ANALISIS PERBANDINGAN ROUTING PROTOKOL FLOODING DAN GOSSIPING DENGAN MENGGUNAKAN MEDIA KOMUNIKASI RF
PROPOSAL SKRIPSI KEMINATAN TEKNIK KOMPUTER Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh gelar Sarjana Komputer Disusun oleh: Rania Akhmalia NIM: 135150300111001
PROGRAM STUDI SISTEM KOMPUTER FAKULTAS ILMU KOMPUTER UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2016
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Wireless Sensor Network (WSN) merupakan tren teknologi pada bidang sistem embedded dan jaringan yang dikembangkan secara pesat beberapa tahun ini. Hal ini disebabkan karena kemudahan penyebaran informasi dan komunikasi perangkat menggunakan teknologi jaringan nirkabel. Dalam menunjang penyebaran informasi dan komunikasi perangkat, dibutuhkan protokol dan arsitektur node WSN yang memadai. Satu node WSN umumnya terdiri dari beberapa perangkat yaitu sensor, prosessor, memori dan radio transceiver. Dimana node-node WSN pada topologi multihop dapat berkomunikasi dengan sink-node menggunakan radio transceiver. Permasalahan pada komunikasi perangkat dan penyebaran informasi WSN cukup beragam. Salah satu masalah yang krusial adalah, besar energi yang dikonsumsi node WSN saat pengiriman informasi menuju sink-node. Permasalahan lain yaitu, ketepatan pengiriman paket mencapai sink-node. Untuk mengatasi permasalahan yang ada pada teknik komunikasi node WSN, dibutuhkan protokol routing yang mampu mengatasi permasalahan tersebut secara efektif. Terdapat 2 jenis routing protokol yang umum diterapkan pada lingkungan WSN yaitu flooding dan gossiping. Flooding adalah routing protokol yang paling sederhana, penyebaran informasi secara menyeluruh dengan metode broadcast paket ke seluruh node yang ada pada satu jaringan. Sedangkan gossiping routing protokol atau yang juga dikenal sebagai probabilistic flooding merupakan pengembangan dari flooding protokol dimana penyebaran informasi menggunakan metode multicast dengan pemilihan node secara acak. Flooding dan gossiping routing protokol memiliki performa yang berbeda dalam kemampuan menghemat energi maupun ketepatan pengiriman paket ke sink-node menggunakan komunikasi RF. Dalam penelitian ini, paket yang dikirim node berupa data hasil pembacaan sensor suhu ruangan. Perbedaan performa tersebut yang kemudian dianalisis, sehingga dapat diketahui jenis protokol routing yang lebih unggul baik dalam penghematan energi maupun ketepatan penyampaian informasi untuk mencapai sink-node.
1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang , dapat dirumuskan beberapa masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana teknik komunikasi antar node menggunakan protokol routing flooding dan gossiping dengan media komunikasi RF? 2. Bagaimana teknik pengumpulan data sensor suhu ruangan menggunakan protokol routing flooding dan gossiping dengan media komunikasi RF? 3. Bagaimana lama node hidup (nodes lifetime) dengan konsumsi energi yang digunakan selama melakukan pengiriman data suhu ruangan?
1.3 Batasan Masalah Agar pembahasan pada penelitian ini lebih terfokus, berikut uraian dari batasan masalah: 1. Topologi yang digunakan adalah star karena area pada setiap sensor yang kecil dan pengiriman data yang diprioritaskan cepat sampai. 2. Data yang dikirim node berupa suhu ruangan. 3. Parameter uji yang digunakan adalah energy consumption, nodes lifetime, throughtput dan delay.
1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini dibagi menjadi umum dan khusus: 1. Umum Membandingkan jenis routing protokol WSN flooding dan Gossiping. 2. Khusus - Mengetahui implementasi flooding dan gossiping routing protokol menggunakan media komunikasi RF. - Memahami performa dari flooding dan gossiping routing protokol menggunakan media komunikasi RF. - Membandingkan hasil performa dari flooding dan gossiping routing protokol menggunakan media komunikasi RF. - Menganalisis kelebihan dan kekurangan masing-masing algoritma baik routing flooding maupun gossiping.
1.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat baik bagi penulis maupun bagi pembaca, sebagai berikut: 1. Bagi Penulis - Mengaplikasikan ilmu yang diperoleh selama mengikuti perkuliahan di Sistem Komputer Universitas Brawijaya. - Memahami kelebihan dan kekurangan masing-masing routing protokol. 2. Bagi Pembaca Dapat melakukan pemilihan routing protokol yang tepat untuk bidang kasus tertentu sesuai kebutuhan.
1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan ini ditujukan untuk memberikan gambaran dan uraian dari penyusunan penelitian secara garis besar yang meliputi beberapa bab, antara lain: BAB I PENDAHULUAN Menguraikan latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan. BAB II LANDASAN KEPUSTAKAAN Menguraikan kajian pustaka dan dasar teori yang mendasari teknologi WSN beserta routing protokolnya. BAB III METODOLOGI Menguraikan metode dan langkah kerja yang terdiri dari studi literatur, analisis kebutuhan simulasi, perancangan sistem implementasi sesuai analisis dan pengambilan keputusan. BAB IV PERANCANGAN SISTEM Menguraikan perancangan sistem, pemilihan kebutuhan dan alur sistem dari dasar teori dan kajian pustaka yang telah dipelajari sesuai analisis. BAB V IMPLEMENTASI SISTEM Menguraikan proses implementasi dari dasar teori dan kajian pustaka yang telah dipelajari sesuai analisis dan perancangan sistem. BAB VI PENGUJIAN DAN ANALISIS HASIL Menguraikan hasil pengujian dan analisis dari sistem yang telah diimplementasikan.
BAB VI PENUTUP Memuat kesimpulan yang diperoleh dari implementasi dan pengujian simulasi serta saran untuk pengembangan penelitian.
BAB 2 LANDASAN KEPUSTAKAAN Pada penelitian ini, pustaka yang digunakan sebagai referensi terkait algoritma routing protokol flooding dan gossiping pada wireless sensor network berasal dari e-book yang berjudul “A Survey of Flooding, Gossip Routing, and Related Schemes for WirelessMulti-Hop Networks” dari Bastian Blywis, et al. Selain itu referensi lainnya yang terkait adalah jurnal yang berjudul “Comparison of Different Routing Protocols in Wireless Sensor Networks” dari Holger Karl dan Andreas Willig. Penelitian lain yang digunakan sebagai acuan perbandingan protokol routing flooding dan gossiping berjudul “Comparison of Flooding and Gossiping Routing Protocols Using TOSSIM in Wireless Sensor Networks” ditulis oleh Raju Dutta, et al. Sedangkan beberapa referensi tentang dasar teori sebagai pengetahuan pendukung untuk pembuatan sistem meliputi mikrokontroller, sensor suhu dan media komunikasi RF.
2.1 Tinjauan Pustaka E-book yang berjudul “A Survey of Flooding, Gossip Routing, and
Related Schemes for WirelessMulti-Hop Networks” dari Bastian Blywis, et al menjelaskan tentang algoritma yang digunakan protokol routing flooding dan gossiping dalam proses komunikasi atau pengiriman paket. Penelitian yang berjudul “Comparison of Different Routing Protocols in Wireless Sensor Networks” dari Holger Karl dan Andreas Willig mengemukakan perbedaan kinerja kedua protokol routing tersebut berdasakan proses komunikasi atau pengiriman paket. Penelitian lain yang digunakan sebagai acuan perbandingan protokol routing flooding dan gossiping berjudul “Comparison of Flooding and Gossiping Routing Protocols Using TOSSIM in Wireless Sensor Networks” ditulis oleh Raju Dutta, et al menjelaskan cara membandingkan performa kedua routing protokol tersebut.
2.2 Dasar Teori Wireless Sensor Network (WSN) adalah suatu kesatuan dari proses pengukuran, komputasi, dan komunikasi yang memberikan kemampuan administratif kepada sebuah perangkat, observasi dan melakukan tindakan ketika terjadi sesuatu dalam lingkungan yang mengimplementasikan wireless.
Sistem WSN ini jauh lebih efisien dibandingkan dengan penggunaan kabel karena dapat memenuhi kebutuhan teknologi dalam berbagai bidang ilmu, seperti halnya pada bidang biologi, pertanian, perikanan dan lain sebagainya. Sebagai contoh penelitian bidang pertanian menginginkan monitoring akan kelembapan tanah pada tanaman tertentu. Atau kasus lain seperti, pengukuran tingkat kedalaman air sungai dan masih banyak lagi. Arsiteksur pada WSN ini umumnya terbagi menjadi 4 bagian yaitu sistem sensing, processing, communication dan power. Dimana tiga bagian utama tersebut digabungkan sehingga membentuk rangkaian yang dapat menjalankan fungsinya dan disebut sebagai node. WSN terdiri dari lebih dari atau sama dengan 2 node yang saling berkomunikasi menggunakan media wireless. Sensor node ini dapat melakukan sensing, mengukur dan mengumpulkan data dari objek yang terukur. Terdapat dua tipe karakteristik jaringan pada wireless sensor network, yaitu karakteristik berdasarkan sink node-nya dan karakteristik berdasarkan sensor node nya. Karakteristik berdasarkan sink node-nya memiliki dua macam arsitektur, yaitu flat based dan hierachical based. Flat based merupakan arsitektur jaringan Wireless Sensor Network tradisional yang umumnya mengadaptasi flat structure. Dalam arsitektur flat-based terdapat 2 macam node secara fungsional sensor node dan sink-node. Pada flat-based pendistribusian informasi dilakukan pada node sensor yang dapat terjangkau pada jaringan sensor node tersebut. Beberapa contoh protokol routing yang menerapkan arsitektur flat-based antara lain: 1. Routing Metric 2. Flooding 3. SPIN 4. Directed Diffusion 5. Rumor Routing
2.2.1 Flooding Routing Flooding adalah protokol routing pada teknologi WSN dimana pada penyampaian informasi, paket data dilewatkan ke semua node. Pengiriman paket dilakukan secara broadcast dari source node menuju node-node tetangga. Node yang menerima paket, akan melanjutkan broadcast ke tetangganya sampai paket diterima oleh sink-node. Kelebihan yang dimiliki oleh flooding routing adalah ketepatan paket untuk sampai pada sink-node
tidak diragukan karena metode broadcast memastikan semua node pada jaringan menerima paket terkait. Sedangkan Kelemahannya adalah lalu lintas data akan padat dikarenakan metode broadcast yang digunakan serta kemungkinan terjadi tabrakan data cukup besar.
Gambar 2.1 Flooding Routing
2.2.2 Gossiping Routing Gossiping atau disebut juga probabilitas flooding merupakan algoritma routing yang dikembangkan dari jenis routing flooding. Pada pengembangannya, gossiping routing meneruskan paket data menuju sinknode tidak menggunakan metode broadcast seperti yang dilakukan flooding. Gossiping melakukan pemilihan node secara random untuk dapat meneruskan paket menuju sink-node. Sehingga, tidak semua node pada suatu jaringan WSN dapat menerima paket dari node lainnya.
Gambar 2.2 Gossiping Routing
2.2.3 Modul Wireless nRF24L01 Modul Wireless nRF24L01 adalah sebuah modul komunikasi jarak jauh yang memanfaatkan pita gelombang RF 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical). Modul ini menggunakan antarmuka SPI untuk berkomunikasi. Tegangan kerja dari modul ini adalah 5V DC. nRF24L01 memiliki baseband logic Enhfanced ShockBurst™ hardware protocol accelerator yang support ”high-speed SPI interface for the application controller”. nRF24L01 memiliki true ULP solution, yang memungkinkan daya tahan baterai berbulan-bulan hingga bertahun-tahun. Modul ini dapat digunakan untuk pembuatan pheriperal PC, piranti permainan, piranti fitnes dan olahraga, mainan anak-anak dan alat lainnya. Modul ini memiliki 8 buah pin seperti pada gambar 2.6 dibawah ini.
Gambar 2.3 Modul wireless nRF24L01 Sumber: (http://www.vcc2gnd.com/pic/NRF20L01_SI24RI_PinOuts.png, 2016) Spesifikasi lain yang dimiliki oleh modul nRF24L01 dijelaskan pada tabel 2.3. Tabel 2.1 Spesifikasi Modul nRF24L01 Power supply 1.9V~3.6V I/O port working voltage 0~3.3, 5 V I/O port working current 13.5mA at 2Mbps Data rate 256kbps / 1Mbps / 2Mbps Receiving sensitivity -85dBm at 1Mbps Transmission range 70~100 meter at 256kbps Temperaturs Operating:-40°C ~ 85°C / Storage:-40°C ~ 125°C Sumber: (http://www.vcc2gnd.com/pic/NRF20L01_SI24RI_PinOuts.png, 2016) 2.2.4 Arduino Nano v3.0 Arduino merupakan salah satu mikrokontroler yang sering dijumpai dipasaran dan mudah untuk digunakan. Arduino Nano versi 3.0 merupakan
bentuk pengembangan arduino nano. Arduino nano memiliki body yang relative kecil jenis breadboard-friendly board dengan mikroprosesor ATmega328 pada arduino nano versi 3.
Gambar 2.4 Arduino Nano Sumber: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano Spesifikasi yang dimiliki Arduino Nano v3.0 dijelaskan pada tabel 2.2. Tabel 2.2 Spesifikasi Arduino Nano v3.0 Microcontroller
Atmel ATmega328
Operating Voltage (logic level)
5V
Input Voltage (recommended)
7-12 V
Input Voltage (limits)
6-20 V
Digital I/O Pins
14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins
8
DC Current per I/O Pin
40 mA
Flash Memori
16 KB (ATmega168) or 32 KB (ATmega328) of which 2 KB used by bootloader
SRAM
1 KB (ATmega168) or 2 KB (ATmega328)
EEPROM
512 bytes (ATmega168) or 1 KB (ATmega328)
Clock Speed
16 MHz
Dimensions
0.73" x 1.70"
Length
45 mm
Width
18 mm
Weigth
5g
2.2.5 Sensor Suhu LM35A LM35 merupakan chip IC yang berfungsi untuk pengukuran suhu suatu objek atau ruangan dalam bentuk besaran elektrik. Luaran sensor suhul LM35 dapat mengubah perubahan suhu menjadi perubahan
tegangan. IC LM35 memiliki sensitivitas suhu dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/oC. Jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 oC sampai 150 oC serta bekerja pada tegangan 4-30 Volt. Sensor suhu memiliki tingkat keakuratan tinggi juga memiliki nilai impedansi sehingga memudahkan dalam perancangan rangkaian. Sensor suhu LM35 memiliki 3 pin, pin pertama adalah VCC pin kedua adalah Vin (analog input) dan pin yang terakhir adalah Ground. Gambar 2.5 adalah gambar suhu LM35.
Gambar 2.5 Sensor Suhu LM35 Sumber: (geeker.co.nz, 2016)
BAB 3 METODOLOGI Penelitian ini diawali dengan studi literatur yang terkait dengan kajian pustaka dan dasar teori. Penelitian ini bersifat implementatif karena berupa implementasi algoritma routing protokol flooding dan gossiping menggunakan media komunikasi RF. Diawali dengan menentukan alur metode penelitian untuk digunakan sebagai langkah yang akan ditempuh untuk menyelesaikan penelitian. Alur metode penelitian yang dilakukan untuk pembuatan sistem ini dapat dilihat dari diagram alir pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
3.1 Studi Literatur Studi literatur merupakan tahap mencari dan melakukan penyusanan teori dasar dan referensi yang mendukung sistem yang dibuat
sebagai penunjang penelitian. Dalam penelitian ini dijelaskan teori-teori mengenai wireless sensor network serta algoritma routing protokol flooding dan gossiping.
3.2 Analisis Kebutuhan Analisis kebutuhan ditujukan untuk melakukan analisis pada beberapa kebutuhan yang diperlukan sistem pada penelitian ini. Analisis kebutuhan pada penelitian ini dijelaskan sebagai berikut.
3.2.1 Kebutuhan Perangkat Keras Analisis kebutuhan perangkat keras (hardware) yaitu menganalisa kebutuhan perangkat keras apa saja yang digunakan untuk mewujudkan sistem pada penelitian ini. Adapun perangkat keras yang digunakan antara lain: a. Laptop - Model Perangkat: ACER Aspire 4732Z - Prosessor: Pentium Dual-core CPU 2,30 GHz - RAM: DDR2 2 Gb b. Arduino Nano v3.0 c. Modul Wireless nRF24L01
3.2.2 Kebutuhan Perangkat Lunak Analisis kebutuhan perangkat lunak yaitu menganalisa kebutuhan perangkat lunak apa saja yang digunakan untuk mewujudkan sistem pada penelitian ini. Adapun perangkat keras yang digunakan antara lain: a. Windows 7 Ultimate b. Arduino IDE 1.6
3.2.3 Kebutuhan Sistem Beberapa kebutuhan sistem yang diperlukan dalam perancangan sistem dijelaskan pada poin-poin sebagai berikut: a. Sistem dapat menjalankan algoritama routing protokol flooding dan gossiping dengan benar. b. Setiap node dapat melakukan perhitungan lifetime c. Sistem dapat melakukan akumulasi rata-rata throughput dan energy consumption setiap node.
3.3 Perancangan Sistem Perancangan sistem adalah tahap yang dilakukan setelah analisis kebutuhan sistem. Perancangan dilakukan apabila seluruh kebutuhan sistem telah terpenuhi.
3.3.1 Perancangan Node Perancangan node dijelaskan pada blok diagram dibawah ini.
Gambar 3.2 Diagram Blok Perancangan Penjelasan dari diagram blok diatas adalah: a. Power Supply Power Supply pada sistem ini berguna sebagai generator power. Umumnya power supply berupa baterai yang menunjang lamanya suatu node dapat hidup dan melakukan komunikasi dengan node lainnya. b. Temperatur Sensor Suatu node selain terdiri dari generator power, perangkat dasar yang dibutuhkan lainnya adalah sensing device. Pada sistem ini. Karena data yang dikirim berupa data suhu ruangan maka digunakan sensor temperatur jenis LM35. c. Microcontroller Microcontroller merupakan bagian terpenting dari node WSN. Sistem ini menggunakan microcontroller jenis arduino nano v3.0. Pada bagian ini terdapat, pengolahan hasil sensing dan implementasi algoritma flooding dan gossiping. d. Transceiver RF
Transceiver atau kepanjangan dari transmitter-receiver merupakan bagian komunikasi dari sebuah node. Transceiver bertugas memancarkan frekuensi dengan besar pita gelombang 2.4 GHz yang digunakan untuk berkomunikasi antar node. e. Memori Bagian lain dari sebuah node yang ditunjukkan pada diagram blok diatas adalah Memori. Memori bertugas sebagai media penyimpan pada suatu node. Data yang disimpan pada suatu node merupakan data hasil pengukuran sensing input.
3.3.2 Perancangan Topologi Node Topologi yang digunakan adalah topologi star dan penempatan sensor node diletakkan secara acak. Illustrasi topologi star yang digunakan seperti gambar 3.3 dibawah ini.
Gambar 3.3 Rancangan topologi Rancangan topologi ini terdiri dari tiga sensor node dan satu sink node. Karena alat transmitter memiliki jarak maksimum maka Sink node akan ditempatkan disekitar sensor node. Setiap node dirancang untuk dapat menerapkan algoritma routing WSN yang mana, algoritma routing protokol yang akan digunakan adalah flooding dan gossiping.
3.4 Implementasi Sistem Impementasi dilakukan sesuai dengan rancangan sistem yang telah dibuat. Proses implementasi dijelaskan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Diagram Alir Implementasi Sistem Penjelasan Gambar 3.4, antara lain: a. Implementasi rangkaian node dilakukan sesuai perancangan node pada diagram blok (Gambar 3.2). b. Pembuatan kode program dilakukan pada masing-masing node. Kode program pada setiap node memiliki 2 fungsi; fungsi pertama yaitu melakukan proses sensing sedangkan fungsi kedua yaitu menjalankan algoritma routing. c. Pengambilan data berupa suhu ruangan dilakukan fungsi pertama kode program pada masing-masing node dengan memanfaatkan sensor temperatur. d. Pengolahan data dilakukan dengan mengkonversi perubahan tegangan yang diterima oleh mikrokontroler menjadi nilai temperatur. e. Pengiriman ke sink-node dilakukan dengan menjalankan fungsi kedua dari kode program yaitu algoritma routing protokol dengan memanfaatkan transceiver RF.
3.4 Pengujian dan Analisis Hasil 3.4.1 Pengujian Pada tahap pengujian sistem, dilakukan pengujian dengan beberapa skenario yaitu pengujian pembacaan temperatur sensor dan teknik komunikasi setiap node menggunakan algoritma yang ditentukan. Pembacaan temperatur sensor yang mengukur perubahan suhu pada suatu ruangan tertentu dimana node diletakkan. Perubahan suhu yang bernilai analog kemudian diolah oleh mikrokontroller untuk kemudian diteruskan menuju sink-node menggunakan algoritma routing WSN yang telah ditentukan. Setiap node akan mengirimkan data suhu menggunakan media komunikasi RF secara bergantian. Data yang diterima oleh sink-node selanjutnya akan ditampilkan melalui serial monitor.
3.4.2 Analisis Hasil Dari hasil yang didapatkan dari proses pengujian, dapat dilakukan analisis sebagai berikut: a. Analisis routing topologi star menggunakan media komunikasi RF, yaitu sink node dapat melakukan komunikasi ke semua node. b. Analisis lama node hidup (nodes lifetime) dengan konsumsi energi yang digunakan. c. Analisis throughtput dan delay (rata-rata waktu yang dibutuhkan untuk saling berkomunikasi). d. Analisis perbandingan jenis routing protokol yang lebih unggul dalam hal node lifetime, besar konsumsi energi setiap node, besar rata-rata throughput dan delay pada proses pengiriman data antar node.
DAFTAR PUSTAKA Bastian Blywis., et al., 2011. A Survey of Flooding, Gossip Routing, and Related Schemes for Wireless Multi-Hop Networks. Research Gate. [e-journal]. Tersedia melalui: Research Gate [Diakses 25 Maret 2016] Kazem S., Daniel M., dan Taieb Z., 2007. Wireless Sensor Network Technology, Protocols, and Applications. [E-book]. Wiley. [Diakses 27 Mei 2016]. Lydia Chandrakanthan., et al., 2014. Comparison of Different Routing Protocols in Wireless Sensor Networks. [e-journal]. Tersedia melalui: [Diakses 25 Maret 2016] Mulyanta, Edi. S., 2015. Pengenalan Protokol Jaringan Wireless Komputer. Penerbit Andi. [e-book]. Tersedia Melalui: [Diakses 27 Mei 2016] Raju Duta., et al., 2013. Comparison of Flooding and Gossiping Routing Protocols Using TOSSIM in Wireless Sensor Networks. IJCA Online. [e-journal]. Tersedia melalui: [Diakses 25 Maret 2016] Sudeep, T., Neeraj K., dan Joel J.P.C.R, 2015. A systematic review on heterogeneous routing protocol for wireless sensor network. Tersedia di: . [Diakses 7 Mei 2016] Arduino, 2015. Product Arduino. [online] Tersedia di: < http://www.arduino.cc/en/Main/Products> [Diakses 12 Mei 2016] Arduino Info. Nrf24L01-2.4GHz-HowTo. Tersedia di: [Diakses 12 Mei 2016] National Semiconductor, 2000. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. Tersedia di: [Diakses 27 Mei 2016]
