논문 11-36-06-08 한국통신학회논문지 '11-06 Vol.36 No.6 도시환경에서지역적주기성을이용한 DTN 라우팅기법 정회원정재성 *, 이경한 **, 이주현 *, 정송 * DTN Routing Method using Spatial Regularity in Urban Area Jaeseong Jeong*, Kyunghan Lee**, Joohyun Lee*, Song Chong* Regular Members 요 약 Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) 은엔드-투- 엔드연결이없더라도중간노드들의이동성과저장공간을활용하여궁극적으로데이터를전달시켜주는네트워크패러다임으로써장시간전송을요하는고용량데이터전송또는높은이동성의무선통신, 행성간통신같은불완전한망연결에적합하다. 본논문에서는노드의지역적주기성을이용하는새로운 DTN 라우팅기법을제안한다. 각각의노드가주기적으로방문하는고유의영역을가지는성질을지역적주기성이라정의하고실제상하이 4000대의택시데이터를분석하여이를실험적으로입증한다. 또한각차량고유의지역적주기성을대표하는값으로써 Weighted Center (WC) 의개념을소개한다. 도시환경에서곳곳에고르게분포되어있는 Access Point (AP) 들을통해차량들이자신이속한그리드의정보를얻고이를통해자신의 WC를계산할때, 자신과주변차량들의 WC정보만을이용해메시지의경로를결정하는분산화된 Diff WC라우팅기법을제안한다. 신뢰도높은데이터를제공하는 1486대의상하이택시환경에서의시뮬레이션을통해 ECT,LET [1] 등의기존 DTN 라우팅방식과비교하여 10%~110% 의전달률개선이가능함을검증한다. Key Words : Delay/Disruption Tolerant Network, Regularity, Routing, weighted center ABSTRACT The Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) is a network designed to operate effectively using the mobility and storage of intermediate nodes under no end-to-end guaranteed network. This new network paradigm is well-suited for networks which have unstable path and long latencies (e.g. interplanetary network, vehicular network). In this paper, we first found that each taxi has its own regularly visiting area and define this property as spatial regularity. We analyze 4000 taxi trace data in Shanghai and show the existence of spatial regularity experimentally. Based on a spatial regularity in urban environment, we present a new DTN routing method. We introduce a Weighted Center (WC) which represents spatial regularity of each node. Through the association with evenly distributed access points (APs) in urban environment, most of vehicles get their grid locations and calculate their WCs. Since our routing method only uses neighbors WCs for building routing paths, it can be regarded as distributed and practical protocols. Our experiments involving realistic network scenarios created by the traces of about 1500 Shanghai taxies show that our routing method achieves the higher performance compared to ECT,LET [1] by 10%~110%. 본연구는지식경제부및정보통신산업진흥원의대학 IT 연구센터지원사업의연구결과로수행되었음 (NIPA-2011-(C1090-1111-0004)) * KAIST 전기및전자공학과네트워크시스템연구실 ({jsjung,jhlee}@netsys.kaist.ac.kr, songchong@kaist.edu) ** North Carolina State University 전산학과 (khanax.lee@gmail.com) 논문번호 :#KICS2010-06-263, 접수일자 :2011 년 6 월 10 일, 최종논문접수일자 : 2011 년 6 월 8 일 609
한국통신학회논문지 '11-06 Vol.36 No.6 Ⅰ. 서론현재의유, 무선네트워크는다양한시대적변화로인해다시한번변화의기로에서있다. 사용자들이무선데이터패킷의송, 수신에대한비용적거부감을점점줄여나가고있고, 스마트폰, 네비게이션, mp3 등의휴대용기기들의성능이급격히향상됨으로인해휴대용기기를통한통신에대한수요가급증하고있다. 지금까지유, 무선네트워크환경하에서의연구들은케이블, 셀룰러망등을통한노드들사이의안정적연결을전제하고그연결된자원들을효율적으로사용하는방안에초점을맞추는것이대부분이었다. 하지만휴대용기기를통한무선네트워크사용이활성화되고보편화됨에따라사용자들의이동성을고려하는것이필수적연구전제조건이되어가고있다. 이동성을고려한다는것은노드들간의연결이일시적으로생성, 소멸을반복하기때문에노드들사이의안정적연결을전제하지못함을의미한다. 따라서노드들이이동성을가질때노드들사이의연결을보장하지못하는네트워크상황에서데이터패킷을전달하는방식, 효율성에대한연구가꼭필요한실정이다. Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) 은네트워크연결이불안정하고딜레이가매우큰상황에서도효과적으로동작할수있도록디자인된네트워크를의미한다. 노드들의이동성으로인해연결이보장되지못하는등의다양한문제상황에적용될수있는효과적인해결책중하나이다. 기존의일반적인 internet, ad-hoc 네트워크에서다양한이유로인해목적지로의링크경로가없어졌을때패킷은목적지까지전달되지못하고소멸된다. 반면에 DTN에서는비록보낼링크가존재하지않더라도해당노드가패킷을가지고이동하여전달하는옵션이추가됨으로써기존의유, 무선링크가없어지더라도패킷전달이가능하게된다. 하지만이러한 DTN적전송을하기위해서는노드가직접패킷을전송해야하기때문에기존의네트워크에비해매우큰전송지연이발생하게된다. 즉 DTN은기존의네트워크가가지는한계점을극복할수있는장점을가지고있지만전송지연이허용될수있는응용상황에서만쓰일수있다는단점을가지고있다. 그예로는항성간통신, 매우과부화된무선통신망에서의전송, 차량간무선통신망등이있다. 2000년에 Gupta와 Kumar [9] 는무선멀티홉네트워크에서의전송률은 Θ(1 (nlog(n))) 으로스케일다운된다라는결과를발표하였다. 여기서 n은네트워크전체의노드수이고네트워크의노드가많아질수록 전송률은떨어진다는것을의미한다. 하지만 2002년에 Grossglauser 와 Tse [10] 가 DTN적인메세지전달을한다면전송률은노드의수 n에상관없이 Θ(1) 로유지된다는결과를발표하였다. 이러한기존연구결과를통해 DTN은전송률향상측면에서도기존의 ad-hoc 네트워크또는 mesh network의보완책으로고려되고있다. 본연구는도시환경에서차량간데이터를전달할때데이터전송의지연을허용함으로써차량들의이동성을이용한 Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) 을형성하고이를통해메시지를전송하는새로운라우팅기법을찾는연구를진행한다. 차량의시간적주기성, 지역적주기성을실제택시 GPS자료에기반하여입증하고이를바탕으로 DTN 라우팅기법을새로제안한다. 그리고제안하는 DTN라우팅기법이여타 DTN라우팅기법들에비해오버헤드, 딜레이, 전달률등모든측면에서높은성능을보이는것을실제상하이택시이동현황을통해검증한다. 도시환경의차량 DTN은도로변의광고판에멀티미디어파일을전송하거나도로곳곳의카메라영상을중앙서버로전송하는것등의전송의지연이허용되는다양한어플리케이션에저비용으로적용될수있다. 본논문의구조는다음과같다. 2단원에서는기존에제안되었던 DTN 라우팅기법들에대해소개하고본논문과의연관성을밝힌다. 3단원에서는앞서소개한시간적, 지역적주기성에대해설명하고실제데이터를통해차량들이그러한성질을가지고있음을입증한다. 4단원에서는주기성을바탕으로동작하는새로운 DTN 라우팅기법을제안하고그동작을상세히설명한다. 끝으로 5단원에서는 1500대의택시를이용하여제안한 DTN라우팅기법의성능을실험적으로검증한다. Ⅱ. 기존방식 노드의이동성을이용하여네트워크를형성하는 DTN의다양한연구들은대부분 epidemic routing [2] 에기반한다. 만나는모든노드들에게메세지를전달함으로써네트워크전체에메시지를플러딩하는방식이다. 비록 epidemic routing이최적의메세지전달경로를찾을수있다고하지만쓸모없는패킷들을계속전송하고저장함으로써생기는버퍼메모리와파워소모등의비용이비현실적으로크다는단점이있다. 이를보완하기위해각노드의다양한특성을발견하고효율적으로이용한 DTN라우팅기법들이많이 610
논문 / 도시환경에서지역적주기성을이용한 DTN 라우팅기법 제시되었다 [1,3,7,8]. Random Walk에서노드의예상전송시간은목적지를만난후부터현재까지걸린시간으로정의되고이를이용하여예상전송시간이낮은노드에게데이터를전달하는 Last Encountered Time (LET) [1,3] 기법이널리알려져있다. 또한노드와노드가만나는시간간격 (inter-contact time) 의확률분포가멱함수를따른다는사실을이용해서그기대값에서 LET를뺀값을노드의예상전송시간으로정의하는 Expected Contact Time (ECT) [1] 라우팅기법이있다. Bubble Rap [7] 은인간의사회적주기성을실험데이터를통해입증하고이를이용해높은성능의 DTN 라우팅기법을제안하였다. 본논문에서는사회적주기성이아닌시간적, 지역적주기성을새로찾아내어입증하고이를이용한새로운라우팅기법을제안한다. Ⅲ. 주기성본단원에서는주기성을시간적주기성, 지역적주기성으로나누어각각에대해살펴본다. 상하이 Jiaotong 대학의 Grid Computing Center [4] 에서 28일간 4063대의택시에대한정보를수집한결과를이용하여시간적, 지역적주기성을입증하였다. 택시에 GPS를장착하여각택시들이자신의위치정보를 20~30초주기로측정하도록하였고측정한데이터를 GSM망을이용하여중앙서버로전달토록하여데이터를수집하였다. 택시들의주기성을관측하기위한데이터분석에서다룬상하이지역은다룰수있는데이터용량의한계때문에그크기를15km 15km로한정하였고이를가로세로 500m단위의그리드로분할하여총 900개의그리드를생성하였다. 3.1 시간적주기성 (temporal regularity) 시간적주기성은한노드가여러그리드를방문하는패턴이하루단위로반복되는특성을일컫는다. 한노드가하루에꼭한번이상씩방문하는특정한그리드가존재함을의미한다. 예를들어집이속한그리드가있을때그집에서사는사람은매일그집을방문할것이고이는곧그가해당그리드에대해시간적주기성을가짐을의미한다. 이는프로토콜을디자인하는데있어매우중요한요소이다. 시간적주기성에근거하여해당프로토콜은과거의패턴의주기성이미래의패턴에도유지될것이라예상할수있고이는 epidemic routing [2] 같은랜덤성에기반한프로토콜동작을개선할수있는중요한요소로서활용된다. 그림 1은 4063대의택시중임의로선택한세대의택시에대한시간적주기성을나타낸그래프이다. 오른쪽그림의가로축은일수이고세로축은해당택시가그리드에속해있는횟수를의미한다. 가로축의각일과일사이에는해당택시가그하루동안에모든그리드에대해얼마동안존재하였는지에대한패턴을표시하였다. 왼쪽그래프는이패턴의자기상관관계를나타낸것이다. 그래프에서보면자기상관관계그래프에서1800 단위로피크가형성되고이는즉하루단위로같은패턴이반복됨을의미한다. 즉그림 1은시간적주기성이임의로선택된세택시모두에게명백히존재함을보인다. 3.2 지역적주기성 (spatial regularity) 지역적주기성은개인이주기적으로방문하는특정영역이존재하는것을의미한다. 실제로인간은집이나학교같은자주방문하는고유의지역을가지는데 SLAW [1] 도이를가설로설정하여제시된새로운인간이동성모델이다. 이러한특성을이용한다면 그림 1. 임의로선택된택시 3 대에대한시간적주기성 611
한국통신학회논문지 '11-06 Vol.36 No.6 epidemic routing [2] 이가지는비효율성을효과적으로해결할수있다. 예를들어목적지와동떨어진곳으로메세지를무의미하게전달하는것을방지할수있다. 이에본논문에서는상하이택시 GPS 데이터분석을통해택시들에게도위와같은지역적주기성이존재하는것을우선입증한다. 그림 2의왼쪽그래프는 4063대의택시중임의로선택된 2대의택시에대한지역적주기성을보인다. 가로축은일수이고세로축은 900개그리드의인덱스이다. 택시가특정그리드에대해하루에 3번방문하였을때하늘색점으로표시하고 4번방문하였을때검은색점, 5번이상방문하였을때푸른색점으로표시하는것을 14일간에걸쳐왼쪽그래프에나타내었고각그리드에대한총누적방문수를우측에나타내었다. 오른쪽그림은실제상하이지도상에해당택시가방문한그리드를점으로표시하였다. 방문빈도수별로색깔을달리하였고 3번이상방문한그리드만을점으로표시하였다. 이그림에서는각택시들이방문하는그리드들이상하이특정지역에모여서분포하는것을쉽게확인할수있다. 이는곧각택시들이자주방문하는고유의지역이있음을의미한다. 여기서지역은 500m단위의그리드보다스케일이더큰공간적단위를일컫는다. 그림 2를통해두대의택시가주기적으로방문하는그리드들의집합이다름을알수있고이는곧각 택시들이매일방문하는장소를그택시고유의특성으로간주할수있음을의미한다. 14일중 10일간하루에네번이상주기적으로방문하는것을앞서설명한두주기성의기준치로설정하였을때전체 4000대의택시중 80% 의택시가이기준치에부합함을확인하였다. 택시가주기적으로특정지역을방문하는특성이있다는사실을택시의지역적주기성 (spatial regularity) 이라이름하고, 각택시 i에대해지역적주기성을가지는지역을대표하는좌표를다음과같이정의한다. 는택시 i가그리드 g에방문한횟수를나타내 는수치이고 는그리드 g의좌표벡터이다. 는택시 i에대한 weighted center좌표벡터이다. 그림 2 에서는 Weighted Center (WC) 벡터를인덱스화하여빨간색점으로표시하였다. Ⅳ. 제안방식 제안방식은지역적주기성을바탕으로보다효율 그림 2. 임의로선택된택시 2 대에대한지역적주기성 612
논문 / 도시환경에서지역적주기성을이용한 DTN 라우팅기법 적이고안정적인메시지전달을할수있도록하는 DTN 라우팅기법이다. 각그리드마다와이파이 AP 가존재하여모든노드들은 AP와통신하여자신이속한그리드의위치기록을통해실시간으로자주방문하는지역의 WC값을계속해서계산하고업데이트한다고가정한다. 목적지로전달되지못한메시지를가지는노드들은메시지를전달하기위해다음과같은 DTN라우팅동작을한다. 본라우팅동작의주기는주변이웃노드들의변화를충분히감지할수있도록설정되어야한다. 예를들어차량노드들의움직임과속도를고려하였을때 1초주기는주변노드및노드의토폴로지변화가크지않기때문에많은중복된계산을요하며 1 시간주기는주변노드및노드의토폴로지변화를완벽히감지할수없다. 본논문에서는주변노드들의변화를잘반영할수있도록 30초를라우팅동작주기로설정하였다. 주기마다수행되는라우팅동작은다음과같다. 1) 메시지를가지는노드들은자신의주변차량들의 WC를얻어온다. 각차량들은자신의존재유무와 WC정보를담은패킷을브로드캐스팅하고모든차량들은주변차량들이브로드캐스팅한패킷들을받음으로써주변차량존재유무와 WC 정보들을알게된다. 2) 자신이가지는모든메시지의목적지에대하여자신과주변차량들의 WC와목적지의위치간의거리를구한다. 3) 모든메시지에대해주변차량의 WC와메시지의목적지간의거리와자신의 WC와목적지간의거리의차를구한후최대의차를가지는메시지및주변차량을구한다. 4) 만약선택된메시지와주변차량에대한최대의차가 0보다큰값이라면해당차량에게해당메시지를전달한다. 0 또는 0보다작은값이면자신의 WC와목적지간의거리가가장적기때문에메시지를전달하지않고메시지를가지고있는다. WC와목적지간의거리라함은 WC좌표와목적지좌표간의 Euclidean distance를의미한다. 이값이작다는것이의미하는바는해당 WC를가지는택시가좀더목적지로접근하려는특성이있고더오랜시간동안목적지와같은영역을공유하기때문에목적지를만날확률이더높다는것을의미한다. 모든메시지와주변택시들에대한 WC-목적지간의거리와자신의 WC-목적지간의거리의차가최대인메시지를해당주변택시에게전달하는것은네트워크전체메시지의전달확률최대화문제를분산적으로풀기위해서이다. 라우팅주기마다계속해서택시들은메시지를포워딩해줄것이고이는곧메시지들이여러 번의포워딩을거쳐결국목적지영역으로접근하게됨을의미한다. 그림3 은실제 4000대의상하이택시들위에서제안하는 DTN 라우팅기법 Diff WC가동작하는예시이다. 예시상의 3대의택시들은고유의지역적주기성을가지는영역을가지고그영역은파란색, 주황색, 녹색으로표시된다. 파란색으로대표되는소스택시는파란색으로표시된자신의지역에서주황색택시를만나고주황색의 WC가자신의 WC보다목적지에더가깝기때문에메시지를전달한다. 주황색택시는주황색으로표시된자신의지역에서다시초록색택시를만나고메시지를전달한다. 초록색택시는자신이주기적으로방문하는지역이목적지와매우가깝기때문에높은확률로목적지를만나메시지를전달한다. 목적지가고정된장소가아니라이동하는택시일경우에도위알고리즘은비슷하게적용된다. 검은색택시가목적노드일경우검은색택시의 WC를목적지와동일하게간주하고 diff WC 라우팅을진행한다. 목적노드의 WC로대표되는목적노드가주기적으로방문하는지역에보다가까운 WC를가진노드에게메시지를전달함으로써전달가능성을높인다. 그림 3. DiffWC 라우팅예시 Ⅴ. 시뮬레이션상하이 4000대의택시중 30% 이하의 GPS 데이터손실률을가지는 1486대의택시를선별하여 2006년 12월 18일부터19일까지 2일간에걸쳐위라우팅프로토콜을시뮬레이션하였다. 각택시는와이파이장비를통해애드혹모드로통신할수있다고가정한다. 매시간마다 200개의메시지를하루동안생성하고각메시지의소스는모든택시중에서, 목적지는고정된 AP중에서무작위로선택하였다. 이러한시나리오환경구성은택시들이형성하는차량네트워크가적용 613
한국통신학회논문지 '11-06 Vol.36 No.6 될수있는어플리케이션을반영하기위함이다. 예를들면택시자신이모니터한블랙박스영상파일등을 WiFi AP를통해중앙서버로전송하거나택시들이광고영상을고정된광고판에업데이트하는등의실제시나리오들을생각해볼수있다. 상하이같은도시환경에서는빌딩등의구조에따라와이파이의전송거리가제한되기때문에전송거리를변화시켜가며성능을테스트하였다. Less Distance (LD) 는 Diff WC와동일하게 AP에의해현재의지역정보를알고있다고가정하였을때목적지로부터더가까운 AP에현재속해있는택시에게메세지를전달하는프로토콜로써제한된정보를가지는 GPSR [5] 라우팅방식과유사한기법이다. 그림 4는하루안에목적지에전달된메시지의전체메시지에대한비율을보이는그래프이다. 제안된 Diff WC 라우팅이 LD를제외한여타 DTN 라우팅기법들에비해 100% 이상의높은성능을보이는것을알수있다. 이는 AP를통한위치정보를제한적으로쓸수있고택시의지역적주기성을잘활용하였기에얻을수있는이득이다. 위치정보를사용하여 GPSR 과유사한동작을하는 LD의경우전송거리가높아질수록높은성능을보이는데이는전송거리가길다면멀티홉전달수가적어전송효율이좋아지기때문이다. 하지만택시들의밀도가낮다면즉전송거리가 100미터일경우성능이급격하게떨어지는치명적인단점이있다. 그림 5는메시지의딜레이에대한그래프이다. 딜레이역시전달율과같이전송거리가증가할수록높은성능을보인다. Diff WC는 LET,ECT에비해각각약 60%,75% 의딜레이감소효과를보인다. 단전달율그래프와마찬가지로 LD와비교하였을때전송거리가증가할수록성능차이가줄어드는것을볼수있다. 그림 5. 전송된메시지의딜레이그림 6은전달되는동안각메시지당총전달된횟수의평균을나타낸그래프이다. 제안된라우팅기법인 Diff WC의오버헤드가 LD와비교하였을때크게작다는것을확인할수있다. 메세지의전달된평균횟수를나타내는 Transmission Overhead는무선자원의사용과택시들이메시지를지우지않고가지고있을때버퍼메모리의사용에대한직접적인비용을나타내는지표로활용된다. 이결과를통해 Diff WC가성능과비용면에서우수한성능을보임을확인할수있다. 그림 7은임의로선택한네개의패킷에대해시간이흐르면서목적지와떨어져있는거리가어떻게변하는지에대해보이는그래프이다. 가로축은처음메시지가할당된후부터진행된시간이고세로축은해당메시지를가진노드와목적지사이의거리이다. 그림 7은 Diff WC의퍼포먼스가다른프로토콜에비해우수한성능을내는이유를보여준다. 다른프로토콜들은목적지와의거리가좁혀지지않다가어느순간 그림 4. 하루안에전송된메시지의비율 그림 6. 전송과정에서메시지를전달한횟수 614
논문 / 도시환경에서지역적주기성을이용한 DTN 라우팅기법 그림 7. 임의로선택된 4 개메시지의실험이진행됨에따른목적지와남은거리 급격히좁혀져서메세지를목적지에전달하는반면 Diff WC는메시지가지속적으로목적지에접근하려는성질이있음을확인할수있다. 이는곧 Diff WC 가 4단원에서설명하였듯이메시지를목적지부근으로접근 (Diffusion) 시키려는특성이있음을의미한다. Ⅵ. 결론본논문에서는도시환경에서다수의차량이애드혹모드로서로간에통신을할때 DTN을통해메시지를전달하는라우팅기법을실제상하이택시데이터에서찾아낸현상에기반하여제안하였다. 실제 4063대의상하이택시데이터를분석하여지역적주기성을발견하였고과거의 GPS정보및방문기록들을이용하는것이실제프로토콜에적용가능함을증명하였다. 지역적주기성을띄는영역의대표값으로써 weighted center를정의하였고이를이용하는분산화된 Diff WC 라우팅기법을제안하였다. 1486대의택시들에대해 Diff WC가다른 DTN라우팅들에비해전달률과무선자원, 메모리비용측면에서성능이뛰어남을보였다. 지역적주기성만고려하는것이아닌사회적주기성 [7] 등의다양한주기적특성들을발견하고결합하여라우팅기법을개발해나가는것이앞으로남겨진과제이다. 참고문헌 [1] K. Lee, S. Hong, S. Kim, I. Rhee, and S. Chong, Slaw : A new human mobility model, in Proceedings of IEEE INFOCOM, 2009 [2] A. Vahdat and D. Becker, Epidemic routing for partially-connected ad hoc networks, technical Report, CS-200006, Duke University, April 2000. [3] T. Spyropoulos, K. Psounis, and C. Raghavendra, Spray and wait: An efficient routing scheme for intermittently connected mobile networks, in Proceedings of ACM SIGCOMM, 2005. [4] S. J. U. Traffic Information Grid Team, Grid Computing Center, Shanghai taxi trace data, http://wirelesslab.sjtu.edu.cn/. [5] H. T. K. Brad Karp, GPSR : greedy perimeter stateless routing for wireless networks, in Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computing and networking, 2000. [6] Joohyun Lee, Kyunghan Lee, Jaesung Jung, and Song Chong, "Performance Evaluation of a DTN as a City-wide Infrastructure Network," 4th International Conference on Future Internet Technologies, 2009 [7] P. Hui, A. Chaintreau, J. Scott, R. Gass, J. Crowcroft, and C. Diot, Bubble rap: Social-based forwarding in delay tolerant networksn, in Proceedings of ACM Mobihoc, 2008. [8] J. Leguay, T. Friedman, and V. Conan, 615
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