16
Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh Networks (Đồ án định tuyến cụm cho mạng lưới không dây .) Madhusudan Singh, Sang Gon Lee, Tan Whye Kit, Lam Jun Huy Dept of Ubiquitous IT, Division of Computer & Information Engineering, Dongseo University,Busan, Korea [email protected] , [email protected], [email protected], [email protected] Wireless Mesh Networks ( mạng lưới không dây ) là 1 phần của mạng Ad-hoc. WMNs là công nghệ mới nổi và đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực mạng không dây.WMN có các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau và một trong số đó là định tuyến. Nhiều giao thức định tuyến đã được đề xuất và có các công trình của các nhà nghiên cứa cho WMNs nhưng vẫn còn đòi hỏi nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này. Giao thức định tuyến này, quá trình tìm đường được hộ trợ bởi phương thức quảng bá. Với lý do là node đòi hỏi nhiều tài nguyên , có thể xảy ra đụng độ xung đột và un tắc xảy ra trên mạng. Hướng tới định hướng này , chúng tôi đề xuất một giao thức

Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Networks(Đồ án định tuyến cụm cho mạng lưới không dây .)

Madhusudan Singh, Sang Gon Lee, Tan Whye Kit, Lam Jun Huy

Dept of Ubiquitous IT, Division of Computer & Information Engineering, Dongseo University,Busan, Korea

[email protected] , [email protected], [email protected], [email protected]

Wireless Mesh Networks ( mạng lưới không dây ) là 1 phần của mạng Ad-hoc. WMNs là công nghệ mới nổi và đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực mạng không dây.WMN có các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau và một trong số đó là định tuyến. Nhiều giao thức định tuyến đã được đề xuất và có các công trình của các nhà nghiên cứa cho WMNs nhưng vẫn còn đòi hỏi nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này. Giao thức định tuyến này, quá trình tìm đường được hộ trợ bởi phương thức quảng bá. Với lý do là node đòi hỏi nhiều tài nguyên , có thể xảy ra đụng độ xung đột và un tắc xảy ra trên mạng. Hướng tới định hướng này , chúng tôi đề xuất một giao thức định tuyến dựa trên cụm , trong đó tất cả các node trog mạng lưới nhóm thành những cụm khác nhau, mỗi cụm hoặc nhóm có cụm đầu (CH). Trong đề xuất của chúng tôi, chúng tôi dùng path discovery với sự trợ giúp của phương thức unicast( đơn lẻ ). Phương thức Unicast giúp cho giao thiếp theo 1 hướng mà mạng sẽ có ít ùn tắc và mất quá nhiều dữ liệu.

Từ khoá —Wireless mesh network, routing, cluster head, cluster, Mesh Portal point.

I.GIỚI THIỆU

Mạng lưới không dây (WMNs) là một phần của mạng không dây. Mạng lưới không dây là công nghệ phát triển rất nhanh trong mạng ad –hoc. Mạng

Page 2: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

lưới không dây có các tính năng như tự tổ chức , tự định tuyến , và đặc tính tự phục hồi.WMNs đã thiết lập với giá thành thấp , khả năng mở rộng cao, truyền thông đáng tin cây mà không mất dữ liệu. WMNs có thể nâng cao dung lượng mạng sau khi thiết lập mạng , dễ dàng thực hiện kết nối giữa các node. Trong mạng lưới không dây như Hình 1, tất cả các điểm lưới (MP) được kết nối không dây với cổng định vị điểm lưới (MMP). Tổ chức quốc tế đang tích cực cung cấp các đặc điểm kỹ thuật cho mạng lưới như là IEEE802.11 , IEEE802.15, IEEE802.16 …Trong bài này chúng tôi sẽ tập trung vào mạng IEEE802.11s . WMNs đang cung cấp thông tin đáng tin cậy và nhanh chóng trong mạng bới kết nối lưới. Trong mỗi kết nối lưới các node được nối liền với nhau.Nếu đường dẫn bất kỳ bị xảy ra lỗi thì nó sẽ tìm thấy một con đường thay thế. WMNs có thể dễ dàng bảo trì và nâng cấp mạng bằng cách thêm hoặc bỏ các node từ mạng.

Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều kỹ thuật định tuyến cho WMNs. Hầu hết trong số họ tập trung vào các lĩnh vực như định tuyến high mobility scenario (kịch bản di động cao), unpredictable networks change (mạng không thể đoán trước sự thay đổi )[6]. Nhiều giao thức định tuyến theo yêu cầu như DSR và AODV đã được đề xuất từ những quan điểm đó . Đây là những giao thức định tuyến truyền thống. Sau các giao thức truyền thống, các nhà nghiên cứu đề xuất các cơ hội giao thức định tuyến như ExOR [10], Romer [11] và vv, mà cũng là quảng bá tự nhiên . Chúng thiếu các nút lựa chọn trong thời gian chuyển tiếp, tránh trùng lặp truyền tải và…

Hình 1: Mạng lưới không dây đơn giản .

Page 3: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Trong bài báo này, chúng tôi thiết kế một cách tiếp cận thay thế, Cụm dựa trên giao thức định tuyến cho mạng lưới không dây. Chúng tôi đã cho thêm một số khả năng mới và mức chịu trách nhiệm cho điểm lưới cổng thông tin (MPP) và các trưởng nhóm(cluster head). Bài viết này đã được cấu trúc như sau: Phần I cung cấp các giới thiệu, phần II mô tả tổng quan về giao thức định tuyến của các mạng lưới không dây, phần III xác định nhóm đề xuất định tuyến dựa trên giao thức, mục IV kết luận đề nghị của chúng tôi.

II. Mô tả tổng quan về giao thức định tuyến của các mạng lưới không dây

Nhiều giao thức định tuyến được đề xuất cho IEEE802.11s và vẫn còn rất mới trong lĩnh vực nghiên cứu WMNs mặc dù nhiều giao thức định tuyến được đề xuất cho IEEE802.11s. Hybrid giao thức lưới không dây (HWMP) là giao thức định tuyến mặc định cho WMNs [3]. HWMP là sự kết hợp của giao thức Proactive và Reactive(on-demand) . Giao thức định tuyến Reactive (on-demand) được sử dụng cho các điểm lưới hoạt động linh động(chỉ xuất hiện khi có yêu cầu gửi dữ liệu) trong khi giao thức định tuyến Proactive được sử dụng cho các nút cố định. Đường truyền số liệu là một bắt buộc định tuyến số liệu sử dụng để đo chất lượng của các liên kết.

Radio-metric ad hoc on-demand distance vector routing (RM-AODV) thường được sử dụng IEEE802.11s trong mạng Ad-hoc [6]. Định tuyến Proactive là dựa vào cây định tuyến cơ bản, trong đó WMNs phải xác định root trước . Trong WMNs, giao thức Proactive và Reactive phải làm việc cùng một lúc.Trong định tuyến theo yêu cầu (Reactive or on-demand), nút nguồn đầu tiên sẽ quảng bá tin yêu cầu đường (PREQ) trong mạng. Khi các nút trung gian nhận được PREQ tin nhắn, nó trả lời đường dẫn đến các nút đích nếu nó có sẵn [12]. Nếu không, nó sẽ chỉ chuyển tiếp tin nhắn PREQ để các nút tiếp theo và cuối cùng đến đích. Sau khi nút đích nhận được PREQ, nút đích tạo ra tin nhắn trả lời đường (PREP) cho nút nguồn và gửi nó trở lại con đường đó theo thứ tự ngược. Sau khi nhận được PREP, nút nguồn bắt đầu liên lạc với các điểm đến [2].

Trong quá trình định tuyến dựa vào cấu trúc cây(Proactive), hai chức năng đang làm việc, đó là PREQ và thông báo root (Rann). Nut Root quảng bá định kỳ tin nhắn PREQ đến mạng. Khi một MP nhận được tin nhắn PREQ từ nút gốc, nó tạo ra các đường dẫn thông qua PREP để tới root. Trong cơ chế Rann, nút gốc quảng bá định kỳ tin Rann vào mạng. Khi một MP nhận được Rann nó tạo ra một tuyến đường tới gốc, và gửi một unicast PREQ tới gốc. Khi gốc nhận được PREQ từ MP, nó trả lời với PREP cho MP [8]. Giao thức định tuyến HWMP có

Page 4: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

nhiều vấn đề chẳng hạn như, on-demand routing and proactive routing ,cả 2 đều có khả năng mở rộng giới hạn, giao thức proactive là giao thức tập trung, bị hạn chế bởi nút root chủ động ngay cả khi con đường ngắn bất kỳ có sẵn giữa nguồn và đích. Trong giao thức Reactive, nó vẫn khởi đầu với quá trình tìm đường [13]. Vì vậy, nhiều năng lượng cần thiết để quá trình xử lý quá trình này. Nó cũng gặp vấn đề trong quá trình broadcast , tổn thất tài nguyên ở cái MPs khác . HWMP không thể bảo vệ tối ưu hóa tuyến đường giữa hai MPs. Trong HWMP, Phương pháp Broadcast để tạo đường dẫn được sử dụng khác thường xuyên. Điều này cho thấy sự lãng phí năng lượng và vấn đề tắc nghẽn trong mạng.

Opportunistic routing là khác với định tuyến truyền thống. Nó có quá trình lựa chọn đường khác nhau sau khi truyền gói tin. Nó có tính năng quảng bá tự nhiên trong môi trường mạng không dây. Các nhà nghiên cứu đề xuất nhiều Opportunistic routing như ExOR [10], Romer [11], vv ExOR định tuyến quảng bá một loạt các gói tin của người gửi. Mỗi gói chứa một danh sách các nút có tiềm năng có thể chuyển tiếp nó. Trong Romer [11] định tuyến, nó sẽ cố gắng để chuyển tiếp các gói tin đồng thời cùng nhiều đường. Cả hai định tuyến truyền thống và Opportunistic routing sử dụng phương pháp quảng bá để tạo đường dẫn.Trong bài báo này chúng tôi thiết kế một nhóm mới dựa trên bản thiết kế định tuyến [15] để quá trình tìm đường ban đầu sử dụng multicast thay vì broadcast.III Xác định nhóm đề xuất định tuyến dựa trên giao thức.

Chúng tôi thiết kế một cụm tuyến dựa trên định tuyến cho WMNs như chúng ta đã đề cập, hầu hết các thuật toán sử dụng quảng bá ban đầu yêu cầu toàn bộ tuyến đường tới nút trong mạng lưới. Có thể là nếu mạng chia thành nhóm, chúng tôi có thể làm giảm quảng bá ban đầu cho tất cả các nút. Như mỗi cụm có một nút đứng đầu nhóm có tất cả các thông tin của nút hàng xóm của mình và yêu cầu đường dẫn để chỉ multicast đến nút đứng đầu nhóm khác nhau. Trong sơ đồ này chúng tôi phân phối các mạng lưới toàn bộ thành các nhóm (hình 2). Mesh point portal (MPP) được giao một nút như là đứng đầu (CH) của từng nhóm và lưu trữ các thông tin nút đứng đầu trong bảng riêng của mình như CH id, CH hàng xóm etc.EME

Page 5: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Hình 2. Các mạng lưới không dây chia thành các nhóm cluster.

    Mỗi nút đứng đầu nhóm có một số chức năng phụ để so sánh với các thành viên khác cluster. Mỗi nút đứng đầu có 2 bảng, một bảng chứa thông tin của nút đứng đầu các nhóm láng giềng và 1 bảng thứ hai chưa thông tin về thành viên nhóm cluster, đó là MPP. Mỗi thành viên nhóm lưu thông tin của CH mình. Khi một thành viên nhóm bình thường muốn giao tiếp với bất kỳ nút đích, nó sẽ gửi yêu cầu đường dẫn (PREQ) thông báo đến nút đứng đầu nhóm của mình (hình 3).

Hình 3. Nguồn gửi tin nhắn PREQ để CH1 (unicast).

Page 6: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Sau đó, nút đầu nhóm sẽ kiểm tra danh sách thành viên của nhóm. Nếu đích tồn tại trong cùng một nhóm, nó sẽ gửi thông tin trả lời con đường đi 1 cách nhanh chóng và nút nguồn bắt đầu lây truyền theo con đường đó. Nếu nút đích thuộc nhóm khác, cụm đầu gửi tin nhắn PREQ cho cổng lưới thông tin (hình 4) và các cổng lưới thông tin PREQ multicast thông điệp tới tất cả các cụm trưởng (hình 5).

Cluster đầu kiểm tra bảng nhóm nó và nếu bất kỳ CH tìm thấy được đíc trong khu vực này thì sau đó nó sẽ gửi tin nhắn PREQ tới nút đích (figure6). Nút đích gửi các trạng thái của chính nó tới nút đầu cluster của mình (hình 7). Sau khi nhận được thông báo trạng thái của nút đích, nút đầu nhóm đích gửi tin nhắn trả

Page 7: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

lời con đường dẫn tới lưới cổng thông tin (hình 8), và gửi chúng tới nút nguồn thông tin đường dẫn đích.

Hình 6. CH2 kiểm tra trạng thái của nút đích (Unicast).

Hình 7. Trạng thái tin nhắn của nút đích đến CH đích (unicast).

Page 8: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Hình 8. Tin PREP của CH2 đích đến MPP.

MPP chuyển PREP được nhận được từ CH2 đích tới CH1 nguồn như thể hiện trong hình 9. CH1 chuyển tiếp

Hình 9. MPP sẽ gửi thông tin CH2 đích đến CH1 nguồn.

    Một con đường hai chiều được thiết lập giữa các nút CH1 và CH2 thể hiện trong (hình 10) và nó sẽ chuyển các thông tin đích đến nút nguồn (Hình 11). Vì vậy, các con đường cuối cùng giữa các nút nguồn và đích như biểu diễn (Hình

12).

Page 9: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Hình 10. Một con đường hai chiều được thiết lập giữa các nút nguồn CH1 và đích CH2

Hình 11. Tin PREP từ CH1 gửi tới nút nguồn.

Page 10: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

Hình 12..Đường cuối cùng giữa nguồn và đích.

Trong sơ đồ này, MPP chỉ một lần dùng multicast trong suốt quá trình path discovery và còn lại tất cả các unicast sử dụng truyền tin nhắn. Do đó nó làm giảm tiêu thụ tài nguyên và cải thiện các cổng thông tin performanceMesh và nút đầu cụm cập nhật định kỳ bảng thông tin giúp để phát hiện bất kỳ thay đổi xảy ra trong mạng. Tương lai, trong trường hợp không liên kết, truyền tải chuyển hướng đến lưới cổng thông tin bởi CH của cụm sẽ loại bỏ thông báo lỗi (RERR) quảng bá , nhưng khi nút đứng đầu nhóm thất bại, thì sau đó quảng bá là bắt buộc.IV. Thảo luận và dự đoán

Giao thức mà chúng tôi đề xuất đã sử dụng ít tài nguyên và thời gian thiết lập đường dẫn hơn bởi vì trong đề án của chúng tôi, chúng tôi sử dụng 1 multicast và thông điệp 3 unicast cho quá trình khám phá con đường. Vì lý do này, nó sẽ tạo ra con đường nhanh chóng giữa nút nguồn và đích. Mạng lưới không dây đã dùng (HWMP) giao thức định tuyến mặc định. HWMP đã sử dụng cả hai phản ứng và chủ động định tuyến giao thức. Trong quá trình khám phá con đường nó quảng bá PREQ trong mạng. Tin nhắn quảng bá là cần nhiều tài nguyên hơn và năng lượng và đôi khi ùn tắc xảy ra trong mạng.

Bài viết này đã được xác định trên cơ sở Đề án cụm tuyến, trong Đề án này, mạng đã chia thành nhiều cụm. Nếu các điểm đến trong cluster, cluster đầu gửi thông tin đường dẫn đến nguồn, do đó, nó chỉ là unicast. Nhưng trong trường hợp giao thức định tuyến không dây nói trên (phiên II), tràn trên toàn bộ mạng lưới là diễn ra mặc dù chỉ là điểm đích gần điểm nguồn , điểu đó dường như nhiều phương pháp tốn kém. Nếu nút đích không thành viên của cluster như nguồn, tuyến đường yêu cầu gửi đến MPP và nó gửi yêu cầu cho tất cả các

Page 11: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

tuyến đường đầu cluster thông qua multicast. Vì vậy, một lần nữa nó không đòi hỏi yêu cầu quảng bá của tuyến đường đường. Cụm càng lớn , thì sẽ càng ít số lượng multicast và nhiều unicast, nhưng gây ra tình trạng quá tải trên đầu cụm. Quyết định của kích thước của cluster và số lượng các cụm phụ thuộc vào cấu trúc liên kết và ứng dụng của các mạng.Chúng tôi sẽ đánh giá các đề xuất chương trình mô phỏng phân tích kỹ lưỡng và thực hiện điều chỉnh trong Đề án theo vấn đề nếu chúng ta sẽ phải đối mặt.

V. KẾT LUẬN

Ở trên đã trình bày Đề án định tuyến cho WMN, nhằm làm giảm việc sử dụng tin nhắn quảng bá cho phát hiện đường đi và thất bại của thông điệp dẫn đường (Path Lỗi) trên mạng để tăng hiệu quả của mạng. Các nút được chia thành các cụm, và mỗi cụm có đầu cụm. Do đó, yêu cầu đường dẫn được gửi tới nhóm đầu bằng cách sử dụng tin nhắn multicast chỉ, bởi MPP. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết phải quảng bá làm giảm tiêu thụ điện năng và cải thiện hiệu suất mạng. Hơn nữa, bất cứ thất bại liên kết sẽ được xử lý tốt bởi MPP và không quảng bá các thông báo lỗi được yêu cầu ngoại trừ cụm đầu thất bại.

VI. XÁC NHẬN

Công trình này được sự hỗ trợ của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia 2010 dự án.

Tài liệu tham khảo

[1]E. Rozner, J. Seshadri, Y. A. Mehta, and L. Qiu. SOAR: Simple opportunistic adaptive routing protocol for wireless mesh networks. IEEE Transactions on Mobile Computing, vol 8, pp.1622–1635, 2009.

[2]Peppas, Nikolaos, Turgut, Damla, A Hybrid Routing Protocol in Wireless Mesh Networks, Military Communications Conference, MILCOM 2007,IEEE , pp 1-7, Oct. 2007.

[3]Bahr, M., Update on the Hybrid Wireless Mesh Protocol of IEEE 802.11s, IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems, Pisa Itly, Oct.2007.

[4]Ghannay, S., Gammar, S.M. and kamoun,F., Comparison of path selection protocols for IEEE802.11s WLAN Mesh Netwroks, IFIP International Federation for Information Processing, wireless and mobile Networking, Zuobir Mammeri;(Boston: Springer), Jan. pp 17-28, June. 2008.

Page 12: Cluster–Based Routing Scheme for Wireless Mesh

[5]Xudong Wang, Azman O. Lim, IEEE 8002.11s wireless Mesh networks: Framework and challenges, Journal Elsevier, Oct. 2007.

[6]A.Sgora, D. D. Vergados, and P. Chatzimisios, IEEE802.122s Wireless Mesh Networks: challeneges and Perspectives, Mobile Lightweight Wireless, Springer, pp263-271, Oct. 2009.

[7]A.H. Omari, A, H, Khrist, A dynamic and Reliable Mesh routing Protocol for Wireless Mesh Networks (DRMRP), IJCNS International Journal of Computer Science and Network Security, Vol., 9, no.4, April.2009.

[8]A.O. Lim, Y. Kado, B. Zhang, X.Wang, A study Root Driven routing Protocol for wireless LAN Mesh Networks, WICON 2007, Austin, Texas, USA, Oct.2007

[9]Xudong Wang, Azman O. Lim, IEEE 8002.11s wireless Mesh networks: Framework and challenges, Journal Elsevier, 2007.

[10]S. Biswas and R. Morris. ExOR: opportunistic multi-hop routing for wireless networks, In Proc. of ACM SIGCOMM, Aug 2005.

[11]Y. Yuan, H. Yuan, S. H. Wong, S. Lu, and W. Arbaugh. ROMER: resilient opportunistic mesh routing for wireless mesh networks. In Proc. of IEEE WiMESH, Sept. 2005.

[12] Dhananjay Singh, U.S.Tiwary, Hoon-Jae Lee, Wan-Young Chung “Global Healthcare Monitoring System using 6lowpan Networks” 11th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT-2009), phoenix park Korea, Feb.2009, pp.113-117.

[13]Madhusudan Singh, Sang-Gon Lee, “Decentralized Hybrid Wireless Mesh Protocol”, ICCIT 2009, Seoul, ACM 978-1, pp.824-829, Nov.2009.

[14]Madhusudan Singh, Sang-Gon Lee, Dhananjay Singh, Hoon-Jae Lee, “Impact and Performance of Mobility Models in Wireless Ad-hoc Networks”, ICCIT 2009 International Conference on Computer Sciences and Convergence Information Technology, Korea, 2009, pp.139-143.

[15]R. O. Schoeneich, Marcin GolaĔski, Mesh Cluster Based Routing Protocol: Enhancing Multi-hop Internet Access using Cluster paradigm, EUROCON 2007 The International Conference on “Computer as a Tool”, Warsaw Poland, 2007.