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.

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

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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)
 Hierárquico
 Geográfico
 RPL
 Conclusão
 Referências

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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?

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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

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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)

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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

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 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

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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 até alcançar o sink
 Redundância de dados (gossiping reduz
selecionando nó aleatório)
 Atraso na propagação
(AKKAYA; YOUNIS, 2005)

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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)

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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)

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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)

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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 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)

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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

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Protocolos – Roteamento
Hierárquico
 PEGASIS (2/2)
Fonte: http://pt.slideshare.net/ZubinBhuyan/energy-efficient-data-gathering-protocol-in-wsn

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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)

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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)

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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)

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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???

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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

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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 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

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 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)

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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

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 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

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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