Ants-in-Mesh Routing Protocol for Wireless Mesh Network

1. Ants-in-Mesh Routing Protocol for WirelessMesh Network Chen Yuan, AnjaliAgarwal Department of Electrical and Computer Engineering Concordia University, Montreal, Canada {ch_yuan, aagarwal}@encs.concordia.ca 指導老師：郭文興 學生：黃仁襄

2. Abstract • 無線網格網路(WMNs)因快速發展和及時通訊能力在最近非常普及 • 本篇提出Ants-in-Mesh (AIM)協定，這想法從Ant Colony Optimization (ACO)架構出來的 • AIM代理程式保持著局部連結狀態，定期的交流Hello訊息 • 模擬結果指出，在封包傳送率及總端對端延遲上，AIM勝過AODV

3. Outline • I. INTRODUCTION • II. RELATED WORK • III. ANTS IN MESH ROUTING PROTOCOL • A. Ants Routing Model • B. On-Demand Path Setup • C. Data Routing and Load Balancing • D. Proactive Path Maintenance and Link Detection 1) Proactive Path Maintenance 2) Link Detection • E. Link Failure

4. Outline • IV. SIMULATION EXPERIMENTS • A. Performance Metrics • B. Simulation Environment • C. Simulation Results • V. CONCLUSION • VI. REFERENCES

5. INTRODUCTION • Wireless mesh network (WMN)提供了新方法將無線網路及其他分離的網路合為一體 • WMN是一種自我組織和自我配置的網路，藉著節點自動建立ad hoc網路和維持網格的連通性 • WMNs包含了2種要素：mesh routers和mesh clients • mesh router包含額外的強大功能去支援網格網路 • 例：以更低功率到達相同的傳遞範圍 多種介面上的通訊

6. INTRODUCTION • 由於缺少適合的路由協定，ad hoc路由協定被用來替代 • 因此，增進目前的協定或發明新的協定是急迫的 • 本篇提出Ants-in-Mesh (AIM)路由協定來改進WMN的性能

7. RELATED WORK • [1]: 無線網格網路的探測 • [2]: 螞蟻演算法對於路徑的探查行為 • [3]: 螞蟻演算法起源及應用TSP • [4]: 最先想把螞蟻演算法應用於路由上 • [5]:AntNet的提出 • [6]:Accelerated Ants Routing對於動態網路 • [7]: 將Ant和AODV混合使用於ad hoc網路 • [8] : Ant-Colony-Based Routing algorithm (ARA)的 建立

8. RELATED WORK • [9, 10, 11]: 多種ACO演算法應用在ad hoc網路上 • [12]:AODV • [13] : DSR • [14] : OLSR • [15] : topology broadcast based on reverse-path forwarding (TBRPF) protocol • [16] : 使802.11標準化規範草稿

9. ANTS IN MESH ROUTING PROTOCOL • AIM主要是設計給WMNs的，是一種多路徑單一無線電波路由算法。 • AIM在每個router和client上放入多功能的螞蟻代理程式 • 這些代理程式利用排表及開展不同類型的螞蟻(被動、主動；正向、反向) • AIM在建立路徑上採納了on-demand的方案

10. AIM ROUTING PROTOCOL • 在代理程式安排下，一定數量的正向被動螞蟻在出發點，為了找出往目的地的多條路徑 • 在目的地接收了多條路徑上的螞蟻後，會決定哪些路徑可以使用，然後使用反向的螞蟻去證實 • AIM藉由定期的送出正向的主動螞蟻監控著end-to-end路徑 • 由於網路拓樸可能隨機改變，本地連結狀態在one hop內，藉由”Hello”訊息來更新

11. A. Ants Routing Model • G(V, E)表為無向的網路 • V為節點集合，E為連結集合 • 為在連結(i, j)上的費洛蒙密度 • Γ{|eij, eij E} 為在E裡連結上的費洛蒙集合 • AIM為G(V, E, Γ)

12. A. Ants Routing Model • 為時間在t+1的連結(i, j)上的費洛蒙量 • ρ為費洛蒙蒸發率 • 為增加的費洛蒙

13. A. Ants Routing Model • Tdelay為單連結的round trip time(RTT) • N為節點的連結數量 • Tthres和Nthres為相關的界限值 • α,β分別為RTT和連結數量的係數

14. B. On-Demand Path Setup • 第一階段，出發點s想跟目的地d通訊，但s沒有可利用的路由資訊，s向在它無線電波範圍內所有的鄰居廣播正向被動螞蟻FA[s,d]。 • 每一FA[s,d]帶有群集識別、世代別、出發點和目的地位址、時間郵戳和空的堆疊(用來記錄前進的路由)。

15. B. On-Demand Path Setup • 在每個中繼點，當代理程式接收FA[s,d]後，會把當前的節點ID放進stack裡去記錄路由。 • 同時，代理程式查路由表去找出有較佳費洛蒙值的下一連結，找到數個下一連結時，這一代螞蟻會複製成一定數量的下一代螞蟻，而新生的螞蟻被分別的送往下一節點

16. B. On-Demand Path Setup • 但中繼點可能會收到相同群集的螞蟻，不是較年輕的世代，代理程式就會丟棄 • 螞蟻的傳遞時間或hop數量超過限制，也會被丟棄 • 為避免節點過度使用，及更有效的利用網路資源，目的地必須知道全部在可用的路由上的路徑，以便選擇路由。 • 此外，我們注重在k條較佳的end-to-end路徑上，所以中繼點沒有路由可以比較或判定，在中繼點上就沒必要儲存路由資訊

17. B. On-Demand Path Setup • 每個目的地都有為了從出發點前進的螞蟻設置的計數器和計時器 • 第一隻合格的螞蟻抵達目的地時啟動計數器和計時器。 • 當計數器或計時器達到界限時，任何從出發點繼續前進的螞蟻會停止；而那些合格的螞蟻完全地變成反向去確定路徑 • 在回出發點的路徑上，螞蟻會利用eq(4)和eq(5)來更新費洛蒙

18. B. On-Demand Path Setup • Eq(4).(5)為每條路徑上的end-to-end費洛蒙值 • Tdelay為end-to-end的round trip time(RTT) • Nmax為路由上節點連結數的最大值 • H為出發點與目的地間的hop數

19. B. On-Demand Path Setup • 出發點的結構跟目的地相似都有計數器和計時器，當第一隻反向螞蟻到達時啟動 • 所有反向螞蟻上對應的費洛蒙值和確定路徑都會被儲存 • 當出發點收到足夠的螞蟻或計時器到界限時，就開始傳送資料 • 如果在時間內接收不到任何一隻螞蟻，正向螞蟻就會再開始尋找路由

20. C. Data Routing and Load Balancing • 當出發點得到好幾條路由時，等待傳送的資料根據費洛蒙值，被分配在多條不相交的路徑上 • 越高費洛蒙值的路徑就分配越多的資料 • 當開始傳送，不需要決定要往哪個下一連結去，根據確定的路徑前進直到到達目的地

21. D. Proactive Path Maintenance and Link Detection • 因為網路拓樸的改變，我們需要網路最新的資訊，因此定期路徑的維持和每一hop的偵查是被需要的

22. 1) Proactive Path Maintenance • 在AIM裡，主動的螞蟻有一定的比例用來驗證路徑，主要有兩個目的： • 1. 確定路徑仍然有效 • 2. 更新在出發點和目的地的end-to-end費洛蒙表

23. 2) Link Detection • mesh routers和mesh clients都應持有跟鄰居之間的資訊，包括RTT、可用頻寬，和費洛蒙值 • 為了使網路更即時更精確，HELLO訊息被用來查跟鄰居之間的連結和更新路由資訊 • HELLO訊息包含了：(sender_addr)、 (send_time)和可用頻寬 • 節點每Thello秒就廣播一次HELLO訊息

24. 2) Link Detection • 如果發送點的資訊對於接收點有用的話，接收點會在鄰居表上更新相關的值，或者在鄰居表上建立一條新項目 • 接收點也傳回HELLO訊息來讓發送點更新自己的鄰居表 • 經過第一次交流後，所有相關的節點每Thello秒就會從鄰居收到HELLO訊息

25. E. Link Failure • 假如鄰居在規定期間內沒有回應或動作，這鄰居就從鄰居表和路由表上移除 • 期間為Thellox Loss Threshold • 假設排定的監控和封包傳輸失敗，對於這失敗的連結兩端點會發出通知，當出發點和目的地收到通知，它們會刪除這條路徑並重新分配。 • 一旦缺失的路由達到界限，出發點會開始尋找路徑而不影響現有路由

26. SIMULATION EXPERIMENTS • 使用QualNet [18]來模擬我們的AIM協定，並且跟AODV做比較 • [18]模擬網路的程式

27. A. Performance Metrics • 2個演算法比較： • 封包傳達率(PDR) • 總end-to-end延遲 • 路由過載

28. B. Simulation Environment • 為了因應多變的模擬要求，會設置2種環境來模擬 • 上圖為模擬一的網路架構

29. B. Simulation Environment • 模擬參數如表一 • 模擬共20次，每次 都由隨機節點開始

30. B. Simulation Environment • 第二個設置，評估對於不同網路規模裡，協定的可擴展性 • 資料流量由20個固定位元速率(CBR)來源，每秒發送一個512-byte封包 • 節點根據random waypoint model [21]來移動，移動速度從0m/s~10m/s，暫停時間為30s，每個實驗做400s

31. C. Simulation Results • Effect of Speed on Mobility

32. C. Simulation Results • 但較好的表現也 帶有較多的代價 • 當clients移動率更高時， overhead也更大

33. C. Simulation Results • Effect of Pause Time on Mobility

34. C. Simulation Results • Network Size

35. CONCLUSION • 本篇提出基於Ant-Colony-Optimization(ACO)上的Ants-in-Mesh(AIM)，是一個對於動態路由的無線網格網路的方法 • 路由的決定只在目的地端 • 在路徑建立和路由維持上分別都有被動及主動元件 • 模擬結果證實了AIM在封包傳遞率及總延遲都比AODV來的好 • 不過AIM比AODV產生了更大的overhead，這是因為有很多多功能的螞蟻封包造成的

36. REFERENCES • [1] Ian F. Akyildiz, Xudong Wang, Weilin Wang, “Wireless meshnetworks: a survey,” Computer Networks and ISDN Systems, vol.47, no. 4, pp. 445-487, March 2005. • [2] R. Beckers, J.L. Deneubourg, S. Goss, “Trails and u-turns in theselection of a path by the ant Lasiusniger,” vol. 159, no. 4, pp. 397-415, 1992. • [3] A. Colomi, M. Dorigo, V. Maniezzo, “Distributed optimizationby ant colonies,” Proceedings of the European Conference onArtificial Life, pp. 134-142, 1991. • [4] R. Schoonderwoerd, O. Holland, J. Bruten, L. Rothkrantz. “Antbasedload balancing in telecommunications networks,” AdaptiveBehavior, vol. 5, no. 2, pp. 169-207, 1996. • [5] G. Di Caro, M. Dorigo. “AntNet: Distributed stigmergeticcontrol for communications networks,” Journal of ArtificialIntelligence Research (JAIR), vol. 9, pp. 317–365, 1998.

37. REFERENCES • [6] H. Matsuo, K. Mori. “Accelerated ants routing in dynamicnetworks,” 2nd Int. Conf. on Software Engineering, ArtificialIntelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing, 2001. • [7] S. Marwaha, C. K. Tham, D. Srinivasan. “Mobile agents basedrouting protocol for mobile ad hoc networks,” Proceedings of IEEEGlobecom, 2002. • [8] M Gunes, U Sorges, I Bouazizi. “Colony based routingalgorithm for MANETS,” Proceedings of the ICPP InternationalWorkshop on Ad Hoc Networks (IWAHN), 2002. • [9] M Heissenbuttel, T Braun. “Ants-based routing in large scalemobile ad-hoc networks,” Kommunikation in verteilten Systemen(KiVS03), March 2003. • [10] M. Roth, S. Wicker. “Termite: Emergent ad-hoc networking,”The Second Mediterranean Workshop on Ad-Hoc Networks, 2003.

38. REFERENCES • [11] Shen, C.-C., Jaikaeo, C., Srisathapornphat, C., Huang, Z.,Rajagopalan, S. “Ad hoc networking with swarm intelligence,”Proceedings of 4th International Workshop on Ant Algorithms.Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, Berlin,Germany. 2004. • [12] C. Perkins, E. Belding-Royer, S. Das, “Ad hoc on-demanddistance vector (AODV) routing,” IETF RFC 3561, July 2003. • [13] D.B. Johnson, D.A. Maltz, Y.-C. Hu, “The Dynamic SourceRouting Protocol (DSR) for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4”IETF RFC 4728, July 2004. • [14] T. Clausen and P. Jacquet, “Optimized Link State RoutingProtocol (OLSR),” RFC 3626, October 2003. • [15] R. Ogier, F. Templin, M. Lewis, “Topology disseminationbased on reverse-path forwarding (TBRPF),” IETF RFC 3684,February 2004.

39. REFERENCES • [16] IEEE unapproved draft IEEE P802.11s/D1.09, “Draft Standardfor Information Technology -Telecommunications and InformationExchange between Systems - LAN/MAN Specific Requirements -Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and PhysicalLayer (PHY) Specifications: Amendment: Mesh Networking,”March 2008. • [17] S. Lee and M. Gerla. “Split Multipath Routing with MaximallyDisjoint Paths in Ad Hoc Networks,” IEEE ICC, pp. 3201-3205,2001. • [18] Scalable Network Technologies, Qualnet 4.0,http://www.scalable-networks.com. • [19] F. Ducatelle, G. Di Caro, L.M. Gambardella. “Ant agents forhybrid multipath routing in mobile ad hoc networks,” Proceedingsof The Second Annual Conference on Wireless On demandNetwork Systems and Services (WONSS), January 2005.

40. REFERENCES • [20] Sung-Ju Lee, Elizabeth M. Belding-Royer, Charles E. Perkins.“Scalability study of the ad hoc on-demand distance vector routingprotocol,” International Journal of Network Management, vol. 13,no. 2, pp. 97-114, March/April 2003. • [21] D. Johnson and D. Maltz. Mobile Computing, chapterDynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks, pp. 153–181. Kluwer, 1996.