Υλοποίηση τεχνικών για την αποφυγή συμφόρησης σε τοπικά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών Υλοποίηση τεχνικών για την αποφυγή συμφόρησης σε τοπικά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων Κωνσταντίνος Γούτσος Προπτυχιακός Φοιτητής Τμήματος ΗΜ&ΤΥ Α.Μ Επιβλέπων καθηγητής: Σταύρος Κουμπιάς

2 Δομή παρουσίασης Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων WSN Το πρόβλημα της δικτυακής συμφόρησης Η PB-CAT τεχνική Αρχή λειτουργίας Τεχνολογία ανάπτυξης Αξιολόγηση Συμπεράσματα Μελλοντική ανάπτυξη

3 Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, WSN Αυτόνομοι κόμβοι αισθητήρων, μικροί σε μέγεθος Δυναμική τοπολογία, επιρρεπής σε εξωτερικούς παράγοντες Κύριος στόχος: Συλλογή, επεξεργασία και προώθηση δεδομένων

4 Χαρακτηριστικά των WSN Χαμηλό κόστος παραγωγής περιορισμένοι πόροι Περιορισμένη αξιοπιστία αναγνώριση και αντιμετώπιση αστοχιών Ελάχιστη παρέμβαση στιβαρό δίκτυο και μεγάλη ενεργειακή αυτονομία Σχεδιασμός αλγορίθμων και προτύπων ειδικά για τα WSN

5 Λόγοι εμφάνισης συμφόρησης Εκατοντάδες ή και χιλιάδες δικτυακοί κόμβοι Υψηλός ρυθμός παραγωγής πακέτων Συγκέντρωση όλης της κίνησης σε μικρό ποσοστό κόμβων και μονοπατιών Τοπολογία mesh επικοινωνία multihop Πολλαπλές παρόμοιες ή πανομοιότυπες τιμές

6 Επιπτώσεις συμφόρησης Αυξημένος ρυθμός πλήρωσης των buffer Αύξηση ποσοστού χαμένων πακέτων Περισσότερες αποστολές πακέτων Σπατάλη ενέργειας Αύξηση της καθυστέρησης πακέτου Αποτυχία επίτευξης των στόχων του συστήματος

7 Αντιμετώπιση συμφόρησης Μείωση παραγόμενων πακέτων Διαχείριση πακέτων Με βάση το περιεχόμενο πακέτου Με βάση τα μονοπάτια διάδοσης

8 Διαχείριση πακέτων Συγκέντρωση Με ή χωρίς μείωση μεγέθους Παράγονται μεγαλύτερα πακέτα συνδυάζοντας μικρότερα Προκαλούν αξιοσημείωτη καθυστέρηση Απόρριψη/Επεξεργασία Μεγάλη εξάρτηση από το περιεχόμενο των πακέτων Σημαντική μείωση ακρίβειας Πρόβλημα με διπλότυπες τιμές

9 Η PB-CAT τεχνική Πρωταρχικός στόχος: βελτίωση της απόδοσης του δικτύου Χωρίς μείωση μεγέθους, κέρδος στο overhead Κατηγοριοποίηση των πακέτων σε 3 κλάσεις προτεραιότητας Ανεξάρτητη εφαρμογής δυνατότητα χρήσης σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους

10 Η PB-CAT τεχνική Βασικές αρχές 1. Εκμετάλλευση του μέγιστου μεγέθους πακέτου 2. Διευκόλυνση κίνησης υψηλής προτεραιότητας

11 Λειτουργία αλγορίθμου Καθυστέρηση πακέτων για προκαθορισμένο χρονικό διάστημα Τρεις ουρές πακέτων με διαφορετικό χρόνο αναμονής Λήξη χρόνου ή πλήρωση ουράς: αποστολή πακέτου με τα περιεχόμενα της ουράς Συμπλήρωση ελεύθερου χώρου με πακέτα μικρότερης προτεραιότητας Ταξινόμηση πακέτων με βάση τον χρόνο λήξης τους Κατά τη λήψη: αποσύνθεση των συμπτυγμένων πακέτων και επανάληψη της διαδικασίας

12 Αξιολόγηση της τεχνικής 1. Δημιουργία πειραματικής διάταξης προσομοίωσης 2. Υλοποίηση αλγορίθμου 3. Εκτέλεση προσομοιώσεων για διάφορα σενάρια λειτουργίας 4. Επεξεργασία μετρήσεων εξαγωγή αποτελεσμάτων 5. Σύγκριση σεναρίων και παρατήρηση επιρροής της PB- CAT Υλοποίηση στο λειτουργικό σύστημα Contiki Αλγόριθμός σε γλώσσα C Προσομοίωση δικτύου στον Cooja

13 Διάταξη προσομοίωσης 100 κόμβοι Tmote Sky Τυχαία διασπορά στο χώρο Εικονική γεννήτρια πακέτων Μοναδικός κόμβος προορισμού (sink)

14 Μεταβλητές προσομοίωσης Ρυθμός παραγωγής πακέτων (Traffic Factor) Χρόνος αναμονής ουράς (Merge Time) Κατανομή παραγόμενων πακέτων σε κλάσεις (Ratio0, Ratio1, Ratio2) Μέγιστο μήκος δεδομένων (Maximum Data Length) Άμεση προώθηση υψηλής προτεραιότητας (Direct Forward) Παραγωγή μοναδικής κλάσης ανά κόμβο (Single Class Mode)

15 Σταθερές προσομοίωσης Συγκεκριμένος τελικός προορισμός όλων των πακέτων Προκαθορισμένα μονοπάτια δρομολόγησης Πρωτόκολλα: CSMA(MAC), NullRDC (Duty Cycling) Συμμετοχή όλων των κόμβων στην τεχνική Μέγεθος στοιχειώδους πακέτου: 10 bytes header (σταθερού μήκους) Προορισμός (2 bytes) Κλάση (1 byte) Μήκος (1 byte) Δεδομένα (6 έως 96 bytes)

16 Διαδικασία λήψης μετρήσεων 1. Καθορισμός σεναρίων λειτουργίας 2. Προσομοίωση για κάθε σενάριο 3. Καταγραφή μηνυμάτων κόμβων σε αρχεία ανά σενάριο: Δημιουργία πακέτου Αποστολή/προώθηση πακέτου Λήψη πακέτου Κατάσταση ενέργειας 4. Μαζική επεξεργασία αρχείων μηνυμάτων 5. Εξαγωγή μετρήσεων

17 Μετρούμενα μεγέθη Ποσοστό χαμένων πακέτων Μέση καθυστέρηση πακέτου Μέση κατανάλωση ενέργειας Συνολικός αριθμός μεταδόσεων Αξιολόγηση μεγεθών τόσο συνολικά όσο και ανά κλάση προτεραιότητας

18 Ποσοστό χαμένων πακέτων % Ποσοστό χαμένων πακέτων ~ TF (1) Σενάρια control Traffic Factor Raw MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF=0 Βελτίωση ~ 10-20%

19 Ποσοστό χαμένων πακέτων % Ποσοστό χαμένων πακέτων ~ TF (2) Σενάριο control Traffic Factor MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF=0 MT 125, DF=1 MT 500, DF=1 MT 2000, DF=1 Raw

20 Μέση κατανάλωση (mw) Μέση κατανάλωση (mw) Μέση κατανάλωση ενέργειας ~ TF Traffic Factor Raw MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF= Traffic Factor MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF=0 MT 125, DF=1 Βελτίωση ~ 40%

21 Μέση καθυστέρηση πακέτου (ms) Μέση καθυστέρηση HPP (ms) Μέση καθυστέρηση ~ TF Traffic Factor Traffic Factor MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 Raw MT 500, DF=0 MT 500, DF=1 Raw

22 Ποσοστό χαμένων πακέτων % Μέση κατανάλωση (mw) Packet loss & Κατανάλωση ~ MT Merge Timer Merge Timer TF 250, DF=0 TF 1000, DF=0 TF 250, DF=0 TF 1000, DF=0 TF 4000, DF=0 TF 4000, DF=0

23 Μέση καθυστέρηση HPP (ms) Μέση καθυστέρηση HPP ~ MT Merge Timer TF 1000, DF=0 TF 1000, DF=1

24 Ποσοστό χαμένων πακέτων % Μέση καθυστέρηση πακέτου (ms) Packet loss, Delay ~ MDL Maximum Data Length TF 250, DF=0 TF 1000, DF=0 TF 4000, DF=0 Maximum Data Length TF 250, DF=0 TF 1000, DF=0 TF 4000, DF=0

25 Ποσοστό χαμένων πακέτων (%) Λόγος μέσης καθυστέρησης Packet loss, Delay ~ TF (Ratio) Traffic Factor Traffic Factor MT 500, RATIOS={0.1, 0.3, 0.6} MT 500, RATIOS={0.1, 0.3, 0.6} MT 500, RATIOS={0.2, 0.3, 0.5} MT 500, RATIOS={0.2, 0.3, 0.5}

26 Συμπεράσματα (1) Άμεση σχέση αριθμού μεταδόσεων και απόδοσης του συστήματος Πολύ θετικά αποτελέσματα με την λειτουργία direct forward για τα HPP Τα αποτελέσματά βελτιώνονται με την αύξηση των HPP στο δίκτυο Η θέση των κόμβων που συμμετέχουν στη συγχώνευση επηρεάζει την απόδοση της τεχνικής

27 Συμπεράσματα (2) Πολύ καλή απόδοση ως προς την απώλεια πακέτων και την κατανάλωση ενέργειας Σχετική αύξηση της μέσης καθυστέρησης πακέτου Ανάγκη βελτιστοποίησης για strict RT εφαρμογές Εξάρτηση της απόδοσης από το επίπεδο φόρτισης του δικτύου βέλτιστα αποτελέσματα σε υψηλή και μέσης κίνησης Υπάρχει μέγιστο μέγεθος πακέτου για το οποίο έχουμε βέλτιστη απόδοση

28 Μελλοντική ανάπτυξη Υποστήριξη δυναμικών μονοπατιών δρομολόγησης Ανάπτυξη μηχανισμού μέτρησης της δικτυακής κίνησης προσαρμογή της τεχνικής Δομές ανίχνευσης συμφόρησης Επιλογή διαδρομών μικρότερης συμφόρησης Δυναμική μεταβολή χρόνου συγχώνευσης

29 Ευχαριστώ για την προσοχή σας. Ο πλήρης πηγαίος κώδικας της πρακτικής υλοποίησης της τεχνικής είναι διαθέσιμος στη διεύθυνση