KR101755596B1 - ＲＰＬ 기반 ＩｏＴ 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법 - Google Patents

ＲＰＬ 기반 ＩｏＴ 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트리형 경로를 형성하는 DODAG라는 단일 목적지로 경로를 형성하는 무선 네트워크를 구성하는 노드와 그 연결에서 끊어짐이 발생한 경우에 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 경로를 복구하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 어느 하나의 노드와 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리부;DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리부;수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 관리부;를 포함하는 것이다.

Description

ＲＰＬ 기반 ＩｏＴ 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법{Apparatus for reducing sub tree routing overhead and recovering method in ＲＰＬ based ＩｏＴ Wireless Network}
본 발명은 RPL 기반 IoT 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 트리형 경로를 형성하는 DODAG라는 단일 목적지로 경로를 형성하는 무선 네트워크를 구성하는 노드와 그 연결에서 끊어짐이 발생한 경우에 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 경로를 복구하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
다수의 사물이 인터넷 공간에 접속하여 상호 간 데이터를 주고받기 위해서는, 각각의 사물들을 인식할 수 있는 주소체계가 필요하다.
이를 위해서 IETF(Internet Engineering Task Force) 워킹그룹(WG)은 IPv6 기반의 무선 센서 네트워크에서 저수준의 통신 품질이 보장되지 않는 환경에서도 다수의 사물들이 통신하는 라우팅 프로토콜인 RPL(IPv6 Routing Protocol Low Power and Lossy Networks)을 개발하였다.
RPL은 루트를 가진 DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph)라는 트리형 네트워크 구조를 가진다.
RPL는 Low-Power Lossy Networks(LLNs) 인 파워(power)와 링크(link) 품질이 낮은 환경에서도 효율적인 라우팅을 하기 위해 설계된 기법으로 네트워크상에서 트리 라우팅 구조에서 낮은 에너지로 동작하는 라우팅을 시도하며 루프(loop)를 발생하지 않게 하는 메커니즘을 사용한다.
RPL은 낮은 에너지 소비와 저전력, 저품질의 무선에 안 좋은 환경에서 사용하기 위한 라우팅 기법으로 노드나 링크에 문제가 생긴 상황에서도 응용된 요구가 필요함에 따라 복구에 대한 다양한 설계 방식이 연구되어야 한다.
저전력 저품질의 네트워크 환경인 LLNs에서의 RPL 사용 시 노드 간의 링크 품질 저하나 노드의 이동, 전력 고갈로 인해 기존 네트워크에서 형성되었던 경로를 복구하는 과정이 발생한다.
복구하는 과정에서 부모 노드의 RPL 노드가 연결이 끊어져 부모 노드로 선정되지 않는 경우, 이웃 노드의 랭크와 노드간의 링크 품질 정보를 이웃 노드 리스트의 정보를 통해 새로운 부모로 경로를 대체하여 네트워크를 복구하는 방법을 사용한다.
RPL은 복구를 함에 있어 네트워크 전체를 재구축하는 글로벌 복구와 지역적으로 복구를 하는 로컬 복구 두 가지 방법을 사용한다.
글로벌 복구는 네트워크 전체의 변화를 가져오므로 일반적인 복구는 로컬 복구 기법을 사용한다.
로컬 복구는 이웃 노드 리스트의 정보들로 네트워크 경로를 찾는 메트릭인 OF0(Objective Function Zero)의 결과인 랭크 값의 최소의 결과 값을 가진 노드로 경로 복구를 시도하게 된다.
하지만, 이 복구 방법은 부모 노드로 선정이 불가한 경우에 최소의 랭크 값만으로 판단을 하고 선호되는 부모를 선정하기 때문에 새롭게 업데이트된 정보를 바탕으로 하기 전에 끊어진 링크의 노드의 하위의 트리의 부모 선정에도 영향이 생길 수도 있는 문제점이 있다.
하위 트리에 문제가 발생하여 새롭게 부모를 찾는 과정을 반복시키는 현상을 독이 퍼지는 것과 비슷하다 하여 포이즈닝(Poisoning) 현상이라고도 불린다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 복구되어야 하는 경로를 최소의 비용으로 복구하는 방법에 관한 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1208400호 대한민국 공개특허번호 제10-2005-0025052호 대한민국 등록특허번호 제10-0759312호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 RPL 기반 IoT 네트워크에서의 경로 복구의 문제를 해결하기 위한 것으로, 네트워크에서 복구 시간 단축과 하위 노드에 가는 복구 과정의 오버헤드를 줄일 수 있도록 한 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 트리형 경로를 형성하는 DODAG라는 단일 목적지로 경로를 형성하는 무선 네트워크를 구성하는 노드와 그 연결에서 끊어짐이 발생한 경우에 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 경로를 복구하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 RPL 라우팅 프로토콜을 적용하여 네트워크를 생성 및 관리하는 노드를 사용함에 있어 연결이 끊어지고 경로를 복구하고자 할 때, 이전의 경로를 가능한 유지하고 최적의 경로를 재탐색함에 있어 더 빠른 복구가 가능하도록 한 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 포이즈닝 문제점을 해결할 수 있도록 기존에 노드가 가진 랭크값을 무한(INFINITE)으로 설정하여 마치 끊어지고 새롭게 네트워크에 참여하는 것과 같은 설정으로 만들어 노드들의 링크 관계를 재구축하여 네트워크를 복구하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치는 어느 하나의 노드와 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리부;DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리부;수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 관리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부모 노드 링크 관리부는, 부모 노드의 연결이 끊긴 경우 상기 부모 노드 링크 관리부가 보유하고 있는 이웃 노드 테이블 리스트인 P(i)에서 해당 노드를 제거하는 노드 제거부와,이웃 노드 테이블의 업데이트 관리를 하는 이웃 노드 테이블 관리부와,업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 랭크 세팅부와,DIO 메시지를 보내는 주기가 되면 상기 어느 하나의 노드의 정보를 브로드캐스트해서 이웃들에게 알려주는 DIO 메시지 전송부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 DIO 메시지 처리부는, 같은 부모를 가진 노드들이 복구를 시도할 경우 나타날 수 있는 서로 간의 부모 선택을 막기 위한 DIO 타이머와,DIO 메시지를 수신하였는지를 판단하는 DIO 메시지 수신 판단부와,DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 업데이트 제한 관리부와,DIO 메시지를 수신하는 DIO 메시지 수신부와,DIO 메시지를 수신하면 이웃노드 테이블 정보를 업데이트하는 이웃노드 테이블정보 업데이트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 부모노드 선정 관리부는, 서브 트리에 영향을 미치는 범위에 있는 상대적 거리를 의미하는 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값과 이웃 노드의 랭크 값을 비교하는 제 1 랭크값 판단부와,상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘는지를 판단하는 제 2 랭크값 판단부와,상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘지 않는 경우에 MinHopIncrease 값과 현재 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값의 중간으로 임시 랭크 값을 세팅하는 임시 랭크값 세팅부와,제 1 랭크값 판단부에서의 판단 결과 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 낮은 랭크를 가진 이웃이 있다면 부모 노드로 선정하는 부모노드 선택부와,임시 랭크 값을 세팅하여 기존 선택할 수 없던 부모노드 관계를 알려주는 DAO 메시지를 전송하는 DAO 메시지 전송부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 라우터의 기능을 하는 싱크 노드와 각 센서의 정보를 수집해서 싱크 노드까지 전달하는 센서 노드들로 네트워크가 구성되고, 센서 노드 중에서 주기적으로 DIO 메시지를 보낼 수 있는 타이머 기능이 있는 MCU(Micro Contol Unit)와 RF(Radio Frequency) 통신을 수행할 수 있는 RF 트랜시버를 가진 노드에 IETF의 6LoWPAN, RPL, CoAP를 지원하며, IEEE 802.15.4e 기반의 센서 네트워크 MAC 스택을 탑재하여 네트워크를 구축하는 것을 특징으로 한다.
그리고 RF 트랜시버를 통하여 각 노드마다 이웃 노드의 링크 품질을 측정하고, 측정된 이웃 노드의 링크 품질과 이웃노드가 주기적으로 보내는 DIO 메시지를 통해 부모노드를 찾는 정보로 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지의 판단은, 해당 부모로 패킷의 전송 실패가 설정 횟수를 넘는 경우 연결이 끊어졌다고 판단하거나, RF 트랜시버를 이용하여 수집하는 링크 품질이 부모 노드로 선택하기에 적절하지 않다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법은 어느 하나의 노드와 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리 단계;DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리 단계;수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부모 노드 링크 관리 단계는,링크 품질의 저하나 링크의 연결이 끊어진 것에 대한 판단을 하는 단계와,부모 노드의 연결이 끊긴 경우 부모 노드 링크 관리부가 보유하고 있는 이웃 노드 테이블 리스트인 P(i)에서 해당 노드를 제거하는 단계와,이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 있는 경우에는 최소 랭크 값 노드를 선택하는 단계와,업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 있는지를 판단하는 단계와,업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면, 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하는 단계와,부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알라는 단계와,DIO 메시지를 보내는 주기가 되면 상기 어느 하나의 노드의 정보를 브로드캐스트해서 이웃들에게 알려주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 DIO 메시지 처리 단계는, 같은 부모를 가진 노드들이 복구를 시도할 경우 나타날 수 있는 서로 간의 부모 선택을 막기 위한 DIO 타이머가 종료되었는지를 판단하는 단계와,DIO 타이머가 종료되면 DIO 메시지를 수신하는 단계와,DIO 타이머가 종료되지 않은 상태에서는 DIO 메시지를 수신하였는지를 판단하고, DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 단계와,DIO 메시지를 수신하면 이웃노드 테이블 정보를 업데이트 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 부모노드 선정 단계는, 서브 트리에 영향을 미치는 범위에 있는 상대적 거리를 의미하는 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값과 이웃 노드의 랭크 값을 비교하는 단계와,상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 낮은 랭크를 가진 이웃이 있다면 부모 노드로 선정하고, 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 큰 경우에는 포이즈닝 단계를 수행하는 단계와,상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘지 않는지 판단하는 단계와,MinHopIncrease 값을 넘지 않는 경우에 MinHopIncrease 값과 현재 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값의 중간으로 임시 랭크 값을 세팅하는 단계와,최소 랭크를 가진 이웃을 부모 노드로 선정하고, 기존 선택할 수 없던 부모노드 관계를 알려주는 DAO 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, RPL 기반 IoT 네트워크에서 복구 시간 단축과 하위 노드에 가는 복구 과정의 오버헤드를 줄일 수 있다.
둘째, 트리형 경로를 형성하는 DODAG라는 단일 목적지로 경로를 형성하는 무선 네트워크를 구성하는 노드와 그 연결에서 끊어짐이 발생한 경우에 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 경로를 복구할 수 있다.
셋째, 무선 센서 네트워크에서 RPL 라우팅 프로토콜을 적용하여 네트워크를 생성 및 관리하는 노드를 사용함에 있어 연결이 끊어지고 경로를 복구하고자 할 때, 이전의 경로를 가능한 유지하고 최적의 경로를 재탐색함에 있어 더 빠른 복구가 가능하도록 한다.
넷째, 기존에 노드가 가진 랭크값을 무한(INFINITE)으로 설정하여 마치 끊어지고 새롭게 네트워크에 참여하는 것과 같은 설정으로 만들어 노드들의 링크 관계를 재구축하여 네트워크를 복구시키는 것에 의해 포이즈닝 문제점을 해결할 수 있다.
다섯째, 다양한 토폴로지에서도 이웃 노드들의 정보를 바탕으로 더 안정적이고 빠른 경로 복구를 하고자 할 때 효과적으로 적용하는 것이 가능하다.
도 1은 트리형 토폴로지 구성도
도 2는 DIO 메시지 필드 구성도
도 3은 DAO 메시지 필드 구성도
도 4는 연결이 끊어진 노드의 일 예를 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 네트워크 복구 타이밍 다이어그램
도 6은 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치의 구성도
도 7은 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치의 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명은 RPL 무선 네트워크 환경에서 트리형 경로를 형성하는 DODAG(Destination Oriented Directed Acylic Graph)라는 단일 목적지로 경로를 형성하는 무선 네트워크를 구성하는 노드와 그 연결에서 끊어짐이 발생한 경우 기존의 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 복구되어야하는 경로를 최소의 비용으로 복구하는 방법에 관한 것이다.
IoT를 차세대 핵심 산업으로 인식하고 주요 기업과 정부의 참여로 관련 시장이 급격하게 성장하고 있으며, 향후 IoT 산업은 응용 SW, 서비스 시장에서 더 성장할 것으로 예측되고 있다.
다수의 작은 소형 센서 노드들의 제한된 리소스를 최소로 활용하여 최대의 결과를 얻는데 주 목적이 있다. 무선 센서 네트워크를 유지하면서 네트워크 내 센서 노드의 이동, 연결시에 기존 경로에 문제가 발생할 수 있는 있기 때문에 에너지 소모를 줄이고 더 좋은 경로를 즉각적으로 탐색 가능하게 해주는 지역적인 라우팅 기법이 필요하다.
본 발명은 이와 같은 사항을 고려하여 트리형 토폴로지에서 최적의 경로 복구 방법을 제시하여 링크가 재구성되는데 필요한 시간과 에너지를 줄일 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 라우팅 구조를 갖는 무선 네트워크에서의 부모 선택에서 발생할 수 있는 반복적인 경로 재탐색이나 끊어진 노드의 하위 트리 구조 자체의 영향을 미치는 문제점 해결하는 방법을 적용한 노드를 사용한다.
즉, 각 노드는 주기적으로 자신의 정보를 이웃 노드들에게 알려주는 DIO 메시지를 전송하여 이웃 노드들의 랭크, 링크 품질에 대한 정보를 저장하고 이를 활용하여 부모-자식 관계를 지역적으로 형성하게 하는 메트릭을 사용한다.
본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법은 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 경로를 복구하는 것임. 복구 메커니즘으로 루프 디텍션(Loop detection)은 두 노드 간에 서로가 부모를 가리키고 자신이 자식으로 인식하여 루프(Loop)가 발생하는 경우에 자신의 랭크를 무한(INFINITE)으로 세팅하여 다시 부모 노드를 찾는 과정을 시도하고, 포이즈닝(Poisoning)은 자신의 이웃노드 중에서 경로를 복구할 만한 값을 가진 노드가 없을 경우에 하위 트리 노드들에게 자신을 부모 노드로 선택하지 않도록 자신의 랭크를 루프 디텍션과 마찬가지로 랭크를 무한으로 세팅하여 새로운 부모 노드를 찾게 하는 구성을 포함한다.
이를 위한 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치는 각 노드별 IP 주소화로 각각을 구분해서 인식시켜주는 IP태그 모듈, 이웃 노드 단말에 대한 정보를 열람 및 업데이트를 위한 이웃노드관리 모듈과 메트릭을 통해 연산을 담당하는 연산 모듈과 송수신을 담당하는 송수신 통신 모듈, 자신의 경로를 지정하는 목적 경로 선택 모듈을 포함한다.
구체적으로 본 발명에서는 도 1에서와 같이, 노드 A를 싱크 노드로 구성, 센서 노드들의 정보를 싱크 노드에서 수집하는 트리형 토폴로지에서 동작하며, 도 1에서 부모 자식 간의 관계로 통신이 가능한 링크와 방향성을 선으로 표시하였다.
사용하는 메시지는 도 2의 DIO(DODAG Information Object) 메시지를 사용하여 이웃 노드의 정보를 주기적으로 수집하고, 도 3의 DAO(Destination Advertisement Object) 메시지를 사용하여 부모 노드로 선정한 노드에게 자신의 목적지 노드를 알려준다.
연결네트워크를 자동적으로 구축하며 DAO 메시지네트워크 상황 변화로 인한 경로 손실이나 링크의 변화에도 자율적으로 경로를 복구하게 한다.
네트워크에서 요구되는 QoS(Quality of Service)에 맞는 OF(Objective Function)을 사용하여 RPL의 파라미터 중 하나인 랭크(Rank) 값으로 노드들의 가상적인 거리를 가늠하고 네트워크를 최적화하는 과정을 통해 부모 노드를 지역적으로 선택한다.
여기서, 부모 노드를 선택함에 있어 두 노드 간의 서로가 가리키는 부모의 방향이 겹치는 루프(Loop) 상황을 방지하기 위해 자신보다 낮은 랭크 값만을 선택하기 때문에 종래 기술의 라우팅 기법에서는 자신보다 낮은 랭크 값을 보유하지 않는다면 '복구될 수 있는 경로로 인식하지 못하는 문제'를 갖게 된다.
이를 해결하기 위해서 RPL 라우팅에서는 루프 디텍션(Loop detection)이나 포이즈닝(Poisoning) 기법을 통해서 복구될 수 없는 경로의 문제를 해결한다.
위의 두 가지 해결책은 해당 노드의 하위 트리 복구 메커니즘 과정이 필수적이다.
도 4는 연결의 끊어진 노드의 구조를 나타낸 것이고, 도 5는 연결이 끊어지면 하위 노드에서 대처하는 타이밍 다이어그램의 예시이다.
위에서 정의된 복구 메커니즘으로 루프 디텍션(Loop detection)은 두 노드 간에 서로가 부모를 가리키고 자신이 자식으로 인식하여 루프(Loop)가 발생하는 경우에 자신의 랭크를 무한(INFINITE)으로 세팅하여 사실상 네트워크에서 빠진 효과를 주어 다시 부모 노드를 찾는 과정을 시도한다.
포이즈닝(Poisoning)은 자신의 이웃노드 중에서 경로를 복구할 만한 값을 가진 노드가 없을 경우에 하위 트리 노드들에게 자신을 부모 노드로 선택하지 않도록 자신의 랭크를 루프 디텍션과 마찬가지로 랭크를 무한으로 세팅하여 새로운 부모 노드를 찾게 한다.
본 발명에서는 상기한 대체될만한 선호 부모가 없는 경우의 로컬 복구 동작 과정에 대한 개선을 통해 복구 시간 감소, 포이즈닝 현상의 가능성을 줄여 복구가 필요한 하위 트리로 플러딩 되는 DIO 포이즈닝 메시지를 줄여준다.
이와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법을 적용하기 위해서 구현해야 할 요소는 크게 네트워크를 구축할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 필요하다.
임베디드 센서 노드중에서 주기적으로 DIO 메시지를 보낼 수 있는 타이머 기능이 있는 MCU(Micro Contol Unit)와 RF(Radio Frequency) 통신을 수행할 수 있는 트랜시버를 가진 노드에 IETF의 6LoWPAN, RPL, CoAP를 지원하며, IEEE 802.15.4e 기반의 센서 네트워크 MAC 스택을 탑재하면 본 발명을 위한 네트워크를 구축할 수 있다.
RF 트랜시버를 통하여 각 노드마다 이웃 노드의 링크 품질을 측정할 수 있으며, 측정된 이웃 노드의 링크 품질과 이웃노드가 주기적으로 보내는 DIO 메시지를 통해 적합한 부모노드를 찾는 정보로 활용한다.
네트워크 구조는 라우터의 기능과 비슷한 싱크 노드와 각 센서의 정보를 수집해서 싱크 노드까지 전달하는 센서 노드들로 구성한다.
본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법을 적용하기 위해 구현해야 할 요소는 네트워크 내의 각 센서들이 각 노드들을 인지하기 위해서 다음과 같이 정의할 수 있게 한다.
[정의1] 각 노드들의 인지를 위해 MAC주소를 바탕으로 ID화를 하여 네트워크 내 노드들에 대한 정보수집, 활용이 가능하게 한다.
[정의2] 각 노드들은 이웃노드들에게 자신의 정보를 알 수 있게 하기 위해 자신의 랭크값을 주기적으로 업데이트하고 주변에 DIO 메시지를 브로드캐스트한다.
[정의3] 각 노드들은 DIO 메시지를 받은 정보를 이웃 노드에 대한 정보를 기록하고 업데이트한다.
[정의4] 싱크 노드를 제외한 네트워크 내의 노드들은 [정의3]에서 관리하고 있는 이웃 노드에 대한 정보를 바탕으로 최적의 부모 노드를 선택하는 메트릭을 사용하여 부모노드를 선정한다.
[정의5] [정의1]~[정의4]의 결과로 생성된 노드 중에서 장애가 발생하면 해당 노드를 부모노드로 알고 있던 노드들은 새로운 부모 노드를 찾는 장애 노드를 회피하거나 경로를 복구를 하는 과정은 [정의4]의 과정을 통해 새로운 경로를 재구축한다.
노드의 연결이 끊겼다는 것을 판단하는 방법으로는 해당 부모로 패킷의 전송이 실패가 잦아지는 경우 연결이 끊어졌다고 판단하거나 RF 트랜시버를 이용하여 수집하는 링크 품질이 부모 노드로 선택하기에 적절하지 않다고 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치는 도 6에서와 같이, 어느 하나의 노드와 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리부(60)와, DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리부(70)와, 수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 관리부(80)를 포함한다.
여기서, 부모 노드 링크 관리부(60)는 부모 노드의 연결이 끊긴 경우 부모 노드 링크 관리부에서 보유하고 있는 이웃 노드 테이블 리스트인 P(i)에서 해당 노드를 제거하는 노드 제거부(61)와, 이웃 노드 테이블의 업데이트 관리를 하는 이웃 노드 테이블 관리부(62)와, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 랭크 세팅부(63)와, DIO 메시지를 보내는 주기가 되면 상기 어느 하나의 노드의 정보를 브로드캐스트해서 이웃들에게 알려주는 DIO 메시지 전송부(64)를 포함한다.
그리고 DIO 메시지 처리부(70)는 같은 부모를 가진 노드들이 복구를 시도할 경우 나타날 수 있는 서로 간의 부모 선택을 막기 위한 DIO 타이머(71)와, DIO 메시지를 수신하였는지를 판단하는 DIO 메시지 수신 판단부(72)와, DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 업데이트 제한 관리부(73)와, DIO 메시지를 수신하는 DIO 메시지 수신부(74)와, DIO 메시지를 수신하면 이웃노드 테이블 정보를 업데이트하는 이웃노드 테이블정보 업데이트부(75)를 포함한다.
그리고 부모노드 선정 관리부(80)는 수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하기 위하여, 서브 트리에 영향을 미치는 범위에 있는 상대적 거리를 의미하는 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값과 이웃 노드의 랭크 값을 비교하는 제 1 랭크값 판단부(81)와, 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘는지를 판단하는 제 2 랭크값 판단부(82)와, 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘지 않는 경우에 MinHopIncrease 값과 현재 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값의 중간으로 임시 랭크 값을 세팅하는 임시 랭크값 세팅부(83)와, 제 1 랭크값 판단부(81)에서의 판단 결과 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 낮은 랭크를 가진 이웃이 있다면 부모 노드로 선정하는 부모노드 선택부(84)와, 임시 랭크 값을 세팅하여 기존 선택할 수 없던 부모노드 관계를 알려주는 DAO 메시지를 전송하는 DAO 메시지 전송부(85)를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법은 도 7에서와 같이, 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리 단계와, DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리 단계와, 수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 단계를 포함한다.
구체적으로, 링크 품질의 저하나 링크의 연결이 끊어진 것에 대한 판단을 하고(S701), 부모 노드의 연결이 끊긴 경우 부모 노드 링크 관리부에서 보유하고 있는 이웃 노드 테이블 리스트인 P(i)에서 해당 노드를 제거한다.(S702)
이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 있는 경우에는 최소 랭크 값 노드를 선택하고(S705), 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면(S703), 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여(S704) 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알린다.(S706)
DIO 메시지를 보내는 주기가 되면 상기 어느 하나의 노드의 정보를 브로드캐스트해서 이웃들에게 알려준다.(S707)
이어, 같은 부모를 가진 노드들이 복구를 시도할 경우 나타날 수 있는 서로 간의 부모 선택을 막기 위한 DIO 타이머가 종료되었는지를 판단하고(S708), DIO 타이머가 종료되면 DIO 메시지를 수신한다.(S711)
DIO 타이머가 종료되지 않은 상태에서는 DIO 메시지를 수신하였는지를 판단하고(S709), DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는다.(S710)
그리고 DIO 메시지를 수신하면 이웃노드 테이블 정보를 업데이트 한다.(S712)
이어, 수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 과정을 수행한다.
이 과정은 먼저 서브 트리에 영향을 미치는 범위에 있는 상대적 거리를 의미하는 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값과 이웃 노드의 랭크 값을 비교한다.(S713)
상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 낮은 랭크를 가진 이웃이 있다면 부모 노드로 선정하고, (S714), 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 큰 경우에는 포이즈닝 단계를 수행한다.
이어, 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘지 않는지 판단한다.(S715)
MinHopIncrease 값을 넘지 않는 경우에 MinHopIncrease 값과 현재 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값의 중간으로 임시 랭크 값을 세팅하고(S716), 최소 랭크를 가진 이웃을 부모 노드로 선정하고(S717), 기존 선택할 수 없던 부모노드 관계를 알려주는 DAO 메시지를 전송한다.(S718)
이상에서 설명한 본 발명에 따른 본 발명에 따른 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치 및 그 방법은 RPL 무선 네트워크 환경에서 트리형 경로를 형성하는 DODAG(Destination Oriented Directed Acylic Graph)라는 단일 목적지로 경로를 형성하는 무선 네트워크를 구성하는 노드와 그 연결에서 끊어짐이 발생한 경우 기존의 트리형 라우팅 경로를 최대한 유지하면서 복구되어야하는 경로를 최소의 비용으로 복구하는 방법에 관한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
60. 부모 노드 링크 관리부 70. DIO 메시지 처리부
80. 부모노드 선정 관리부

Claims (11)

  1. 어느 하나의 노드와 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리부;
    DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리부;
    수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 관리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부모 노드 링크 관리부는,
    부모 노드의 연결이 끊긴 경우 상기 부모 노드 링크 관리부가 보유하고 있는 이웃 노드 테이블 리스트인 P(i)에서 해당 노드를 제거하는 노드 제거부와,
    이웃 노드 테이블의 업데이트 관리를 하는 이웃 노드 테이블 관리부와,
    업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 랭크 세팅부와,
    DIO 메시지를 보내는 주기가 되면 상기 어느 하나의 노드의 정보를 브로드캐스트해서 이웃들에게 알려주는 DIO 메시지 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 DIO 메시지 처리부는,
    같은 부모를 가진 노드들이 복구를 시도할 경우 나타날 수 있는 서로 간의 부모 선택을 막기 위한 DIO 타이머와,
    DIO 메시지를 수신하였는지를 판단하는 DIO 메시지 수신 판단부와,
    DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 업데이트 제한 관리부와,
    DIO 메시지를 수신하는 DIO 메시지 수신부와,
    DIO 메시지를 수신하면 이웃노드 테이블 정보를 업데이트하는 이웃노드 테이블정보 업데이트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 부모노드 선정 관리부는,
    서브 트리에 영향을 미치는 범위에 있는 상대적 거리를 의미하는 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값과 이웃 노드의 랭크 값을 비교하는 제 1 랭크값 판단부와,
    상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘는지를 판단하는 제 2 랭크값 판단부와,
    상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘지 않는 경우에 MinHopIncrease 값과 현재 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값의 중간으로 임시 랭크 값을 세팅하는 임시 랭크값 세팅부와,
    제 1 랭크값 판단부에서의 판단 결과 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 낮은 랭크를 가진 이웃이 있다면 부모 노드로 선정하는 부모노드 선택부와,
    임시 랭크 값을 세팅하여 기존 선택할 수 없던 부모노드 관계를 알려주는 DAO 메시지를 전송하는 DAO 메시지 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 라우터의 기능을 하는 싱크 노드와 각 센서의 정보를 수집해서 싱크 노드까지 전달하는 센서 노드들로 네트워크가 구성되고,
    센서 노드 중에서 주기적으로 DIO 메시지를 보낼 수 있는 타이머 기능이 있는 MCU(Micro Contol Unit)와 RF(Radio Frequency) 통신을 수행할 수 있는 RF 트랜시버를 가진 노드에 IETF의 6LoWPAN, RPL, CoAP를 지원하며, IEEE 802.15.4e 기반의 센서 네트워크 MAC 스택을 탑재하여 네트워크를 구축하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, RF 트랜시버를 통하여 각 노드마다 이웃 노드의 링크 품질을 측정하고, 측정된 이웃 노드의 링크 품질과 이웃노드가 주기적으로 보내는 DIO 메시지를 통해 부모노드를 찾는 정보로 사용하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지의 판단은,
    해당 부모로 패킷의 전송 실패가 설정 횟수를 넘는 경우 연결이 끊어졌다고 판단하거나,
    RF 트랜시버를 이용하여 수집하는 링크 품질이 부모 노드로 선택하기에 적절하지 않다고 판단하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 장치.
  8. 어느 하나의 노드와 부모 노드의 링크 연결이 끊어졌는지 판단하고, 업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하여 부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알리는 부모 노드 링크 관리 단계;
    DIO 메시지를 보낸 노드가 현재 부모 노드가 끊긴 것을 알 수 있도록 DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 DIO 메시지 처리 단계;
    수신받은 DIO 메시지의 정보들을 바탕으로 이웃 노드 테이블의 정보를 사용하여 새로운 부모 노드를 선정하는 부모노드 선정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 부모 노드 링크 관리 단계는,
    링크 품질의 저하나 링크의 연결이 끊어진 것에 대한 판단을 하는 단계와,
    부모 노드의 연결이 끊긴 경우 부모 노드 링크 관리부가 보유하고 있는 이웃 노드 테이블 리스트인 P(i)에서 해당 노드를 제거하는 단계와,
    이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 있는 경우에는 최소 랭크 값 노드를 선택하는 단계와,
    업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 있는지를 판단하는 단계와,
    업데이트 된 이웃 노드 테이블에서 이웃 노드가 없다면, 상기 어느 하나의 노드의 랭크를 INFINITE_RANK로 세팅하는 단계와,
    부모로 선정될 수 있는 대상이 없어서 새로운 DIO 정보가 필요하다는 것을 알라는 단계와,
    DIO 메시지를 보내는 주기가 되면 상기 어느 하나의 노드의 정보를 브로드캐스트해서 이웃들에게 알려주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 DIO 메시지 처리 단계는,
    같은 부모를 가진 노드들이 복구를 시도할 경우 나타날 수 있는 서로 간의 부모 선택을 막기 위한 DIO 타이머가 종료되었는지를 판단하는 단계와,
    DIO 타이머가 종료되면 DIO 메시지를 수신하는 단계와,
    DIO 타이머가 종료되지 않은 상태에서는 DIO 메시지를 수신하였는지를 판단하고, DIO 메시지를 받을 때까지 이웃 노드 테이블 정보를 업데이트 하지 않도록 하여 루프를 막는 단계와,
    DIO 메시지를 수신하면 이웃노드 테이블 정보를 업데이트 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 부모노드 선정 단계는,
    서브 트리에 영향을 미치는 범위에 있는 상대적 거리를 의미하는 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값과 이웃 노드의 랭크 값을 비교하는 단계와,
    상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 낮은 랭크를 가진 이웃이 있다면 부모 노드로 선정하고, 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값보다 큰 경우에는 포이즈닝 단계를 수행하는 단계와,
    상기 어느 하나의 노드의 랭크 값이 최소 1-hop 이상이라고 판단될 수 있는 MinHopIncrease 값을 넘지 않는지 판단하는 단계와,
    MinHopIncrease 값을 넘지 않는 경우에 MinHopIncrease 값과 현재 상기 어느 하나의 노드의 랭크 값의 중간으로 임시 랭크 값을 세팅하는 단계와,
    최소 랭크를 가진 이웃을 부모 노드로 선정하고, 기존 선택할 수 없던 부모노드 관계를 알려주는 DAO 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RPL 기반 IoT 네트워크에서 서브 트리의 오버헤드를 감소시키는 방법.
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