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Roteamento em Rede de Sensores
Sem Fio (RSSF)
Estêvão B. Saleme
Universidade Federal do Espírito Santo – UFES
Programa de ...
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Objetivos
 Apresentar conceitos sobre Roteamento
em RSSF
 Caracterizar os principais métodos de
Roteamento em RSSF
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Agenda
 Introdução
 Classificação das técnicas de roteamento
 Protocolos de roteamento
 Plano (e Centrado em dados)
...
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Introdução
 Roteamento -> selecionar caminhos entre origens e destinos
com o objetivo de permitir a comunicação entre o...
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Fatores determinantes
 Diferencial RFSS -> eficiência energética
 Algoritmos procuram manter os nós em espera o maior ...
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Exemplo de uma estrutura com múltiplos
nós, onde cada nó repassa a informação
até que o
sorvedouro
seja
alcançado
Difere...
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Classificação das técnicas
 Quanto a Estrutura de Rede (AL-KARAKI; KAMAL, 2004):
 Flat-based (Plano) - todos os nós te...
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 Quanto a Descoberta de Rota:
 Proativos:
• Semelhante aos protocolos de rede cabeada
– Percurso conhecido antes de se...
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Classificação das técnicas
(AL-KARAKI; KAMAL, 2004)
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Classificação 2004
(AL-KARAKI; KAMAL, 2004) – 3907 citações27 técnicas
Estrutura Operação
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Classificação 2005
Adaptado de (AKKAYA; YOUNIS, 2005) – 3595 citações21 técnicas
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Classificação 2013
(PANTAZIS et. al, 2013) – 244 citações
56técnicas
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Protocolos – Roteamento
Centrado em dados
 Flooding & gossiping
 Usam técnica de inundação
 Transmitem para vizinhos...
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Protocolos – Roteamento
Centrado em dados
 SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation)
 Tenta evitar os p...
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Protocolos – Roteamento
Centrado em dados
 Directed Diffusion (Difusão Direcionada)
 Cria atributos com informações n...
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Protocolos – Roteamento
Hierárquico
 LEACH (1/2) (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
 São formados clusters di...
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Protocolos – Roteamento
Hierárquico
 LEACH (2/2)
Fonte: http://pubs.sciepub.com/ajst/2/1/1/
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Protocolos – Roteamento
Hierárquico
 TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)
 Similar ao ...
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Protocolos – Roteamento
Hierárquico
 PEGASIS (1/2) (Power Efficient GAthering in Sensor Information Systems)
 Baseado...
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Protocolos – Roteamento
Hierárquico
 PEGASIS (2/2)
Fonte: http://pt.slideshare.net/ZubinBhuyan/energy-efficient-data-g...
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Protocolos – Roteamento
Geográfico
 GAF (Geographic Adaptive Fidelity)
 Desliga nós sensores que que não estão monito...
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Protocolos – Roteamento
Geográfico
 GEAR (1/2) (Geographic and Energy-Aware Routing)
 Considerado um complemento de D...
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Protocolos – Roteamento
Geográfico
 GEAR (2/2)
• 2 fases:
• Encaminhamento de pacotes para
a região-alvo
• Verifica co...
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Protocolos – RPL (1/4) (IPv6
Routing Protocol for Low-power and lossy networks)
 Introdução
 6LoWPAN (RFC6282) e rote...
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Protocolos – RPL (2/4)
 RPL -> 3 categorias de padrões de tráfego:
 Multipoint-to-point - nós periodicamente enviam m...
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Protocolos – RPL (3/4)
 Protocolo de vetor de distâncias
com rank
 O rank de um nó define sua
posição inicial em rela...
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 Flexível: suporta aplicações com diferentes requisitos
através de Funções Objetivo (OF) e padrões de trafego
 OF esp...
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Conclusão
 Principal requisito é comunicação com eficiência
energética
 Ao contrário das redes tradicionais, o roteam...
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 J. N. Al-Karaki and A. E. Kamal. 2004. Routing techniques in wireless sensor networks: a
survey. Wireless Commun. 11,...
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Obrigado pela atenção!
 Estêvão Bissoli Saleme
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Roteamento em Rede de Sensores Sem Fio (RSSF)

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Seminário sobre Roteamento em Rede de Sensores Sem Fio apresentado por Estêvão Bissoli Saleme durante o curso da disciplina Rede de Sensores Sem Fio (WSN) e Internet das Coisas (IoT) ministrada pelo Professor Dr. José Gonçalves Pereira Filho Vitória, ES, 05/11/2015. Programa de Pós-Graduação em Informática/UFES.

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Roteamento em Rede de Sensores Sem Fio (RSSF)

  1. 1. Roteamento em Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) Estêvão B. Saleme Universidade Federal do Espírito Santo – UFES Programa de Pós Graduação em Informática - PPGI Laboratório de Pesquisa em Redes e Multimídia – LPRM Seminário da disciplina WSN e IoT – Professor Dr. José Gonçalves Pereira Filho Vitória, ES, 05/11/2015
  2. 2. 2 Objetivos  Apresentar conceitos sobre Roteamento em RSSF  Caracterizar os principais métodos de Roteamento em RSSF
  3. 3. 3 Agenda  Introdução  Classificação das técnicas de roteamento  Protocolos de roteamento  Plano (e Centrado em dados)  Hierárquico  Geográfico  RPL  Conclusão  Referências
  4. 4. 4 Introdução  Roteamento -> selecionar caminhos entre origens e destinos com o objetivo de permitir a comunicação entre os mesmos  Características que distinguem RSSF de redes tradicionais (AKKAYA; YOUNIS, 2005):  Inviabilidade de utilizar endereçamento global no uso de uma grande quantidade de nós sensores  Dados coletados no campo monitorado precisam ser encaminhados para um nó sorvedouro  Pode haver redundância nos dados enviados para o nó sorvedouro (fusão de dados, correlação espacial, etc.). Algoritmos de roteamento para reduzir consumo energético  Uso cauteloso dos recursos, devido às limitações do hardware Ainda é atual?
  5. 5. 5 Fatores determinantes  Diferencial RFSS -> eficiência energética  Algoritmos procuram manter os nós em espera o maior tempo possível e além de otimizar o tráfego de dados  Fatores que afetam diretamente o processo de encaminhamento (AL-KARAKI; KAMAL, 2004):  Distribuição dos sensores (densidade e posicionamento)  Consumo de energia  Heterogeneidade dos sensores (temperatura, imagem, etc)  Tolerância a falhas  Quantidade de sensores  Mobilidade (sensores)  Área de cobertura  Redundância de distribuição (consumo desnecessário)  Privacidade
  6. 6. 6 Exemplo de uma estrutura com múltiplos nós, onde cada nó repassa a informação até que o sorvedouro seja alcançado Diferentes Estratégias  Desempenho do protocolo de roteamento é influenciado pelo dinamismo da topologia das RSSF  Diversas estratégias:  Ex. 1: priorizar rotas com maior disponibilidade de energia  Ex. 2: definir rotas que utilizam menor número de nós (SANTOS, 2013) (Sink)
  7. 7. 7 Classificação das técnicas  Quanto a Estrutura de Rede (AL-KARAKI; KAMAL, 2004):  Flat-based (Plano) - todos os nós tem o mesmo papel  Hierarquical-based (Hierárquico) - nós possuem papéis diferentes (líderes) • Ex.: nós fonte coletam e enviam informações para líderes que executarão fusão/agregação para enviar ao sink  Location-based (Geográfico) - dados são roteados de acordo com a posição geográfica dos nós  A estrutura de roteamento “Plano” remete à estrutura de roteamento “Centrada em Dados” (AL-KARAKI; KAMAL, 2004) (AKKAYA; YOUNIS, 2005): • Sink envia consultas baseadas em dados e aguarda dados dos sensores
  8. 8. 8  Quanto a Descoberta de Rota:  Proativos: • Semelhante aos protocolos de rede cabeada – Percurso conhecido antes de ser requisitado  Reativos ou sob demanda • Determinam a rota somente quando necessário – Ativado por evento • Remove a necessidade de atualizações de rota • Pode ocorrer atraso na comunicação por não possuir tabela de rota  Híbridos • Os protocolos combinam as 2 abordagens anteriores Classificação das técnicas
  9. 9. 9 Classificação das técnicas (AL-KARAKI; KAMAL, 2004)
  10. 10. 10 Classificação 2004 (AL-KARAKI; KAMAL, 2004) – 3907 citações27 técnicas Estrutura Operação
  11. 11. 11 Classificação 2005 Adaptado de (AKKAYA; YOUNIS, 2005) – 3595 citações21 técnicas
  12. 12. 12 Classificação 2013 (PANTAZIS et. al, 2013) – 244 citações 56técnicas
  13. 13. 13 Protocolos – Roteamento Centrado em dados  Flooding & gossiping  Usam técnica de inundação  Transmitem para vizinhos até alcançar o sink  Redundância de dados (gossiping reduz selecionando nó aleatório)  Atraso na propagação (AKKAYA; YOUNIS, 2005)
  14. 14. 14 Protocolos – Roteamento Centrado em dados  SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation)  Tenta evitar os problemas dos protocolos Flooding e Gossiping  Negociação entre nós sensores • Nó anuncia que tem dados para encaminhar (ADV) e vizinhos que desejam receber se pronunciam (REQ)  Problemas • Escalabilidade • Se nós está interessado em muitos eventos a energia pode se esgotar rapidamente • Não tem garantia de entrega dos dados (AKKAYA; YOUNIS, 2005)
  15. 15. 15 Protocolos – Roteamento Centrado em dados  Directed Diffusion (Difusão Direcionada)  Cria atributos com informações nos nós • Interesse expresso através de consulta  Agregação de dados • Nós intermediários podem agregar seus dados em um simples pacote para reduzir transmissões (cache) e economizar energia  Não é necessário endereçar o nó, eficiente em redes móveis (HENNING, 2013)
  16. 16. 16 Protocolos – Roteamento Hierárquico  LEACH (1/2) (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)  São formados clusters dinâmicos (agrupamentos) de nós baseados na potência do sinal recebido • É escolhido um líder (cluster-head) – agrega dados dos nós sensores – transmitem para os coletores (sink)  Projetado com mecanismo de envio de dados contínuo e sem mobilidade • Overhead de comunicação na alteração de líderes, anúncios, etc. • Não aplicável para grandes regiões (líder precisa comunicar com sink)
  17. 17. 17 Protocolos – Roteamento Hierárquico  LEACH (2/2) Fonte: http://pubs.sciepub.com/ajst/2/1/1/
  18. 18. 18 Protocolos – Roteamento Hierárquico  TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)  Similar ao LEACH, mas só envia dados quando variável observada atinge valor acima do limiar  Após formação de cluster, o líder transmite 2 limites: • Soft Threshold (ST) – mínimo para iniciar • Hard Threshold (HT) – limiar para ser transmitido  Economiza energia com descarte local (evitando transmissão de dado que não interessa para aplicação)
  19. 19. 19 Protocolos – Roteamento Hierárquico  PEGASIS (1/2) (Power Efficient GAthering in Sensor Information Systems)  Baseado no conceito de cadeias (correntes) • Cada nó da corrente troca informação somente com vizinhos agregando dados • Apenas um nó é escolhido para transmitir à estação base • Assume que qualquer nó pode se comunicar com a estação base  Baixa troca de mensagens • Ganhos superiores entre 100% e 300% (diferentes topologias e tamanhos) em relação a formação de clusters (LEACH) em função da eliminação de overhead de controle  Não indicado para redes móveis  Delay para cadeias longas
  20. 20. 20 Protocolos – Roteamento Hierárquico  PEGASIS (2/2) Fonte: http://pt.slideshare.net/ZubinBhuyan/energy-efficient-data-gathering-protocol-in-wsn
  21. 21. 21 Protocolos – Roteamento Geográfico  GAF (Geographic Adaptive Fidelity)  Desliga nós sensores que que não estão monitorando eventos (3 estados – descoberta, ativo e dormindo)  Grid virtual para áreas de cobertura • Cada nó utiliza sua localização GPS para se associar a rede • 2 nós na mesma posição são equivalentes em termos de custo para rede e um fica dormente • Ranking por energia Ex. GRID VIRTUAL A alcança B que alcança C 2, 3 e 4 são equivalentes e 2 podem adormecer (AKKAYA; YOUNIS, 2005)
  22. 22. 22 Protocolos – Roteamento Geográfico  GEAR (1/2) (Geographic and Energy-Aware Routing)  Considerado um complemento de DD, limitando-se a uma região geográfica  Princípio de propagação do interesse e cache (que inclui atributo de informação geográfica)  Cada nó possui custo (energia residual + distância) para caminhar para vizinho  Utiliza rota mais eficiente pois aprende os custos (algoritmo guloso)
  23. 23. 23 Protocolos – Roteamento Geográfico  GEAR (2/2) • 2 fases: • Encaminhamento de pacotes para a região-alvo • Verifica com vizinho se há alguém próximo do destino, caso positivo, são selecionados para os saltos • Se não existe ninguém, há um buraco e os nós passam a ter o mesmo custo • Encaminhamento dos pacotes dentro da região • Pode ser difundido por inundação (redes com baixa densidade) ou localização geográfica 1 REGIÃO alvo e 4 SUB-REGIÕES Adaptado de (AKKAYA; YOUNIS, 2005)
  24. 24. 24 Protocolos – RPL (1/4) (IPv6 Routing Protocol for Low-power and lossy networks)  Introdução  6LoWPAN (RFC6282) e roteamento RPL (RFC6550) - objetivo de introduzir o protocolo IPv6 nas LLNs (Low-power and Lossy Networks)  6LoWPAN – camada de adaptação para redução do cabeçalho IP através de segmentação e compressão  Possibilidade de integração de aplicações LLNs com aplicações baseadas em IP  Padronização para IoT???
  25. 25. 25 Protocolos – RPL (2/4)  RPL -> 3 categorias de padrões de tráfego:  Multipoint-to-point - nós periodicamente enviam mensagens para um ponto de coleta específico (sink)  Point-to-multipoint - o tráfego originado em nó sink tem como destino dispositivos específicos dentro da LLN  Point-to-point • Baseado no conceito de Grafos Acíclicos Dirigidos (DAG) -> estrutura em forma de árvore que define rotas default entre nós da LLN • Um nó pode estar associado a vários pais Exemplo de Grafo Direcionado sem Ciclo
  26. 26. 26 Protocolos – RPL (3/4)  Protocolo de vetor de distâncias com rank  O rank de um nó define sua posição inicial em relação a outro nó  O escopo do rank é uma versão DODAG (Destination Oriented DAGs)  Nas DODAGs, nós de maior visibilidade são as raízes da DAG  Uma instância RPL pode conter vários DODAGs Fonte: http://professor.ufabc.edu.br/~joao.kleinsch midt/aulas/rsf2014/aula10-iot.pdf
  27. 27. 27  Flexível: suporta aplicações com diferentes requisitos através de Funções Objetivo (OF) e padrões de trafego  OF especifica como o RPL deve selecionar as rotas (métricas)  Define mensagens DODAG Information Object - DIO para a descoberta de vizinhos e o estabelecimento de rotas  Quando nó decide se juntar ao DAG, ele repassa um DIO contendo o valor do ranking do nó  DIO também é usado para indicar a OF  DIO são propagados pelos nós através do algoritmo Trickle visando minimizar a quantidade de DIOs Protocolos – RPL (4/4)
  28. 28. 28 Conclusão  Principal requisito é comunicação com eficiência energética  Ao contrário das redes tradicionais, o roteamento em RSSF precisa de algoritmos específicos diante das limitações  Árduo trabalho para atualizar topologia com o mínimo de comunicação  Não há um protocolo adequado para TODAS as situações:  Devem ser considerados diferentes contextos, considerando objetivos de roteamento e demanda da aplicação
  29. 29. 29  J. N. Al-Karaki and A. E. Kamal. 2004. Routing techniques in wireless sensor networks: a survey. Wireless Commun. 11, 6 (December 2004), 6-28.  Kemal Akkaya and Mohamed Younis. A survey on routing protocols for wireless sensor networks. Ad Hoc Networks, 3:325–349, 2005  Pantazis, N.A.; Nikolidakis, S.A.; Vergados, D.D., "Energy-Efficient Routing Protocols in Wireless Sensor Networks: A Survey" in Communications Surveys & Tutorials, IEEE , vol.15, no.2, pp.551-591, Second Quarter 2013.  Silvestre B., Pereira Filho, J. G., Rossetto, S. e Barcellos, V.. Avaliação do desempenho de redes LLNs baseadas nas recomendações 6LoWPAN e RPL. XL SEMISH (Seminário Integrado de Software e Hardware), Maceió-AL, 2013  Santos, I. M.. Protocolo de roteamento de dados para redes de sensores sem fio com nó coletor móvel para controle da deriva em pulverização agrícola. Tese de Doutorado. USP. 2013.  Henning, M.. Protocolo de roteamento para Rede de Sensores Sem Fio baseado em políticas. Dissertação (Mestrado em Informática) - Pontifícia Universidade Católica do Paraná. 2013.  Barcellos, V.. Roteamento Sensível ao Contexto em Redes de Sensores sem Fio: Uma Abordagem Baseada em Regras de Aplicação para o Protocolo RPL. Dissertação de Mestrado. UFES. 2014 Referências
  30. 30. 30 Obrigado pela atenção!  Estêvão Bissoli Saleme br.linkedin.com/in/estevaosaleme http://lattes.cnpq.br/8757661847246456 Universidade Federal do Espírito Santo, Av. Fernando Ferrari, S/N, Vitória - ES, 29060-970, + 55 (27) 4009-2130

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