KR20050063823A - 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 네트워크에서의 에너지 효율성을 고려한 라우팅 프로토콜로써 센서들의 수명을 최대한 고려하고, 가능한 한 전체 센서 노드들의 에너지를 고르게 사용할 수 있도록 하여 전체 네트워크의 수명을 길게 유지할 수 있도록 하는 것이다.

발명된 라우팅 프로토콜은 알고리즘이 간단하고 신뢰성이 있어 널리 활용되고 있는 AODV 프로토콜을 센서 상황에 맞도록 배터리 효율을 고려하여 새로 만든 모델이다. AODV의 RREQ 메시지에 노드의 에너지 정보를 담아서 이웃 노드 및 경로상에 있는 노드들이 그 경로에 있는 노드들의 에너지 상태를 알 수 있도록 하였고, 이 정보를 기반으로 에너지가 많이 남아있는 노드를 사용하여 데이터가 전송되도록 하였다. 에너지가 적게 남은 노드들은 RREQ메시지를 기본적으로 무시하지만, 이런 노드들은 IDLE 메시지를 회신하며, 전송하는 노드는 에너지가 적게 남은 노드들 때문에 경로로 전달되지 못하는 현상을 막고자 하였다. 또한 네트워크 에너지 상태가 전체적으로 좋지 않을 때는 기존의AODV프로토콜을 이용하여 라우팅을 수행하도록 설계되었다.

Description

센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법{Method for Providing Routing Protocol in Sensor Network}

본 발명은 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 네트워크에서의 에너지 효율성을 고려한 라우팅 프로토콜로써 센서들의 수명을 최대한 고려하고, 가능한 한 전체 센서 노드들의 에너지를 고르게 사용할 수 있도록 하여 전체 네트워크의 수명을 길게 유지할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야는 센서 네트워크에서의 핵심이라 할 수 있는 라우팅 프로토콜이다. 센서 네트워크는 자체 계산능력을 갖으며 다른 노드들과 통신할 수 있는 센서를 갖고 있는 수많은 노드들로 구성되어 있는 네트워크라고 할 수 있다. 센서 네트워크를 구성하고 있는 각 노드들은 노드에 부착되어 있는 센서를 통해서 온도, 기압과 습도 등의 정보를 수집할 수 있고, 자체 계산 능력을 통해서 센서로부터 얻어낸 정보를 자체 분석을 할 수 있다.

또한, 센서에서 얻어낸 가공되지 않은 결과뿐만 아니라, 분석에 의한 결과를 각 노드들의 통신을 통해서 네트워크의 몇 개의 노드에 중앙 집결할 수 있도록 한다. 그리고 각 센서 노드들은 고정된 위치에서 정보를 수집할 수도 있겠지만, 급격한 환경 변화에 따른 이동성을 가질 수도 있다. 그래서 센서 네트워크에서는 자료를 수집하고 다른 노드와 통신을 가능하게 할 수 있는 센서와 통신장비, 그리고 센서 노드간의 통신을 도와 줄 수 있는 라우팅 프로토콜과 센서에 의해서 얻어진 정보를 분석 할 수 있는 응용이 필요하다.

센서 네트워크는 이동성관리 및 peer-to-peer 통신을 하고 있는 Ad Hoc과 매우 많은 유사성을 갖고 있기에, 센서 네트워크의 이동성 관리 및 데이터 전송 경로에 대한 라우팅 프로토콜에 대한 기술들은 Ad Hoc으로부터 이어 지고 있다.

Ad Hoc의 라우팅 프로토콜을 크게 두 분류로 나누어 볼 때, 각 노드간의 주기적인 메시지 송수신에 따라서 라우팅 정보의 갱신하여 모든 노드들의 라우팅 정보를 갖고 있는 Proactive방식의 라우팅 프로토콜과 데이터 전송 시 요구에 따라서 목적지까지의 라우팅 정보를 얻는 Reactive방식의 라우팅 프로토콜이 있다. 두 방식 모두 각각의 장/단점을 갖고 있다.

Proactive방식의 라우팅 프로토콜은 출발지 노드는 목적지 노드의 라우팅 정보를 항상 갖고 있기 때문에, 데이터 전송 시 갖고 있는 라우팅 정보에 따라서 빠른 데이터 전송을 할 수 있다.

하지만, 그 많은 노드의 라우팅 정보를 항상 유지하고 있어야 하기 때문에 노드의 적지 않은 메모리를 요구하게 되고 항상 최신의 정보를 유지하기 위한 노드 간의 메시지 전송에 따른 노드의 적지 않은 부하가 따른다.

이에 반에, Reactive방식의 라우팅 프로토콜은 데이터 전송 시에만 라우팅 정보를 요구하기 때문에 데이터를 보낼 초기에 약간의 딜레이는 감수해야 하지만, 각 노드에게는 큰 부담을 주지 않는다. 센서 네트워크의 제약사항을 이런 두 가지 라우팅 방식에 견주어 볼 때, 센서 노드에 부하를 적게 주기 하기 위해서는 Reactive방식의 라우팅 프로토콜이 보다 적합하다고 분석된다.

Proactive방식의 라우팅 프로토콜로는 DSDV, CGSR, WRP 등이 있고, Reactive방식의 라우팅 프로토콜로는 AODV, DSR, ABR 등이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 센서 네트워크는 기존 망과의 연동을 Access Point를 중심으로 하고 있는 802.11 Wireless LAN과 이를 벗어나 기존 인프라와는 독립적으로 노드간의 peer-to-peer통신을 하는 Ad Hoc과도 또 다른 특성을 갖고 있다.

각 센서 노드들은 최소한의 간소화된 요소들로 구성되어져야 하며, 이에 따라서 제한된 파워와 저장장치, 그리고 단순하면서 노드에 큰 부하를 주지 않는 통신 능력을 갖아야 한다. 또한, 센서 노드들은 환경적인 영향에 따라서 잦은 토폴로지의 변화를 가지므로 빠른 토폴로지의 재구성이 필요하다.

이와 같이 많은 기술적 과제들 중에서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 센서 네트워크에서 에너지 효율성의 극대화이다. 즉 센서들의 수명을 최대한 고려하고, 가능한 한 전체 센서 노드들의 에너지를 고르게 사용할 수 있도록 하여 전체 센서 네트워크의 수명을 길게 유지할 수 있도록 하는 것이다. 지속적인 파워가 제공되고 있는 PC와 중간의 배터리 교체를 통한 지속적인 동작을 할 수 있는 단말과는 다르게 센서 노드는 재충전 할 수 없으므로 효율적인 에너지 관리가 필요하다. 노드와 네트워크의 수명은 배터리의 수명에 의존하게 된다. 본 발명에서는 라우팅 알고리즘을 개발하여 센서 네트워크상에서의 에너지 효율성을 극대화하도록 하는 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법은, 라우팅 테이블을 초기화하고, 노드의 네트워크 디바이스를 찾아 호스트를 초기화하는 단계; 상위 계층에서의 ip packet의 전달 등의 요구가 있을 때와 네트워크 디바이스를 통한 요구가 있을 때, 두 가지의 상황에 대해 준비하여 소켓을 여는 단계; 상기 상위 계층에서의 요구가 있을 경우, 자신의 노드의 라우팅 테이블을 조사하고, 라우팅 테이블에 패킷을 전달하려는 목적지 노드가 있다면 리턴하는 단계; 상기 목적지 노드가 없다면, RREQ 패킷을 전달하는 단계; 상기, 네트워크 디바이스를 통해서 요구가 있을 경우, 받은 메시지의 타입이 RREQ 일 때, RREP 일 때, RERR 일 때 처리 과정으로 넘어가고, RREP_ACK 일 때 처리 과정으로 넘어가고, IDLE 일 때 처리 과정으로 넘어가는 단계로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 전체 발명 알고리즘 순서도를 나타낸다.

발명 알고리즘의 구동이 시작되면 본 알고리즘이 처리해야 할 메시지를 체크하며 루프를 무한하게 반복하여 구동되게 된다. IP 계층에서 트래픽이 전송을 요구하거나, 이웃 노드에서 메시지를 전달받을 경우 본 발명 알고리즘은 상황에 따라 메시지를 처리하게 된다. 발명 알고리즘의 구동이 시작되면 다음과 같은 과정이 일어나게 된다.

먼저, 라우팅 테이블을 초기화하고, 노드의 네트워크 디바이스를 찾아 호스트를 초기화하는 단계;

이때, 상위 계층에서의 ip packet의 전달 등의 요구가 있을 때와 네트워크 디바이스를 통한 요구가 있을 때, 두 가지의 상황에 대해 준비하여 소켓을 연다.

상위 계층에서의 요구가 있을 때 처리 과정은, 자신의 노드의 라우팅 테이블을 조사하고, 라우팅 테이블에 패킷을 전달하려는 목적지 노드가 있다면 리턴한다. 상기 목적지 노드가 없다면, RREQ 패킷을 전달하게 된다.

이 때, RREQ 패킷의 reserved field를 이용한다. Reserved field에 현재 노드의 에너지량을 추가한다.

네트워크 디바이스를 통해서 요구가 왔을 때의 처리과정은, 받은 메시지의 타입이 RREQ 일 때 처리 과정으로 넘어간다. 또한, RREP 일 때 처리 과정으로 넘어가고, RERR 일 때 처리 과정으로 넘어가고, RREP_ACK 일 때 처리 과정으로 넘어가고, IDLE 일 때 처리 과정으로 넘어간다.

도 2는 상기 RREQ 메시지의 처리 과정을 나타내며 다음과 같다.

받은 RREQ 메시지에 포함되어 있는 에너지 필드의 값을 추출하여 '0'인지 아닌지를 판단한다. '0' 이라는 것은 IDLE 메시지에 대한 응답으로서 자신노드의 IDLE 모드를 해제하고 패킷 포워딩 역할을 수행하라는 뜻이다. 따라서 '0'을 받게 된다면 포워딩 RREQ 패킷에 자신의 에너지량 대신 최대의 에너지 양인 '10'으로 세팅하여 전달한다. 이 이유는 최대에너지로 수정함으로서 그 다음 진행하는 노드들에게도 에너지를 고려 할 수 있도록 하기 위해서다. 만약 최대 에너지로 하지 않고 지금까지 지나온 노드들의 에너지 중 작은 것을 입력하여 전달하게 된다면, 그 뒤로는 에너지가 적더라도 에너지를 고려하지 않고 계속적으로 전달하게 된다.

반면, '0' 이 아닌 다른 값으로 되어 있다면, 이것은 이상적인 RREQ 패킷 포워딩이다. 현재 노드가 지금의 RREQ_ID를 갖는 패킷을 한번이라도 받아 본적이 있는가를 판단하고 받아 본적이 있다면 무시하고 리턴 한다.

현재 노드의 에너지량을 측정한다. 만약 threshold one 값과 비교하여 이보다 크다면 현 노드는 IDLE이 아닌 ACTIVE 상태이므로 일반적인 RREQ 패킷 포워딩과 같이 다음 노드로 RREQ 패킷을 전달한다. 단, 현 노드의 에너지량과 앞에서 받은 RREQ 패킷 field의 값과 비교하여 작은 값으로 에너지 필드를 대체한다.

만약, threshold one 보다 작다면, 이는 IDLE 모드가 될 수 있는 여지가 있는 것이다. 현 노드의 에너지와 앞에서 받은 RREQ 패킷의 에너지 필드의 값 차이( received_energy - node_energy )가 threshold two 값보다 작다면 전달하려고 하는 RREQ 패킷의 에너지 필드를 최대 에너지량 '10'으로 수정하여 RREQ 패킷을 전달한다. 두 값의 차이가 threshold two 보다 작다는 것은 현 노드가 계속해서 IDLE 모드로 있지 않고, 주변 노드들의 에너지가 고려되어 RREQ 패킷 전달에 합류해야 한다는 것이다. 차이가 크다는 것은 주변 노드들에 비해 현 노드가 에너지가 작다는 것을 의미함으로 RREQ 패킷 전달에 참여하지 않고 IDLE 모드가 된다는 것이다. 그러면서 이 전 노드에게 IDLE 패킷을 전달한다.

REQ 패킷이 전달되는 과정에서 RREP 패킷을 전달하기 위한 reverse 패스를 저장한다.

패킷의 목적지 노드에 대한 정보가 현재 노드에 있는가를 조사한다. 만약, 현재 노드에 있다면, RREP 메시지를 RREP 패킷을 reverse 패스를 이용해서 전달하고 현재 노드에 목적지 노드에 대한 정보가 없다면, 현재 노드의 에너지량을 고려하여 RREQ 패킷을 전달하도록 한다.

도 3은 IDLE 메시지의 처리 과정을 나타내며 다음과 같다.

IDLE 패킷은 주변 노드들의 상태를 파악하는 것이다. RREQ 패킷을 받았을 때, ACTIVE 또는 IDLE 여부를 판단하여 IDLE 패킷을 보낸다.

상기 IDLE 패킷을 받게 되면, 해당하는 RREQ_ID의 IDLE counter를 하나 증가를 기본으로 한다.

IDLE 패킷을 받은 노드가 본 패킷의 origin 노드의 주소와 같은지를 파악한다. 이것은 origin 노드와 중간노드 일 때의 처리가 다르기 때문이다.

이때, origin노드일 경우에는 라우팅 테이블의 hop count 가 '1'인 노드의 개수가 1과 같은지를 파악하여 '1'이라면 바로 RREQ 패킷을 IDLE 패킷을 보낸 노드로 유니캐스트로 전달한다. 그렇지 않은 경우 idle count 값을 하나 더 증가하여, 주변의 IDLE 노드의 수를 업데이트 한다.

이 때, hop count가 '1'인 것의 개수와 idle count의 수와 같은 지를 비교하여야 하며, 다르면 리턴하고, 같다면 에너지를 '0'으로 세팅하고 RREQ 메시지의 전달과정에 참여한다. 이 때, 전달되는 RREQ 패킷이 일상적인 것이 아닌, IDLE 모드를 무시하고 전달하는 것이라는 것을 명시적으로 알리기 위해서 에너지 필드 값을 '0'으로 전달한다. RREQ 패킷은 IDLE 메시지를 보낸 노드로 유니캐스트로 전달한다.

중간 노드일 경우에는 라우팅 테이블의 hop count 가 '1'인 노드의 개수가 2와 같은지를 파악하여 '1'이라면 바로 RREQ 패킷을 IDLE 패킷을 보낸 노드로 유니캐스트로 전달한다. 그렇지 않은 경우 idle count 값을 하나 더 증가하여, 주변의 IDLE 노드의 수를 업데이트 한다. 그리고 hop count가 '1'인 것의 개수와 idle count+1의 수와 같은 지를 비교하고 다르면 리턴하며 같다면 에너지를 '0'으로 세팅하고 RREQ 메시지의 전달과정에 참여한다. '0'으로 세팅하는 이유는 위에서와 같다. RREQ 패킷은 IDLE 메시지를 보낸 노드로 유니캐스트로 전달한다.

도 4는 RREP 메시지의 처리 과정을 나타내며 다음과 같다.

목적지에 대한 정보가 라우팅 테이블에 있는가를 확인하고, 있다면, 라우팅 테이블의 정보를 업데이트 , 없다면, 라우팅 테이블에 이 정보를 추가한다.

상기 RREP 패킷의 Origin 주소와 현 노드의 주소가 맞는지를 확인한다.

맞다면, RREP 전달 과정을 끝마치고, 다르다면, reverse 패스를 통해서 RREP 패킷을 전달한다.

도 5는 RERR 메시지의 처리 과정을 나타내며 다음과 같다.

Routing Table entry를 찾아보고 RERR에 해당하는 entry를 제거하고, 자신의 Routing table을 정리하여 이 외에 RERR의 영향을 받는 다른 entry가 있는지 확인한다. 없다면, main loop로 돌아가고, 있다면, 이 항목들을 list화하고 모두 table에서 제거한다.

도 3의 리스트를 참고하여 이웃 노드들에게 영향을 주는 항목이 있는지 검사하고, 없다면, main loop로 돌아가고, 있다면, 상기 list에 포함된 모든 이웃에게 unicast 혹은 broadcast로 RERR을 전달한다.

도 6은 RREP_ACK 메시지의 처리 과정을 나타내며 다음과 같다.

상기 RREP 특정 옵션을 통한 전송으로 구동된 타이머를 정지시키고 main loop로 돌아간다.

본 발명 알고리즘은 Network Simulator라는 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 AODV, DSDV, DSR라우팅 알고리즘의 성능을 비교분석을 해 보았다. 성능 분석의 대상으로는 시간에 따른 노드의 평균에너지량과 분산, 그리고 죽은 노드의 수가 있다.

평균은 시뮬레이션 시간동안 노드들의 남아있는 에너지량을 의미할 것이고, 분산은 노드들간의 에너지 분포도를 의미 할 것이다. 발명 알고리즘의 주된 목적이 노드들간의 에너지량을 균등하게 가지고 감으로써, 네트워크의 lifetime을 연장시키는데 있기 때문에 분산이 '0'에 가까울수록 더욱 좋은 성능을 보인다고 할 수 있다. 또한, 죽은 노드의 수도 적을수록 본 알고리즘의 목표에 가깝게 갔다고 할 수 있다.

시뮬레이션 결과로, 발명 알고리즘의 분산 값이 비교가 되고있는 다른 3개의 라우팅 알고리즘(AODV, DSDV, DSR)에 비하여 낮은 값을 갖는 것을 볼 수 있다. 이는 각 노드들 간의 남은 에너지량의 분포가 비슷하다는 것을 의미하고, 어느 특정한 노드가 다른 노드들에 비해서 월등하게 먼저 죽을 확률이 적다는 것을 의미한다. 이에 따라서 네트워크의 lifetime은 다른 라우팅 알고리즘에 비해서 길어진 다는 것을 보여준다.

또한, 발명 알고리즘과 다른 3개의 라우팅 알고리즘을 죽은 노드들의 수로 비교해 보면, 발명 알고리즘의 죽은 노드의 수가 적은 것을 볼 수 있으며, 수정의 대상이 된 AODV와는 월등하게 차이를 갖게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것을 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상에 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 노드의 에너지의 평균, 분산 그리고, 죽은 노드의 수를 분석해 보았을 때, 경로설정을 노드의 에너지를 고려하여 데이터의 전달을 균등하게 분배함으로써, 각 노드의 남은 에너지량을 비슷하게 유지하여 네트워크의 lifetime을 최대한으로 연장하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 프로토콜 제공방법의 알고리즘 순서도

도 2는 본 발명에 따른 RREQ 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 IDLE 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 RREP 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 RERR 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 따른 RREP_ACK 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면이다.

Claims (2)

1. 라우팅 테이블을 초기화하고, 노드의 네트워크 디바이스를 찾아 호스트를 초기화하는 단계;

   상위 계층에서의 ip packet의 전달 등의 요구가 있을 때와 네트워크 디바이스를 통한 요구가 있을 때, 두 가지의 상황에 대해 준비하여 소켓을 여는 단계;

   상기 상위 계층에서의 요구가 있을 경우, 자신의 노드의 라우팅 테이블을 조사하고, 라우팅 테이블에 패킷을 전달하려는 목적지 노드가 있다면 리턴하는 단계;

   상기 목적지 노드가 없다면, RREQ 패킷을 전달하는 단계;

   상기, 네트워크 디바이스를 통해서 요구가 있을 경우, 받은 메시지의 타입이 RREQ 일 때, RREP 일 때, RERR 일 때 처리 과정으로 넘어가고, RREP_ACK 일 때 처리 과정으로 넘어가고, IDLE 일 때 처리 과정으로 넘어가는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법.
2. 제 1항에 있어서,

   센서 환경에서 노드와 네트워크의 수명을 연장하기 위한 개념으로 노드마다 ACTIVE mode와 IDLE mode의 개념이라는 노드 상태를 설정하여 이웃 노드의 데이터를 전달해 주어야 하는지의 여부를 판단할 수 있는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공방법.