Design and Implementation of an Efficient Routing Solution for LLNs
No Thumbnail Available
Date
2021
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Saudi Digital Library
Abstract
Low-power and Lossy Networks (LLNs) have become the common network infrastructure for a wide scope of Internet of Things (IoT) applications. For efficient routing in LLNS, IETF provides a standard solution, namely the IPv6 Routing Protocol for LLNS (RPL). It enables effective interconnectivity with IP networks and can flexibly meet the different application requirements of IoT deployments. However, it still suffers from different open issues, particularly in large-scale setups. These include the node unreachability problem which leads to increased routing losses at RPL sink nodes. It is a result of memory overflow at LLNS devices due to their limited hardware capabilities. Although this can be alleviated by the establishment of multi-sink topologies, RPL still lacks the support for effective load balancing among multiple sinks. In this work, we address the need for an efficient multi-sink load balancing solution to enhance the performance of PRL in large-scale scenarios and alleviate the node unreachability problem. In this thesis, a new RPL objective function, Multi-Sink Load Balancing Objective Function (MSLBOF), is proposed and a composite Memory Utilization metric is introduced. MSLBOF enables each RPL node to perform optimal sink selection in a way that insure better memory utilization and effective load balancing. Evaluation results demonstrate the efficiency of MSLBOF in decreasing packet loss and enhancing network stability, compared to MRHOF in standard RPL.
Description
إنترنت الأشياء تعتبر من التقنيات الشائعة في الوقت الحاضر والتي جذبت العديد من الشركات والصناعات عالميا. هذا ليس فقط على الصعيد العالمي ولكن أيضا على الصعيد الوطني في المملكة العربية السعودية، باعتبارها واحدة من البلدان التي شهدت تطورا ملحوظا منذ انطلاق الرؤية السعودية 2030 ، بدأت الرحلة نحو اقتصاد أكثر ذكاء وابتكاراً والاعتماد على التكنولوجيا بشكل أكثر تقدما . أحد أهداف الرؤية السعودية 2030 هو الاستثمار في تحديث البنية التحتية الحالية في عدد من البيئات لتوفير حياة أفضل. ومن الواضح أن تكنولوجيا إنترنت الأشياء ستؤدي دورا هاما في هذا السياق. وبناء على ذلك، فقد بذلت جهود كثيرة في سبيل دعم الاتجاه نحو الاستفادة من تقنيات إنترنت الأشياء في المملكة العربية السعودية. وفي الأونة الأخيرة، تم تنظيم العديد من الأحداث المتصلة بإنترنت الأشياء ورعايتها من قبل قطاعات حكومية مختلفة. في يناير 2018 ، عقد أول معرض سعودي دولي لإنترنت الأشياء في الرياض تحت رعاية وزارة الاتصالات وتكنولوجيا المعلومات في المملكة العربية السعودية. وقبل ذلك، قامت وزارة الشؤون البلدية والقروية، في أيار/مايو 2017، بتنظيم مؤتمر دولي في المدن الذكية كأحد تطبيقات إنترنت الأشياء والذي ضم أكثر من 700 مشارك من الوزارات والجهات الحكومية من مختلف أنحاء المملكة العربية السعودية. وكان التركيز على زيادة الوعي حول أفضل الممارسات والتقنيات والمنتجات الحديثة التي من شأنها أن تلعب دورا رئيسيا في تطوير تطبيقات إنترنت الأشياء القادمة في المملكة العربية السعودية. ويمكننا أن نرى أن هناك اهتماما مستمرا بنشر إنترنت الأشياء وتطبيقاتها في المملكة العربية السعودية. ويستند مفهوم إنترنت الأشياء إلى عدد من جوانب الحوسبة الرئيسية، بما في ذلك الربط الشبكي عبر الشبكات المنخفضة القدرة والحساسة وتوفر هذه النوعية من الشبكات ولا سيما شبكات الاستشعار اللاسلكية، بنية أساسية لتطبيقات إنترنت الأشياء في مجالات متعددة مثل الصناعة والمدن الذكية والزراعة والطوارئ. تقدم هذه الشبكات نموذجا جديدا من الشبكات التي يمكن أن تضمن تعقيد حوسبي وتكلفة أقل. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحسين الترابط بين الأجهزة بهدف كفاءة الطاقة باستخدام الاتصالات منخفضة الطاقة من ناحية أخرى، يتم بناء طوبولوجيا الشبكة بالاعتماد على وصلات لاسلكية باستخدام النطاق الترددي المنخفض ذو معدل خسارة عالي بين عدد من أجهزة الشبكة ذات الأحجام الصغيرة وقدرات محدودة في الذاكرة التخزين وحدة المعالجة المركزية والطاقة. هذه الخصائص لذلك النوع من الشبكات يجعل مهمه إنجاح توجيه البيانات مهمة صعبة لإنجازها بكفاءة. ولذلك فإن النشر الواسع لمثل هذه الشبكات لدعم تطبيقات إنترنت الأشياء بشكل فعال لا يمكن تحقيقه باستخدام بروتوكولات توجيه الشبكة المحلية والمستخدمة في الأنترنت. ومن الصعب التصدي لهذا التحدي بفعالية باستخدام بروتوكولات التوجيه اللاسلكي التقليدية المصممة دون التقيد بخصائص شبكات إنترنت الأشياء. أدى ذلك إلى تقديم بروتوكول توجيه IPv6 للشبكات المنخفضة القدرة والحساسة والذي يأخذ بعين خصائص شبكات إنترنت الأشياء. هذا البروتوكول يمكن من إنشاء طوبولوجيا شبكة منظم يتيح سهولة إدارة التوجيه ونقل البيانات الفعالة مع انخفاض تكاليف الحوسبة والاتصالات والطاقة كونه بروتوكول يستند إلى IPv6، يعتبر مرشح شعبية لتمكين توجيه IPv6 كامل على مستوى الإنترنت هذا البروتوكول بشكله القياسي يوفر إطار توجيه أساسي ولكنه مرن جدا ولديه مساحة كبيرة لتحسين كفاءته إلى حد أبعد. وهذا يتيح دمج آليات التوجيه المتقدمة في هذا الإطار هو نهج عملي لتحقيق نماذج توجيه أفضل هذا البرتوكول يدعم ترابط الأجهزة في بنية طوبوغرافية ولكنها ذات بوابة واحدة بشكل يتم فيه جمع البيانات وتوجيه اتصالات الإنترنت عبر إتصال إنترنت واحد من خلال جهاز شبكة محدد. على الرغم من أن الاتصال من خلال بوابة واحدة تقلل من تعقيد البروتوكول وتكلفة التنفيذ، لكن توسيع نطاق هذا النموذج لدعم إنشاء بوابات متعددة يدعم تسهيل إدارة الشبكة بشكل فعال ويفتح المجال لتحسين أداء الشبكة. وهذا يتيح تحقيق عدد من جوانب الشبكية المتقدمة بما في ذلك توزيع الحمولة، ومراقبة الازدحام، وإدارة جودة الخدمة، وموازنة الطاقة، ودعم التنقل، ومعالجة فشل الشبكة. الهدف من رسالة الماجستير هذه هو المساهمة العلمية والتطبيقية في تطوير وتحسين ذلك البروتوكول، والذي يعتبر واحد من بروتوكولات التوجيه المرشحة لتمكين توجيه IPv6 كامل على مستوى الإنترنت. وينصب التركيز على تحسين الأداء الشبكي وتحسين كفاءة البروتوكول من خلال توسيع النموذج الحالي للبروتوكول ليدعم الاتصال والتوجيه متعدد البوابات كما أشير اليه سابقا في هذا الملخص ومن شأن ذلك أن يزيد من متانة البروتوكول ليفتح الأفاق لإيجاد حلول أكثر كفاءة وقابلية للتطبيق في العديد من تطبيقات إنترنت الأشياء باستخدام برنامج محاكاة شبكات الاستشعار اللاسلكية الأكثر شعبية "الكوجا" ، سيتم تنفيذ وتطبيق الحل المقترح ومن ثم تقييمه واختباره، مع الأخذ في الاعتبار إعدادات وسيناريوهات شبكية مختلفة وكذلك المقاييس الشبكية ومقاييس أداء الشبكة.
Keywords
Low-power lossy network (LLN), Wireless Sensor Network (WSN), RPL, Load Balancing, Multi-Sink, إنترنت الأشياء, شبكات المستشعرات اللاسلكية, توجيه الشبكة, هيكلة الشبكة