Uma Otimização do Protocolo RPL para Aplicações de Internet das Coisas

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1 III Escola Regional de Informática do Piauí. Livro Anais - Artigos e Minicursos, v. 1, n. 1, p , jun, ISBN: Uma Otimização do Protocolo RPL para Aplicações de Internet das Coisas Natanael de C. Sousa 1, Ricardo de Andrade L. Rabêlo 1, Harilton da S. Araújo 2, José Carlos C. Lima 1, Raimir H. Filho 2 1 Departamento de Computação Universidade Federal do Piauí (UFPI) Teresina PI Brasil 2 Centro de Ciências Tecnológicas Universidade de Fortaleza (UNIFOR) Fortaleza CE Brasil {csousa.natanael,hariltonaraujo}@gmail.com, ricardoalr@ufpi.edu.br, jcarloslimafilho@hotmail.com, raimir@unifor.br Abstract. The RPL protocol has become a standard in routing solution for Internet of Things (IoT) scenarios, able to adapt the networks to the requirements of the applications through a mechanism called Objective Function (OF). It is essential, therefore, that the applications use an OF that takes into consideration the metrics of interest during the establishment of the routes, otherwise, the performance of the application can be negatively affected. This paper describes a proposal for the optimization of the RPL routing protocol, by means of the creation of a new Objective Function, called ERAOF (Energy Efficient and Path Reliability Aware Objective Function), in order to meet applications that require energy efficiency and reliability in data transmissions. The results show that the proposed approach is capable of improving network performance when compared to other OFs available in the literature. Resumo. O protocolo RPL tornou-se um padrão em solução de roteamento para cenários de Internet das Coisas (Internet of Things - IoT), capaz de adaptar as redes aos requisitos das aplicações por meio de um mecanismo denominado Função Objetivo (Objective Function - OF). É essencial, portanto que as aplicações utilizem uma OF que leve em consideração as métricas de interesse durante o estabelecimento das rotas, do contrário, a performance da aplicação pode ser afetada negativamente. Este artigo descreve uma proposta de otimização do protocolo de roteamento RPL, a partir da criação de uma nova Função Objetivo, denominada ERAOF (Energy Efficient and Path Reliability Aware Objective Function), a fim de atender aplicações que necessitem de eficiência energética e confiabilidade nas transmissões de dados. Os resultados obtidos evidenciam que a abordagem proposta é capaz de melhorar a performance da rede quando comparada com outras OFs disponíveis na literatura. 1. Introdução A Internet das Coisas (Internet of Things - IoT) é a presença pervasiva de uma variedade de dispositivos, tais como: sensores, etiquetas de RFID (Radio Frequency Identification), atuadores, smartphones, dentre outros, capazes de coletar e compartilhar dados

2 entre si de modo a alcançar os objetivos das aplicações. Entre as tecnologias mais promissoras para o paradigma de IoT estão a RFID e RSSF (Redes de Sensores sem Fio) [Atzori et al. 2010][Sobral et al. 2015], cuja integração cria novas perspectivas para diversas aplicações. Para que as aplicações de IoT possam realizar o seu propósito com eficiência, é necessário que se tenha protocolos de roteamento que tornem possível aos dispositivos se comunicarem de forma eficiente, observando os requisitos de cada aplicação específica. Diante de tal necessidade, o roteamento em redes de baixa potência e com perdas (Lowpower and Lossy Networks - LLN), é considerado um dos principais desafios que merece investigação [Gaddour et al. 2014]. Dentre os protocolos de roteamento para IoT, vem se destacando nos últimos anos o RPL (Routing Protocol for Low-power and Lossynetworks) especificado na RFC (Request For Comments) que permite a adaptação do roteamento às exigências de áreas de aplicações específicas, por meio de um mecanismo denominado Função Objetivo, que permite a seleção de rotas baseada nas métricas de interesse de cada aplicação. Uma proposta de otimização do protocolo RPL é apresentada neste artigo, implementada a partir da criação de uma nova função objetivo denominada ERAOF (Energy Efficient and Path Reliability Aware Objective Function). O uso da função objetivo proposta ocorre no processo de estabelecimento de rotas, de maneira a satisfazer aplicações que necessitem de requisitos de eficiência energética e confiabilidade nas transmissões dos dados, por exemplo: monitoramento de temperatura em áreas remotas e da qualidade do ar de uma cidade ou região específica, controle do fluxo de veículos em uma via, dentre outras. De modo a atender os requisitos de eficiência energética e confiabilidade nas transmissões dos dados, a função objetivo proposta leva em consideração as métricas EC (Energia Consumida) e ETX (Número Esperado de Transmissões) no processo de construção da topologia lógica da rede. O artigo está organizado da seguinte forma: a Seção 2 apresenta uma visão geral do protocolo RPL. A Seção 3 descreve a proposta de otimização que foi realizada no protocolo RPL. A avaliação de desempenho da abordagem proposta é discutida na Seção 4, seguida pelas conclusões na Seção O Protocolo RPL O RPL é um protocolo de roteamento implementado na camada de rede e baseado no IPv6 para LLN, projetado especialmente para funcionar em conjunto com 6LoWPAN (IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Network) e operar sobre diversos mecanismos de camada de enlace incluindo IEEE MAC e PHY [Brandt et al. 2012]. A coleção de nós (vértices) e links (arestas) modela um grafo acíclico dirigido (Direct Acyclic Graph - DAG), onde a partir dessa coleção, o RPL organiza a topologia da rede como um grafo acíclico dirigido orientado a destino (Destination-Oriented Direct Acyclic Graph DODAG), onde o nó sink é a raiz do DODAG. conforme ilustra a Figura 1. O processo de construção do DODAG (topologia da rede) é um dos principais desafios [Aljarrah et al. 2016], uma vez que o desempenho da rede está diretamente associado a qualidade dos links e rotas estabelecidas. No RPL, os DODAG são construídos

3 Figura 1. Grafo DODAG segundo uma função de otimização denominada função objetivo, que indica os melhores caminhos na rede considerando métricas de custo, como por exemplo: número de saltos, latência, taxa de entrega, energia do nó, throughput, nível de qualidade do link e confiabilidade de transmissão, conforme descrito na RFC 6551 [Tsvetkov e Klein 2011]. Quatro tipos de mensagens de controle para a manutenção da rede e troca de informações foram especificados para o RPL. O primeiro tipo é chamado DODAG Information Object (DIO) e representa a principal fonte de controle de roteamento. O segundo é chamado Destination Advertisement Object (DAO), responsável pela habilitação do trafégo descendente de dados. O terceiro tipo é o DODAG Information Solicitation (DIS) que torna possível que um dado nó solicite uma mensagem DIO de algum nó vizinho alcançável. O quarto tipo é o DAO-ACK que é enviado em resposta ao recebimento de uma mensagem DAO [Al-Fuqaha et al. 2015]. O protocolo tenta evitar a ocorrência de loops por meio da computação de um valor representativo da posição de cada nó dentro do DODAG chamado rank. Esse valor pode ser calculado com base em métricas do link ou nó, restrições, configurações dos nós, dentre outros, definido pelo projetista da função objetivo. 3. Proposta de Otimização do RPL Neste artigo é proposta uma otimização do protocolo RPL. O objetivo principal desta proposta é otimizar o roteamento a fim de atender a aplicações que exijam eficiência energética e confiabilidade na transmissão dos dados. Para tanto é proposta e avaliada uma nova função objetivo a ser utilizada na fase de estabelecimento das rotas, que utiliza um método alternativo para o cálculo de custo das rotas, diferentemente de pesquisas registradas em outros trabalhos. A função objetivo criada (ERAOF) foi baseada na fusão de métricas para ambientes 6LoWPAN empregadas pelo RPL e descritas na RFC A função aqui proposta permite os dispositivos escolherem as rotas considerando as métricas EC e ETX. A partir dessas informações um valor T (n i ) é calculado por cada dispositivo da rede, que representa a qualidade de um nó i em termos de EC e ETX conforme descrito na Expressão (1). Onde: T (n i ) = F EC (n i ) + F ET X (n i ) (1)

4 F EC (n i ) é a função que retorna a energia consumida pelo nó i desde o início de sua operação; F ET X (n i ) é a função que retorna o ETX baseado no link entre o nó i e o próximo nó da rota. A qualidade de uma rota r, em termos de EC e ETX é definida por Q(r), cujo valor é dado pela soma dos valores T (n i ) dos nós que a compõem de acordo com a Equação (2). Q(r) = j T (n i ) i, j, r N (2) i=1 A regra implementada no protocolo preconiza que o melhor caminho a ser escolhido, considerando a qualidade da rota Q(r), é aquele que dentre todos os caminhos disponíveis obtiver o menor valor correspondente ao Q, que representa uma solução de compromisso (trade-off ) entre o consumo de energia e o ETX. 4. Avaliação de Desempenho e Resultados Para avaliação do desempenho da otimização proposta neste trabalho, foi utilizado o CO- OJA [Osterlind et al. 2006], um simulador de aplicações de IoT, presente no sistema operacional Contiki. A função objetivo aqui proposta foi avaliada no decorrer do tempo de simulação em relação a duas outras funções objetivo propostas na literatura, OF0 (Objective Function Zero) [Thubert 2012] e a MRHOF (Minimum Rank with Hysteresis Objective Function) [Levis e Gnawali 2012], quanto ao número esperado de transmissões, o consumo de energia, o número de saltos e a perda de pacotes. O cenário de simulação foi construído para permitir a avaliação de desempenho da abordagem proposta. A topologia do cenário consiste em 30 nós sensores, 6 etiquetas (RFID), 2 nós leitores (RFID) e um nó sink. Há portanto 40 dispositivos em uma topologia física de rede fixada, suficientes para a formação de múltiplas rotas em cada nó da rede, de modo a oferecer suporte para a validação da abordagem proposta. Na aplicação considerada para essa rede, todos os nós enviam pacotes de dados (1msg/min), para um único nó sink caracterizando um padrão de tráfego M2P. O número esperado de transmissões, o consumo de energia, o número de saltos e a perda de pacotes são mostrados nas Figuras 2, 3, 4 e 5 respectivamente. Analisando os resultados, foram observados os seguintes resultados: em ETX (Figura 2), do tempo 02:07 min ao 07:46 min houve um crescimento na métrica ETX nas três funções avaliadas. Isso ocorreu em função do protocolo RPL estar estabilizando o seu funcionamento em relação ao processo de construção do DODAG. Ainda na Figura 2, é possível observar que função ERAOF obteve menor número esperado de transmissões quando comparada com as funções OF0 e a MRHOF. Isso ocorreu em virtude da função objetivo proposta neste trabalho contemplar a métrica ETX, priorizando rotas com enlaces confiáveis de modo a reduzir a perda de pacotes. No decorrer do tempo da simulação, a Figura 3 mostra que o consumo de energia da rede utilizando a função ERAOF foi inferior relativamente as demais funções. Isso

5 ocorreu em função da ERAOF também considerar a métrica Energia Consumida, possibilitando aos nós escolherem dentre as rotas possíveis, àquela que consome menos energia. Figura 2. Número Esperado de Transmissões Energia Consu- Figura 3. mida Os resultados apresentados na Figura 4 mostram, em consequência, que o número de saltos, utilizando a função objetivo proposta neste trabalho, é reduzido quando comparado com as demais funções. As simulações conduzidas mostraram que rotas com um menor número de saltos possuem uma maior probabilidade de sucesso na entrega de pacotes quando comparado com rotas compostas de maiores quantidade de nós. Observando a Figura 5 percebe-se que a perda de pacotes da rede é reduzida utilizando a função objetivo ERAOF. Isso se deve à métrica ETX, que contempla a escolha de rotas mais confiáveis e além disso, com o uso do nível de energia consumida pelos nós, as rotas que possuem menor número de saltos possuem uma maior probabilidade de entrega dos dados. Figura 4. Número de Saltos Figura 5. Perda de Pacotes Dessa forma, verifica-se que a otimização do protocolo RPL apresentada neste trabalho objetiva garantir eficiência energética enquanto procura obter níveis adequados de confiabilidade nas transmissões de dados. Os resultados evidenciam que a otimização proposta, em todas as métricas utilizadas, é mais eficiente quando comparada com as demais funções objetivo, apresentando resultados positivos com relação ao número esperado de transmissões, número de saltos, energia consumida e perda de pacotes. 5. Conclusões Este trabalho propôs uma otimização do protocolo RPL para IoT. A proposta consiste em selecionar as melhores rotas baseado na função objetivo criada a partir da fusão das métricas Energia Consumida e ETX. Mostrou-se que, por meio da função ERAOF, o

6 número esperado de transmissões, o consumo de energia, o número de saltos e a perda de pacotes de dados foram reduzidos durante o tempo das simulações. A principal contribuição deste trabalho, comparativamente as outras propostas presentes na literatura, consiste em propor uma otimização do protocolo RPL a fim de oferecer uma solução de compromisso entre a eficiência energética e confiabilidade nas transmissões de dados em aplicações de IoT. Estas podem então realizar suas atividades por um período de tempo maior, em virtude da economia de energia, assim como os recursos envolvidos nas retransmissões (largura de banda, memória, bateria) também podem ser economizados, uma vez que a taxa de perdas de pacotes é reduzida com a utilização da ERAOF, acarretando em um menor número de retransmissões da dados. Como trabalhos futuros pode-se citar a variação da quantidade de nós, de modo a observar o comportamento da abordagem em relação a escalabilidade da rede. Também pretende-se observar o desempenho da ERAOF em relação a outras funções objetivo. Referências Al-Fuqaha, A., Guizani, M., Mohammadi, M., Aledhari, M., e Ayyash, M. (2015). Internet of things: A survey on enabling technologies, protocols, and applications. IEEE Communications Surveys Tutorials, 17(4): Aljarrah, E., Yassein, M. B., e Aljawarneh, S. (2016). Routing protocol of low-power and lossy network: Survey and open issues. In 2016 International Conference on Engineering MIS (ICEMIS), pages 1 6. Atzori, L., Iera, A., e Morabito, G. (2010). The internet of things: A survey. Computer Networks, 54(15): Brandt, A., Vasseur, J., Hui, J., Pister, K., Thubert, P., Levis, P., Struik, R., Kelsey, R., Clausen, T. H., e Winter, T. (2012). RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks. RFC Gaddour, O., Koubâa, A., Baccour, N., e Abid, M. (2014). OF-FL: QOS-aware fuzzy logic objective function for the rpl routing protocol. In th International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc, and Wireless Networks (WiOpt), pages Levis, P. e Gnawali, O. (2012). The Minimum Rank with Hysteresis Objective Function. RFC Osterlind, F., Dunkels, A., Eriksson, J., Finne, N., e Voigt, T. (2006). Cross-level sensor network simulation with cooja. In Proceedings st IEEE Conference on Local Computer Networks, pages Sobral, J., Rabêlo, R., Oliveira, D., Lima, J., Araújo, H., e Holanda, R. (2015). A framework for improving the performance of iot applications. In The 14th International Conference on Wireless Networks, 2015, pages , Las Vegas, NV, USA. Thubert, P. (2012). Objective Function Zero for the Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks (RPL). RFC Tsvetkov, T. e Klein, A. (2011). RPL: IPV6 routing protocol for low power and lossy networks. Network, 59.