센서 네트워크에서의 다중 경로 소스 라우팅 방법 document_id A220623061206

일반적으로, 무선 센서 네트워크는 넓은 필드를 감시하기 위해 많은 수의 센서노드들이 배치되며, 소수의 노드들이 배터리 소진과 같은 이유로 동작 불능 상태에 빠지더라도 네트워크의 기능을 계속할 수 있게 밀도 있게 배치된다. 싱크노드의 배치는 제한되어 있으며 대부분의 센서노드들은 자신의 전송 범위 내에 싱크노드가 존재하지 않는 경우가 많다. 이와 같은 센서 네트워크의 특성 때문에 이동 애드혹 네트워크나 메쉬 네트워크와 같은 무선 멀티 홉 네트워크에서처럼 노드 간의 협력을 통한 무선 멀티 홉 라우팅이 필요하다. 종래의 무선 센서 네트워크에서 라우팅 기법은 크게 데이터 중심 라우팅 기법과 주소 중심 라우팅 기법의 두 부류로 분류된다. 이때, 분류 기준은 중심으로 삼는 것이 무엇이냐에 따른 것이다. 먼저, 데이터 중심 라우팅 기법은 기본적으로 싱크노드가 자신이 수집하기 원하는 데이터를 관심 데이터 메시지(interest)의 형태로 네트워크로 방송하면, 이를 수신한 센서노드들이 싱크노드로의 역 경로를 설정한다. 싱크노드의 요구 조건에 맞는 데이터를 수집하거나 전달받은 센서노드는 이 역 경로를 통해 싱크노드에게로 데이터를 흘려 보낸다. 이 과정 중 중간 센서노드가 여러 개의 유사한 데이터를 받게 되면 융합(fusion)하여 전송하기도 한다. 데이터 중심 라우팅 프로토콜 중 가장 널리 알려진 것으로는 Directed diffusion이 있다. Directed diffusion에서 관심 데이터 메시지를 들은 센서노드는 자신이 수집한 데이터를 관심 데이터 메시지 방송 중 설정된 역 경로를 통해 싱크노드로 전달한다. 초기에 설정된 역 경로는 방송에 의해 설정되었으므로 싱크노드로 도달하는 여러 경로가 존재한다. 싱크노드는 여러 경로를 하나의 경로로 줄이고, 관심 데이터를 더 높은 주기로 받기 위해 받은 신호 세기와 같은 특정 메트릭에 따라 관심 데이터를 전송하였던 자신의 이웃 중 하나를 선택하여 경로 강제 메시지(route reinforcement)를 전송한다. 이를 받은 중간 센서노드 역시 관심 데이터를 전송하였던 자신의 이웃 중 하나를 선택하여 강제 메시지를 전달하게 된다. 강제 메시지가 데이터를 수집한 노드에까지 다다르게 되면, 해당 노드는 강제 메시지에 의해 구성된 단일 경로를 따라 더 높은 주기로 수집한 데이터를 전송한다. 네트워크의 내고장성을 보장하기 위해 directed diffusion을 확장한 형태로는 Highly-Resilient와, Energy-Efficient Multipath Routing이 있다. 이는, directed diffusion에서 사용하는 경로 강제 메시지를 하나의 이웃노드에게 전송하는 대신, 여러 개의 이웃노드로 보내어 다중 경로를 구성한다. 전혀 다른 노드들로 구성된 경로(node-disjoint route)를 찾는 방법이 에너지 효율성이 떨어지므로 같은 노드를 공유하더라도 더 짧은 홉 수를 가진 꼬인 경로(braided route)를 사용한다. 주소 중심의 라우팅 프로토콜인 Energy Aware Routing에서는 에너지 소모를 최소화하여 네트워크 지속 시간을 늘리기 위해 다중 경로 라우팅을 사용한다. 잔여 에너지량에 기반하여 확률적으로 다중 경로를 선택하는 방법을 사용하며, 최적이 아닌 경로라도 잔여 에너지량이 더 많다면 네트워크 지속 시간을 늘리는데 도움되므로 사용한다. 그러나 이 프로토콜은 경로가 필요할 때마다 목적지 노드가 경로 요청 메시지를 네트워크 전체로 방송하는 요구형 경로 탐색 기법(on-demand route discovery)을 사용하므로 경로 설정에 제어 메시지 오버헤드가 존재한다. DMPR에서는 drain이라고 표현하는 여러 개의 싱크노드를 갖춘 네트워크에서 한 센서노드가 서로 다른 2개의 싱크노드와 통신하기 위해 겹치지 않는 노드로 구성되는 2개의 다중 경로를 찾는 색칠된 트리(colored tree) 기반 방법을 사용한다. 이 방법에서는 라우팅 테이블의 크기가 싱크노드 수에 비례해 커지므로 확장성이 보장된다는 장점이 있지만, 경로 구성에 드는 오버헤드가 크고 구성된 경로가 최단 경로가 아니며, 경로를 복구하기 위해 색칠된 트리 전체를 재구성해야 한다는 단점이 있다. 한편, 무선 센서 네트워크 라우팅 방법 이외에 무선 센서 네트워크와 유사한 환경을 가진 이동 애드 혹 네트워크에서 다중 경로를 제공함으로써, 내고장성 및 에너지 효율성을 높이기 위한 라우팅 방법들이 제시되었다. 그 중 MDSR(Multipath Dynamic Source Routing)은 DSR(Dynamic Source Routing)의 경로 탐색 과정과 경로 유지 보수 과정을 수정하여 다중 경로를 지원할 수 있도록 확장한 프로토콜이다. DSR과 같은 요구형 라우팅 프로토콜은 소스 노드가 다른 노드와 통신을 하려고 할 때 경로 탐색(Route Request, RREQ) 메시지를 네트워크로 방송한다. 이 경로 탐색 메시지는 서로 다른 경로를 거쳐 목적지 노드에 도착하며, DSR에서는 제일 먼저 도착한 경로 탐색 메시지에 대해서만 응답하지만, MDSR에서는 처음 도착한 경로 탐색 메시지를 이용하여 주경로를 구성한 후, 그 다음에 도착하는 메시지 중 서로 다른 노드로 구성된 경로를 선택하여 대체 경로로 사용한다. 만일 주경로가 손실되었을 경우 대체 경로를 통해 패킷을 전송함으로써 새로운 경로를 찾기 위해 제어 메시지를 네트워크 전체로 방송하는 것을 막는다. MSR(Multipath Source Routing)에서는 MDSR의 기본 개념을 차용하고, 추가적으로 패킷의 왕복 시간을 측정하여 부하를 네트워크에 골고루 분산시킨다. MDSR이나 MSR이 경로 단절 시 발생하는 제어 메시지 오버헤드를 크게 줄일 수 있지만, 센서 네트워크에 적용되었을 경우 여전히 싱크노드가 다른 센서노드와 통신하기 위해 센서노드의 개수만큼 경로 탐색을 시도해야 한다. 경로 탐색은 제어 메시지를 네트워크 전체로 방송해야 하므로 오버헤드가 매우 크다. 또한, 중간 센서노드는 특정 목적지로의 주경로가 단절되었을 때 패킷 손실을 방지하기 위해 대체 경로를 저장하고 있는 경로 캐쉬를 유지하고 있어야 하며, 센서노드 간의 통신이 필요한 경우 제어 메시지 오버헤드나 경로 캐쉬를 유지하기 위한 오버헤드는 더욱 증가하게 되므로, 센서 네트워크에는 적합하지 않다. 따라서, 무선 센서 네트워크에서 제어메시지 오버헤드와 라우팅 테이블 크기 관점에서의 확장성 문제, 일부 노드의 오류에 의해 라우팅 과정 전체가 영향을 받지 않아야 하는 점에서 내고장성 문제, 센서노드와 싱크노드 간의 데이터 트래픽 패턴에 맞는 경로 설정법 문제, 낮은 처리 능력을 지닌 센서노드에서 쉽게 구현이 가능해야 하는 간결성 문제를 해결하기 위한 라우팅 기법이 요구되고 있다.