KR101892262B1 - Dodag 구조 기반의 배압 라우팅 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 배압 라우팅 알고리즘이 갖는 최대 강점인 네트워크내 전송량 최대화의 특성을 유지하면서 기존 알고리즘이 가지던 심각한 루프 문제 또는 전송 지연 문제를 완화하기 위한 새로운 방식의 신뢰적 효율적 배압 라우팅 방법 및 장치를 제안한다. 본 발명에 따르면, 목적지 노드를 루트노드로 정의하여 루트노드의 랭크값을 0으로 설정하고, 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 절차, 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 절차, 임의의 노드에 메시지가 도착하면 상기 헤드노드 그룹 중에서 목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 절차를 포함하여, 메시지 전달 경로에 방향성을 부여하는 것을 특징으로 하는, 다수의 노드가 포함된 네트워크에서의 배압 라우팅 기반 멀티홉 통신에 DODAG 구조를 적용하는 방법 및 장치가 제공된다.

Description

DODAG 구조 기반의 배압 라우팅 방법 및 장치{Backpressure Routing Method and Apparatus Usng DODAG Structure}

본 발명은 저전력 손실 네트워크 라우팅 기법에 사용되는 DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph) 구조를 배압 라우팅 기법에 적용한 DODAG 기반 배압 라우팅에 관한 것으로서, 특히 멀티홉 통신에서의 DODAG 기반 배압 라우팅 기술에 관한 것이다.

본 발명은 2016년도 미래창조과학부의 재원으로 정보통신기술진흥센터의 지원(No.B0190-16-2017, IoT 기기의 물리적 속성, 관계, 역할 기반 Resilient/Fault-Tolerant 자율 네트워킹 기술 연구) 및 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 대학ICT연구센터육성 지원사업의 연구결과로서 수행되었다(IITP-2016-R0992-16-1023).

멀티홉 무선 센서 네트워크에서 각 무선 노드는 멀티홉 통신을 통해 메시지를 최종 목적지로 전달한다. 지연 감내 네트워크(Delay tolerant network: DTN)는 메시지가 인접 노드에 전달되는 방식으로 통신이 이루어지므로 메시지 지연이 상대적으로 길다는 단점이 있으나, 이를 위한 인프라 구축이 따로 필요하지 않아 네트워크 구축이 쉽고 비용이 적게 든다는 장점이 있다.

이렇게 각 패킷을 최종 목적지 노드로 전달할 때, 인접 노드로 여러 번 전달을 반복하는 통신 기법은, 우리가 일반적으로 사용하는 무선랜, 셀룰러 네트워크 통신 등의 일반적인 모바일 네트워크 토폴로지와는 전혀 다른 개념의 네트워크 토폴로지를 갖는다. 그 근본적인 차이를 유발하는 가장 큰 특징은, 여러 무선 노드 간 통신을 연결해주는 Access Point라는 개념이 없다는 것이다. 지연 감내 네트워크에서는 각 노드들이 주변의 다른 노드와 통신할 수 있는 경우에만 잠깐씩 통신함으로써 내가 가진 메시지를 다른 노드에게 전달한다. 따라서 어떤 노드가 메시지를 보냈을 때 최악의 경우 상대에게 도달하지 못할 수도 있다. 실제로 네트워크 관련 유명 저널 또는 학회에서 발표되는 DTN 관련 논문에서도 전송률은 Data lifetime 또는 기타 파라미터에 따라 10%에서 60% 정도로 매우 낮다. 물론 Data lifetime을 아주 길게 설정하고 큐 크기를 매우 크게 하여, 만나는 노드에게 복사본을 갖게 하면 패킷 드롭 없이도 시간이 지날수록 더 많은 노드들이 메시지를 받게 되어 결국 최종 목적지 노드에게도 데이터가 전달될 것이다.

그러나 이러한 전달 방식의 메시지 전송은 최악의 경우에 상대에게 도달하지 못할 수도 있는 취약점을 가진다. 멀티홉 통신에서의 네트워크 전송량을 최대화하기 위하여 배압 라우팅(Backpressure Routing) 기법[1]이 해마다 꾸준히 연구되고 있으나 이 기법은 심각한 지연 및 루프 문제를 갖는다([2][3][4] 참조).

배압 라우팅 알고리즘은 네트워크 내의 패킷 전송시, 각 노드의 큐에 들어 있는 총 패킷의 수에 기반하여 메시지가 최종 목적지 노드로 전달되는 라우팅 기법으로서, 지연 감내 네트워크에서 전체 네트워크 전송량(throughput)이 최대가 되도록 보장한다. 일반적 라우팅 기법과 달리 목적지별 큐(per-destination queue)를 관리하며, 라우팅 결정시 전체 네트워크에 존재하는 큐에 있는 패킷 수의 제곱의 합이 최소가 되도록 하고 전달될 패킷 후보는 큐에 들어 있는 패킷 수의 차이에 기반하여 결정된다[6]. 이렇게 결정된 각 노드의 전송 패킷 후보와 각 인접 노드 사이에 존재하는 다수 링크의 무선 채널 상황 및 네트워크 토폴로지 등을 고려하여, 간섭 없이 한번에 네트워크 전송량을 최대화할 수 있는 링크를 활성화하여 선택된 링크를 통해 해당 패킷 후보를 실질적으로 전송한다.

배압 라우팅에서 한 노드의 패킷이 다른 노드에게 전달될 때에는 목적지별 큐에 들어 있는 패킷의 수에 기반하여 이루어진다. 무선 채널에서는 동시에 두 정보가 공유 채널을 통해 전송될 경우 패킷이 충돌되기 때문에, 한 순간에 하나의 패킷만 전송할 수 있다. 임의의 노드 1과 노드 2 사이의 무선 링크로도 역시 한 순간에 한 패킷만이 전송될 수 있기 때문에, 여러 개의 패킷 중 어떤 패킷이 전달되는 것이 전체 네트워크 효율을 가장 높이는 것인지 결정해야 한다. 이 때 서로 다른 노드의 목적지가 같은 큐에 있는 패킷 수의 차이에 의해 결정된다.

각 노드는 자신과 인접한 이웃노드들이 여러 개 있을 것이다. 예를 들어 노드 1의 인접 노드가 k개 있으면, 각 인접 노드와 자기 자신 사이에는 하나씩의 링크가 생기며, 총 k개의 링크가 있다. 그러나 하나의 공유 무선 채널을 통해서는 한 순간에 하나의 정보만 보낼 수 있으며, 인접 노드의 통신이 있을 때는 간섭 문제가 발생할 수 있다. 이러한 채널 상황과 네트워크 토폴로지 등을 고려하여, 전송 패킷 후보들 중 어떤 링크를 활성화 시킬 것인지를 결정하고, 주어진 채널 환경을 통해 어떻게 하면 전체 전송량을 최대화할 수 있는지 결정하여 활성화된 패킷을 통해 어떤 패킷을 보낼 것인지 결정한다.

배압 라우팅 알고리즘은 이렇듯 전체 네트워크의 전송량을 최대화 시켜 준다는 강력한 장점을 지니고 있다. 그럼에도 불구하고 라우팅 스케쥴링을 위해 사전에 많은 정보를 필요로 한다는 단점이 있다. 또한 정해진 경로가 따로 없고 단순히 인접 노드와의 큐에 들어있는 패킷 노드에 기반하여 메시지를 전달하기 때문에, 네트워크에 충분한 flow가 없을 경우에는 일정 수준의 배압이 없어서 패킷이 최종 목적지에 빠르게 전송되지 못하고 네트워크 내에서 배회하며 심각한 지연 문제를 야기할 수 있다는 단점이 있다. 또한 배압 라우팅 알고리즘에서는 라우팅과 스케쥴링이 한 단계에서 동시에 이루어지기 때문에, 링크 계층과 라우팅 계층이 분리되어 독립적으로 수행되는 네트워크 모델에는 바로 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

[1] L.Tassiulas and A.Ephremides, "Stability properties of constrained queueing systems and scheduling policies for maximum throughput in multihop radio networks," IEEE Transactions on Automatic Control, Vol.37, pp.1936-1948, Dec 1992. [2] A.Warrier, S.Janakiraman, and S.Ha, "DiffQ: Practical differential backlog congestion control for wireless networks," INFOCOM 2009. [3] S.Moeller, A.Sridharan, and B.Krishnamachari, "Routing without routes: the backpressure collection protocol", ISPN 2010. [4] Hulya Seferoglu and Eytan Modiano, Separation of Routing and Scheduling in Backpressure-Based Wireless Networks, IEEE/ACM Transactions on Networking, 12 June 2015, ISSN: 1063-6692. [5] Internet Engineering Task Force(IETF), RFC 6550, RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks, ISSN: 2070-1721. [6] https://en.wikipedia.org/wiki/Backpressure_routing [7] Malisa Vucinic, "Routing in IPv6 Sensor Networks", hal-00831962, 9 June 2013. [8] The University of Southern California's Autonomous Networks Research Group, http://anrg.usc.edu

본 발명은 기존의 배압 라우팅 알고리즘이 갖는 최대 강점인 네트워크내 전송량 최대화의 특성을 유지하면서 기존 알고리즘이 가지던 심각한 루프 문제 또는 전송 지연 문제를 완화하기 위한 새로운 방식의 신뢰적 효율적 배압 라우팅 방법 및장치를 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 저전력 손실 네트워크 라우팅 기법에 사용되는 DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph) 구조를 배압 라우팅 기법에 적용함으로써, 일반 배압 라우팅 기법의 메시지 전송에 방향성을 부여한다. DODAG 구조는, 네트워크의 각 노드가 루프 없이 연결되는 거리 벡터 라우팅 프로토콜인 저전력 손실 네트워크용 라우팅 프로토콜(Routing Protocol for Low Power and Lossy Network: RPL)에 사용되는 구조이다. RPL은 거리 벡터 라우팅 프로토콜로, 네트워크의 각 노드들이 루프 없이 연결되는데, 이를 위해 DODAG 구조가 활용되는 것이다.

DODAG 구조에 포함되는 노드들은 하나의 루트노드를 갖게 되는데, 이를 DODAG 루트라고 한다. DODAG 그래프는 라우팅 메트릭에 따른 목적 함수를 기반으로 형성된다. 예를 들어 거리에 따라 형성되는 DODAG 그래프는 루트노드와의 거리가 가까울수록 그래프 상위에 위치하며 루트노드와의 거리가 멀수록 하위에 위치하게 되어, 각 노드의 헤드노드는 자기 자신보다 루트노드와 가까운 인접 노드로 선정된다. 이와 같이 DODAG 구조를 멀티홉 통신에 활용시 패킷 전달에 있어 목적지 노드로 향하는 방향성을 갖게 해주며, 각 노드는 자신의 헤드노드에게 패킷을 전달하면 되므로 기존 배압 라우팅과 같은 멀티홉 통신에서의 루프 발생 문제를 해결할 수 있는 구조를 제공한다.

본 발명에서 제안하는 DODAG 기반 배압 라우팅은, RPL DODAG를 활용한 멀티홉 통신에서 각 노드가 패킷을 전달할 때 헤드노드에 패킷을 전달함으로써 방향성을 가지고 효율적인 통신이 이루어질 수 있도록 한다는 데에서 아이디어를 얻었다. 본 발명은 기존 기술이 방향성 없이 오로지 인접 노드와의 큐에 있는 패킷 수 차이에 기반하여 패킷 전달이 이루어지는 결과 각 패킷이 무작위로 네트워크 내를 배회하게 되는 상황을 방지하기 위하여, 각 패킷의 최종 목적지 노드에 따른 헤드노드를 선정하여 패킷 전달 경로에 방향성을 부여한다.

본 발명에서는 네트워크 내 모든 노드들이 하나의 싱크 노드에게만 메시지를 전달하는 것이 아니라, 네트워크 내 임의의 두 노드가 통신하는 상황에 적합한 통신 기법을 사용하기 때문에, 최종 목적지 노드에 따라 서로 다른 헤드노드 그룹을 가지게 된다. 헤드노드 그룹은 최종 목적지 노드와 가까워지는 방향의 인접 노드들로 이루어져 있다. 즉, 어떤 노드와 최종 목적지 노드 사이의 거리가 자신과 최종 목적지 노드 사이의 거리보다 가까울 때 그 노드는 자기 자신의 상위 노드가 되며, 그 반대의 경우에는 자기 자신이 그 노드의 상위 노드가 된다. 즉, 최종 목적지 노드를 루트로 하며, 최종 목적지 노드와의 거리에 따라 헤드노드를 선정하는 방식으로 DODAG를 결성하는 것이다. 네트워크 내의 어떠한 노드도 최종 목적지 노드가 될 수 있기 때문에 노드의 수만큼에 해당하는 DODAG 그래프가 생성된다.

이러한 방식으로 자기 자신과 인접한 노드이면서 최종 목적지에 대한 자기 자신의 상위 노드를 자기 자신의 헤드노드로 선정하여 해당하는 최종목적지를 가지는 패킷은 해당 헤드노드 그룹의 노드 중 하나로 전달하는 방식을 따른다. 그 결과 일반 배압 라우팅에서는 최종 목적지 노드와 정반대 방향으로 메시지가 전달될 수 있지만, 본 발명의 기법을 사용하면 네트워크 내에 존재하는 패킷은 최종 목적지 노드와 가까워지는 방향으로만 전달된다.

본 발명의 보다 구체적인 특징에 따르면, 다수의 노드가 포함된 네트워크에서의 멀티홉 통신을 위한 배압 라우팅 방법이 제공된다. 이 방법은 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 절차와, 임의의 노드에 메시지가 도착하면 상기 헤드노드 그룹 중에서 목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 절차를 포함하는 DODAG 구조 기반의 배압 라우팅 방법이다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 목적지 노드를 루트노드로 정의하여 루트노드의 랭크값을 0으로 설정하고, 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 절차, 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 절차, 임의의 노드에 메시지가 도착하면 상기 헤드노드 그룹 중에서 목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 절차를 포함하여, 메시지 전달 경로에 방향성을 부여하는 것을 특징으로 하는, 다수의 노드가 포함된 네트워크에서의 배압 라우팅 기반 멀티홉 통신에 DODAG 구조를 적용하는 방법이 제공된다.

상기 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 절차는, RPL에서의 DODAG 구조에 기반한 랭크값 계산 방식을 이용하여 각 노드의 랭크값을 계산할 수 있다.

상기 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 절차는, 최종목적지 노드를 루트로 하는 랭크값들을 임의 노드의 이웃노드들의 랭크값과 비교하여, 이웃노드들 중에서 임의 노드의 랭크값보다 작은 랭크값의 노드들을 헤드노드 그룹으로 선정하는 절차를 포함할 수 있다.

또한, 상기 헤드노드 그룹에서 하나의 노드를 선택하여 메시지를 전달하는 절차는, 메시지를 전달받은 임의의 노드가, 패킷의 큐 차이값에 기반하여 자신의 헤드노드 그룹에서 한 노드를 선택하되 큐 차이값이 가장 큰 노드를 선택하는 절차를 포함할 수 있다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 수단과, 임의의 노드에 메시지가 도착하면 상기 헤드노드 그룹 중에서 목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 수단을 포함하는 다수의 노드가 포함된 네트워크에서의 멀티홉 통신을 위한 DODAG 구조 기반의 배압 라우팅 장치가 제공된다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 목적지 노드를 루트노드로 정의하여 루트노드의 랭크값을 0으로 설정하고, 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 수단, 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 수단, 임의의 노드에 메시지가 도착하면 상기 헤드노드 그룹 중에서 목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 수단을 포함하여, 메시지 전달 경로에 방향성을 부여하는 것을 특징으로 하는 DODAG 구조 기반의 배압 라우팅 장치가 제공된다.

상기 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 수단은, RPL에서의 DODAG 구조에 기반한 랭크값 계산 방식을 이용하여 각 노드의 랭크값을 계산할 수 있다.

또한 상기 각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하는 수단은, 최종목적지 노드를 루트로 하는 랭크값들을 임의 노드의 이웃노드들의 랭크값과 비교하여, 이웃노드들 중에서 임의 노드의 랭크값보다 작은 랭크값의 노드들을 헤드노드 그룹으로 선정하는 수단을 포함할 수 있다.

또한 상기 헤드노드 그룹에서 하나의 노드를 선택하여 메시지를 전달하는 수단은, 메시지를 전달받은 임의의 노드가, 패킷의 큐 차이값에 기반하여 자신의 헤드노드 그룹에서 한 노드를 선택하되 큐 차이값이 가장 큰 노드를 선택하는 수단을 포함할 수 있다.

이상의 방법 또는 장치의 특징을 통해 배압 라우팅 알고리즘이 가지는 가장 강력한 특징인 '네트워크 전송량 최대화'의 장점을 가지면서도, 패킷이 최종 목적지 노드와 가까워지는 방향으로만 전달되기 때문에 더 빠른 시간 안에 최종 목적지까지 패킷이 전달될 수 있게 된다.

이처럼 본 발명은 인접 노드와 큐에 들어있는 패킷 수를 비교할 때에 오로지 헤드노드에게 전달하는 것만을 고려하고, 헤드노드가 아닌 노드에게 전달하는 것은 고려하지 않기 때문에 배압 라우팅 알고리즘의 강력한 장점인 '네트워크 전송량 최대화'를 그대로 유지할 수 있는 것이다. 링크 활성화 벡터 후보 계산 또는 목적 함수 계산은 배압 라우팅 알고리즘과 그 식을 공유하기 때문에 궁극적으로 전송량 최대화와 관련한 강점을 유지하면서 기존 알고리즘의 약점은 개선하는 결과를 보일 수 있게 된다.

이상에서 소개한 본 발명의 구성 및 작용은 이하에서 도면과 함께 설명하는 발명의 구체적인 내용을 통해 더욱 명확해질 것이다.

배압 라우팅은 네트워크 내 전송량을 최대로 해주는 라우팅 기법으로, 라우팅 및 스케쥴링이 함께 수행되기 때문에 실제 네트워크에의 적용이 쉽지 않았다. 본 연구에서 제안하는 DODAG를 이용한 라우팅의 성능 개선 알고리즘은 기존의 배압 라우팅 알고리즘 대비 DODAG 기반 배압 라우팅 알고리즘의 성능 개선에 초점을 맞춘 결과, 기존의 배압 라우팅 알고리즘이 갖는 최대 강점인 '네트워크 내 전송량 최대화' 특성을 그대로 유지하면서, DODAG 구조를 활용하여 기존 알고리즘이 가지던 루프 문제 또는 심각한 전송 지연 문제를 해결하였다. 실험 결과 전송 지연 시간을 기존 대비 약 65% 감소시켰고, 루프 방지 및 전송 효율을 높인 결과 전송률을 97%에서 99%로 향상시켰다.

도 1은 노드 A에서 최종 목적지인 노드 B로 메시지를 전달하는 본 발명의 라우팅 방법의 원리를 설명하기 위한 그래프
도 2는 본 발명에 따른 라우팅 방법의 프로세스 흐름도
도 3은 도 2의 헤드노드 선정 방법을 설명하기 위한 그래프
도 4는 본 발명의 라우팅 방법의 구체적인 예시 설명을 위한 그래프
도 5는 기존 배압 라우팅 기법 대비 제안 기법의 평균 지연 시간 비교 그래프
도 6은 다양한 플로우 값에 대한 기존 배압 라우팅 기법 대비 제안 기법의 평균 지연 시간 비교 그래프

도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 노드 A에서 최종 목적지인 노드 B로 전달하는 라우팅 방법을 나타낸다.

메시지는 배압라우팅 기법을 통해 네트워크 내의 한 노드에서 다른 노드로 전달되어 최종 목적지 B에 도달된다. 기존 배압 라우팅 기법의 경우에는 방향성이 전혀 고려되지 않고 오로지 메시지 큐의 차이값(queue difference)에 의해서만 링크가 선택되기 때문에, 메시지의 최종 목적지와 완전히 반대 방향(opposite direction)인 노드 C 쪽으로 메시지가 향할 수 있으며, 이는 심각한 메시지 전송 지연을 발생시킬 수 있다. 최악의 경우에는 메시지가 네트워크 내를 계속해서 배회하는 결과를 초래할 수도 있다.

본 발명의 경우에는 이하의 설명과 같이 노드 B를 루트노드(root node)로 하는 DODAG 구조를 만든다. 루트노드 B의 랭크값(rank value)을 0으로 설정한다. 그 밖에 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여한다. 일반적으로 임의의 노드 K에 할당된 랭크값이 의미하는 것은 해당 노드 K로부터 헤드노드에 메시지를 전달하기까지 걸리는 오버헤드를 의미한다. 따라서 노드 B에서 거리가 멀어질수록 더 큰 랭크값이 부여될 것이다. 본 발명에서는 이러한 랭크값을 바탕으로 특정 노드 자신의 이웃노드들의 랭크값보다 작은 값의 노드들을 헤드노드 그룹으로 선정하고, 헤드노드 그룹에서 목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달한다.

즉, 도 1의 예시 그래프에서, 노드 A에는 D, E, F, G 방향의 링크가 있는데, 일반적인 배압 기법의 경우에는 이들 네 개의 링크 모두가 활성화되어 메시지가 어느 방향으로도 전달될 수 있다. 만일 메시자가 노드 D 또는 G에 전달될 경우에는 B로 향하는 방향과 반대 방향의 링크가 선택된 셈이므로 메시지가 최종 목적지 노드인 B까지 전달되는 데에 오랜 시간이 걸릴 수 있으며, 심지어 네트워크 내부를 배회하는 현상이 생길 수 있다.

그러나 본 발명의 경우에, 노드 A는 자기 자신의 Rank=4 보다 낮은 랭크값을 갖는 노드 E(Rank=2)와 F(Rank=3)를 자신의 헤드노드 그룹으로 선정하고, 메시지 전달시 최종 목적지 노드 B와 가까워지는 방향인 노드 E 또는 F로만 메시지를 전달한다(correct direction). 이로써 기존에 발생하던 배압 라우팅의 단점을 해소할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 DODAG 구조 기반 배압 라우팅 방법의 프로세스 흐름도이다.

먼저, 최종 목적지 노드를 루트로 설정하고 랭크값 '0'을 부여한다(100).

RPL에서의 DODAG 구조에 기반한 랭크값 계산 방식을 이용하여, 최종 목적지 노드로부터 네트워크 내 모든 노드의 랭크값을 계산한다(200). 네트워크내 노드 수를 N이라 할 때, N개의 노드에 대해서 노드 K를 Root로 하여 네트워크 내 모든 노드의 K로부터의 랭크값을 계산하는 것인데, 계산시에는 DODAG 구조에 기반하여 RPL에서 랭크값을 구하는 방식을 활용할 수 있다.

이 초기 랭크값 계산 오버헤드 관련하여 더 설명한다. 배압 라우팅이 사용되는 일반적인 센서 네트워크에서는 모든 노드가 메시지의 목적지 노드가 되기 보다는 하나의 특정 노드가 루트(Root) 또는 싱크(sync) 노드가 되어, 네트워크에서 발생되는 센싱 정보를 수집하여 상위 서버로 전송하는 게이트웨이(gateway)로서의 역할을 수행한다. 따라서 실제로는 N개의 노드 중 메시지를 실질적으로 수신할 싱크 노드만을 루트로 하여 각 노드의 랭크값을 계산하면 된다.

다음에, 최종목적지 노드를 루트로 하는 랭크값들을 이웃노드들의 랭크값과 비교하여(300), 이웃노드들 중에서 자신의 랭크값보다 낮은 랭크값의 노드들을 헤드노드 그룹으로 선정한다(400). 헤드노드 그룹 선정은 네트워크내 노드 수 N개에 대해서 최종 목적지 노드 K를 Root로 하는 랭크값을 이웃 노드와 비교하여, 자신의 랭크값보다 낮은 랭크값의 노드를 헤드노드 그룹으로 선정하는 것인데, 이 때 선정된 헤드노드 그룹은 자기보다 최종 목적지 K와 더 가까운 노드 그룹이 된다.

메시지를 전달받으면 패킷의 큐 차이값에 기반하여 헤드노드 그룹 중 한 노드를 선택하여 메시지를 전달한다(500).

본 발명에서는 네트워크 내 모든 노드들이 하나의 싱크 노드에게만 메시지를 전달하는 것이 아니라, 네트워크 내 임의의 두 노드가 통신하는 상황에 적합한 통신 기법을 사용하기 때문에, 최종 목적지 노드에 따라 서로 다른 헤드노드 그룹을 가지게 되는 것이다.

헤드노드 그룹은 최종 목적지 노드와 가까워지는 방향의 인접 노드들로 이루어져 있다. 즉, 어떤 노드와 최종 목적지 노드 사이의 거리가 자신과 최종 목적지 노드 사이의 거리보다 가까울 때 그 노드는 자기 자신의 상위 노드가 되며, 그 반대의 경우에는 자기 자신이 그 노드의 상위 노드가 된다. 즉, 최종 목적지 노드를 루트로 하며, 최종 목적지 노드와의 거리에 따라 헤드노드를 선정하는 방식으로 DODAG를 결성하는 것이다.

네트워크 내의 어떤 노드도 최종 목적지 노드가 될 수 있기 때문에 노드의 수만큼에 해당하는 DODAG 그래프가 생성된다. 이러한 방식으로 자기 자신과 인접한 노드이면서 최종 목적지에 대한 자기 자신의 상위 노드를 자기 자신의 헤드노드로 선정하여 해당하는 최종목적지를 가지는 패킷은 해당 헤드노드 그룹의 노드 중 하나로 전달하는 방식을 따른다.

그 결과 종래의 배압 라우팅에서는 최종 목적지 노드와 정반대 방향으로 메시지가 전달될 수도 있지만, 본 발명의 기법을 사용하면 네트워크 내에 존재하는 패킷은 최종 목적지 노드와 가까워지는 방향으로만 메시지가 전달된다.

이처럼 본 발명은 인접 노드와 큐에 들어있는 패킷 수를 비교할 때에 오로지 헤드노드에게 전달하는 것만을 고려하고, 헤드노드가 아닌 노드에게 전달하는 것은 고려하지 않기 때문에 배압 라우팅 알고리즘의 강력한 장점인 '네트워크 전송량 최대화'를 그대로 유지할 수 있는 것이다. 링크 활성화 벡터 후보 계산 또는 목적 함수 계산은 배압 라우팅 알고리즘과 그 식을 공유하기 때문에 궁극적으로 전송량 최대화와 관련한 강점을 유지하면서 기존 알고리즘의 약점은 개선하는 결과를 보일 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 DODAG 구조 기반 헤드노드 선정 방법을 보여주는 그래프이다.

노드 A를 루트로 하는 랭크값을 계산하면 도 3에 표시된 것과 같은 랭크값을 가지게 된다. 각 노드는 이웃 노드 중 랭크값이 자신의 랭크값보다 작은 노드를 헤드노드 그룹으로 선정한다.

도 3에서, 노드와 노드 간에 표시된 화살표가 임의의 노드 X에서 Y 방향으로 있을 때, 노드 Y는 노드 X의 헤드노드 중 하나임을 의미한다. 만일 임의의 노드 X가 메시지를 전달받았을 때 자신의 헤드노드 중 하나를 선택하여 보내며, 이 때 선택하는 기준은 배압 라우팅에서와 같이 패킷 큐의 차이값에 기반한다.

구체적인 라우팅 예제를 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 4는 최종 목적지 노드가 B에 노드 A가 메시지를 전달하려고 하는 케이스를 나타낸다. 이 때 노드 A의 이웃 노드는 D, E, F, G의 4개이다. 원래 배압 라우팅에서는 각 노드와의 큐 차이값 QD(Queue Difference)를 고려하여 그 차이가 가장 큰 링크를 선택하였다. 이 경우 링크 A-D, A-E, A-F, A-G의 큐 차이값, 즉, QD(A,D), QD(A,E), QD(A,F), QD(A,G)는 각각 7, 4, 6, 3으로, 이 중에서 가장 큰 값인 링크 A-D가 선택되어, 노드 A는 노드 D에게 메시지를 전달해야 하였다.

반면에 본 발명에서는 단순히 QD만을 고려하는 것이 아니라 메시지의 방향성이 함께 고려된다. 즉, 노드 A의 랭크값은 4이며, 이웃 노드 중 자기 자신의 랭크값보다 작은 값을 가지는 노드는 E와 F이므로, 노드 A는 노드 E와 F를 자신의 헤드노드 그룹으로 선정한다(도 2의 400). 이와 같이 본 발명에서는 메시지 전달시 헤드노드 그룹에 속한 노드들만을 고려하기 때문에 메시지는 최종 목적지 노드인 B를 향하는 노드인 노드 E와 F 중 하나로 보내진다. 이들 링크 A-E와 A-F 중에서 QD가 큰 값을 갖는 링크 A-F가 선정되며, 따라서 노드 A는 메시지를 노드 F에 전달하게 된다.

도 4의 예제로부터, 종래의 배압 라우팅과 본 발명의 배압 라우팅을 비교한다. 일반 배압 라우팅의 경우에 노드 A는 자신의 이웃노드 그룹 {D,E,F,G} 중 Queue Difference가 가장 큰 노드에게 메시지 전달을 하여 결과적으로 노드 D가 선택되는바, 메시지 전달시 오로지 Queue Difference만 고려하므로 최악의 경우 메시지가 네트워크를 배회하다가 최종 목적지 노드에 도달하지 못할 수도 있다.

반면에 본 발명의 배압 라우팅에 따르면, 노드 A는 자신의 이웃노드 그룹 {D,E,F,G} 중 랭크값을 기반으로 헤드노드 그룹 {E,F}를 선정하고, 자신의 헤드노드 그룹 {D,E,F,G} 중 Queue Difference가 가장 큰 노드에게 메시지를 전달한다. 즉, 노드 F를 선택하여 메시지를 전달한다. 그 결과, 메시지 전송에 방향성이 부여됨으로써 메시지 전송 지연 문제를 완화하고 루프 발생을 예방할 수 있게 된다.

이를 통해 배압 라우팅 알고리즘이 가지는 가장 강력한 특징인 '네트워크 전송량 최대화'의 장점을 가지면서도, 패킷이 최종 목적지 노드와 가까워지는 방향으로만 전달되기 때문에 더 빠른 시간 안에 최종 목적지까지 패킷이 전달될 수 있게 된다.

성능 평가를 위한 시뮬레이션을 C++ 기반 배압 라우팅 코드를 활용하여 시행하였다. 실험 파일에는 배압 알고리즘의 구현, 그리고 DODAG 구조의 사용여부를 선택할 수 있도록 하였다. 특별한 라이브러리 없이 기본 C++ 라이브러리 만으로 동작할 수 있다. 네트워크 노드 사이의 패킷 전송은 push와 pop 컨셉을 이용하여 구현하였으며, 기본적으로 네트워크의 트래픽 양에 따라 전송되는 패킷의 수와 전체 전송 횟수를 계산한다. 네트워크 내 노드 간의 통신은 셀(cell)을 통해 구현하였다. 6×6 크기의 셀 그리드 안에 44개의 노드를 랜덤하게 분포시켰으며 노드의 수는 cell의 수보다 1.2배 정도 많은 44개의 노드를 생성하도록 하였다. 각 노드의 큐 사이즈는 500으로 정했다. 정해진 셀의 크기 안에 노드들을 랜덤하게 분포시킨 후, 시뮬레이션 시간의 길이만큼 패킷 전송을 시작한다. 시뮬레이션 시간 동안에 Traffic flow 확률로 패킷을 생성시킨다. 표 1은 시뮬레이션 환경의 주요 파라미터 값을 나타낸다.

셀의 개수	36
노드 수	44
시뮬레이션 시간	10000
패킷 생성 확률(packet generation probability)	0.1

기본 배압 알고리즘과 DODAG를 활용한 본 발명의 성능을 실험을 통해 비교하였다. 기본 실험 환경에서의 패킷 생성 확률을 변경하여 트래픽 양을 조절하였다. 표 2는 10회 시뮬레이션 결과 얻은 평균치를 나타낸 것이다.

	배압 기반(종래)	DODAG 기반(본 발명)
생성된 패킷	44,088	44,285
수신된 패킷	42,749	43,805
총 전송량(total transmission)	189,617	155,888
신뢰도	96.96 %	98.92 %

평균적으로 배압 환경에서는 44088개의 패킷이, DODAG 기반 환경에서는 44285개의 패킷이 생성되어 두 환경에서 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 하지만 수신된 패킷 부분을 확인해 보면 DODAG 기반이 근소하게 앞선 것을 볼 수 있다. 약 44000개의 패킷에서 약 1%에 해당되는 480개의 패킷만을 잃은 것을 알 수 있다. 이와 비교해서 일반 배압 환경에서는 1000개가 넘는 패킷 손실을 볼 수 있다.

총 전송량에서, 종래의 배압 기반은 DODAG 기반 배압보다 약 3만번의 전송시도를 더 한 것을 볼 수 있다. 이 실험에서는 정해진 타임슬롯 안에 패킷이 목적지까지 전달되지 못하면 전송 에러인 것으로 보고 있다(전송이 끊어지지 않고 계속해서 발생하는 환경임). 여기서 주목해야 할 것은 DODAG 기반이 더 적은 양의 전송으로 더 많은 패킷을 성공적으로 보냈다는 사실이다.

결론적으로 DODAG 기반 환경에서 같은 시간 안에 더 많은 패킷을 성공적으로 전송하였는데, 이는 일반 배압 환경과 DODAG 기반 환경에서, 각 노드들의 평균 지연시간을 보면 쉽게 이해할 수 있다.

도 5는 각 노드에서의 배압의 평균적 시간지연을 비교한다. 기본 배압 환경에서는 평균 지연시간이 126이고, DODAG 기반 환경에서 각 노드들의 평균 지연시간은 43으로, 기존 성능 대비 65%가 향상되었다. 실험시간의 타임슬롯 내에서 양쪽 다 똑같이 많은 수의 패킷을 전송하였지만, DODAG 기반 환경에서 더 높은 전송 성공률을 보였다.

도 6은 더 정확한 실험을 위해 Traffic flow probability(확률)을 높여 다양한 네트워크 환경에서의 성능을 비교한 그래프이다. 성능의 척도는 전과 마찬가지로 노드의 평균 지연시간(average time delay)이다. 도 6의 그래프는 Traffic flow 확률을 0.06에서 0.10까지 변화시키며 얻은 값이다. Traffic flow 확률에 따라서 노드당 지연 시간이 늘어나지만 큰 폭을 두고 늘어나지는 않는다. DODAG 기반의 환경은 여전히 일반 배압 환경보다 효율적인 큐 지연시간을 보여준다.

이상과 같이, 본 발명의 기법은 DODAG 기반 구조 활용을 통해 메시지 전송에 방향성을 부여함으로써 네트워크 상의 불필요한 전송 횟수를 줄여 각 노드의 큐 관리 효율성을 향상하였다. 결과, 제안 기법이 더 적은 수의 전송으로 더 많은 메시지를 최종 목적지 노드까지 성공적으로 전송함으로써 높은 전송 효율성 및 전송 신뢰성을 달성하였다.

Claims (10)

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2. 다수의 노드가 포함된 네트워크에서의 배압 라우팅 기반 멀티홉 통신에 DODAG 구조를 적용하여, 임의 노드에 도착한 메시지를 다른 노드로 전달하는 데 있어서 메시지 전달 경로에 방향성을 부여하기 위한 라우팅 방법으로서,
   최종목적지 노드를 루트노드로 정의하여 이 루트노드의 랭크값을 0으로 설정하는 절차,
   RPL에서의 DODAG 구조에 기반한 랭크값 계산 방식을 이용하여 상기 최종목적지 노드로부터의 네트워크 내 모든 노드의 랭크값을 계산하여, 이 계산된 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 절차,
   각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하기 위하여, 상기 최종목적지 노드를 루트로 하는 랭크값들을 상기 임의 노드의 이웃노드들의 랭크값과 비교해서, 이웃노드들 중에서 상기 임의 노드의 랭크값보다 낮은 랭크값의 노드를 헤드노드 그룹으로 선정하는 절차,
   상기 임의 노드가 메시지를 전달받으면, 패킷의 큐 차이값에 기반하여 큐 차이값이 가장 큰 노드를 선택하여서, 상기 헤드노드 그룹 중에서 상기 최종목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 절차를 포함하는 DODAG 구조 기반의 배압 라우팅 방법.
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7. 다수의 노드가 포함된 네트워크에서의 배압 라우팅 기반 멀티홉 통신에 DODAG 구조를 적용하여, 임의 노드에 도착한 메시지를 다른 노드로 전달하는 데 있어서 메시지 전달 경로에 방향성을 부여하기 위한 배압 라우팅을 수행하는 장치로서,
   최종목적지 노드를 루트노드로 정의하여 이 루트노드의 랭크값을 0으로 설정하는 수단,
   RPL에서의 DODAG 구조에 기반한 랭크값 계산 방식을 이용하여 상기 최종목적지 노드로부터의 네트워크 내 모든 노드의 랭크값을 계산하여, 이 계산된 각 노드의 랭크값을 노드 간의 링크 상태에 따라 부여하는 수단,
   각 노드에 부여된 랭크값을 바탕으로 각 노드의 이웃노드들 중에서 일부를 헤드노드 그룹으로 선정하기 위하여, 상기 최종목적지 노드를 루트로 하는 랭크값들을 상기 임의 노드의 이웃노드들의 랭크값과 비교해서, 이웃노드들 중에서 상기 임의 노드의 랭크값보다 낮은 랭크값의 노드를 헤드노드 그룹으로 선정하는 수단,
   상기 임의 노드가 메시지를 전달받으면, 패킷의 큐 차이값에 기반하여 큐 차이값이 가장 큰 노드를 선택하여서, 상기 헤드노드 그룹 중에서 상기 최종목적지 노드의 방향을 향하는 하나의 노드를 선택하여 이 선택된 노드로 메시지를 전달하는 수단을 포함하는 DODAG 구조 기반의 배압 라우팅 장치.
   
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