مسیریابی ایمن بر اساس بهره وری انرژی در شبکه های حسگر بی سیم

پیشرفتهای اخیر در زمینه سیستمهای mems ، حسگرهای هوشمند ، مخابرات بی سیم و همچنین الکترونیک دیجیتال ، امکان ساخت گره های حسگر کوچک ، کم مصرف و کم هزینه رافراهم می سازند که توانایی برقراری ارتباط به صورت بی سیم را نیز دارا می باشند. در حالت کلی هر گره از یکسری اجزای کلی تشکیل شده است که عبارتند از: واحد پردازش مرکزی، فرستنده و گیرنده رادیویی، منبع تغذیه . در این پروژه هدف اصلی ارتقا امنیت شبکه حسگر و حفظ انرژی می باشد که از پروتکل مسیریابی سلسله مراتبی و خوشه بندی جهت بهبود مصرف انرژی استفاده می گردد . در این پروتکل از 3 روش ترکیبی استفاده می کنیم که این موارد محدودیت های محاسباتی و مخابراتی شبکه های حسگر بی سیم را در نظر می گیرند که این روشها به قرار زیر می باشد : رمزنگاری جهت امن نمودن اطلاعات شبکه ، تکنیک خوشه بندی برای افزایش بهره وری انرژی و مکانیزم آشکارسازی خطا. در قسمت رمزنگاری داده ، گره سرخوشه یک کد شناسه و یک زمان منطقی مشخص به بسته های داده اضافه می کند و زمانیکه بسته داده به گره سینک می رسد ، گره سینک زمان منطقی را چک کرده و آن را با زمان خودش مقایسه می کند . در صورتیکه این دو مقدار برابر بودند به معنای این است که داده جدید ( fresh ) می باشد و پیام تغییر نکرده است یعنی حمله کننده ها به پیام دسترسی نداشته اند و در زمان رمز گشایی ،گره sink ( حسگرهایی با پهنای باند بالا که قدرت پردازش ، حافظه ، ظرفیت ارسال بالایی داشته و عمر باتری در آنها نسبت به دیگر گره های حسگری بیشتر می باشد ) این زمان منطقی را به وسیله کد شناسایی وابسته به آن در پیام پیدا می کند . قسمت دیگر پروژه حفظ انرژی شبکه هنگام مسیریابی می باشد که یک پروتکل مبتنی بر خوشه بندی با خوشه های تطبیقی است که در سیاست های خوشه بندی آن، فاصله ی گره ها از گره دریافت کننده نیز وارد شده است . این پروتکل، بر اساس فاصله ی گره ها از گره سینک به صورت عادلانه ای توزیع سرخوشه ها را در شبکه انجام می دهد . ایده ی اصلی این پروتکل این است که گره هایی که فاصله ی بیشتری از گره سینک دارند ، باید نسبت به گره های نزدیک به گره سینک ، کمتر به عنوان سرخوشه انتخاب شوند تا به وسیله آن اختلاف زیادی بین سطح انرژی یک گره نزدیک و یک گره ی دور بوجود نیاید. با اعمال این ایده ، اولا انرژی کل مصرف شده در شبکه کاهش می یابد و ثانیا بار این انرژی مصرفی به طور یکنواخت تری در بین گره های شبکه توزیع می شود و در نتیجه کارایی شبکه در مصرف انرژی افزایش خواهد یافت . هدف اصلی پروتکل های سلسله مراتبی ( مبتنی بر خوشه بندی ) در واقع به کارگیری یک روش مناسب جهت استفاده ی بهینه از منابع انرژی می باشد. پروتکل leach یکی از اولین پروتکل های سلسله مراتبی بود که برای شبکه های حسگر بی سیم معرفی شد و بسیاری دیگر از پروتکل ها بر مبنای آن طراحی شده اند. یک مساله ی مهم در طراحی شبکه های حسگر بی سیم و مخصوصا شبکه ها ی ریز حسگربی سیم wireless microsensor networks)) ، متعادل ساختن بار انرژی بین گره ها ی حسگر در شبکه است. اما پروتکل های سلسله مراتبی (مبتنی بر خوشه بندی ) مانند leach ، پروتکل ها ی معاصر و پیشین leach و پروتکل های مشتق شده از leach ، تاثیر فاصله ی گره های حسگر از ایستگاه پایه را در انرژی کل مصرف شده توسط شبکه در نظر نمی گیرند و این پارامتر را در سیاست های خوشه بندی خود وارد نمی کنند. از آنجاییکه ch بودن نسبت به non-ch بودن ، انرژی بسیار بیشتری را مصرف می کند، یک مشکل بالقوه در leach این است که این پروتکل برای احتمال ch شدن برای تمام گره ها مقدار انرژی یکسانی را مصرف می کند . حال آنکه، بر اساس مدل مصرف انرژی برای اجزای رادیویی ، در بهترین حالت، بر اساس مدل فضای آزاد ، مقدار انرژی لازم جهت راه اندازی تقویت کننده ی رادیویی یک گره (برای انتقال داده در طول کانال ) متناسب با مربع فاصله ی آن گره تا گره ی مقصد می باشد . در نتیجه، انرژی مورد نیاز یک ch با فاصله ی زیاد از ایستگاه پایه برای برقراری ارتباط با آن ممکن است آنقدر زیاد شود که یک ch نزدیک می تواند با مصرف همین مقدار انرژی، چهار دفعه ( و حتی بیشتر ) با ایستگاه پایه ارتباط برقرار کند . در leach بعد از گذشت چند دور از کارکرد شبکه ، تفاوت زیادی بین سطح انرژی گره های نزدیک به ایستگاه پایه و گره های دور از ایستگاه پایه خواهد بود برای کم کردن اختلاف مقدار انرژی مصرفی گره های مختلف شبکه و نیز کم کردن تعداد انتقال های زاید فوق، در این پروژه روش تقسیم شبکه بر اساس فاصله ارائه می شود که یک پروتکل مبتنی بر خوشه بندی با خوشه های تطبیقی است که در سیاست های خوشه بندی آن، فاصله ی گره ها از ایستگاه پایه نیز وارد شده است. این پروتکل، بر اساس فاصله ی گره ها از ایستگاه پایه به صورت عادلانه ای توزیع ch ها را در شبکه انجام می دهد . با اعمال این ایده ، اولا انرژی کل مصرف شده در شبکه کاهش می یابد و ثانیا بار این انرژی مصرفی به طور یکنواخت تری نسبت به leach در بین گره های شبکه توزیع خواهد شد و در نتیجه کارایی شبکه در مصرف انرژی افزایش خواهد یافت . در پروتکل پیشنهادی مراحل شکل گیری خوشه ها درست همانند leach است ولی روش انتخاب ch ها و پروتکل های mac با leach متفاوت اند، به گونه ای که ارتباطات کاراتری را از نظر مصرف انرژی، قابلیت اطمینان و تاخیر در شبکه میسر می سازند . پروتکل پیشنهادی ما شبکه را با در نظر گرفتن دوایری هم مرکز حول ایستگاه پایه ، به حلقه هایی هم مساحت تقسیم می کند و به هر حلقه بر حسب فاصله ی حلقه تا ایستگاه پایه ، تعداد خوشه ها ی متفاوتی ر ا تحمیل می کند. در حلقه ها ی نزدیک، احتمال ch شدن نسبت به حلقه های دور بیشتر است و در نتیجه تعداد ch ها در این حلقه ها بیشتر خواهد بود. بنابراین، با توجه به اینکه هر دو پروتکل (تقسیم شبکه بر اساس فاصله و leach ) در واحد زمان، مقدار داده ی یکسانی را به ایستگاه پایه انتقال می دهند، نتیجه می گیریم که پروتکل پیشنهادی کیفیت شبکه را از این نقطه نظر کاهش نمی دهد و می توانیم به طور عادلانه این دو پروتکل را باهم مقایسه کنیم. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهند که با مصرف انرژی یکسان توسط شبکه به ازای این دو پروتکل ، پروتکل ما بسته های بیشتری را نسبت به leach به ایستگاه پایه انتقال می دهد و در نتیجه مقدار داده ی بیشتری را به ازای واحد انرژی بدست می دهد. اما با توجه به اینکه اندازه ی خوشه ها در پروتکل پیشنهادی متفاوت است، باید در آینده تمهیداتی را برای تغییر مکانیزم ترکیب داده در خوشه های مختلف اتخاذ کنیم در این پروژه یک الگوریتم توزیع کلید رمزنگاری به صورت امن روی شبکه حسگر بی سیم که خوشه بندی شده است ، استفاده می شود . هر سنسور با یک کلید رمز نگاری که به صورت امن در اختیارش قرار می گیرد ، پیام ها را رمزگذاری کرده و ارسال می کند . بعد از گذشت مدتی از فعالیت شبکه برای افزایش ضریب امنیت شبکه ، کلید های رمزنگاری جدید در سطح شبکه توزیع می گردد. این کلیدها به وسیله کلید عمومی و تابع f در داخل خود حسگرها تولید می شود و آگهی ایجاد کلید جدید به وسیله ایستگاه مرکزی در سطح شبکه توزیع می گردد. گره های حسگری در ابتدا داده ها را بر اساس الگوریتم blowfish رمزنگاری می کند که سبب ارسال داده به صورت ایمن می شود و سپس داده رمزنگاری شده را به gateway ارسال می کنند. مزیت این تکنیک آن است که مخابره را ایمن می سازد و نسبت به دیگر الگوریتم های رمزنگاری ، انرژی کمتری را نیاز دارد . بعد از کامل شدن یک دوره ، سینک کلید جدید را با استفاده از تابع شبه تصادفی f تولید می نماید و آن را به gateway می فرستد. کلید دوره جدید به وسیلهgateway به حسگرهای خوشه ارسال می شود. بنابراین در این پروسه مخابراتی ،کلید برای هر دوره به وسیله گره سینک به صورت دینامیک تغییر می کند. یک رمزنگاری بلوکی متقارن می باشد که یک کلید رمز یکسان را برای هر دو مرحله رمزنگاری و رمزگشایی به کار می برد و داده ها را در بلوک های 8 بایتی رمزنگاری می کند و یک کلید با طول متغیر از 32 بیت ( 4 بایت ) تا 448 بیت ( 56 بایت ) استفاده می کند. زمانی که کارایی الگوریتم های رمزنگاری متقارن متفاوت بررسی می شود ، این نکته مشخص می شود که الگوریتم aes ، الگوریتم بسیار سریعی بوده اما نیازمند حداقل 800 بایت فضای حافظه برای جدول مراجعه می باشد. الگوریتم des نیز جدول مراجعه بزرگی نیاز دارد و توان عملیاتی اش بسیار ضعیف می باشد. بنابراین یک رمزنگاری بلوکی غیر ایمن است . rc6 یک الگوریتم کوچک است اما نسبت به blowfish کند می باشد. در نهایت در این پروژه از الگوریتم blowfish استفاده می شود.