ANALISIS MODIFIKASI ALGORITMA SPIN DENGAN PENAMBAHAN VC TABLE DI TinyOS

Transkripsi

1 ANALISIS MODIFIKASI ALGORITMA SPIN DENGAN PENAMBAHAN VC TABLE DI TinyOS Ratna Mayasari 1, Rendy Munadi 2, Sony Sumaryo 3 1,2,3 Fakultas Elektro dan Komunikasi, Institut Teknologi Telkom 1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected] Abstrak Mekanisme routing merupakan salah satu cara untuk mengoptimalkan kinerja jaringan sensor nirkabel (JSN). Sebagai contoh, Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN). Dalam Algoritma SPIN, masalah yang dihadapi adalah "blindly forward" dan "data inaccessible". Hal ini dapat mengurangi kinerja jaringan itu sendiri. Pada penelitian ini, dilakukan modifikasi algoritma SPIN untuk mengatasi masalah tersebut. Dengan menambahkan VC Table, node tidak perlu mengirimkan informasi data secara terus menerus dan membuang data yang sama. Dengan adanya VC table, node akan mengetahui alamat node pengiriman DATA. Setelah VC Table-nya di-update berdasarkan proses pesan ADV dan REQ. Hasil simulasi menunjukkan bahwa modifikasi SPIN memiliki perbaikan dari segi packet loss sebesar 10,39% dari SPIN karena adanya perbaikan di sisi penentuan next hop-nya. Konsumsi energi mengalami perbaikan sebesar 13,81% karena perubahan prosedur dalam proses pengiriman data di dalam modul TinyOS-nya. Sedangkan latency mengalami peningkatan sebesar 12,74% karena adanya proses pembaruan VC Table berupa kondisi node tetangga sebelum dilakukan pengiriman DATA. Kata kunci: routing, SPIN, VC Table Abstract Routing mechanism is a way to optimize the performance of wireless sensor networks. For example, Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN). The problems in SPIN algorithm are "blindly forward" and "data inaccessible". Those can reduce the performance of the network itself. In this research, SPIN algorithm is being modificated to resolve the issue. By adding VC table, node does not need to send information data continuously and dispose the same data. By the presence of the VC table, the node will know where it should send the DATA. After the VC table has been updated based on the ADV and REQ messages. The simulation results show that SPIN modification has improved in terms of packet loss at 10.39% from SPIN because of the improvement of the next hop determination. Energy consumption is improved by % due to changes in its procedures in TinyOS module. While latency increased by 12.74% due to update the VC table as the result of neighbour node change before DATA sending. Keywords: routing, SPIN, VC Table 1. Pendahuluan Penelitian tentang mekanisme routing pada jaringan sensor nirkabel (JSN) telah menjadi pokok bahasan menarik selama beberapa tahun terakhir. Namun, pada dasarnya penelitian ini merujuk pada suatu cara untuk melakukan efisiensi konsumsi energi sehingga mampu mengoptimalkan network lifetime pada JSN. Karena seperti yang diketahui, setiap node pada jaringan sensor nirkabel memiliki keterbatasan resource energi. Konsumsi energi terbanyak pada tiap node terjadi pada saat node tersebut bertukar data dan informasi dalam jaringan. Semakin jauh node tersebut mengirim data, maka diperlukan energi yang semakin besar [6]. Oleh karena itu, banyak dikembangkan berbagai algoritma dan protokol routing untuk mencoba mengatasi masalah tersebut. Beberapa contoh algoritma yang dikembangkan yaitu LEACH, SPIN, PEGASIS, GPSR, ASCENT, dan sebagainya. Dalam Algoritma SPIN, masalah yang dihadapi adalah "blindly forward" dan "data inaccessible". Blindly forward terjadi jika jaringan memiliki data baru yang akan dikirim, maka harus mengulangi proses pengiriman ADV, REQ, dan pengiriman DATA sampai paket mencapai tujuan. Sedangkan data inaccessible terjadi jika node sensor mengumpulkan DATA baru yang perlu diteruskan, maka akan langsung di-broadcast pesan ADV ke node tetangganya. Dalam beberapa kasus, beberapa node tidak meneruskan data baru karena node tetangga sudah memiliki data yang sama sehingga dapat mengurangi kinerja jaringan itu sendiri.

2 Untuk mengatasi hal tersebut, maka dalam penelitian ini akan dilakukan modifikasi, yaitu dengan menambahkan VC table. Sehingga, node tidak perlu mengirimkan informasi data secara terus menerus dan membuang data yang sama. Dengan adanya VC table, node akan mengetahui alamat node pengiriman DATA setelah VC table-nya di-update berdasarkan proses pesan ADV dan REQ. 2. Dasar Teori 2.2 Desain Protokol WSN Pemodelan dan perancangan suatu algoritma atau protokol routing pada JSN memiliki beberapa constraint yang harus dipenuhi. Hal ini berkaitan dengan keterbatasan spesifikasi node sensor dan sumber energi yang dimiliki. Namun, tetap mampu menciptakan suatu jaringan yang reliable. Beberapa constraint tersebut adalah sebagai berikut [6]. a. Autonomy. Adanya asumsi bahwa tidak ada unit yang didedikasikan untuk mengontrol radio dan routing yang berada dalam jaringan secara langsung. Hal ini disebabkan mudahnya unit tersebut mengalami berbagai gangguan langsung. Oleh karena itu, prosedur routing pada intinya adalah transfer data dari suatu node ke node tetangganya. b. Energy Efficiency. Protokol routing harus mampu mempertahankan lifetime jaringan selama mungkin untuk menjaga kualitas koneksi yang baik dalam komunikasi antar-node dalam jaringan. Hal tersebut sangat penting mengingat persebaran node yang banyak sehingga akan tidak efisien jika dilakukan penggantian baterai dalam waktu singkat. c. Scalability. JSN dibangun dengan jumlah node yang sangat banyak sehingga mampu mencakup area pengukuran yang luas. d. Resilience. Sensor tidak dapat diprediksi kapan akan berhenti bekerja, baik akibat dari perubahan kondisi lingkungan atau konsumsi energi. Oleh karena itu, protokol routing harus mampu menyediakan alternatif untuk sesegera mungkin me-recover kondisi jaringan saat ada node sensor yang mati. e. Device Heterogeneity. Dalam beberapa kasus pengukuran, diperlukan beberapa sumber pengukuran yang berbeda-beda. Hal ini mengakibatkan perbedaan proses, transmisi, dan data untuk tiap node sensor yang berbeda jenis. f. Mobility Adaptability. Aplikasi berbeda pada JSN dapat berimplikasi pada mobilitas node-sink berbeda juga. Mekanisme pemilihan node-sink harus mampu diakomodasi oleh protokol yang dibuat. 2.2 Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) SPIN adalah protokol yang dirancang untuk JSN, di mana data dari node menggunakan deskripsi tingkat tinggi yang biasa disebut meta-data. SPIN menggunakan meta-data untuk mengurangi transmisi yang berlebihan dalam jaringan. Protokol SPIN terletak pada dua ide dasar. Pertama, untuk beroperasi secara efisien dan untuk menghemat energi, node sensor perlu untuk berkomunikasi satu sama lain tentang data yang telah dimiliki dan data yang masih diperlukan. Kedua, node dalam sebuah jaringan harus memantau dan beradaptasi terhadap perubahan dalam sumber energi mereka sendiri untuk memperpanjang operasi lifetime dari sistem [1]. Dalam pendekatan sederhana mengenai transfer data terdapat tiga masalah, antara lain: a. Implosion: Masalah flooding di mana data yang sama dikirim ulang dari berbagai node. Oleh karena itu, energi dari node sensor tidak digunakan secara efisien. b. Overlap: Node mendapat sepotong informasi yang sama dari node tetangga. Hal ini menyebabkan pemborosan energi dan pengurangan bandwidth. c. Resource Blindness: Node tidak menyadari berapa banyak energi yang tersisa dan node tidak memodifikasi kegiatan mereka berdasarkan energi yang tersisa SPIN Messages Pada protokol SPIN, node mempunyai tiga pesan yang akan digunakan dalam berkomunikasi : a. ADV Advertisement message, ketika sebuah node SPIN mempunyai data untuk dibagi, node dapat mengirimkan kenyataan ini dengan pemancaran sebuah pesan yang berisi ADV meta-data. ADV merupakan pesan yang digunakan untuk mengenali dan mengidentifikasi jalur transmit antar node serta sebagai penanda kedudukan node sensor tersebut. b. REQ Request message, sebuah node pada SPIN mengirimkan REQ pesan bila ingin menerima beberapa data aktual. REQ merupakan pesan yang dikirimkan ketika node sensor ingin menerima paket data. c. DATA Pesan DATA berisi sensor data yang sebenarnya dengan meta-data header Arsitektur SPIN Gambar 1 menunjukkan contoh dari protokol SPIN. Setelah menerima sebuah paket pesan dari node A, node B memeriksa apakah itu memiliki semua data yang diinginkan (a). Jika tidak, node B mengirimkan sebuah pesan request kembali ke node A, daftar semua data yang ingin didapatkan (b). Ketika node A menerima paket request, node A mengambil data yang diminta dan mengirimkannya

3 kembali ke node B sebagai sebuah pesan DATA (c). Node B pada gilirannya, mengirim pesan yang diterima dari node A ke semua node tetangga (d). Node B tidak mengirimkan sebuah pesan kembali ke node A, karena node B mengetahui jika node A sudah memiliki data. Node tersebut kemudian mengirim pesan dari data baru kepada semua node tetangga, dan protokol terus berlanjut. Ada beberapa hal penting untuk dicatat. Pertama, jika node B mempunyai data sendiri, dan mengirim pesan dari data yang dikumpulkan kepada semua node tetangga (d). Kedua, node tidak diharuskan untuk menjawab setiap pesan dalam protokol. Dalam contoh ini, salah satu node tetangga tidak harus mengirim paket request kembali ke node B (e). Ini akan terjadi jika itu node sudah memiliki data yang diinginkan. Kekuatan protokol SPIN ini adalah kesederhanaannya. Setiap node dalam jaringan kecil melakukan pengambilan keputusan ketika menerima data baru. Karena itu, pemborosan energi dalam komputasi menjadi kecil. Algoritma SPIN digunakan untuk mengurangi pentransmisian data yang berlebihan dengan bernegosiasi antar-node sensor. Hal ini akan mengurangi adanya implosion dan overlap yang menyebabkan terjadinya flooding. Pada SPIN, saat destination menerima paket data dari border node dan jika ada paket yang sama dikirim oleh border node, maka pada destination akan menggugurkan atau mengabaikan paket yang sama, sehingga tidak ada duplikat paket data. Oleh karena itu, algoritma SPIN bisa dikatakan baik dalam pentransmisian data karena hanya data informasi yang berguna akan diterima oleh destination.[1] Gambar 1. Arsitektur SPIN [1] 3. Model Protokol Penelitian ini secara umum membahas tentang modifikasi pada algoritma SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation). Hal ini diharapkan mampu mengoptimalkan konsumsi energi yang berujung pada makin panjangnya masa kerja node dalam jaringan. Algoritma ini sangat cocok untuk jaringan kecil, misalnya di dalam gedung dikarenakan prosesnya yang sederhana. Algoritma SPIN sebelumnya melakukan proses pembuangan data yang sama sehingga sering terjadi dropping data. Untuk mengatasi hal tersebut, dalam penelitian ini akan dilakukan modifikasi dengan menambahkan VC table sehingga hanya mengirimkan ADV dan menerima REQ untuk membentuk jalur. Setelah jalur terbentuk maka DATA dikirimkan. Dengan begitu, ada pembatasan data yang harus dikirim serta kemampuan untuk melakukan multihop routing. Pemodelan dan implementasi protokol SPIN menggunakan platform TinyOS yang memang secara khusus digunakan untuk pemrograman pada node JSN. Dan untuk proses simulasi, digunakan TinyViz untuk mengamati proses yang terjadi dalam jaringan. 3.2 Format Paket TinyOS telah menyediakan standar format paket yang digunakan pada penelitian kali ini. Struktur paket tersebut terdapat dalam TOS_Msg yang memiliki panjang hingga 29 bita. Field tersebut digunakan sebagai pembawa informasi sebagai berikut. [4] a. sendingnode (2 bita): node yang mengirimkan paket, b. originnode (2 bita): node yang menghasilkan (sensing) paket, c. seqno (2 bita): sequence number dari paket, d. hopcount (2 bita): jumlah hop yang dilalui oleh paket, dan e. data (8 bita): berisi data hasil sensing data berbagai informasi tambahan lainnya. 3.2 Model Protokol SPIN Model protokol dibagi menjadi 3 tahap sebagai berikut [7]. a. Inisialisasi Pertama semua node sensor disinkronkan dengan global time dalam jaringan sesuai dengan local time dari node 0. Setelah proses sinkronisasi, program aplikasi dijalankan dan paket advertise (ADV) sensor dihasilkan secara berkala. b. Pengumpulan Data Dalam tahap ini, setiap node memperoleh paket DATA baik dari hasil aplikasi penginderaannya sendiri maupun hasil dari node tetangganya. Paket DATA berisi alamat dari node asal, sequence number dan payload yang berisi timestamp dan hasil pembacaan sensor. Node

4 menyimpan payload dalam memorinya sendiri sampai terjadinya negosiasi. Tahap ini merupakan proses berkelanjutan yang bertujuan untuk mengumpulkan data c. Negosiasi Pada tahap ini meta-data berukuran kecil. ADV dikirimkan sebelum paket DATA asli dikirimkan. Saat menerima ADV, node tetangga mengirimkan permintaan ke sumber menggunakan paket REQ untuk mencocokkan data, kemudian paket DATA dikirimkan. Untuk mengimplementasikan hal tersebut dalam algoritma SPIN, digunakan tiga tipe struktur pesan yang berbeda. Format advertise message (ADV) dan request (REQ) memiliki struktur yang sama menggunakan TOS_Msg dengan modifikasi field data sebagai berikut. a. type (1 bita): mengindikasikan jenis dari pesan, contoh: ADV atau REQ. b. sending node (2 bita): Id dari node pengirim c. origin node (2 bita): Id node sumber yang memiliki data. d. seq no (2 bita): nomor sequence paket Sedangkan untuk pesan DATA sendiri menggunakan TOS_Msg dengan modifikasi field data sebagai berikut. a. seq no (2 bita): nomor sequence paket b. time stamp (4 bita): waktu sejak paket dikirim c. info (4 bita): data hasil sensing d. address (1 bita): alamat dari source node. Secara ringkas, penjelasan proses pada protokol SPIN dapat dilihat dari diagram alir pada Gambar 2. Diagram alir tersebut merupakan mekanisme yang terjadi pada setiap node dalam jaringan. Berdasarkan diagram alir inilah modul MHSpinPSM dibuat menggunakan bahasa pemrograman NesC pada platform TinyOS. 3.3 Modifikasi Model Protokol SPIN Pada Model Protokol SPIN yang dimodifikasi, secara umum melalui proses yang sama dengan SPIN. Namun, dengan beberapa penambahan kemampuan, yaitu: a. Kemampuan masing-masing node untuk memelihara VC table. VC table ini terdiri dari srcid dan destid yang masing-masing fungsinya sebagai source Id dan destination Id. Pada penelitian ini VC Table dibuat berukuran sebanyak 30 baris. Pada saat advertise message diterima oleh tiap node maka yang dibawa hanya origin node-nya saja. Kemudian pada saat mengirimkan request maka akan dipasangkan origin node-nya dengan next hop. Jalur yang terbentuk akan dipakai sampai sistem ini direstart atau power dari sensornya habis. Setelah VC table terbentuk maka DATA akan dikirimkan sesuai dengan isi VC table yang ada (Gambar 2). Gambar 2. Sequence Diagram SPIN pada Node WSN

5 b. Setiap node mampu memeriksa data hasil sensing sebelum dilakukan pengiriman data dengan tujuan untuk melakukan penghematan energi. Format advertise message (ADV) dan request (REQ) memiliki struktur yang sama menggunakan TOS_Msg dengan modifikasi field data sebagai berikut: a. type (1 bita): mengindikasikan jenis dari pesan, contoh: ADV atau REQ b. sending node (2 bita): Id dari node pengirim c. origin node (2 bita): Id node sumber yang memiliki data d. seq no (2 bita): nomor sequence paket Untuk pesan DATA itu sendiri menggunakan TOS_Msg dengan modifikasi field data sebagai berikut: a. seq no (2 bita): nomor sequence paket b. time stamp (4 bita): waktu sejak paket dikirim c. info (4 bita): data hasil sensing d. address (1 bita): alamat dari source node Sedangkan format VC table-nya yang merupakan modifikasi dari SPIN itu sendiri memiliki struktur sebagai berikut. a. srcid (2 byte): merupakan source Id atau origin node Tabel 1. Rekapitulasi Data Hasil Simulasi b. destid (2 bita): merupakan destination Id atau node tujuannya. 4. Analisis dan Evaluasi Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan sesuai dengan spesifikasi dan skenario pada pembahasan sebelumnya, diperoleh rekapitulasi hasil yang dapat dilihat pada Tabel 1. Terlihat pada tabel bahwa secara umum performansi protokol Modified-SPIN lebih baik jika dibandingkan dengan SPIN. Hal ini disebabkan karena menggunakan VC table yang dapat mengurangi nilai packet loss selama simulasi berjalan. 4.1 Perbandingan Lifetime Jaringan Lifetime jaringan dapat dilihat dari rata-rata pemakaian energi setelah simulasi dilakukan selama 30 menit. Seperti yang telah diketahui, bahwa setiap node sensor memiliki catu daya terbatas. Dengan semakin sedikitnya energi yang terpakai maka akan memperpanjang lifetime jaringan sensor tersebut. Kemudian, perlu dilihat juga deviasi untuk melihat distribusi penggunaan energi masing-masing node. Jika distribusi semakin rata yang ditunjukkan dengan semakin kecilnya nilai deviasi, maka dapat juga memperpanjang lifetime jaringan. Hal ini disebabkan first node die akan terjadi setelah jaringan berlangsung lama (Gambar 3). Algoritma SPIN MODSPIN Node Average Latency (ms) Average Power Used (unit) mean std dev Mean std dev Data Loss ,89 332, ,60 361,54 37,94% , , , ,09 44,25% , , , ,08 25,80% , , , ,42 65,25% , , , ,32 77,71% ,44 279, , ,79 27,55% , , , ,11 28,93% , , , ,04 19,96% , ,45 33, ,75 64,44% , , , ,58 75% Gambar 4. Grafik Perbandingan Packet Loss SPIN dan Modified-SPIN Gambar 3. Grafik Perbandingan Konsumsi Energi SPIN dan Modified-SPIN Gambar 5. Grafik Pebandingan Latency SPIN dan Modified-SPIN

6 jumlah node, maka performansi akan semakin buruk. Gambar 6. Grafik Pengaruh Node terhadap Latency Gambar 7. Grafik Pengaruh Jumlah Node terhadap Konsumsi Energi 4.2 Performansi Protokol Untuk melihat performansi suatu jaringan, dapat dilihat melalui beberapa parameter diantaranya adalah latency (end to end delay) dan packet loss. Kedua parameter tersebut dapat menunjukkan apakah jaringan bisa dikatakan memiliki performansi yang baik atau tidak. Semakin kecil nilai kedua parameter di atas, performansi jaringan akan semakin baik, dan sebaliknya. Pada penelitian ini, kedua parameter dimunculkan untuk membandingkan performansi dari kedua protokol yang diujikan. Berdasarkan Tabel 1, diketahui bahwa secara umum performansi jaringan dengan protokol Modified-SPIN lebih baik jika dibandingkan dengan SPIN. Hal ini ditunjukkan oleh nilai latency dan packet loss yang relatif lebih kecil untuk semua jumlah node (Gambar 4). Modified-SPIN memiliki packet loss yang lebih kecil dibandingkan dengan protokol aslinya karena adanya kemampuan untuk melakukan pemilihan jalur pengiriman data sebelumnya sehingga tidak banyak paket data yang sama dibuang. Hal ini memungkinkan paket untuk tetap sampai di BS. Dengan menggunakan hop yang terdekat sebagai hop dan mem-forward paket ke BS (Gambar 5). Adanya batasan data yang harus dikirim pada Modified-SPIN, memberikan keuntungan terhadap kedua parameter di atas. Dengan semakin sedikit paket yang dikirim, maka beban trafik juga semakin kecil, sehingga kemungkinan terjadinya collision juga akan menurun. Hal ini terlihat saat membandingkan nilai kedua parameter performansi untuk jumlah node yang berbeda. Semakin banyak 4.3 Jumlah Node terhadap Performansi Jaringan Seperti halnya pada suatu jaringan komputer, jumlah node dalam jaringan juga memiliki pengaruh tehadap performansi jaringan sensor nirkabel. Oleh karena itu, dilakukan simulasi dengan beberapa variasi jumlah node untuk melihat pengaruhnya. Berdasarkan Tabel 1, makin banyaknya jumlah node akan menambah waktu pengiriman data dari node hingga ke BS. Hal ini disebabkan oleh semakin banyak hop yang harus dilalui oleh data untuk sampai ke BS. Atau, dengan kata lain akan menambah kompleksitas routing pada jaringan. Selain itu, kapasitas antrian pada BS juga berpengaruh terhadap hal ini. Kemudian jumlah node juga akan mempengaruhi konsumsi energi pada rentang waktu tertentu. Jika dengan semakin banyak jumlah node maka rata-rata konsumsi daya akan menurun. Hal ini disebabkan oleh semakin banyaknya jumlah node yang ada pada satu area. Sehingga beban juga akan terbagi sesuai dengan jumlah node yang tersebar (Gambar 6 dan 7). Secara umum, semakin banyak jumlah node akan meningkatkan persentase packet loss. Sebab, dengan semakin banyaknya node maka jumlah data yang dikirim ke jaringan juga akan meningkat yang mengakibatkan kemungkinan terjadinya collision semakin besar. Kemudian, kapasitas antrian yang mampu ditampung oleh BS juga berpengaruh terhadap hal ini. Jika antrian penuh, maka data selanjutnya yang masuk akan dibuang. 5. Kesimpulan Setelah melalui berbagai tahapan pengerjaan, penelitian ini menuju pada beberapa kesimpulan sesuai dengan asumsi yang telah ditetapkan sebelumnya, antara lain: 1. Performansi yang dihasilkan protokol Modified- SPIN menunjukkan hasil yang lebih baik dengan nilai packet loss 15,323% dan latency ,09 ms, sedangkan SPIN memiliki packet loss 78,31% dan latency ,78 ms. 2. Protokol Modified-SPIN akan memiliki lifetime yang lebih lama dibandingkan SPIN jika berdasarkan konsumsi energi selama simulasi, yaitu Modified-SPIN dengan mean 7771,18 unit dan deviasi 1042,39 unit, dibanding SPIN dengan mean 7808,95 unit dan deviasi 2443,77 unit. 3. Baik SPIN maupun Modified-SPIN cocok diterapkan untuk jaringan sensor nirkabel dengan jumlah node sedikit dan tidak cocok umtuk sebaran antar-node yang jauh. Pada simulasi ini yang paling baik adalah untuk node berjumlah 30.

7 Daftar Pustaka [1] Heinzelman, W. B., J. Kulik, H. Balakrishnan, Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks, Proceedings of ACM MobiCom 99, Seattle, WA, [2] Levis, P., N. Lee, TOSSIM : a Simulator for TinyOS network, Project research, University of California, Berkeley, [3] Luwei Jing, Feng Liu, Yuling Li, "Energy Saving Routing Algorithm Based on SPIN Protocol in WSN", IEEE /11, [4] Martin, Geoff, Alan Tully, An evaluation of ad-hoc routing protocol for wireless sensor networks, BSc (Honours) Software Engineering, UC Berkeley, [6] Perillo, Mark A., Wendi B. Heinzelman, Wireless sensor network protocol, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Rochester, [7] Rehena Z., Krishanu K., Sarbani R., Nandini M., "SPIN Implementation in TinyOS Environment using nesc", Second International conference on Computing, Communication and Networking Technologies, 2010.