Mobile Ad Hoc 네트워크에서 그룹 이동성을 지원하는 논리적 협업 개체 기반의 멀티캐스트 구조 : Logical Cooperative Entity-based Multicast Architecture Supporting Group Mobility in MANETs

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since some mobile nodes have a tightly-coupled movement behavior in mobile ad hoc networks, there are some demands for the architecture to efficiently support a multicast routing among mobile nodes with tightly-coupled group mobility. Mobile nodes that belong to the set of nodes with tightly-coupled movement behavior have the same mission in some applications. We define a logical cooperative entity as the set of nodes with the same mission and the tightly-coupled group mobility in this domain. As this definition, the tightly-coupled group mobility is actually a quite general mobility pattern in the real world, especially in military application scenarios and disaster recovery environments. Traditional ad hoc multicast protocols which consider characteristics of the loosely-coupled movement behavior cannot efficiently support those applications. Therefore, the multicast protocol that supports the tightly-coupled group mobility becomes a new challenge in mobile ad hoc networks.
Several researches have recently been proposed, such as M-LANMAR, to support group mobility in mobile ad hoc networks. This protocol supports group mobility in mobile ad hoc networks where all nodes are classified to the set of nodes with the similar mobility pattern. It is specialized multicast protocol suitable for mobile ad hoc networks only with the groups of moving nodes. So, we need a generalized multicast protocol supporting tightly-coupled group mobility in mobile ad hoc networks where groups of moving nodes and individually moving nodes coexist generally. We also need a multicast architecture that can effectively simplify problem of scalability and protocol overhead, which all multicast protocols are usually faced with, to be suitable for mobile ad hoc networks with groups of moving nodes and individually moving nodes all together.
We can regard the set of nodes with the same mobility pattern as a logical cooperative entity with the multiple interfaces by applying conventional hierarchical architecture as well as cluster concept. This technique can easily manage a multicast routing by simplifying the group mobility of groups of moving nodes. Mobile nodes composed of a logical cooperative entity play a role of the entity's interface dynamically and make a cooperative relationship all together within the entity. In this thesis, we propose a new multicast architecture and multicast routing protocols, called Logical Cooperative entity-based Multicast Architecture (LOCOMA), by utilizing previous ad hoc multicast protocols efficiently. The proposed architecture uses a logical cooperative entity concept, two-tiered hierarchical overlay multicast, and stateless multicast with a geometric location.
To demonstrate the performance of LOCOMA protocols, we perform simulation. With simulation results, we can identify that our proposed protocol outperforms existing protocols and supports the scalability and the efficient data transmission utilizing the characteristics of the group mobility.

국문 초록 (Abstract)

이동 에드 혹 망에서 상호간에 밀집하여 그룹으로 이동하는 노드들간의 멀티캐스트 라우팅을 효율적으로 지원할 수 있는 구조의 필요성이 대두된다. 상호간에 밀집하여 그룹으로 이동하는 특성을 가지는 이동 노드들은 임의의 어플리케이션에서 동일한 임무를 수행하는 특성을 가진다. 이 도메인에서는 논리적 협업 개체를 상호간에 밀집하여 그룹으로 이동하면서 동일한 임무를 수행하는 노드들의 집합으로 정의한다. 이 정의에 따르면, 상호 밀집형 그룹 이동성은 실 세계에서, 특히 군사 어플리케이션 시나리오나 재난 복구 환경에서 실제로 가장 일반적인 이동 패턴이다. 일반적으로 노드들이 상호 협력하여 이동하는 특성을 고려한 전통적인 에드 혹 멀티케스트 프로토콜은 이러한 어플리케이션들을 효율적으로 지원할 수 없다. 그래서, 상호 밀집형 그룹 이동성의 특성을 지원하는 멀티캐스트 프로토콜은 이동 에드 혹 망에서 새롭게 도전해 보아야 할 목표 중 하나이다.
최근에 M-LANMAR와 같은 여러 연구들이 에드 혹 망에서 그룹 이동성을 지원하도록 제안되었다. 이 프로토코톨은 모든 노드가 비슷한 이동 패턴을 갖는 노드들의 집합으로 분류되는 망에서 그룹 이동성을 지원한다. 이것은 노드들의 집합으로만 구성된 에드 혹 망에 적합한 특성화된 멀티캐스트 프로토콜이다. 그래서, 일반적으로 그룹과 개별 노드가 공전하면서 이동하는 구조를 갖는 에드 혹 망에서 상호 밀집형 그룹 이동성을 지원할 수 있는 멀티캐스트 프로토콜이 필요하게 되었다. 또한, 모든 멀티케스트 프로토콜이 일반적으로 직면하는 확장성과 프로토콜 오버헤드의 문제점을 그룹과 개별 노드가 공존하는 에드 혹 망에 적합하게 효과적으로 단순화 시킬 수 있는 구조가 필요하다.
기존의 계층적 구조와 클러스터의 개념을 함께 적용하여, 하나의 그룹을 여러 개의 인터페이스를 갖는 하나의 논리적 협업 개체로 간주할 수 있으며, 이것은 그룹 이동성을 개별 노드의 이동성으로 단순화하여 처리할 수 있다. 그리고, 하나의 논리적 협업 개체를 구성하는 이동 노드들간에는 논리적 개체의 인터페이스 역할을 동적으로 수행하여 긴밀히 상호 협력하는 관계를 형성한다. 본 논문에서는, 기존의 에드 혹 멀티케스트 프로토콜들을 효율적으로 활용하여 그룹 이동성을 지원할 수 있는 논리적 협업 개체 기반의 멀티케스트 구조와 멀티캐스트 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안된 구조는 논리적 협업 개체 개념, 계층적 오버레이 멀티케스트, 위치기반의 무상태 멀티캐스트를 사용한다.
논리적 협업 개체 기반의 멀티케스트 프로토콜의 성능을 나타내기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이셔녀 결과를 보면, 제안된 프로토콜이 기존의 프로토콜을 성능을 능가하고 그룹 이동의 특성을 활용하여 효율적인 데이터 전송과 확장성을 지원한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Goal and Scope 3
• 1.3 Document Organization 6
• Chapter 2. PREVIOUS WORKS 7
• 2.1 Group Mobility Model 7
• 2.1.1 RPGM 8
• 2.1.2 RVGM 8
• 2.1.3 RRGM 9
• 2.2 Non-Hierarchical Approaches in MANET Multicast 10
• 2.2.1 Tree-based Schemes 10
• 2.2.2 Mesh-based Schemes 16
• 2.2.3 Hybrid Approaches 20
• 2.2.4 Stateless Approaches 21
• 2.3 Hierarchical Approaches in MANET Multicast 24
• 2.3.1 Hierarchical Methods 24
• 2.3.2 Overlay Methods 30
• Chapter 3. LOCOMA 42
• 3.1 Design Issues and Features 43
• 3.1.1 Problem in the Group Mobility 43
• 3.1.2 Design Principles and Features 45
• 3.2 Architecture 47
• 3.2.1 Logical Cooperative Entity 48
• 3.2.2 Two-tiered Multicast Architecture 49
• 3.2.3 Underlying Protocol 55
• 3.3 Multicast Protocol 57
• 3.3.1 Inter-group Multicast Protocol 57
• 3.3.2 Intra-group Multicast Protocol 63
• 3.4 Multicast Group Membership 72
• 3.4.1 Join Process 72
• 3.4.2 Leave Process 74
• 3.5 Multicast Tree Maintenance 76
• 3.5.1 Group Merge/Split 76
• 3.5.2 Membership/Location Update 77
• 3.5.3 Reliable Data Delivery over the Inter-Group 80
• 3.5.4 Reliable Data Delivery over the Intra-Group 80
• Chapter 4. PERFORMANCE EVALUATION 82
• 4.1 Simulation Environment 82
• 4.1.1 Scenario 83
• 4.1.2 Metrics 84
• 4.2 LOCOMA 85
• 4.2.1 Packet Delivery Ratio 85
• 4.2.2 Packet Latency 87
• 4.2.3 Normalized Control Overhead 89
• 4.2.4 Normalized Delivery Overhead 92
• 4.3 Comparison with M-LANMAR 95
• 4.3.1 Packet Delivery Ratio 95
• 4.3.2 Packet Latency 99
• 4.3.3 Normalized Control Overhead 100
• 4.3.4 Normalized Delivery Overhead 104
• 4.4 Effectiveness of Logical Cooperative Entity 108
• Chapter 5. CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS 111
• 5.1 Summary 111
• 5.2 Future Works 112
• Bibliography 113
• Acronyms 119
• Abstract in Korean 120