1
Maria Potop-Butucaru
Connected Infrastructures
! !
! !
!
! !
3
Maria Potop-Butucaru
!
!
Self-stabilizing connected infrastructures
• Objectif : Choisir un ensemble de noeuds M tel que :
- chaque noeud du système est dans M ou voisin à M (couverture)
- les noeuds dans M peuvent communiquer entre eux (connectivité)
Qualité de service : auto-organisation et tolérance aux
fautes
Model
Id uniques.
Indicator (eg. bandwidth , energy level, storage level)
Local communication
First Solution :
Maximal Independent Set
Network
nodes
« Passive »
« Active »
Node i
Rule 1:
Passive and Candidate(i) Change to Active
Rule 2:
Active and (not Candidate(i)) Change to Passive
Candidate(i) iff i has no neighbor j Active or i has the best indicator in its neighborhood
MIS execution
p
t
t1 s1
v
s
p – execute Rule 1 (candidate not active)
MIS execution
p
t
t1 s1
v
s
p – executed Rule 1 v et s – execute Rule 1
MIS execution
p
t
t1 s1
v
s
p – executed Rule 1
s – execute Rule 2 (v has a stronger indentifier)
Network
nodes
« Passive»
« Active»
« Bridge »
CDS : Node i
Step 1:
Passive and CandidateBridge(i) and (not Covered(i)) change to Bridge
Step 2:
Bridge and (not CandidateBridge(i) or Covered(i) ) change to Passive
CandidateBridge(i) iff i has a neighbor j (Active) and the neighborhood of i is not included in those of j
Covered(i) iff i has a neighbor j such that
– neighborhood of i is included in the neighborhood of j or – i and j have the same neighbors and j has a better indicator
CDS execution
p
t
t1 s1
v
s
t1 – execute Rule 1 (candidate « bridge» and not covered by an « active » node)
CDS execution
p
t
t1 s1
v
s
t1 – excute Rule 1 t – stays « passive » s1 – can execute Rule 1
CDS execution
p
t
t1 s1
v
s
t1 - executed Rule 1 t - stays « passive»
s1 - executed Rule 1 s - stays « passive »
Faults
• Wrong initialisation
• Corruptions of nodes memory
• Faulty nodes and communication links
Correction of faults
p
t
t1 s1
v
s t1 change to
« passive »
Correction of faults
p
t
t1 s1
v
s
Correction of faults
p
t
t1 s1
v
s t change to
« bridge »
Correction of faults
p
t
t1 s1
v
s
- t exécute règle 2 parce qu'il est couvert par t1 et corrige son état- t1 exécute règle 1 parce qu'il est un « pont » et corrige ainsi son état
Stable state
p
t
t1 s1
v
s
Algorithm Complexity
States : 3 (2 bits)
Time Complexity: O(f(n)+n) where
O(f(n)) is the complexity of a MIS
algorithm
Second solution :
Dominating Sets
Node i
Step 1:
Passive and IndependentNeighbors(i) and not Dominated(i) Active
Step 2:
Active and (exists neighbor j, j Active and Dominated(i) per j) Passive
Step 3:
Passive and the same neighborhood as its neighbors and MaxIndicator(i) Active
IndependantNeighbors(i) iff i has two neighbors who are not mutually neighbors
Dominated(i) per j iff
– Neigborhood of i is included in the neighborhood of j or – i et j have the same neighbors and j has a better indicator
● MaxIndicator(i) iff i has the maximal indicator in his neighborhood
Algorithm complexity
State Complexity : 2 (1 bit)
Time Complexity: n steps
Connected Zone Covering
28
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème
Des solutions Les résultats Perspectives
Connected Zone Covering
Select a subset of nodes such that :
They cover the impact zone (Covering), They can communicate (Connectivity).
Gupta, Das, et Gu, ACM MobiHoc 2003[GDG03].
29
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème
Des solutions Les résultats Perspectives
Weak points in [GDG03]
• No self-stabilization
• No distribution
• Not optimal in memory
30
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats
Perspectives
Two solutions
31
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats
Perspectives
To the center:
To the outside:
32
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats
Perspectives Sensor
Impact Zone passive
active
Notations
Outside
Inside Border
33
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Principle : at the border
Redondant
34
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Principle : inside
closest to the center
35
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Principle : inside
Closest to the center
Closest to the center
36
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Principle : extra sensors
Redondant
Connected Neighbors
37
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Principle : finally
38
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Tolerated Faults
• Wrong initialisation
• Memory Corruption
• Crashes
39
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Fault
Example
40
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Algorithm
If Outside
●
Change to red
If Border and not Redondant
●
Change to black
If Redondant and Connected neighbors
●
Change to red
If best Inside and not Redondant
●
Change to black
The best interior is the sensor closest to the center in
the intersection of two black sensors.
41
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions
Les résultats Perspectives
Solution 2 : Distance free
If Outside
●
Change to red
Else if Redondant and Connected Neighbors
●
Change to red else
●
Change to black
42
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats
Perspectives
Results
43
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats Perspectives
• Region :
●
Impact zone : cercle of radius 40
●
Grid 25 x 25 (625)
●
Distance between sensors : 4
●
Sensors :
●
Communication radius. : 9
●
Conf. init. : aléatoire
44
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats Perspectives
Results
123 sensors 115 sensors
Average coverage size
57 sec 46 sec
Average stabilization time
Algorithm 2
Algorithm 1
45
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats Perspectives
cover stabilization / crash / transient faults / transient faults of only active sensors
0 50 100 150 200 250 300 350
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 208 217 time
no. active sensors
Dependant Independant
Stabilisation et fautes
46
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats Perspectives
• Region :
●
Impact zone : cercle of radius 20
●
600 sensors
●
Sensor :
●
Communication radius : aleatory 5-15
●
Conf. init. : aleatory
47
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats Perspectives
Results
104 sensors 80 sensors
Average covering size
190 sec 175 sec
Average stabilization time
Algorithm 2
Algorithm 1
48
Maria Potop-Butucaru
Le modèle Le problème Des solutions Les résultats Perspectives
Stabilization
0 50 100 150 200 250 300 350
0 11 22 33 44 55 66 77 88 99 110 121 132 143 154 165 176 187 198
time
#black sensors
DMSC IMSC