The IP-based Wireless Sensor Network (IP-WSN) is one of the essential elements enabling Internet of Things. However, IP-WSN imposes great challenges due to low processing resources and strict energy constraints of sensor nodes, so that it is important to design the routing protocol considering those challenges. The plain tree routing protocols are proposed considering low-cost communication with resource-constraint and typical traffic patterns like multipoint-to-point (MP2P) or point-to-multipoint (P2MP), but those routing protocols incur triangular detour routes as far as point- to-point (P2P) traffic is concerned. Other tree routing protocols are also proposed to improve the efficiency of P2P route. Although they can improve the efficiency of P2P route compared the plain tree routing protocols, they are yet to define the link recovery mechanism. The link recovery mechanism is indispensable to the tree routing protocols, because the wireless links are repeatedly connected and failed, and they are important for delivering successfully a packet to the destination. To address those issues of the existing tree routing protocols, we propose a Loss-Tolerant Stateless Tree Routing protocol (LTSTR). LTSTR defines a novel link recovery mechanism unlike existing tree routing protocols. If the link loss is detected, this mechanism provides the method to avoid the failed links by using the fault-avoidance routing and the lightweight source routing. LTSTR also provides the reduced hop route in terms of P2P traffic as well as typical traffics through the enhanced shortcut tree routing (ESTR) algorithm and the root oriented directional tree (RODT) topology. ESTR algorithm enables a packet to be forwarded to the node having the smallest remaining hop count among neighbors instead of always forwarding a packet through the predefined tree routes, and LTSTR guarantees the shortest hop route toward the root by RODT topology. Additionally, LTSTR provides a nearly stateless routing in that LTSTR determines a route through the hierarchical address structure and one hop neighbor information without having to store global routing state. We implemented LTSTR in NS-2. In order to verify the performance of LTSTR, we also conducted the simulation by comparing with existing routing protocols; HiLow, STRP, RPL, and LOAD. In terms of all traffic patterns, the simulation results show that LTSTR provides reduced hop count compared to STRP, HiLow, and RPL. LTSTR also provides the higher packet delivery ratio (PDR) than HiLow and RPL. As far as the link loss is concerned, even the PDR of LTSTR is higher than that of STRP. In addition, LTSTR provides reduced memory usage and the number of control packets compared to RPL.
IP 기반 무선 센서네트워크 (IP-WSN) 는 Internet of Things (IoT) 를 실현 시키기 위한 중요한 요소 중에 하나이다. 그러나 센서 노드들의 낮은 처리 용량과 에너지 제약으로 인해 IP-WSN을 실제로 적용하는데 어려움이 있기 때문에 이러한 제약사항을 고려한 라우팅 프로토콜을 설계하는 것은 중요하다. 일반 트리 라우팅 프로토콜은 자원 효율적인 저 비용 통신 및 다대일 (multipoint-to-point) 또는 일대다 (point-to-multipoint) 트래픽과 같은 일반적인 트래픽 패턴을 고려하여 설게 되었지만, 이러한 라우팅 프로토콜들은 일대일 (point-to-point) 트래픽을 주로 사용하는 응용에서는 패킷이 우회하는 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 줄이고 일대일 라우팅 경로의 효율성을 높이기 위해 일대일 트래픽에 적합한 트리 라우팅 프로토콜이 제안되었다. 비록 이러한 라우팅 프로토콜들은 일반 트리 라우팅에 비해 일대일 라우팅 경로의 효율성을 개선 되었지만, 링크 회복 처리에 대한 정의는 아직 이루어 지지 않고 있다. 무선 링크는 끊임없이 손실과 회복을 반복하고 패킷을 목적지 노드까지 안전하게 전달하기 위한 중요한 요소이기 때문에 트리 라우팅 프로토콜에 있어 링크 회복 처리는 필수적이다. 기존 트리 라우팅 프로토콜의 문제점을 해결하기 위해, 본 논문에서는 “링크 손실에 강한 경량 트리 라우팅 프로토콜 (LTSTR)” 을 제안한다. 기존 트리 라우팅들과 달리 LTSTR은 새로운 링크 회복 처리 방법을 정의 한다. 만약, 링크의 손실을 감지하면, fault avoidance routing과 lightweight source routing 을 이용하여 손실 링크를 피하여 성공적인 라우팅을 보장하는 방법을 제공한다. 그리고 LTSTR 은 enhanced shortcut tree routing (ESTR) 알고리즘과 루트 지향형 방향성 트리 (RODT) 를 이용하여 일반적인 트래픽 뿐만 아니라 일대일 트래픽에서 효율적인 라우팅을 제공한다. ESTR 알고리즘은 트리 링크를 따라 항상 부모 노드나 자식 노드에게 패킷을 전달 되는 것이 아니라 추가적인 컨트롤 비용 없이 이웃 노드들 중에서 가장 작은 남은 홉 수를 가지는 이웃 노드에게 패킷을 전달하고, RODT 를 이용하기 때문에 루트로 향하는 가장 최단 홉 수를 보장한다. 또한, LTSTR 은 계층적 주소 구조를 사용하고 전체 라우팅 상태를 저장하는 것이 아니라 원 홉 이웃 노드의 정보만 저장하기 때문에 라우팅 경로를 결정할 때 자원 소모가 거의 없는 라우팅을 제공한다. LTSTR 을 NS-2 에 구현하였고 성능을 검증하기 위해 기존의 라우팅 프로토콜들 (HiLow, STRP, RPL, LOAD) 과의 성능을 비교하였다. 모든 네트워크 트래픽 (일대일, 다대일, 일대다) 에 대해LTSTR 은 STRP, HiLow, RPL 에 비해 향상된 홉 수를 제공하고 HiLow와 RPL 에 비해 안정적인 패킷 전달률을 보였다. 반면에, 링크 손실을 고려했을 때는 STRP보다도 안정적인 패킷 전달률을 나타내었다. 마지막으로, LTSTR은 RPL 에 비해 메모리 자원 및 컨트롤 패킷을 적게 사용함을 확인 할 수 있었다.
