトラフィック情報を確認したのち、所定の条件を満たしていれば隣接クラスタと結合を行うとともに、前記クラスタの分割に際しては、前記クラスタ内の各メンバまでのホップ数の平均の1/2となるノードであって、かつこの条件を満たすノードが複数あった場合は、求めたホップ数のノードの中で隣接クラスタリストを多く知っているノードを新クラスタヘッド候補とすることを特徴とするものである。 In the dynamic tiering method in the network according to the present invention, the network is divided into a plurality of clusters, and one cluster has one cluster head for managing the cluster, and the cluster head is the cluster head. Is periodically broadcast to the cluster member, and the received cluster member forwards it to the downstream node, and the leaf node of the cluster that has received the member packet is directed to the upstream node toward the cluster head. Each node that has received the member packet MEP builds a tree with the source node of the member packet as a parent, and each member in the cluster is controlled by a control packet consisting of a member acknowledgment packet to be transmitted, Always record the amount of passing data packets per hour, and Is recorded in the member acknowledgment packet and is sent to the cluster head periodically as data for each transmission of the member acknowledgment packet together with its own node information. The gateway which is an adjacent node transmits node information and traffic information of the adjacent cluster in addition to its own information on the member confirmation response packet, and the cluster head transmits the member confirmation response packet from the cluster member. based generates a cluster member list, and manages the cluster, collect the passing packet amount of each member, the sum as a total traffic in the cluster, a total traffic of the cluster head in regularly the cluster And if the preset threshold is exceeded Divides the cluster, if the lower limit of the threshold value set, after confirming the traffic information of neighboring clusters, with a join with an adjacent cluster if they meet a predetermined condition, when the division of the cluster Is a node that is ½ of the average number of hops to each member in the cluster and there are a plurality of nodes that satisfy this condition, the adjacent cluster list among the nodes with the determined number of hops A node that knows a lot of information is a new cluster head candidate .
また前記クラスタヘッドは、前記クラスタ内の任意のノード を分割後の新しいクラスタヘッド候補に指定するパケット RNCPを送信し、該RNCP を受信した前記任意のノード がクラスタヘッド候補になり、該ノードは、自身のノードID を付加したパケットCNCP を周囲のノードに送信し、クラスタ内の他のノードは、早く受信したクラスタID 変更パケットに含まれているノードID を自分のクラスタID と設定し、クラスタの分割を完了することを特徴とするものである。 In addition, the cluster head transmits a packet RNCP designating an arbitrary node in the cluster as a new cluster head candidate after division, and the arbitrary node that has received the RNCP becomes a cluster head candidate. A packet CNCP with its own node ID added is sent to the surrounding nodes, and other nodes in the cluster set the node ID included in the cluster ID change packet received earlier as their own cluster ID. The division is completed.
また、前記クラスタ内の総トラフィックが閾値の下限 以下の場合、隣接クラスタリストを確認し、隣接クラスタのクラスタ内総トラフィックを確認し、自身のクラスタ内のトラフィックと隣接クラスタ内総トラフィックの和が閾値の上限を超えていなければ、クラスタ内トラフィックが最も小さいクラスタと結合し、かつ、クラスタ分割後に経路構築される前に再結合を起こすのを防ぐために、分割が起こったクラスタは一定時間結合をしないことを特徴とするものである。 If the total traffic in the cluster is below the lower limit of the threshold, check the adjacent cluster list, check the total intra-cluster traffic of the adjacent cluster, and the sum of the traffic in its own cluster and the total traffic in the adjacent cluster is the threshold. If the upper limit of the cluster is not exceeded, the cluster that has undergone the split will not join for a certain period of time in order to join the cluster with the smallest intra-cluster traffic and prevent rejoining before the path is built after splitting the cluster It is characterized by this.
シミュレーション実験によりトラフィックが高い環境で固定の階層ルーティングと比較を行った結果、データ到達率の向上とドロップパケット量の削減を確認した。また、負荷分散の評価値としてクラスタ通過時のクラスタ通過パケット量の減少を確認した。 As a result of comparison with fixed hierarchical routing in an environment with high traffic, we confirmed that the data arrival rate was improved and the amount of dropped packets was reduced. In addition, a decrease in the amount of packets passing through the cluster was confirmed as an evaluation value of load distribution.
以下、自律分散クラスタリングと階層ルーティングHi-AODVを例にとって説明する。 In the following, autonomous distributed clustering and hierarchical routing Hi-AODV will be described as examples.
自律分散クラスタリング
自律分散クラスタリングは、MANET環境において、ネットワークを複数のサブネットワークに分割して管理する方法である。各サブネットワークをクラスタと呼ぶ。一つのクラスタのノード数を制限するために、下限値L と上限値U をあらかじめ設定している。これらの設定値は、クラスタ同士の結合や分割を行う際にクラスタ内のメンバ数の閾値として使用される。各クラスタはクラスタを管理する一つのクラスタヘッドと複数のクラスタメンバで構成され、クラスタヘッドのノードID がそのクラスタのクラスタID となる。このとき、クラスタのすべてのノードは同じクラスタIDを持つノード同士で連結されるように維持される。自律分散クラスタリングは、クラスタ同士が重ならないという特徴を持つ。
Autonomous distributed clustering Autonomous distributed clustering is a method of managing a network by dividing it into a plurality of sub-networks in a MANET environment. Each subnetwork is called a cluster. In order to limit the number of nodes in one cluster, a lower limit value L and an upper limit value U are set in advance. These set values are used as threshold values for the number of members in the cluster when the clusters are joined or divided. Each cluster consists of one cluster head that manages the cluster and multiple cluster members, and the node ID of the cluster head is the cluster ID of that cluster. At this time, all the nodes of the cluster are maintained so as to be connected by nodes having the same cluster ID. Autonomous distributed clustering has the feature that clusters do not overlap.
クラスタヘッドとクラスタメンバによる制御パケットの送信例を図1 に示す。クラスタヘッドCはクラスタメンバ(○印で示すノード)の情報を効率よく収集するために、図1(a) のように制御パケットをクラスタ内にブロードキャストする。ブロードキャストとは、クラスタ内の全てのノードに対して情報を発信することを指す。制御パケットによって自身を根とするツリーを構成する。そして、クラスタヘッドCは図1(b) のようにメンバからの制御パケットによってメンバ情報を収集する。自身のクラスタID と異なるクラスタID を持つノードと隣接しているノードをゲートウェイと呼ぶ。また、異なるクラスタのゲートウェイが相互に通信範囲内に存在しているとき、クラスタ間が隣接していると呼ぶ。クラスタメンバ数が下限L 未満となった場合、隣接クラスタのいずれかと結合を行う。また、クラスタメンバ数が上限U を超えた場合は、自クラスタを二分割する。 Figure 1 shows an example of control packet transmission by the cluster head and cluster members. Cluster head C broadcasts control packets in the cluster as shown in Fig. 1 (a) in order to efficiently collect information on cluster members (nodes indicated by circles). Broadcast refers to sending information to all nodes in the cluster. The control packet forms a tree rooted in itself. Then, the cluster head C collects member information by control packets from the members as shown in FIG. 1 (b). A node adjacent to a node having a cluster ID different from its own cluster ID is called a gateway. Further, when gateways of different clusters exist within the communication range, it is said that the clusters are adjacent. If the number of cluster members is less than the lower limit L, join with one of the adjacent clusters. If the number of cluster members exceeds the upper limit U, the own cluster is divided into two.
データパケット送信時、送信元ノードと宛先ノードが同じクラスタに属している場合、クラスタヘッドCを根とするツリーを用いてデータパケットの転送を行う。自律分散クラスタリングでは、クラスタヘッドCがクラスタ全体を集中管理するため、その他のクラスタメンバの負荷を軽減できる。 When transmitting a data packet, if the source node and the destination node belong to the same cluster, the data packet is transferred using a tree rooted at the cluster head C. In autonomous distributed clustering, cluster head C centrally manages the entire cluster, reducing the load on other cluster members.
階層ルーティングHi-AODV
階層ルーティングHi-AODV は、クラスタによって分割されたネットワークにおいて、クラスタ内ルーティングとクラスタ間ルーティングを行う。クラスタ内ルーティングではクラスタヘッドベースツリーを用いて行う。クラスタ間ルーティングではクラスタを1つの仮想ノードとみなしてAODV の概念に基づいたルーティングを行う。Hi-AODVにおけるクラスタ内ルーティングではノードがデータパケットを送信する際、データパケットはクラスタヘッドベースツリーを基にクラスタヘッドまで送信される。クラスタヘッドがデータパケットを受信した場合、自身の持つクラスタメンバリストから宛先ノードを検索し、宛先ノードがクラスタ内にいる場合はそのノードヘ向けてデータパケットを送信する。宛先ノードがクラスタメンバリストに存在しない場合はデータパケットをバッファし、クラスタ間ルーティングの処理を実行する。Hi-AODVにおけるクラスタ間ルーティングではクラスタを一つの仮想ノードとみなしてRREQ(Route REQuest) とRREP(Route REPly)により経路構築を行う。クラスタ間ルーティングに用いるための経路表は各クラスタのクラスタヘッドのみが管理し、経路の探索・維持はクラスタ単位で行う。また、制御パケットの処理はクラスタヘッドのみが行い、他のノードは転送のみを行うことでルーティングによるオーバヘッドを抑えることができる。しかし、クラスタ内のトラフィックが増えた場合、クラスタヘッドの負荷が高くなるという問題がある。
Hierarchical routing Hi-AODV
Hierarchical routing Hi-AODV performs intra-cluster routing and inter-cluster routing in networks divided by clusters. Intra-cluster routing is performed using a cluster head base tree. In inter-cluster routing, the cluster is regarded as one virtual node and routing is performed based on the AODV concept. In intra-cluster routing in Hi-AODV, when a node transmits a data packet, the data packet is transmitted to the cluster head based on the cluster head base tree. When the cluster head receives a data packet, the destination node is searched from its own cluster member list, and when the destination node is in the cluster, the data packet is transmitted to that node. If the destination node does not exist in the cluster member list, the data packet is buffered and the inter-cluster routing process is executed. In inter-cluster routing in Hi-AODV, a cluster is regarded as one virtual node, and a route is constructed by RREQ (Route REQuest) and RREP (Route REPly). The route table used for inter-cluster routing is managed only by the cluster head of each cluster, and the route search / maintenance is performed on a cluster basis. Further, only the cluster head processes the control packet, and the other nodes only perform forwarding, thereby suppressing overhead due to routing. However, when the traffic in the cluster increases, there is a problem that the load on the cluster head increases.
クラスタ内トラフィックが増加してもクラスタヘッドの負荷が高くならないよう、トラフィック量に応じて動的にクラスタの大きさを変える方法が用いられる。この方法では、MANET の自律分散クラスタリングのようにネットワークを複数のクラスタに分割して管理し、階層型ルーティングによってデータ通信を行う。クラスタの分割や結合は、MANET 環境の自律分散クラスタリングではノード数の上限U と下限L を用いて行われていたが、本発明方法では急激なトラフィックの増減に対応するためトラフィック量によって行う。そして、送信元ノードから経路構築要求が発生した場合、階層型ルーティングHi-AODV によってクラスタ間の経路構築を行う。以下、 クラスタ構築とトラフィック情報の収集、クラスタの分割、結合、データパケットの転送について順に説明する。 A method of dynamically changing the size of the cluster according to the amount of traffic is used so that the load on the cluster head does not increase even if the intra-cluster traffic increases. In this method, the network is divided into multiple clusters and managed like autonomous distributed clustering in MANET, and data communication is performed by hierarchical routing. In the autonomous distributed clustering in the MANET environment, the cluster is divided or joined using the upper limit U and the lower limit L of the number of nodes. However, in the method of the present invention, the change is performed according to the traffic volume in order to cope with a sudden increase or decrease in traffic. When a route construction request is generated from the transmission source node, the route construction between clusters is performed by the hierarchical routing Hi-AODV. Hereinafter, cluster construction, traffic information collection, cluster division, combination, and data packet transfer will be described in order.
クラスタ構築とトラフィック情報の収集
本発明方法におけるクラスタの管理とトラフィック情報の取得は、クラスタメンバパケット(MEP:cluster MEmber Packet) とクラスタメンバ確認応答パケット(MAP:cluster Member Acknowledge Packet) と呼ばれる制御パケットを用いて行う。クラスタヘッドは、定期的にクラスタ内の各メンバにMEP をブロードキャストする。MEP を受信した各ノードはMEP の送信元ノードを親としてツリーを構築する。クラスタ内の各メンバは、常に自身の時間当たりの通過データパケット量を記録する。そして、クラスタ内の記録した時間当たりの通過パケット量はMAP に記載され、自身のノード情報とともにMAP 送信ごとのデータとして定期的にクラスタヘッドに送られる。このとき、他のクラスタと隣接するノードであるゲートウェイは、自身の情報に加えて隣接するクラスタのノード情報やトラフィック情報もMAPに載せて送信する。クラスタヘッドはクラスタメンバからのMAPをもとに、クラスタメンバリストを生成し、クラスタを管理する。そして、各メンバの通過パケット量を集め、その和をクラスタ内の総トラフィックと定義する。
Cluster construction and traffic information collection Cluster management and traffic information acquisition according to the method of the present invention are performed by using control packets called cluster member packets (MEP) and cluster member acknowledge packets (MAP). To do. The cluster head periodically broadcasts the MEP to each member in the cluster. Each node that receives the MEP constructs a tree with the MEP source node as the parent. Each member in the cluster always keeps track of the amount of transit data packets per hour. The amount of passing packets recorded in the cluster per time is recorded in the MAP and periodically sent to the cluster head as data for each MAP transmission together with its own node information. At this time, the gateway, which is a node adjacent to another cluster, transmits the node information and traffic information of the adjacent cluster on the MAP in addition to its own information. The cluster head generates a cluster member list based on the MAP from the cluster member and manages the cluster. Then, the amount of passing packets of each member is collected, and the sum is defined as the total traffic in the cluster.
分割と結合
クラスタヘッドは定期的にクラスタ内の総トラフィックを確認し、あらかじめ設定しておいた閾値の上限Uを超えた場合はクラスタを分割する。設定した閾値の下限L を下回った場合は、隣接するクラスタのトラフィック情報を確認したのち、条件を満たしていれば隣接クラスタと結合を行う。
The split and join cluster head periodically checks the total traffic in the cluster, and splits the cluster if it exceeds the preset upper limit U. If it falls below the lower limit L of the set threshold, after confirming the traffic information of the adjacent cluster, if the condition is satisfied, it joins with the adjacent cluster.
分割
クラスタヘッドが集めるクラスタ内のトラフィック情報が閾値の上限U を超えた場合、クラスタを分割する。分割の手順を図2 に示す。分割の際、クラスタヘッドAはクラスタ内のノードB を分割後の新しいクラスタヘッド候補に指定し、 図2(a) に示すようにRNCP(Recommendation for NEw Cluster head Packet) と呼ばれるパケットを送信する。そして、RNCP を受信したノードB はクラスタヘッド候補になる。そして、クラスタヘッドAと新しくクラスタヘッド候補となったノードBは、自身のノードID を付加したCNCP(Candidate New Cluster Packet) を図2(b)に示すように周囲のノードに送信する。クラスタ内の他のノードは、早く受信したクラスタID 変更パケットに含まれているノードID を自分のクラスタID と設定し、クラスタの分割が完了する。
When the traffic information in the cluster collected by the divided cluster head exceeds the upper limit U of the threshold, the cluster is divided. Figure 2 shows the division procedure. At the time of splitting, cluster head A designates node B in the cluster as a new cluster head candidate after splitting, and transmits a packet called RNCP (Recommendation for NEw Cluster head Packet) as shown in FIG. 2 (a). Node B that receives the RNCP becomes a cluster head candidate. Then, the cluster head A and the node B that has newly become a cluster head candidate transmit a CNCP (Candidate New Cluster Packet) with its own node ID added to the surrounding nodes as shown in FIG. The other nodes in the cluster set the node ID included in the cluster ID change packet received earlier as their own cluster ID, and the cluster division is completed.
分割時のクラスタヘッド候補の決め方は次のとおりである。なるべくクラスタ内のトラフィックが半分になるようにクラスタを分割するのが望ましい。そのために、クラスタ内の各メンバまでのホップ数の平均の1/2 とする方法を用いる。条件を満たすノードが複数あった場合は、求めたホップ数のノードの中で隣接クラスタリストを多く知っているノードを新クラスタヘッド候補とする。 The method of determining cluster head candidates at the time of division is as follows. It is desirable to divide the cluster so that the traffic in the cluster is halved as much as possible. For this purpose, a method is used in which the average number of hops to each member in the cluster is 1/2. If there are a plurality of nodes that satisfy the condition, a node that knows a large number of adjacent cluster lists among the determined number of hops is determined as a new cluster head candidate.
結合
クラスタ内の総トラフィックが閾値の下限L 以下の場合、隣接クラスタリストを確認し、隣接クラスタのクラスタ内総トラフィックを確認する。自身のクラスタ内のトラフィックと隣接クラスタ内総トラフィックの和が閾値の上限U を超えていなければ、クラスタ内
トラフィックが最も小さいクラスタと結合する。また、クラスタ分割後に経路構築される前に再結合を起こすのを防ぐために、分割が起こったクラスタは一定時間結合をしない。
If the total traffic in the combined cluster is less than or equal to the lower threshold L, check the adjacent cluster list and check the total intra-cluster traffic of the adjacent cluster. If the sum of the traffic in the cluster and the total traffic in the adjacent cluster does not exceed the upper limit U of the threshold, the cluster is joined to the cluster having the smallest intra-cluster traffic. Further, in order to prevent reconnection before the path is constructed after dividing the cluster, the cluster in which the division has occurred is not connected for a certain period of time.
データパケットの転送
データパケットの転送は、クラスタリングに基づいたHi-AODVを用いて行う。クラスタ間通信もHi-AODVのクラスタ間通信のように、クラスタを1つの仮想ノードとみなしてRREQ を用いてAODV の概念に基づいたルーティングを行う。クラスタの分割や結合により、経路上のクラスタID が変化した場合、経路切断が起こる。その場合は、RREQ により経路探索を行う。
Data packet transfer Data packets are transferred using Hi-AODV based on clustering. Inter-cluster communication, like Hi-AODV inter-cluster communication, treats a cluster as one virtual node and performs routing based on the AODV concept using RREQ. If the cluster ID on the route changes due to the splitting or joining of clusters, route disconnection occurs. In that case, route search is performed by RREQ.
シミュレーション実験
シミュレーション実験により本発明方法の性能を評価する。本発明方法とクラスタの分割と結合を行わない階層型ルーティング(以下、従来法と呼ぶ) において、SD ペア数の増加によりバックグラウンドのトラフィックを変えてシミュレーションを行い比較する。実験においてネットワーク内のトラフィックが急激に増加する想定として、ある一か所のトラフィックが増加するように送信間隔を短くしたSD ペアを複数用意し、これをバックグラウンドのSD ペアとする。バックグラウンドのSD ペア以外に、評価用SD ペアを用意する。到着データパケットが通過するクラスタヘッドの負荷を評価するため、クラスタヘッドを通過するたびに、単位時間当たりの通過パケット量をそのパケットに記録していく。この記録した通過パケット量の合計を、宛先ノードに届いたパケット数で割ったものをクラスタヘッドの通過データパケット量として用いる。評価項目は、データパケットをバッファリングする際にバッファ容量が最大の時に起こるドロップパケット数、評価用SD ペアのデータ到達率、評価用SD ペアの到着データパケットに対するクラスタヘッドの通過パケット量である。
Simulation experiment The performance of the method of the present invention is evaluated by a simulation experiment. In the hierarchical routing (hereinafter referred to as the conventional method) in which the method of the present invention is not divided and combined, the background traffic is changed by increasing the number of SD pairs and a simulation is performed for comparison. Assuming that traffic in the network increases rapidly in the experiment, prepare multiple SD pairs with a short transmission interval so that the traffic at one location increases, and use this as the background SD pair. Prepare an evaluation SD pair in addition to the background SD pair. In order to evaluate the load of the cluster head through which the arrival data packet passes, the passing packet amount per unit time is recorded in the packet every time it passes through the cluster head. The total of the recorded passing packet amounts divided by the number of packets reaching the destination node is used as the passing data packet amount of the cluster head. The evaluation items are the number of dropped packets that occur when the buffer capacity is maximum when buffering data packets, the data arrival rate of the evaluation SD pair, and the amount of packets passing through the cluster head with respect to the arrival data packet of the evaluation SD pair.
実験環境
シミュレーション実験における環境パラメータを表1に示す。通信帯域は11[Mbps] とし、ネットワーク内のパケットロスを評価するため、パケットの衝突による損失は起こらない環境でシミュレーションを行った。本発明方法の閾値である通過データパケット量は上限U 250 [Kbyte] と下限L 50 [Kbyte] とし、従来法のクラスタサイズの閾値を上限U 20、下限L 10 とした。クラスタ構成が安定した後は、下限値を超えた値に固定されると考えられる。メッシュネットワークにおいて、バックグラウンドのトラフィックが増加した場合を想定する。トラフィックの増加は時間ごとにCBR の送受信ペア数を増加させることによって行う。
実験に用いたフィールドを図3 に示す。図3 上の丸はノード、塗りつぶされているノードは送信元ノードと宛先ノードを示している。このフィールド上にノードを格子状に配置している。データ転送中のSD ペア数を図4 に示す。SD ペア数は、ケース1 とケース2 の2 通り行った。評価用SD ペアを5 つ通信とし、常にデータパケットを転送する。時間が経過するにつれてバックグラウンドのデータ転送中のSD ペア数を増加又は減少させていく。図4 に示すSD ペア数は、バックグラウンドSD ペア数と評価用パケットSD ペア数の合計を示している。CBRの送信間隔は、バックグラウンドSD ペアは0.1[s]、評価用SD ペアは0.25[S] とした。
Figure 3 shows the fields used in the experiment. The upper circle in FIG. 3 indicates a node, and the filled nodes indicate a source node and a destination node. Nodes are arranged in a grid pattern on this field. Figure 4 shows the number of SD pairs during data transfer. The number of SD pairs was two ways:
実験結果と考察
バッファリング時のドロップパケット量
ケース1 の場合の時間ごとのクラスタヘッドのドロップパケット量を図5 に、ケース1、2 の場合の全ノードの総ドロップパケット量を図6 に示す。SD ペアがケース1 の場合より、ケース2 の場合のほうがドロップパケット量が削減できることが分かる。また、時間ごとのドロップパケット量をみると、本発明方法によるグラフでは、115 秒前後にドロップパケット量が増加しているが、その後は従来法よりドロップパケット量が削減されているのが分かる。これはトラフィック増加時にクラスタを分割したため、一時的に経路構築完了までにバッファからパケットがあふれたため、ドロップパケット量が増加したものと考えられる。しかし、その後は本発明方法による効果により、ドロップパケット量が削減できたと考えられる。図6 に示すように、全体のドロップパケット量も削減されている。ケース2のSD ペア数が多い場合の方が本発明方法の効果が大きいといえる。
Experimental results and discussion Drop packet volume during
データ到達率
データ到達率が下がる原因としては、電波の干渉やバッファサイズが最大値の時にデータパケットをバッファリングしようとした場合に起こるバッファあふれが考えられる。本発明では、電波の干渉によるパケットの損失が起こらない環境で実験を行ったため、バッファあふれがデータ到達率にもっとも影響を与えたものと考えられる。
Data arrival rate The data arrival rate may be decreased due to radio wave interference or buffer overflow that occurs when a data packet is buffered when the buffer size is the maximum value. In the present invention, since an experiment was performed in an environment in which no packet loss due to radio wave interference occurred, it is considered that the buffer overflow most affected the data arrival rate.
評価用パケットのデータ到達率を図7 に示す。本発明方法の方が、データパケット到達率がケース1 の場合約8 %、ケース2 の場合約23 %向上している。これは、図6 に示すようにドロップパケット量の削減がデータ到達率向上につながったためと考えられる。
Figure 7 shows the data arrival rate of the evaluation packet. In the method of the present invention, the data packet arrival rate is improved by about 8% in
クラスタヘッド通過時の通過パケット量
クラスタヘッドの負荷の評価として、クラスタヘッドを通過するパケット量が少ない方が複数のクラスタに分散して転送されていると評価できる。クラスタヘッド通過時の通過パケット量を図8 に示す。本発明方法のグラフのほうがデータ到達率は高いがクラスタヘッド通過時の通過パケット量が少ないため、動的にクラスタサイズを調節しクラスタヘッドへの負荷が分散できているといえる。ケース1 とケース2 の場合においてあまり数値に差がない。これは高負荷時にはMEP、MAPが届かない場合があるためツリーの構築ができなくなり通過パケット量も増加しなかったためと考えられる。
As an evaluation of the load of the cluster head when passing through the cluster head, it can be evaluated that the smaller amount of packets passing through the cluster head is distributed and transferred to a plurality of clusters. Figure 8 shows the amount of packets passing through the cluster head. The graph of the method of the present invention has a higher data arrival rate but a smaller amount of packets passing through the cluster head. Therefore, it can be said that the load on the cluster head can be distributed by dynamically adjusting the cluster size. There is not much difference between
以上のように、本発明では、特に無線メッシュネットワークにおいて、バックグラウンドのトラフィックが増加した場合に、動的にクラスタの大きさを変えてクラスタヘッドの負荷を下げる動的階層化手法を採用したものであり、シミュレーション実験の結果、データ到達率の向上とドロップパケット量の削減を確認し、また負荷分散の評価値としてクラスタ通過時のクラスタ通過パケット量の減少を確認した。 As described above, the present invention employs a dynamic tiering method that dynamically changes the size of the cluster to reduce the load on the cluster head when the background traffic increases, particularly in a wireless mesh network. As a result of the simulation experiment, it was confirmed that the data arrival rate was improved and the amount of dropped packets was reduced, and the decrease in the amount of packets passing through the cluster when passing through the cluster was confirmed as an evaluation value of load distribution.
本発明は、バックボーンのように空間的かつ時間的に変動しながら大量のトラフィックが流れるネットワークに有効に働く。対象とするネットワークは、有線、無線、モバイル等幅広い。アドホックネットワークにも適用可能である。例えば、火事、地震、台風、津波等の災害時にトラフィックが急激に上昇する場合の通信確保の手段として使用できる。また、ネットワークを利用したイベント等の開催によりトラフィックが急激に上昇する場合にも使用できる。ネットワークを流れるトラフィックの種類は問わないが、児童・高齢者の見守り情報の収集、捜索・救出・緊急誘導・被害情報の収集、交通事故・渋滞情報の交換等の損失が許されない重要な情報が流れるネットワークにおいて特に有効である。 The present invention works effectively in a network such as a backbone in which a large amount of traffic flows while fluctuating spatially and temporally. The target network is wide, such as wired, wireless and mobile. It can also be applied to ad hoc networks. For example, it can be used as a means for ensuring communication in the case where traffic rapidly increases during a disaster such as a fire, earthquake, typhoon, or tsunami. It can also be used when traffic rapidly increases due to events such as network events. There is no limitation on the type of traffic that flows through the network. This is particularly effective in a flowing network.
C,A,B クラスタヘッド C, A, B cluster head
Claims (3)
該クラスタヘッドから定期的にクラスタメンバにブロードキャストされ、受信したクラスタメンバが下流ノードにこれを転送するメンバパケットと、
前記クラスタの、前記メンバパケットを受信した葉ノードから、前記クラスタヘッドへ向けて、上流ノードへ送信するメンバ確認応答パケットと、からなる制御パケットにて制御され、
前記メンバパケットを受信した各ノードは前記メンバパケットの送信元ノードを親としてツリーを構築し、
前記クラスタ内の各メンバは、常に自身の時間当たりの通過データパケット量を記録し、
前記クラスタ内の記録した時間当たりの通過パケット量が前記メンバ確認応答パケットに記載され、自身のノード情報とともに前記メンバ確認応答パケット送信ごとのデータとして定期的に前記クラスタヘッドに送られ、
他のクラスタと隣接するノードであるゲートウェイは、自身の情報に加えて隣接するクラスタのノード情報及びトラフィック情報を前記メンバ確認応答パケットに載せて送信し、
前記クラスタヘッドは前記クラスタメンバからの前記メンバ確認応答パケットをもとに、クラスタメンバリストを生成し、前記クラスタを管理し、各メンバの通過パケット量を集め、その和を前記クラスタ内の総トラフィックとし、
前記クラスタヘッドは定期的に前記クラスタ内の総トラフィックを確認し、あらかじめ設定された閾値の上限を超えた場合は前記クラスタを分割し、
設定した閾値の下限を下回った場合は、隣接するクラスタのトラフィック情報を確認したのち、所定の条件を満たしていれば隣接クラスタと結合を行うとともに、
前記クラスタの分割に際しては、前記クラスタ内の各メンバまでのホップ数の平均の1/2となるノードであって、かつこの条件を満たすノードが複数あった場合は、求めたホップ数のノードの中で隣接クラスタリストを多く知っているノードを新クラスタヘッド候補とすることを特徴とするネットワークにおける動的階層化方法 The network is divided into a plurality of clusters, and one cluster has one cluster head that manages the cluster.
A member packet periodically broadcast from the cluster head to the cluster member, and the received cluster member forwards it to the downstream node;
Controlled by a control packet consisting of a member acknowledgment packet transmitted from the leaf node that received the member packet of the cluster to the upstream node toward the cluster head,
Each node that receives the member packet constructs a tree with the source node of the member packet as a parent,
Each member in the cluster always records the amount of transit data packets per hour,
It said amount passing packets per recorded time in the cluster is described in the member acknowledgment packets, sent with its own node information periodically to the cluster head as a data for each transmission the member acknowledgment packet,
A gateway that is a node adjacent to another cluster transmits node information and traffic information of the adjacent cluster in addition to its own information in the member acknowledgment packet,
The cluster head on the basis of the member acknowledgment packet from the cluster member, generates a cluster member list, and manages the cluster, collect the passing packet amount of each member, total traffic in the sum the cluster age,
The cluster head periodically checks the total traffic in the cluster, and if the upper limit of a preset threshold is exceeded, the cluster is divided,
If it falls below the lower limit of the set threshold, after confirming the traffic information of the adjacent cluster, if it meets the predetermined condition, it will join with the adjacent cluster ,
When the cluster is divided, if there are a plurality of nodes satisfying this condition, which are half of the average number of hops to each member in the cluster, the node of the calculated number of hops Dynamic layering method in a network characterized in that a node that knows many neighboring cluster lists among them is a new cluster head candidate
該RNCPを受信した前記任意のノードがクラスタヘッド候補になり、該ノードは、自身のノードIDを付加したパケットCNCPを周囲のノードに送信し、
クラスタ内の他のノードは、早く受信したクラスタID変更パケットに含まれているノードIDを自分のクラスタIDと設定し、クラスタの分割を完了することを特徴とする請求項1記載のネットワークにおける動的階層化方法 The cluster head transmits a packet RNCP designating a new cluster head candidate after dividing any node in the cluster,
The arbitrary node that has received the RNCP becomes a cluster head candidate, the node transmits a packet CNCP with its own node ID added to surrounding nodes,
2. The network operation according to claim 1, wherein another node in the cluster sets the node ID included in the cluster ID change packet received earlier as its own cluster ID, and completes the division of the cluster. Stratification method
自身のクラスタ内のトラフィックと隣接クラスタ内総トラフィックの和が閾値の上限を超えていなければ、クラスタ内トラフィックが最も小さいクラスタと結合し、
かつ、クラスタ分割後に経路構築される前に再結合を起こすことを防ぐために、分割が起こったクラスタは一定時間結合をしないことを特徴とする請求項1記載のネットワークにおける動的階層化方法 If the total traffic in the cluster is below the lower limit of the threshold, check the adjacent cluster list, check the total intra-cluster traffic of the adjacent cluster,
If the sum of the traffic in your cluster and the total traffic in adjacent clusters does not exceed the threshold limit, it joins the cluster with the lowest intra-cluster traffic,
2. The dynamic layering method in a network according to claim 1, wherein, in order to prevent reconnection before the path is constructed after dividing the cluster, the cluster in which the division has occurred does not join for a certain period of time.
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