bab i 1 pendahuluan

1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Wibling et al. (2004) menyatakan bahwa Mobile Ad Hoc Network
(MANET) adalah jaringan komputer bersifat spontan, yang berkomunikasi
melalui suatu media nirkabel. Setiap node dapat bergabung atau memisahkan diri
kapan saja, serta bebas bergerak sesuai keinginan. MANET tidak memiliki
infrastruktur terpusat, seluruh node yang berpartisipasi berfungsi sebagai node
akhir dan router. Area transmisi radio pada MANET terbatas, paket-paket menuju
node penerima dialihkan melalui beberapa node penengah untuk mencapai node
yang berada di luar area transmisi langsung.
Menurut Corson dan Macker (1999), tujuan dari MANET adalah untuk
mengembangkan sifat mobilitas ke dalam suatu alam yang bersifat autonomous,
mobile, dan wireless domain. Pada MANET, sekumpulan node yang terdiri dari
kombinasi beberapa router dan host membentuk infrastruktur routing jaringan
dalam mode ad hoc.
Performa dari MANET bergantung pada skema routing yang digunakan.
Jaringan MANET memiliki sebuah topologi yang dinamis, dimana setiap node
dapat bergerak secara acak, kondisi penyebaran radio berubah dengan cepat
sepanjang waktu, serta bandwidth yang terbatas. Sejak mobile host ditenagai oleh
baterai, penggunaan energi baterai secara efisien sangatlah penting. Umur baterai
dapat mempengaruhi performa komunikasi jaringan secara keseluruhan. Ketika
suatu node kehabisan energi, node tidak akan berfungsi dan menyebabkan
terjadinya
pembagian
jaringan.
Protokol
routing
tradisional
cenderung
menggunakan shortest-path algorithm, tanpa mempertimbangkan pemakaian
energi sehingga laju pengurangan energi dapat terjadi secara drastis pada sejumlah
kecil subset node. Kondisi tersebut akan semakin bertambah ketika adanya beban
lalu lintas yang berat (Rango et al., 2008).
1
2
Protokol routing diklasifikasikan menjadi protokol routing proaktif, reaktif
dan hybrid. Klasifikasi ini berdasarkan pada metode dalam mengelola informasi
rute di dalam protokol. Menurut McCabe et al. (2005), protokol routing proaktif
adalah protokol routing dimana seluruh node melakukan pertukaran informasi
routing secara berkala. Hal ini ditujukan agar rute pada setiap tujuan yang bisa
dicapai dapat segera tersedia ketika dibutuhkan. Contoh protokol routing proaktif
adalah Optimized Link State Routing (OLSR) (Jacquet dan Clausen, 2001), dan
The Babel Routing Protocol (Chroboczek, 2011). Protokol routing reaktif adalah
protokol routing yang mencari rute hanya ketika dibutuhkan oleh arus lalu lintas
pengguna. Contoh protokol routing reaktif adalah Ad-hoc On demand Distance
Vector (AODV) (Perkins dan Royer, 1999), dan Dynamic Source Routing (DSR)
(Johnson dan Maltz, 2001).
Menurut Rango et al. (2008), banyak protokol routing proaktif dan reaktif
telah diusulkan dari berbagai perspektif dimana protokol-protokol tersebut
mencoba untuk memenuhi berbagai properti seperti implementasi terdistribusi,
penggunaan bandwidth, kapasitas baterai, optimalisasi metric, konvergensi rute
yang cepat dan loop freedom.
Optimized Link State Routing (OLSR) adalah protokol routing yang
didasarkan pada link-state algorithm dan bersifat proaktif, protokol ini banyak
digunakan dan dikembangkan sehingga berbagai macam studi terus dilakukan
untuk memperbaiki serta meningkatkan kinerja protokol OLSR (Jacquet dan
Clausen, 2001). OLSR tradisional memberikan keunggulan dalam menemukan
rute di antara dua node di dalam jaringan dalam waktu yang singkat dikarenakan
polanya yang proaktif, namun OLSR dapat menghabiskan banyak sumber daya
dalam proses pemilihan node Multi Point Relay (MPR) serta dalam pertukaran
informasi Topology Control. Node MPR merupakan sekumpulan node tetangga
yang berjarak 1 hop dari suatu node, serta memiliki status Willingness
. Sekumpulan node MPR tersebut bertugas untuk melakukan
forwarding pesan dan paket (Rango et al., 2008).
Rango et al. (2008) melakukan penelitian dengan memodifikasi OLSR
tradisional menjadi Energy Efficient Optimized Link State Routing (EE-OLSR).
3
Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa protokol ini dinyatakan dapat
meningkatkan tingkat efisiensi energi untuk memperpanjang umur jaringan tanpa
adanya pengurangan pada performa. Proses simulasi yang dilakukan pada
penelitian tersebut hanya menghasilkan perbandingan pemakaian energi oleh
protokol jaringan EE-OLSR yang dinyatakan lebih rendah daripada protokol
jaringan OLSR sebelumnya. Penelitian tersebut tidak menunjukkan pada proses
apakah dan pada waktu apa jumlah energi yang digunakan oleh node EE-OLSR
menjadi lebih kecil daripada node OLSR. Penelitian yang dilakukan pada tesis ini
berfokus pada teknik Model Checking yang mampu menunjukkan pada waktu apa
dan keadaan seperti apa suatu sistem memenuhi properti yang diberikan dan
apakah terdapat design flaw atau subtle error pada sistem.
Pada setiap protokol routing MANET, aspek waktu merupakan hal yang
penting. Aspek waktu ditentukan oleh formula yang tergantung pada properti
yang telah ditentukan oleh standar protokol routing itu sendiri.
Model Checking adalah suatu teknik verifikasi yang menyelidiki seluruh
kemungkinan system state dengan cara brute force. Menurut (Paar dan Pelzl,
2010), cara brute force adalah suatu teknik penyelesaian masalah yang melakukan
perhitungan sistematis terhadap seluruh kandidat solusi yang mungkin, kemudian
melakukan pemeriksaan apakah tiap kandidat memenuhi pernyataan masalah yang
diberikan. Teknik Model Checking mirip dengan program catur komputer yang
memeriksa seluruh langkah yang mungkin dilakukan. Model Checker adalah tool
yang melakukan Model Checking, memeriksa seluruh skenario sistem dengan cara
yang sistematis (Baier dan Katoen, 2008).
Model Checking merupakan sebuah metode algoritmik yang dijalankan
secara fully-automatic untuk melakukan verifikasi pada sebuah sistem (Berard et
al., 2010). Proses verifikasi dilakukan dengan tujuan untuk mencocokkan
implementasi protokol tersebut dengan spesifikasi telah yang dibuat, dan untuk
melakukan pengembangan protokol. Pengembangan dari protokol yang telah
banyak digunakan umumnya dilakukan dengan cara memodifikasi desain yang
lama lalu dilakukan verifikasi ulang terhadap protokol hasil modifikasi tersebut
(Bengtsson et al., 2002).
4
Proses verifikasi protokol paling umum dilakukan dengan cara simulasi
dan pengujian secara langsung. Tool simulasi Network Simulator (NS2) dan tool
pengujian secara langsung yaitu Ad hoc Protokol Evaluasi (APE) yang digunakan
untuk perbandingan dengan real-world, merupakan dua tool paling umum
digunakan dalam verifikasi protokol. Namun proses simulasi dan pengujian tidak
cukup untuk memverifikasi bahwa tidak ada subtle error atau design flaw pada
suatu protokol (Wibling et al., 2004).
McCabe et al. (2005) melakukan penelitian perbandingan konsumsi energi
pada protokol OLSR tradisional dengan protokol DSR. Pada penelitian tersebut,
hasil simulasi menunjukkan bahwa pada protokol OLSR terdapat routing traffic
yang berlangsung terus menerus dan menggunakan bandwidth jaringan serta
tenaga baterai. Pada penelitian ini juga ditemukan suatu kondisi dimana protokol
DSR memiliki nilai yang lebih baik dari OLSR, yakni ketika tingkat lalu lintas
pengguna menurun atau ukuran paket menjadi besar.
UPPAAL adalah suatu model checker tool yang digunakan untuk
memodelkan, simulasi, dan melakukan verifikasi terhadap suatu sistem yang
dimodelkan pada Timed Automata. UPPAAL bersifat real-time, berbasis pada
constraint-solving dan teknik on-the-fly. Tool ini dikembangkan oleh Uppsala
University dan Aalborg University (Larsen et al., 1997).
UPPAAL CORA adalah suatu varian dari UPPAAL untuk menganalisa
Cost Optimal Reachability. UPPAAL CORA dikembangkan oleh tim yang telah
mengembangkan UPPAAL sebelumnya. UPPAAL CORA menggunakan Linearly
Priced Timed Automata (LPTA) sebagai bahasa pemodelannya. LPTA merupakan
bahasa pemodelan Priced Timed Automata dengan satu variabel cost. UPPAAL
CORA menemukan optimal path menuju suatu state yang memenuhi beberapa
kondisi tujuan. Optimal path merupakan path yang memiliki akumulasi cost yang
paling rendah. UPPAAL CORA dapat memberikan informasi path di dalam
protokol yang memiliki pemakaian energi (cost), serta dapat menentukan apakah
spesifikasi energi yang diberikan mampu dipenuhi oleh protokol tersebut.
5
Pada penelitian ini akan dibahas mengenai verifikasi protokol routing
Energy Efficient Optimized Link State Routing (EE-OLSR) yang dinyatakan
mampu memenuhi properti energy efficient. Penelitian ini dilakukan dengan
memodelkan dan memverifikasi protokol EE-OLSR tersebut menggunakan model
checker tool UPPAAL CORA. Verifikasi melalui teknik Model Checking
terhadap protokol EE-OLSR ini dilakukan karena pada penelitian sebelumnya,
verifikasi yang dilakukan terhadap protokol ini adalah dengan teknik simulasi,
namun teknik simulasi tidak dapat memberikan suatu diagnostic trace yang
merupakan keunggulan dari teknik Model Checking. Diagnostic trace merupakan
suatu untaian transisi yang dapat menunjukkan pada keadaan seperti apa propertiproperti yang diberikan dapat terpenuhi ataupun tidak terpenuhi.
1.2
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, rumusan masalah penelitian ini adalah
pada keadaan apa properti energy efficient dapat dipenuhi oleh protokol EEOLSR.
1.3
Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Properti yang diberikan pada verifikasi terdiri dari 5 properti yang
menunjukkan bahwa model yang dibangun bersifat valid atau dengan
kata lain sesuai dengan spesifikasi asli protokol, serta properti utama
yakni energy efficient. Lima properti tersebut, yakni
a. Neighbor Detection
b. Populating 2 Hop Neighbor
c. Topology Discovery
d. Optimal Route
e. Packet Delivery
2. Verifikasi yang dibuat mengabaikan masalah keamanan dan Quality of
Service.
3. Model checker tool yang digunakan adalah UPPAAL CORA.
6
1.4
Tujuan Penelitian
Tujuan pada penelitian ini adalah menemukan keadaan yang menunjukkan
bahwa protokol EE-OLSR memenuhi properti energy efficient, serta menemukan
informasi apakah ada suatu keadaan yang menunjukkan bahwa properti tersebut
tidak dipenuhi melalui teknik pemodelan dan metode formal verification
menggunakan model checker tool UPPAAL CORA.
1.5
Manfaat Penelitian
Manfaat dilakukannya penelitian ini adalah untuk memberikan informasi
keadaan di protokol dimana properti energy efficient dapat dipenuhi ataupun tidak
dipenuhi, serta dapat menjadi bahan untuk melanjutkan penelitian selanjutnya
untuk memodelkan dan verifikasi protokol terutama protokol link-state routing.
1.6
Metode Penelitian
Tahap-tahap dalam melakukan penelitian meliputi:
1. Studi Literatur. Studi literatur dilakukan dengan melakukan analisa
terhadap sumber tertulis seperti buku, jurnal, e-book, karya ilmiah dan
tugas akhir yang bersangkutan dengan topik penelitian. Referensi yang
diperlukan adalah pemodelan protokol EE-OLSR menggunakan
UPPAAL CORA.
2. Pemodelan. Tahap pemodelan serta verifikasi protokol EE-OLSR
menggunakan UPPAAL CORA ditunjukkan oleh Gambar 1.1. Pada
tahap ini, dilakukan analisa terhadap protokol EE-OLSR, proses analisa
dilakukan terhadap prilaku dari setiap node yang berada pada jaringan
dengan protokol tersebut, proses pengiriman dan penerimaan pesan
kontrol, serta proses-proses lain yang melibatkan pemakaian energi
oleh setiap node pada protokol. Kemudian protokol tersebut
dimodelkan ke dalam bahasa pemodelan Linearly Priced Timed
Automata menjadi autograph di model checker tool UPPAAL CORA.
7
Gambar 1.1 Skema pemodelan dan verifikasi protokol EE-OLSR
Protokol dimodelkan menjadi suatu komunikasi paralel pada beberapa
LPTA
dengan
sejumlah
template.
Setiap
automata
akan
merepresentasikan setiap proses yang terjadi pada suatu node, yakni:
a. Broadcast pesan HELLO. Pesan HELLO adalah pesan yang
membawa informasi mengenai neighbor node pengirim pesan
HELLO tersebut serta status link-nya. Node melakukan broadcast
pesan HELLO hanya ke seluruh node yang berjarak satu hop di
sekitar node tersebut. Tujuannya, agar node dapat memperoleh
informasi mengenai status link dari node yang berjarak 2 hop
darinya untuk kemudian mengkonstruksikan tabel MPR Selector.
Pesan HELLO adalah satu-satunya pesan kontrol yang tidak boleh
di-forward oleh node.
b. Pemilihan Multi Point Relay. Informasi yang didapat dari pesan
HELLO akan digunakan oleh setiap node dalam membangun tabel
MPR Selector mereka sendiri. MPR Selector adalah sekumpulan
8
node yang memilih node lain sebagai MPR mereka. Node
memperbaharui kumpulan MPR Selector-nya sesuai dengan
informasi yang diterima di pesan HELLO. Node kemudian
menghitung status energi sendiri dan mendeklarasikan status
Willingness berdasarkan pada kapasitas baterai dan umur node
yang diprediksi dari perhitungan laju pengurangan energi di node
tersebut, mekanisme ini disebut dengan Energy Aware Willingness
Setting.
c. Forward Data Packet. Node pengirim memilih rute menuju node
penerima, dengan menggunakan mekanisme Minimum Drain Rate
(MDR). Mekanisme berjalan dengan memilih rute menuju node
tujuan pengiriman paket yang memiliki umur terpanjang. Umur
tersebut dihitung dari suatu fungsi cost yang menunjukkan waktu
kapan sisa baterai node pengirim akan habis dengan kondisi traffic
yang sedang terjadi pada jaringan tersebut.
d. Broadcast pesan Topology Control (TC). Pesan TC adalah pesan
yang memuat daftar neighbor yang telah memilih node pengirim
pesan TC tersebut sebagai MPR. Pesan TC dikirim secara berkala
oleh setiap node dalam jaringan untuk mendeklarasikan kumpulan
MPR Selector-nya. Setiap node di jaringan melakukan forwarding
terhadap pesan TC ke seluruh node tetangganya yang berjarak 1
hop. Node mengelola tabel routing melalui informasi yang
diperoleh dari pesan TC tersebut.
e. Perhitungan Tabel Routing. Tabel Routing adalah tabel yang
dimiliki oleh setiap node agar dapat melakukan route paket menuju
node tujuan didalam jaringan. Tabel tersebut berisikan informasi
dari seluruh node di jaringan, jumlah hop menuju setiap node
tersebut,
dari node tetangga yang berjarak 1 hop di path menuju
node lain, rangkaian angka terbaru yang menunjukkan apakah
pesan TC yang diterima pernah diproses atau belum, serta tetangga
1 hop dari seluruh node di jaringan. Node yang menerima pesan
9
TC, melakukan parse and store terhadap pasangan node yang
diperoleh dari daftar di dalam pesan TC.
3. Formulasi Spesifikasi Properti. Pada tahap ini dilakukan analisa
kemudian dilakukan formulasi terhadap spesifikasi properti protokol
EE-OLSR, yakni properti energy efficient ke dalam sintaks Weighted
Computation Tree Logic (WCTL), yang ditunjukkan oleh Persamaan
1.1 yaitu
1.1
dengan
adalah bentuk formal dari properti. Properti energy efficient
dinilai dari parameter yang merupakan cost (pemakaian energi) yang
digunakan oleh node dari mulai aktif hingga paket yang dikirim
diterima oleh node tujuan. Parameter tersebut menentukan apakah
protokol EE-OLSR dapat memperpanjang umur jaringan lebih dari
protokol OLSR tradisional.
4. Verifikasi
Protokol.
Verifikasi
protokol
dilakukan
dengan
menginputkan sintaks WCTL dari properti energy efficient terhadap
protokol EE-OLSR ke dalam verifier di UPPAAL CORA. Verifikasi
dilakukan oleh verifier dengan cara memeriksa sifat reachability dari
suatu location yang memenuhi properti energy efficient di dalam model
protokol EE-OLSR yang telah dibangun menggunakan bahasa
pemodelan LPTA. Apakah dari proses verifikasi tersebut suatu location
tertentu melalui suatu path dapat dicapai dari initial location atau tidak.
Pada Persamaan 1.2, ditunjukkan hasil dari verifier yang dapat berupa :
1.2
Apabila model tidak memenuhi properti maka akan diberikan counter
example, yaitu sebuah keadaan dimana pada location tersebut properti
10
tidak
mampu
dipenuhi.
Counter
example
tersebut
kemudian
dibandingkan dengan spesifikasi dari protokol dan berdasarkan
spesifikasi apabila counter example tersebut seharusnya tidak ada
maka kemudian model protokol di-reduce lalu dilakukan verifikasi
ulang. Langkah ini dilakukan melalui teknik Model Checking yang
terjadi di dalam model checker tool UPPAAL CORA untuk
menentukan apakah model protokol EE-OLSR dapat memenuhi
properti energy efficient atau tidak.
5. Pengambilan Kesimpulan. Proses pengambilan kesimpulan dilakukan
dengan melihat kemampuan protokol dalam memenuhi properti energy
efficient.
6. Penulisan Laporan. Pada tahap ini akan dilakukan penulisan laporan
hasil penelitian.
1.7
Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam penelitian ini terdiri dari:
BAB I
PENDAHULUAN yang menjelaskan tentang latar belakang, rumusan
masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, keaslian penelitian,
manfaat penelitian, metodologi penelitian dan sistematika penulisan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA menjelaskan tentang penelitan yang telah
dilakukan yang memiliki keterkaitan dengan penelitian yang dilakukan.
BAB III
LANDASAN TEORI yang menjelaskan tentang berbagai materi yang
berhubungan dan diperlukan dalam penelitian, sehingga dapat
membantu dalam proses pencapaian hasil penelitian.
BAB IV ANALISIS DAN RANCANGAN SISTEM menjelaskan tentang
analisa dan desain model protokol serta pendefinisian dengan sintaks
WCTL atas bentuk logika dari properti energy efficient yang akan
diverifikasi.
BAB V
IMPLEMENTASI menjelaskan tentang pemodelan protokol EE-OLSR
dan OLSR ke dalam Priced Timed Automata dengan menggunakan
model checker tool UPPAAL CORA.
11
BAB VI HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN menjelaskan tentang
metode penelitian, hasil yang diperoleh dari penelitian, pengujian dan
pembahasan.
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN yang menjelaskan tentang kesimpulan
dari hasil penelitian yang diperoleh dan melihat keterkaitan antara hasil
penelitian terhadap permasalahan dan tujuan penelitian serta saran
berupa penelitian yang dapat dilakukan selanjutnya.
1.8
Keaslian Tesis
Berdasarkan pelacakan literatur dan
internet
yang ada ternyata
permasalahan yang dikaji dalam tesis ini belum pernah diteliti. Penelitian ini
berfokus pada protokol EE-OLSR yang memiliki sejumlah perbedaan besar dari
protokol OLSR sebelumnya. Perbedaan tersebut terdapat pada properti yang
difokuskan, sehingga menjadikan model yang dibangun tidak serupa dengan
model pada protokol di penelitian lain. Pada penelitian sebelumnya, proses
verifikasi sistem secara umum dilakukan dengan simulasi ataupun pengujian
langsung terhadap sistem. Teknik Model Checking yang digunakan pada
penelitian ini juga merupakan salah satu teknik verifikasi sistem, selain simulasi
dan pengujian langsung. Selain itu, model checker tool UPPAAL CORA yang
digunakan oleh penelitian ini merupakan salah satu tool yang digunakan untuk
Model Checking, sedangkan pada penelitian-penelitian Model Checking
sebelumnya, tool yang digunakan secara umum adalah tool UPPAAL.