GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks

1. GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for WirelessNetworks Brad Karp & H. T. Kung , Harvard University MOBICOM 2000 Boston MA USA 教授：郭文興 老師 學生：楊舒智

2. ABSTRACT • 我們提出一個貪婪週邊路由GPSR，在無線網路裡面也是基於位置的路由，封包可以藉由這個路由決定他們的目的地。 • 當封包到達一個貪婪機制無法運作的區域中，演算法將會從這個區域中的周圍重新取得資訊。 • 在流動頻繁的拓墣改變之下，GPSR可以藉由局部的拓璞資訊來找到正確的新路由。

3. 目錄 • INTRODUCTION • ALGORITHMS AND EXAMPLES 2.1 Greedy Forwarding 2.2 The Right-Hand Rule: Perimeters 2.3 Planarized Graphs 2.4 Combining Greedy and Planar Perimeters

4. 目錄 • SIMULATION RESULTS AND EVALUATION 3.1 Simulation Environment 3.2 Packet Delivery Success Rate 3.3 Routing Protocol Overhead 3.4 Path Length 3.5 Effect of Network Diameter • CONCLUSION

5. 1. INTRODUCTION • 在動態的無線網路中，拓墣改變相當的快速，使用距離向量(DV)、連結狀態(LS)和路徑向量的路由演算法是比較被大家接受的。 • DV和LS演算法會要求重複分配目前的網路拓墣給全部的路由。DV的Bellman-Ford算法中，每個路由藉由週期性信號計算它從目的地計算過來的距離。 • LS的Dijkstra算法是接近直接flood的方法通知所有連結中的每個路由。

6. 1. INTRODUCTION • 路由演算法有兩個主要因素： • 拓墣變化率。 • 路由領域裡面的路由數量。 • 這兩個因素都將會影響到DV和LS路由演算法的複雜性。

7. 2. ALGORITHMS AND EXAMPLES • 貪婪環繞路由演算法是由兩個轉發封包的方法組成的： • 貪婪轉發路由法則：可以用在任何可能的情況下。 • 環繞轉發路由法則：用在貪婪演算法無法到達的區域。

8. 2.1 Greedy Forwarding 每個節點週期性的發送一個信標(beacon)到周圍的節點，信標裡面只包含識別(例如IP位址)和位置 鄰近的節點在收到信標之後，藉由信標內獲得的資訊，來判斷要進行貪婪路由的節點 貪婪路由選擇傳輸範圍中，最靠近目的地的節點來傳輸，並且重複這個步驟直到到達目的地為止

9. 2.1 Greedy Forwarding

10. 2.2 The Right-Hand Rule: Perimeters

11. 2.2 The Right-Hand Rule: Perimeters

12. 2.3 Planarized Graphs (Planar 圖) • Planar：一個圖型中的任兩邊都不相交。 • 如果有一組全部都具有相同傳輸範圍 r 的節點，而每個節點都被視為一個多角型的”頂點(vertex)”，如果節點n和m之間的距離小於r的話，它的距離就可以視為一個多角型的”邊長(edge)” (n , m)。這種邊長取決於頂點之間門檻距離的圖形，就被稱為單位圖(unit graphs)。 • 相對鄰近區域圖(RNG)和Gabriel圖(GG)就是兩個planar[9][27]。

13. 2.3 Planarized Graphs (Planar 圖) • 有一個可以將圖中邊長移除的演算法，而這個不屬於RNG或GG的圖將會產生一個沒有交點的網路連結。 • 對於我們的應用，這個演算法必須執行在一個分散式節點的網路中，而節點只需要像演算法一樣的輸入一樣的局部區域拓墣。 • 可以從圖中移除邊長以達到RNG或GG的類型，但是必須要以不斷開(not disconnect)為前提。

14. RNG的定義 w到u或v的距離必須要大於或等於(u , v)，才會有一個邊長(u , v)存在於頂點u和v之間。意思就是說兩圓相交的陰影部分之中不能有u和v之外的其他節點。

15. 2.3 Planarized Graphs (Planar 圖) • 當我們有了已連接的單位圖並且移除掉不屬於RNG的邊長之後，我們必須注意不能將圖斷開。 • (u , v)邊長只有在一個情況下會被移除，就是當前面提到的w到u或是v的距離比u和v之間的距離小的時候。 • 在無障礙的無線網路中，如果不是RNG，每個已連結的元件都不會因為移除邊長而斷開(只有在RNG的時候會因為移除邊長而斷開，因為RNG的時候只有一個邊長)。

16. 2.3 Planarized Graphs (Planar 圖) • 根據之前描述的信標機制，所有節點都知道它們附近的狀況，如果u和v可以直接互通，它們必須先知道陰影區域內所有節點的情況。並且開始於它附近節點的完整清單N，每個節點u可以移除非RNG的連結如下：

17. GG的定義 如果一個以uv線段為直徑形成的圓裡面，沒有存在其他的頂點w存在於圓內，就有一個邊長(u,v)存在於頂點u和v之間。意思就是以uv為圓心構成的圓裡面不能有其他的節點存在。

18. 2.3 Planarized Graphs (Planar 圖) • 節點u可以藉由下面的程式將非GG的連結從附近節點的完整清單N中移除：

19. 2.3 Planarized Graphs (Planar 圖)

20. 2.4 Combining Greedy and Planar Perimeters

21. 2.4 Combining Greedy and Planar Perimeters

22. 2.4 Combining Greedy and Planar Perimeters X要傳送封包給D(貪婪模式) 切換到環繞模式，紀錄Lp 失敗 節點搜尋鄰近節點列表，看有沒有符合貪婪模式可以使用的節點 成功 使用planar圖和右手定則，慢慢的傳遞到下一個平面 (每到一個新平面，紀錄一個Lf) (紀錄一個e0在封包內，它代表封包進到新平面時的第一個邊長) 封包轉發給這個找到的節點 回到貪婪模式 if d(轉發節點,D)<d(Lp,D) GPSR對照Lp和轉發節點的位置 else 繼續用環繞模式轉發

23. 2.4 Combining Greedy and Planar Perimeters • 三個特例： • 當轉發的動作圍繞著一個平面時，GPSR決定是否下一次跳躍要選擇和線段xD相交的邊長。當Lp和D紀錄在封包內，而且GPSR的節點儲存了它自己和鄰近節點的資料後，GPSR所獲得的資料必須要做出決定。 • 當D無法抵達的時候(有可能是因為已經從圖中斷開)，有兩種情況：斷開的節點位於內部平面；斷開的節點位於外部平面。GPSR將會轉發一個環繞模式的封包，直到這個封包抵達對應的平面上。 • 當封包重複到同一個平面第2次的時候，GPSR會告知重覆轉發的訊息e0並儲存在封包內，並且如果目的地無法抵達的話，GPSR就會丟棄這個封包；環繞模式圖traversal往一個可到達的目的地，它不會在同樣的方向、同樣的連結中發送第2次封包。

24. 3. SIMULATION RESULTS AND EVALUATION • 我們將焦點放在移動性較高的case上，為了在無線路由上對照GPSR的性能，他們也模擬了Dynamic Source Routing, DSR[12][19]。

25. 3.1 Simulation Environment • 節點一開始亂數均勻分布在一個矩形區域內，所有的節點依據random waypoint model來移動：節點先在模擬區域中隨機均勻選擇一個目的地，然後隨機均勻的在一個range裡面選擇一個速度，然後就用這個選擇的速度移動到目的地。一旦抵達所選擇的地點時，節點將會暫停一段時間，然後才重複進行相同的步驟。在這個模型中，暫停時間充當了一個代理主機proxy，來做適當的調整。

26. 3.1 Simulation Environment • 我們把最大速度設為20 m/s。模擬0,30,60,120秒，4種不同的暫停時間。並且使用一些參數： • 我們利用三種不同的制度來評估GPSR和DSR：傳輸成功率、路由協定的overhead、還有路徑長度的最佳性。

27. 3.2 Packet Delivery Success Rate

28. 3.3 Routing Protocol Overhead

29. 3.4 Path Length

30. 3.5 Effect of Network Diameter

31. 3.5 Effect of Network Diameter

32. CONCLUSION • GPSR是利用局部區域的資訊來轉發封包的一種機制，並且在不同的狀況下還能夠有兩種不同的模式進行切換，以效能來說比起DSR高出許多，花費又比較節省，是一種有效率的路由協定。

33. REFERENCES • [l] ABRAMSON, N, The ALOHA system - another alternative for computer communications. AFIPS 37 (1970), 281-285. • [2] BHARGHAVAN, A., DEMERS, S., SHENKER, S., AND ZHANG, L. MACAW: A media access protocol for wireless LANs. In Proceedings of the SIGCOMM '94 Conference on Communications, Architectures, Protocols, and Applications (Sept. 1994), pp. 212-225. • [3] BOSE, P., MORIN, P., STOJMENOVI(~, 1., AND URRUT1A, J. Routing with guaranteed delivery in ad hoc wireless networks. Workshop on Discrete Algorithms and Methods for Mobile Computing and Communications (DialM '99), Aug. 1999. • [4] BROCH, J., MALTZ, D., JOHNSON, D., HU, Y.,, AND JETCHEVA, J. A performance comparison of multi-hop wireless ad hoe network routing protocols. In Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '98) (Dallas, Texas, USA, Aug. 1998).

34. REFERENCES • [5] CALl, F., CONTI, M., AND GREGORI, E. IEEE 802.11 wireless LAN: capacity analysis and protocol enhancement. In Proceedings of lEEE INFOCOM 1998 (San Francisco, California, March/April 1998), p. 142. • [6] CHANDRAKASAN, A., AMIRTHARAJAH, R., CHO, S., GOODMAN, J., KONDURI, G., KULIK, J., RABINER, W., AND WANG, A. Design considerations for distributed microsensor systems. In Proceedings of the IEEE 1999 Custom Integrated Circuits Conference ( CICC '99) (May 1999), pp. 279--286. • [7] FINN, G. G. Routing and addressing problems in large metropolitan-scale internetworks. Tech. Rep. ISI/RR-87-180, Information Sciences Institute, Mar. 1987. • [8] FLOYD, S., AND JACOBOSON, V. The synchronization of periodic routing messages. IEEE,/ACM Transactions on Networking 2, 2 (April 1994), 122-136

35. REFERENCES • [9] GABRIEL, K., AND SOKAL, R. A new statistical approach to geographic variation analysis. Systematic Zoology 18 (1969), 259-278. • [10] HAAS, Z., AND PEARLMAN, M. The performance of query control schemes for the zone routing protocol. In Proceedings of the SIGCOMM '98 Conference on Communications Architectures, Protocols and Applications (Sept. 1998). • [11] IEEE COMPUTER SOCIETY LAN MAN STANDARDS COMMITTEE. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. IEEE Std. 802.11-1997, 1997. • [12] JOHNSON, D. B., AND MALTZ, D. B. Dynamic source routing in ad hoe wireless networks. In Mobile Computing, T. Imielinski and H. Korth, Eds. Kluwer Academic Publishers, 1996, oh. 5, pp. 153-181.

36. REFERENCES • [13] KAHN, J. M., KATZ, R. H., AND PISTER, K. S. J. Mobile networking for smart dust. In Proceedings of the Fifth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '99) (Seattle, WA, USA, Aug. 1999). • [14] KARN, P. MACA--a new channel access method for packet radio. In Proceedings of the 9th Computer Networking Conference (Sept. 1990), pp. 134-140. • [15] KARl', B. Geographic routing for wireless networks. Presentation at AFOSR MURI ACTCOMM Research Review Meeting, Oct. 1998. • [16] KARl', B. Greedy perimeter state routing. Invited Seminar at the USC/lnformation Sciences Institute, July 1998

37. REFERENCES • [17] Ko, Y., AND VAIDYA, N. Location-aided routing in mobile ad hoe networks. In Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '98) (Dallas, Texas, USA, Aug. 1998). • [18] LI, J., JANNOTTI, J., DECOUTO, D., KARGER, D., AND MORRIS, R. A scalable location service for geographic ad-hoc routing. In Proceedings of the Sixth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom 2000) (Boston, MA, USA, Aug. 2000). • [19] MALTZ, D., BROCH, J., JETCHEVA, J., AND JOHNSON, D. The effects of on-demand behavior in routing protocols for multihop wireless ad hoe networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications 17, 8 (Aug. 1999), 1439-1453. • [20] PARK, V., AND CORSON, M. A highly adaptive distributed routing algorithm for mobile wireless networks. In Proceedings of the Conference on Computer Communications (IEEE lnfocom) (Kobe, Japan, Apr. 1997), pp. 1405-1413.

38. REFERENCES • [21] PERKINS, C. Ad hoe on demand distance vector (AODV) routing. Internet-Draft, draft-ietf-manet-aodv-04.txt, Oct. 1999. • [22] PERKINS, C., AND BHAGWAT, P. Highly-dynamic destination-sequenced distance-vector routing (DSDV) for mobile computers. In Proceedings of the SIGCOMM '94 Conference on Communications, Architectures, Protocols, and Applications (London, UK, Sept. 1994), pp. 234-244. • [23] SALTZER, J., REED, D. P., AND CLARK, D. End-to-end arguments in system design. A CM Transactions on Computer Systems 2, 4 (Nov. 1984), 277-288. • [24] SHEPARD, T. A channel access scheme for large dense packet radio networks. In Proceedings of the SIGCOMM '96 Conference on Communications Architectures, Protocols and Applications (Aug. 1996).

39. REFERENCES • [25] THE CMU MONARCH GROUP. Wireless and Mobility Extensions to ns-2. http://www, monarch.cs.cmu.edu/cmu-ns.html, Oct. 1999. • [26] THE VINT PROJECT. The UCB/LBNIJVINT Network Simulator--ns (version 2). http://mash.cs.berkeley.edu/ns. • [27] TOUSSAINT, G. The relative neighborhood graph of a finite planar set,. Pattern Recognition 12, 4 (1980), 261-268. • [28] WARD, A., JONES, A., AND HOPPER, A. A new location technique for the active office. IEEE Personal Communications 4, 5 (Oct. 1997), 42--47. • [29] ZAUMEN, W., AND GARCIA-LUNA ACEVES, J. Dynamics of distributed shortest-path routing algorithms. In Proceedings of the SIGCOMM '91 Conference on Communications Architectures, Protocols and Applications (Sept. 1991), pp. 31--42.