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. 6734 Επιβλέπων καθηγητής: Σταύρος Κουμπιάς
Δομή παρουσίασης Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων WSN Το πρόβλημα της δικτυακής συμφόρησης Η PB-CAT τεχνική Αρχή λειτουργίας Τεχνολογία ανάπτυξης Αξιολόγηση Συμπεράσματα Μελλοντική ανάπτυξη
Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, WSN Αυτόνομοι κόμβοι αισθητήρων, μικροί σε μέγεθος Δυναμική τοπολογία, επιρρεπής σε εξωτερικούς παράγοντες Κύριος στόχος: Συλλογή, επεξεργασία και προώθηση δεδομένων
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
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
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
Αντιμετώπιση συμφόρησης Μείωση παραγόμενων πακέτων Διαχείριση πακέτων Με βάση το περιεχόμενο πακέτου Με βάση τα μονοπάτια διάδοσης
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
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
Η PB-CAT τεχνική Βασικές αρχές 1. Εκμετάλλευση του μέγιστου μεγέθους πακέτου 2. Διευκόλυνση κίνησης υψηλής προτεραιότητας
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
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
Διάταξη προσομοίωσης 100 κόμβοι Tmote Sky Τυχαία διασπορά στο χώρο Εικονική γεννήτρια πακέτων Μοναδικός κόμβος προορισμού (sink)
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)
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)
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
Μετρούμενα μεγέθη Ποσοστό χαμένων πακέτων Μέση καθυστέρηση πακέτου Μέση κατανάλωση ενέργειας Συνολικός αριθμός μεταδόσεων Αξιολόγηση μεγεθών τόσο συνολικά όσο και ανά κλάση προτεραιότητας
Ποσοστό χαμένων πακέτων % Ποσοστό χαμένων πακέτων ~ TF (1) 90 80 76 70 60 67 62 57 Σενάρια control 50 40 30 20 10 39 32 26 22 12 13 10 8 0 250 1000 4000 Traffic Factor Raw MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF=0 Βελτίωση ~ 10-20%
Ποσοστό χαμένων πακέτων % Ποσοστό χαμένων πακέτων ~ TF (2) 90 80 70 60 Σενάριο control 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 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
Μέση κατανάλωση (mw) Μέση κατανάλωση (mw) Μέση κατανάλωση ενέργειας ~ TF 2600 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 250 1000 4000 Traffic Factor Raw MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF=0 1900 0 1000 2000 3000 4000 Traffic Factor MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 MT 2000, DF=0 MT 125, DF=1 Βελτίωση ~ 40%
Μέση καθυστέρηση πακέτου (ms) Μέση καθυστέρηση HPP (ms) Μέση καθυστέρηση ~ TF 4500 250 4000 3500 200 3000 2500 150 2000 1500 100 1000 50 500 0 0 1000 2000 3000 4000 Traffic Factor 0 0 1000 2000 3000 4000 Traffic Factor MT 125, DF=0 MT 500, DF=0 Raw MT 500, DF=0 MT 500, DF=1 Raw
Ποσοστό χαμένων πακέτων % Μέση κατανάλωση (mw) Packet loss & Κατανάλωση ~ MT 90.00 2600 80.00 2500 70.00 60.00 2400 50.00 2300 40.00 2200 30.00 20.00 2100 10.00 2000 0.00 0 500 1000 1500 2000 Merge Timer 1900 0 500 1000 1500 2000 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
Μέση καθυστέρηση HPP (ms) Μέση καθυστέρηση HPP ~ MT 900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0 0 500 1000 1500 2000 Merge Timer TF 1000, DF=0 TF 1000, DF=1
Ποσοστό χαμένων πακέτων % Μέση καθυστέρηση πακέτου (ms) Packet loss, Delay ~ MDL 80 8000 70 7000 60 6000 50 5000 40 4000 30 3000 20 2000 10 1000 0 6 18 30 42 54 66 78 90 0 6 18 30 42 54 66 78 90 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
Ποσοστό χαμένων πακέτων (%) Λόγος μέσης καθυστέρησης Packet loss, Delay ~ TF (Ratio) 70 14000 60 12000 50 10000 40 8000 30 6000 20 4000 10 2000 0 0 1000 2000 3000 4000 Traffic Factor 0 0 1000 2000 3000 4000 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}
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
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
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
Ευχαριστώ για την προσοχή σας. Ο πλήρης πηγαίος κώδικας της πρακτικής υλοποίησης της τεχνικής είναι διαθέσιμος στη διεύθυνση http://www.kgoutsos.gr/pbcat/