Performance Analysis of MANET Routing Protocols with Various Data Traffic

반도체디스플레이기술학회지 제20권 제2호(2021년 6월) Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 20, No. 2. June 2021.

다양한 데이터 트래픽을 갖는 이동 애드혹 네트워크용 라우팅 프로토콜의 성능 분석

김기완^*†

*†충남도립대학교 전기전자공학과

Performance Analysis of MANET Routing Protocols with Various Data Traffic

Kiwan Kim^*†

*†Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Chungnam State University

ABSTRACT

MANET(Mobile Ad Hoc Network) is the structure in which a source node communicates with a destination node by establishing a route with neighbor nodes without using the existing wired or wireless network. Therefore, the routing protocol for MANET must correspond well to changes in the channel state of moving nodes, and should have simple operation, high reliability, and no routing loop. In this paper, the simulation was perform by using a traffic model with on/off two states provided by the NS-3 network simulator. Also, the duration of the ON state and the duration of the OFF state used the traffic where inter arrival time of data is irregular by generating random values with constant, exponential distribution, and Pareto distribution. The performance of the DSDV, OLSR, and AODV protocols was compare and analyzed using the generated traffic model.

Key Words : DSDV, OLSR, AODV, Pareto distribution, Traffic generation, NS-3

1. 서 론¹

1990년대 개인 컴퓨터용 무선 랜이 개발되고 광범위한 사용은 MANET(Mobile Ad Hoc Network)의 개발을 가져왔다.

또한 MANET의 활용도가 증가함에 따라 VANET(Vehicular Ad Hoc Network)과 군사용을 포함한 다양한 유형의 MANET으로 발전했다[1-3]. MANET는 송신 노드가 인접한 노드들과 유기적으로 경로를 설정하고 통신함으로써 기 존에 구축되어 있는 기지국이나 유무선 네트워크를 사용 하지 않고 목적지 노드와 통신하는 네트워크 구조를 가 지며 재해나 재난지역 그리고 군사 작전 같이 기존의 인 프라 네트워크를 사용할 수 없는 환경에도 적용이 가능 하다. MANET용 라우팅 프로토콜은 이동하고 있는 노드

†

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들의 채널 상태 변화에 잘 대응해야 하고 간단한 동작과 높은 신뢰성 그리고 라우팅 루프가 발생하지 않아야 한 다. 또한 기존에 구축되어 있는 네트워크를 사용하지 않 고 목적지 노드와 통신하기 위해 효율적인 라우팅 프로 토콜이 필요하다. 애드혹 네트워크를 라우팅 경로를 설정 시점에 따라 분류하면 Fig. 1과 같이 proactive 라우팅 방식 과 reactive 라우팅 방식으로 나누어진다[4].

Fig. 1. MANET Routing Protocols.

김기완 68

DSDV(Destination Sequenced Distance Vector), OLSR(Optimized Link State Routing) 프로토콜과 같은 Proactive 라우팅 방식은 모든 노드들이 라우팅 테이블을 가지고 있으며 인접 노 드들과 지속적으로 라우팅 정보를 교환하여 네트워크에 속해있는 모든 노드들의 라우팅 경로를 미리 설정 해놓 는 방식이다[5-8]. 그리고 reactive 라우팅 방식은 송신 노드 에서 전송할 데이터가 발생시 경로설정 패킷을 교환하여 라우팅 경로를 설정하는 방식으로 AODV(Ad-hoc On- demand Distance Vector), DSR (Dynamic Source Routing) 프로토콜 이 있다[9,10].

DSDV는 벨만 포드 라우팅 알고리즘을 사용하여 송신 노드에서 목적지 노드까지 최단 경로를 계산하고 메트릭 으로 패킷이 목적지 노드에 도착하기 위해 필요한 홉 수 를 사용한다. DSDV 프로토콜의 노드는 이웃 노드들뿐만 아니라 네트워크의 모든 노드들이 포함된 라우팅 테이블 을 사용하고 주기적인 업데이트를 통해 라우팅 테이블을 유지하며 순서 번호를 사용하여 라우팅 루프를 예방한다.

그러나 노드들의 수가 많거나 노드들의 이동 속도가 빠 를 경우 많은 오버 헤드를 발생시키는 단점이 있다.

OLSR은 라우팅 메트릭으로 링크 상태를 사용하고 라 우팅 정보를 인접 노드와 공유하기 위해 주기적으로 제 어 메시지를 교환한다. 교환하는 메시지의 크기와 재전송 횟수를 줄여 라우팅 경로 설정 시 발생하는 네트워크의 부하를 감소시키고 MPR(multipoint relay) 노드를 사용하여 인접 노드와 라우팅 정보를 공유하기 위한 제어 메시지 의 양을 감소시킨다. 경로 설정 시 MPR 노드들만 TC (topology control) 메시지를 전송함으로써 제어 메시지의 개 수가 다른 라우팅 프로토콜 보다 상대적으로 줄어든다.

AODV 프로토콜은 송신 노드에서 패킷을 전송할 때 제 어 패킷 RREQ(route request)와 RREP (route reply)를 사용하여 목적지 노드와 통신 경로를 설정하고 통신 루프를 방지 하기 위해 순차적으로 증가하는 순서 번호를 사용한다.

ADOV 프로토콜은 모든 통신 노드들에 대한 경로 정보를 관리할 필요가 없기 때문에 각 노드의 부하가 줄어드는 장점이 있다[11,12].

참고문헌 [5 ][11]에서는 고정된 간격으로 데이터 패킷이 발생되는 ON 상태만 갖는 환경에서 라우팅 프로토콜의 성능을 분석하였고 본 논문에서는 기존의 논문들과 차별 화를 위해 ON/OFF 두 가지 상태를 갖는 트래픽 모델을 사용한다. 상수, 지수 분포 그리고 Pareto 분포로 랜덤 값 을 발생시켜 ON 상태의 지속시간과 OFF 상태의 지속시 간으로 사용하여 DSDV, OLSR 그리고 AODV 프로토콜 성 능을 분석한다. 2장에서는 트래픽 모델에 대해 서술하고 3장에서는 모바일 애드혹 네트워크프로토콜의 성능을 비 교 분석하며 4장에서 결론으로 끝맺는다.

2. 트래픽 모델

다양한 트래픽을 발생시키기 위해 Fig. 2와 같이 ON/OFF 두 가지 상태를 갖는 트래픽 모델로 가정한다[13].

Fig. 2. ON/OFF Traffic Model.

ON 상태의 구간에서는 트래픽이 발생하고 OFF 상태의 구간에서는 트래픽이 발생하지 않는다고 가정한다. 또한 ON/OFF 지속기간은 상수, 지수 분포 그리고 Pareto 분포로 가정 후 발생시킨 랜덤 값으로 트래픽을 생성한다. Pareto 분포는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다[10].

PX  x  ^ିఈ .   0,  1 (1)

식 (1)에서 α는 Pareto 지표로 α가 크면 더 불규칙한 데 이터를 나타내며 1<α<2라면 Pareto 분포는 무한의 분산과 유한한 평균값 E(x)를 갖는다. 그리고, Pareto 분포의 평균 값 E(x)는 식 (2)와 같다.

Ex _ఈିଵ^ఈ (2)

Fig. 3은 라우팅 프로토콜의 성능을 분석하기 위한 순서 도를 나타낸다.

Fig. 3. Steps in the simulation experiment.

다양한 데이터 트래픽을 갖는 이동 애드혹 네트워크용 라우팅 프로토콜의 성능 분석 69

Table 1. Parameters for Generating Data Traffic

Application Agent On Time Off Time 1 Constant Random

Variable Constant 1.0 Constant 0.0 2 Constant Random

Variable Constant 3.0 Constant 2.0 3 Exponential

Random Variable Mean 3.0

Bound 0.0 Mean 2.0 Bound 0.0 4 Pareto

Random Variable

Mean 3.0 Shape 1.1 Bound 0.0

Mean 2.0 Shape 1.1 Bound 0.0

Fig. 4(a) Data traffic Generated using Constant Random Variable (Mean = 0.124998, Variance = 0.0).

Fig. 4(b) Data traffic Generated using Constant Random Variable (Mean = 0.206587, Variance = 0.154462).

Fig. 4(c) Data traffic Generated using Exponential Random Variable (Mean = 0.201923, Variance = 0.255260).

Fig. 4(d) Data traffic Generated using Pareto Random Variable (Mean = 0.196442, Variance = 0.193344).

Table 1은 ON/OFF 트래픽을 위한 매개 변수들을 나타내 고 Fig. 4는 Table 1과 2의 매개 변수를 이용하여 NS-3에서

발생시킨 데이터 트래픽을 나타낸다[14]. 트래픽을 발생 시키기 위해 DSDV 프로토콜, 한 개의 송신 노드 그리고 10개의 통신 노드들로 가정한다. 시뮬레이션 시간은 3 00 초로 설정하고 송신 노드에서 50~53초 사이에 첫 번째 데 이터가 전송되고 마지막 전송 데이터는 250초 이내에 전 송된다고 가정한다. 그림에서 ON/OFF 상태의 지속기간이 지수 분포를 따르는 Fig. 4(c)가 데이터 발생 간격의 분산 이 0.255260로 가장 불규칙하게 트래픽이 발생하고 ON 상 태만 갖는 Fig. 4(a)가 데이터 발생 간격의 분산이 0.0으로 균일하게 트래픽이 발생됨을 알 수 있다.

3. 성능 분석

본 논문에서는 NS-3 네트워크시뮬레이터를 이용하여 DSDV, OLSR 그리고 AODV 라우팅 프로토콜의 성능을 비 교 분석하기 위해 700m x 700m의 정사각형으로 통신 영역 을 설정하고 노드들은 균일 분포에 따라 0~30m/s사이의 속도로 이동하며 통신 영역에서 송신 노드와 목적지 노 드는 1개만 존재한다고 가정한다. 그리고 성능 분석을 위 해 사용한 나머지 시뮬레이션 환경은 Table 2와 같다. 모바 일 애드혹 라우팅 프로토콜의 성능을 분석하기 위한 평 균 처리량, 패킷 전송률 그리고 평균 지연 식은 다음과 같다.

Throughput = ்௢௧௔௟ ோ௘௖௘௜௩௘ௗ ஻௬௧௘௦ ×଼

ௌ௜௠௨௟௔௧௜௢௡ ்௜௠௘ ×ଵ଴ଶସ (ܭܾ݌ݏ) (3 ) 식 (3 )는 평균 처리량(Average Throughput)을 나타낸다. 처 리량은 네트워크를 통해 소스 노드에서 목적지 노드로 전송되는 데이터의 양으로 처리량이 높을수록 좋은 성능 을 나타낸다.

Packet Loss Ratio =

்௢௧௔௟ ்௥௔௡௦௠௜௦௦௜௢௡ ௉௔௖௞௘௧௦ି ்௢௧௔௟ ோ௘௖௘௜௩௘ௗ ௉௔௖௞௘௧௦

்௢௧௔௟ ்௥௔௡௦௠௜௦௦௜௢௡ ௉௔௖௞௘௧௦

× 100 (%)

패킷 손실률이 낮을수록 좋은 성능을 나타낸다.

E2E Delay = ௌ௨௠ ௢௙ ஽௘௟௔௬

்௢௧௔௟ ோ௘௖௘௜௩௘ௗ ௉௔௖௞௘௧௦ (݉ݏ) (5) 식 (5)는 평균 지연 시간(E2E Delay, Average End to End Delay)을 나타낸다. 평균 지연 시간이 작을 수록 좋은 성 능을 나타낸다.

김기완 70

Table 2. Simulation Parameters and Environment for MANET

Simulation Parameter Value Operating System Ubuntu 16.04.7

Simulator NS3(Version 3.26)

Number of Nodes 10, 20, 30, 40, 50, 60

Number of Sinks 1

Mac Standard 802.11b

Node Speed 0 - 20 m/s

Pause Time 0

Wi-Fi Mode Ad-Hoc

Wi-Fi Rate 2 Mbps

Mobility Model Random Waypoint Position Allocator Random Rectangular Propagation Delay Model Constant Speed

Propagation Loss Model

Simulation Time 300 seconds

Simulation Area 1000m x1000m

Data Rate 8192 bps

Size of Data Packets 128 Bytes Routing Protocols DSDV, AODV

Fig. 5(a) Comparison of Packet Delivery Ratio (Continuous ON Period).

Fig. 5(b) Comparison of Packet Delivery Ratio (ON/OFF Period : Exponential Distribution).

Fig. 5(c) Comparison of Packet Delivery Ratio (ON/OFF Period : Pareto Distribution).

Fig. 5(a), Fig. 5(b), Fig. 5(c)는 이동 노드들의 개수가 각각 10, 20, 30, 40, 50, 그리고 60개인 경우 DSDV, OLSR 그리고 AODV 프로토콜 시스템의 패킷 손실률을 나타낸다. ON 상태만 갖는 Fig. 5(a)에서 OLSR 프로토콜 시스템이 이동 노드들의 개수가 3 0개 까지는 가장 낮은 패킷 손실률을 나타내고 노드들의 개수가 40개 이상에서는 AODV 프로 토콜 시스템의 패킷 손실률이 가장 낮은 것을 알 수 있다.

또한 DSDV 프로토콜 시스템의 패킷 손실률이 상대적으 로 가장 높은 것을 알 수 있다. ON/OFF 상태의 지속 기간 을 갖는 Fig. 5(b)와 Fig. 5(c)에서 전반적으로 AODV 프로토 콜 시스템의 성능이 가장 우수하며 DSDV 프로토콜 시스 템의 패킷 손실률이 가장 높은 것을 알 수 있다.

Fig. 6(a) Comparison of Throughput (Continuous ON Period).

Fig. 6(b) Comparison of Throughput

(ON/OFF Period : Exponential Distribution).

다양한 데이터 트래픽을 갖는 이동 애드혹 네트워크용 라우팅 프로토콜의 성능 분석 71

Fig. 6(c) Comparison of Throughput

(ON/OFF Period : Pareto Distribution).

Fig. 6(a), Fig. 6(b), Fig. 6(c)는 DSDV, OLSR 그리고 AODV 프 로토콜 시스템의 처리량을 나타낸다. 결과로부터 OLSR 프로토콜 시스템의 처리량이 전반적으로 우수함을 알 수 있다.

Fig. 7(a), Fig. 7(b), Fig. 7(c)는 DSDV, OLSR 그리고 AODV 프 로토콜 시스템의 평균 지연시간을 나타낸다. 트래픽에 관계없이 AODV 프로토콜 시스템은 이동 노드들의 개수 가 증가할수록 평균 지연 시간이 길어지며 다른 두 시스 템에 비해 상대적으로 가장 긴 지연 시간을 갖는다는 것 을 알 수 있다. 또한 OLSR의 지연 시간이 가장 짧아 우수 한 성능을 나타낸다.

Fig. 7(a) Comparison of Average End to End Delay (Continuous ON Period).

Fig. 7(b) Comparison of Average End to End Delay (ON/OFF Period : Exponential Distribution).

Fig. 7(c) Comparison of Average End to End Delay (ON/OFF Period : Pareto Distribution).

4. 결론 및 향후 과제

본 논문에서는 다양한 트래픽 환경에서 시뮬레이션을 수행하기 위해 ON/OFF 트래픽 모델을 사용하였다.

ON/OFF 상태의 지속기간은 상수, 지수 분포 그리고 Pareto 분포로 가정 후 발생시킨 랜덤 값으로 트래픽을 생성함 으로써 기존의 논문에서 사용한 균일한 값으로 데이터가 발생되는 환경이 아닌 데이터의 발생 간격이 불규칙한 트래픽을 이용하여 MANET 프로토콜의 성능을 분석하였 다. 성능 분석 결과 패킷 손실률은 이동 노드들의 개수가 증가할수록 ADOV 프로토콜 시스템이 우수하며 처리율 과 지연 시간은 전반적으로 OLSR 프로토콜 시스템의 성 능이 우수함을 알 수 있다. 또한 데이터 발생 간격이 더 욱 불규칙한 트래픽을 발생시키기 위해 시뮬레이션 시간 을 길게 하고 송신 노드의 개수를 다양하게 설정하여 이 동 애드혹 네트워크 시스템의 성능을 분석하는 것이 필 요하다.

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14. http://www.nsnam.org.

접수일: 2021년 5월 20일, 심사일: 2021년 6월 4일, 게재확정일: 2021년 6월 18일