roteamento em redes de sensores giulian dalton luz [email protected]
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Características Recursos limitados
Quantidade de energia limitada Capacidade de processamento limitada Alcance de transmissão pequeno
Topologia dinâmica Mobilidade Falha de nós Sensores inativos em períodos de baixa atividade
Escalabilidade Necessita de redundância – nós podem falhar
Tempo de vida da rede O tempo de vida deve ser o maior possível
Protocolos de RoteamentoTécnicas Plano (Flat) Comunicação Direta Múltiplos saltos com energia
mínima (Minimum-Energy Multi-Hop) Aglomeração (Clustering) Aglomeração Dinâmica Inundação (Flooding) Gradiente Roteamento Geográfico
Roteamento Plano Descoberta de vizinhos Cria agendamento de transmissão
e recepção Não necessita de nós mestres
locais ou globais
Comunicação Direta Cada sensor envia dados
diretamente a uma estação base Recepções ocorrem somente na base Alto consumo de energia para
sensores distantes da base Melhor em alguns casos:
nós perto da base Alto consumo de energia na recepção
Múltiplos saltos com energia mínima
Nós enviam dados a base através de nós intermediários
Escolha da rota Escolha de nós minimiza energia de transmissão
Considera somente energia do transmissor ignorando o custo da energia dos receptores para determinar rotas
Dependendo do custo relativo do amplificador de transmissão e do equipamento de rádio o consumo de energia pode ser superior a transmissão direta
Múltiplos saltos com energia mínima
BASE
Consumo de energia
Duração dos nósPrimeiro nó a morrer
O protocolo mais eficiente em relação a energia dependerá da topologia da rede e dos parâmetros do rádio
Aglomeração Caracteristicas
Nós são organizados em aglomerados Cada aglomerado possui uma base local A base local é responsável por transmitir os
dados a uma base global Vantagem
Reduz a distância de transmissão dos nós (base local próxima aos nós)
Desvantagem Alto consumo de energia na base local
Aglomeração
Bases Locais
BASE GLOBALComunicação
Aglomeração Dinâmica A escolha da base é aleatória De tempos em tempos um novo nó toma
lugar da base Vantagem
Evita o problema da aglomeração convencional onde nós base tendem a morrer primeiro
Melhora o tempo de vida de rede Desvantagem
Estabelecimento da rede mais “complexo”
Inundação Um nó envia uma cópia de seus dados
através da rede para cada um de seus vizinhos
Quando um nó recebe algum dado ele faz uma cópia do dado o envia para todos seus vizinhos, exceto o nó do qual ele recebeu o dado
Gera muita redundância, dados são enviados para todos os nós da “vizinhança”
Variação: nó envia os dados para um subconjunto aleatório de nós (Gossiping)
sq
Inundação Deficiências de protocolos de
Inundação (Flooding):
A
B C
D
(a) (a)
(a) (a)
Superposição
Recursos à cega
Implosão
B
D
C
(q,r) (r,s)
r
Gradiente Envio de mensagems através da rede
estabelece gradientes Nós possuem múltiplos gradientes A resposta de mensagens/novas mensagens
utilizam as rotas gradientes estabelecidas
envio
resposta
Roteamento Geográfico
Natureza física da instalação de uma rede de sensores torna consultas de escopo geográfico naturais
Se os nós conhecem sua localização a disseminação de dados ocorre somente para regiões relevantes
Reduz o overhead do controle de roteamento otimizando o processo de busca baseando-se na informação geográfica
Ex.: GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing - 2000) e GEAR (Geographic and Energy aware routing - 2001)
Protocolos de roteamento Roteamento Plano
Difusão Direcionada (Directed Diffusion) SAR (Sequential Assignment Routing) SPIN (Sensor Protocols for Information via
Negotiation) Adaptive Local Routing Cooperative Signal
Processing Noncoherent Processing Coherent Processing
Sensor-MAC MULTI
Difusão Direcionada Proposto por Estrin et. al. 1999 O nó nomeia os dados usando um ou
mais atributos O nó cliente requer os dados através de
interesses Nós intermediários propagam os
interesses Interesses estabelecem gradientes de
dados para o nó que expressou interesse
Directed Diffusion
Interesses
Nó cliente
Fonte
Evento
Gradientes
Dados
SARSequential Assignment Routing
Proposto por Sohrabi et al. 2000 Roteamento multi-saltos Seleção de múltiplos caminhos baseados em tabelas
Evita o overhead em caso de falha Escolha do caminho baseada em:
Recursos de energia QoS Prioridade do pacote
Parâmetros associados a cada caminho: Métrica de QoS Estimativa de recurso de energia
SAR calcula a métrica de QoS ponderada Produto da métrica de QoS e um coeficiente ponderado associado
com a prioridade do pacote
SPINSensor Protocols for Information via Negotiation Proposto por Kulik et. al. 1999 Negociação de dados
Meta-data Pode ser o ID de cada sensor, ou uma regiao, etc...
Controle a nível de aplicação Agregação de dados ocorre em cada nó
Mensagens SPIN ADV – anuncia dados (meta-data) REQ – requer dados específicos (meta-data)
Não é obrigatório o nó enviar um REQ em resposta a um ADV
DATA – dados pedidos Gerenciamento de recursos
Responsabilidade da aplicação
A BADV
A BDATA
A BREQ
SPINSensor Protocols for Information via Negotiation
Nó com dado
Nó sem dado Nó esperando para enviar REQ
A
B
C
D
EADV
REQ
DATA
DD
E
FADV
G
ADVD
C
E
ADV
Família de protocolos SPIN Ponto a ponto
SPIN-PP SPIN-EC
Broadcast SPIN-BC SPIN-RL
SPINSensor Protocols for Information via Negotiation
SPINSensor Protocols for Information via Negotiation
B
AADV
REQ
DATA
ADV
ADV
ADV
ADV
ADV
REQ
REQ
REQ
REQ
DATA
DATA
DATA
DATA
SPIN-PP Assume que a energia não é limitada Assume que pacotes não são perdidos Nó só conhece seus vizinhos diretos Estabelecimento da rede de baixo custo
SPIN-EC Considera a conservação de energia Igual ao SPIN-PP quando há energia Minimiza a participação do nó no
protocolo quando há pouca energia Não enviando REQs para os ADVs que
receber
SPINSensor Protocols for Information via Negotiation
SPIN-BC Comunicação em um único canal compartilhado
Nós gastam mais energia recebendo dados “inúteis” Uma única transmissão alcança todos os nós
vizinhos Cada nó só envia um REQ após esperar um
tempo aleatório Nós em espera cancelam o envio do REQ quando
escutarem que este já foi executado por outro nó.
SPINSensor Protocols for Information via Negotiation
SPIN-RL Reenvia um REQ se não receber um DATA
em um intervalo de tempo Ápós enviar um DATA aguarda um tempo
antes de atender um REQ do mesmo dado
Adaptive Local Routing Cooperative Signal Processing
Proposto por Sohrabi et al. 2000 Noncoherent Processing
Os dados são pré-processados em cada nó Somente alguns parâmetros são enviados ao nó central Composto de três fases:
Fase I: descoberta do alvo, coleta de dados e pré-processamento
Fase II: declaração de adesão Fase III: escolha do nó central
Algoritmos para a escolha do nó central: Single Winner Election (SWE) Spanning Tree (ST)
Adaptive Local Routing Cooperative Signal Processing Coherent Processing
Após um pré-processamento mínimo os dados são etiquetados com um timestamp para serem enviados ao nó central
Processo de MWE (Multiple Winner Selection):
Cada nó possue até n candidatos Limita o número de fontes enviando dados
SMAC – Sensor MAC Ye et al. 2002 Vários aspectos típicos de protocolos MAC
afetam o consumo de energia: colisões: além do consumo adicional devido a
retransmissões, aumenta a latência; escuta inútil (overhearing), de tráfego
destinado a outros nós; overhead de controle, aumenta linearmente
com densidade de nós, nós em falha também exigem esforço adicional de reconfiguração;
escuta ociosa, de quadros que nunca chegam
SMAC – Sensor MAC Distribuído e baseado em
escalonamento e reserva Evita as quatro fontes de desperdício
anteriormente mencionadas escuta e adormecimento periódico; precaução de colisões e overhearing; troca de mensagens assume que os nós
estão aptos a ligar e desligar seus rádios.
MULTI Proposto por Figueiredo et al. 2004 (UFMG) Reúne características dos protocolos: SID – Source Initiated Dissemination
Disseminação iniciada na origem Usa broadcast para encontrar um caminho até o nó origem Utiliza gradiente para entrega de dados
EF-Tree (Earliest-First Tree) Constrói e mantém uma árvore para disseminação de
dados em toda a rede (broadcast) Ideal para cenários onde a rede varia muito
Variação de tráfego (comunicação) Adapta-se entre o SID (pouca comunicação) e o EF-
Tree (comunicação intensa) através de um limiar
Protocolos de roteamento Roteamento Hierárquico
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarqy)
ICA – Inter Cluster Routing Algorithm) TEEN (Threshold sensitive Energy
Efficient Sensor Network Protocol) APTEEN (Adaptive TEEN) SHARP – Hybrid Adaptive Routing Protocol
LEACHLow-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Proposto por Henzeilman et. al. 2000 Coleta de dados é centralizada e feita
periodicamente. Apropriado para redes proativas Nós se organizam em aglomerados
Cada aglomerado possui um nó como base local (cluster-head)
Cada nó decide qual será sua base local (menor custo de comunicação)
Rotação aleatória de bases locais para nós com maior energia
Agregação de dados local (na base local)
LEACHLow-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Cada base local cria um agendamento (TDMA)
de comunicação para seus nós no aglomerado Rádio dos nós podem ficar desligados Evita colisão nas transmissões
Cada aglomerado utiliza um código CMDA diferente para evitar colisões
Alto consumo de energia nas bases locais Porém o número de bases locais é mínimo (5%) Bases locais são aleatórias
Maior duração da rede (tempo de vida)
ICAInter Cluster Routing Algorithm
Proposto por Habib et al. 2004 Mesmas regras de formação do LEACH No início a base envia posição geográfica aos nós
(broadcast) Nós conhecem sua posição geográfica e a da base Diferenças
Nós estão ligados as bases locais mais próximas geograficamente
Dados não são enviados diretamente a base global Envia dados a outra base local na direção da base global
TEENThreshold sensitive EnergyEfficient sensor Network protocol
Proposto por Manjeshwat et al. 2001 Projetado para redes reativas
Nós sentindo o meio continuamente Na troca da base local, esta difunde
também dois valores limiares: Hardware Threshold (HT)
limiar no qual o valor continuamente sentido deve ser transmitido
Software Threshold (ST). variação mínima que justifique o valor ser
transmitido após a primeira vez
TEENThreshold sensitive EnergyEfficient sensor Network protocol
Nós só transmitem dados sensoriados quando houver mudança significativa (ST) Transmissão consome bem mais energia que
sensoriamento Pode utilizar de escalonamento TDMA ou
de CMDA para evitar colisões Desvantagem
Se HT não é alcançado, jamais o nó transmitirá
APTEEN (Adaptive TEEN) Proposto por Manjeshwat et al. 2002 No momento da troca da base local o
procedimento é similar ao TEEN, só que acrescido do seguintes parâmetros: Agendamento - atribuindo um slot TDMA
para cada nó; CountTime (CT) - o tempo máximo entre
duas comunicações sucessivas
SHARPHybrid Adaptive Routing Protocol
Proposto por Ramasubramanian et al. 2003 Ponto de equilíbrio entre protocolos reativos e
próativos Ajusta o grau de propagação de informações pela
rede Alguns nós determinam zonas pró-ativas Nós a um certo raio deste são definidos como
pertencentes a zona pró-ativa Nós fora destas zonas utilizam protocolos reativos Zonas são definidas automativamente pelo protocolo
SHARPHybrid Adaptive Routing Protocol
`Zona Pró-AtivaComunicação
Pró-AtivaComunicação
Reativa
ComparaçãoHierárquica Plana
escalonamento baseado em reserva escalonamento baseado em contenção
evita colisões não evita colisões
"duty cycle" reduzido devido ao adormecimento dos nós
"duty cycle" variável controlando o adormecimento dos nós
agregação de dados nos clusterheads
nós intermediários no caminho multi-hop agrega dados dos vizinhos
roteamento simples, mas não ótimo roteamento complexo, mas ótimo
ComparaçãoHierárquica Plana
requer sincronização local e global enlaces formados "on-the-fly" sem sincronização
overhead de formação de cluster rotas formadas apenas nas regiões que tenha dados para transmissão
dissipação uniforme de energia, mas não pode ser controlada dissipação de energia depende do tráfego
alocação justa de canal justiça não é garantida
baixa latência já que clusterheads estão sempre disponíveis
latência ao acordar nós intermediários e em estabelecer caminhos multi-saltos
Outros protocolos ARC – Adaptive Rate Control – 2001 T-MAC – Time-Out-MAc – 2003 B-MAC - BackOff MAC – 2002 DE-MAC – Distributed Energy Aware MAC – 2003 TRAMA – Traffic Adaptive Multiple Access – 2003 STORM/AD – Self-Organizing Topology Discovery
and Maintenance/Adaptive Difusion – 2004 TynyOS Beaconing – 2004
Outros protocolos PROC – Proactive Routing with Coordination
– 2004 Geographic Routing without Localtion
Information – 2003 GEOMote - Geographic Multicast for Nw.
sensors – 2004 Push Diffusion e One-Phase Pull - 2003