Σχεδίαση, ανάπτυξη και υλοποίηση πρωτοκόλλων ασφαλούς και ενεργειακά αποδοτικής δρομολόγησης δεδομένων σε δίκτυα ασύρματων αισθητήρων

Abstract

Wireless Sensor Networks (WSNs) appeared almost two decades ago and from that time they have witnessed a tremendous bloom. Their application domains proliferate, ranging from environmental sensing and health care monitoring to military purposes; this is attributed to their unique advantages, such as low cost, wireless infrastructure-less operation, easy installation, etc. This application expansion (which implies analogous sensor population expansion) made the designers of Future Internet to consider WSNs as a valuable source of real-time information that can be exploited to improve the user experience, thus bringing WSN in the Future Internet scene. Despite their popularity, WSNs come with specific intricacies: the sensor nodes are characterized by limited processing, memory, communication and energy resources since they are usually battery-operated. Furthermore, in order to support self-organization, routing has to be performed in a cooperative manner, making them vulnerable to significant security threats. These intricacies have mandated the design of novel routing protocols that suit the needs of the application at hand, addressing the security implications by the introduction of novel trust management schemes to mitigate routing attacks, while simultaneously adopting strategies for energy-efficiency to prolong the network lifetime. In this Ph.D. thesis, we address the aforementioned issues by designing novel routing solutions that combine pure routing information with trust and energy information, satisfying the requirements of modern WSNs, which have to support multiple (and even diverse) applications with different Quality of Service requirements, nodes mobility and high node density. In the following, we present two trust and energy-aware routing solutions: The ambient trust secure routing algorithm is based on the geographical routing principles and very-well fits the requirements of mobility and large-scale WSN deployments, while being capable of mitigating a plethora of routing attacks. Moreover, the proposed routing algorithm defines an energy-efficient trust information exchange scheme that enables rapid trust knowledge building with low energy consumption. The performance of the proposed solution is thoroughly evaluated, using computer simulations for network topologies consisting of up to 1000 nodes.The gradient routing solution that is based on the IETF standardized RPL protocol is expected to be widely adopted within the next few years. We exploit the fact that IETF leaves open the definition of the routing metric that will be employed to guide the construction of Directed Acyclic Graphs to define a routing metric composition framework. Based on our framework, a system designer/user can select among a variety of primary routing metrics or define his/her own metrics that lead to the optimization of a specific network performance aspect (e.g. delay, throughput, energy). Moreover, the proposed framework clearly sets the necessary and sufficient conditions ensuring that the proper combination of selected metrics will ensure that the produced routing protocol will converge to optimal and loop free paths. We use the routing algebra to prove that once the primary routing metrics hold specific properties, the composite metric will also hold the necessary and sufficient properties for the routing protocol. In this perspective, we define trust and energy-related primary routing metrics that we prove to hold the abovementioned properties and, based on computer simulations, we prove that the proposed composite routing metrics can lead to a well-balanced performance in terms of the selected aspects. To ensure the feasibility of our approach which is a premium requirement, we have implemented both routing solutions in real-world state-of-the-art sensor nodes, named Iris and Telosb, respectively. The implementation results together with results from the protocol operation are reported and compared to computer simulations.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks-WSNs) εμφανιστήκαν πριν από περίπου δυο δεκαετίες και έκτοτε έχουν γνωρίσει τεράστια άνθιση. Τα πεδία εφαρμογών τους έχουν πολλαπλασιαστεί, καλύπτοντας μεγάλο εύρος εφαρμογών ξεκινώντας από περιβαλλοντικές έως στρατιωτικές εφαρμογές. Αυτή η εξάπλωση οφείλεται στα ιδιαίτερα πλεονεκτήματα που προσφέρουν, όπως το χαμηλό κόστος, η εύκολη εγκατάσταση, η ασύρματη επικοινωνία. Η δυναμική τους εξάπλωση έκανε τους σχεδιαστές του μελλοντικού Διαδικτύου να θεωρούν πλέον τα WSN ως μια πολύτιμη πηγή πληροφορίας πραγματικού χρόνου, η οποία αξιοποιούμενη θα μπορούσε να βελτιώσει το παρεχόμενο επίπεδο υπηρεσιών των χρηστών του Διαδικτύου στο μέλλον. Παρά την δημοτικότητά τους, τα δίκτυα αισθητήρων εμφανίζουν συγκεκριμένες ιδιαιτερότητες, οι οποίες απαιτείται να ληφθούν υπόψη. Οι κόμβοι που συνιστούν το δίκτυο χαρακτηρίζονται από περιορισμένους πόρους κυρίως σ’ ό,τι αφορά την επεξεργαστική ισχύ, τη μνήμη, την επικοινωνία αλλά κυρίως την ενέργεια, αφού κατά κανόνα τροφοδοτούνται από μπαταρίες. Επιπλέον, προκειμένου τα δίκτυα αυτού του είδους να υποστηρίζουν μοντέλα αυτοργάνωσης, η διαδικασία δρομολόγησης των δεδομένων βασίζεται στην συνεργασία των κόμβων μεταξύ τους, καθιστώντας τα ευάλωτα σε επιθέσεις. Αυτές οι ιδιαιτερότητες καθιστούν αναγκαίο το σχεδιασμό πρωτοκόλλων δρομολόγησης που πληρούν τις απαιτήσεις των συγκεκριμένων εφαρμογών, αφενός αντιμετωπίζοντας επιθέσεις κατά του πρωτοκόλλου δρομολόγησης μέσω της χρήσης καινοτόμων μοντέλων διαχείρισης εμπιστοσύνης και αφετέρου υιοθετώντας στρατηγικές αποδοτικής διαχείρισης της ενέργειας με στόχο την αύξηση της διάρκειας ζωής του δικτύου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αντιμετωπίζονται τα προαναφερθέντα προβλήματα προτείνοντας καινοτόμες λύσεις, οι οποίες συνδυάζουν την πληροφορία δρομολόγησης με μοντέλα ανάπτυξης σχέσεων εμπιστοσύνης μεταξύ των κόμβων και αποδοτικής διαχείρισης της ενέργειας. Με στόχο την ικανοποίηση των απαιτήσεων των σύγχρονων WSN για υποστήριξη πολλών εφαρμογών με διαφορετικά επίπεδα παροχής ποιότητας υπηρεσίας, κινητικότητας κόμβων και υψηλής πυκνότητας δικτύων, παρουσιάζονται δύο προσεγγίσεις δρομολόγησης με έμφαση στη διαχείριση της ενέργειας και της πληροφορίας εμπιστοσύνης. Ο προτεινόμενος γεωγραφικός αλγόριθμος ασφαλούς δρομολόγησης (ATSR) βασίζεται στη δρομολόγηση δεδομένων με βάση τη γεωγραφική θέση των κόμβων, γεγονός που τον καθιστά κατάλληλο αφενός για εφαρμογές σε δίκτυα μεγάλης κλίμακας που συμπεριλαμβάνουν κινητούς κόμβους και αφετέρου ικανό να αντιμετωπίσει μια πληθώρα επιθέσεων σε επίπεδο δρομολόγησης. Επιπλέον, ο αλγόριθμος υλοποιεί ένα σχήμα ταχείας ανάπτυξης και διάχυσης της πληροφορίας εμπιστοσύνης εντός του δικτύου με χαμηλό ενεργειακό κόστος. Η απόδοση της προτεινόμενης λύσης έχει αξιολογηθεί μέσω εκτενών προσομοίωσαν σε Η/Υ σε τοπολογίες αποτελούμενες από μεγάλο πλήθος κόμβων. Η δεύτερη προσέγγιση δρομολόγησης βασίζεται στο τυποποιημένο από την IETF πρωτόκολλο RPL, το οποίο αναμένεται να τύχει ευρείας εφαρμογής τα επόμενα χρόνια. Το γεγονός ότι η IETF δίνει την δυνατότητα στο χρήστη να ορίσει την δική του μετρική με βάση την οποία θα δημιουργηθεί ο κατευθυνόμενος άκυκλος γράφος δρομολόγησης αποτελεί βασικό πλεονέκτημα του εν λόγω αλγορίθμου. Πλέον ο χρήστης βασιζόμενος στο προτεινόμενο σε αυτή τη διατριβή πλαίσιο έχει την δυνατότητα να επιλέξει ανάμεσα από μια ποικιλία βασικών μετρικών δρομολόγησης (primary routing metrics) ή ακόμα και να ορίσει μία δική του, με στόχο την βελτιστοποίηση μιας συγκεκριμένης πτυχής της απόδοσης του δικτύου. Επιπλέον, το παραπάνω πλαίσιο ορίζει όλες τις αναγκαίες και ικανές συνθήκες που πρέπει να ισχύουν και προτείνονται τρόποι σύνθεσης των βασικών μετρικών ώστε να διασφαλιστεί η δημιουργία (συνθετών) μετρικών δρομολόγησης που να οδηγούν σε πρωτόκολλο που συγκλίνει σε βέλτιστα μονοπάτια απαλλαγμένα από βρόγχους. Αποδεικνύεται, χρησιμοποιώντας την άλγεβρα δρομολόγησης, ότι εφόσον οι βασικές μετρικές δρομολόγησης πληρούν συγκεκριμένες ιδιότητες, τότε και οι σύνθετες μετρικές που θα προκύψουν θα πληρούν τις αναγκαίες και ικανές ιδιότητες για το πρωτόκολλο δρομολόγησης. Υπό αυτή την προοπτική ορίζονται βασικές μετρικές που αντιστοιχούν στην διαχείριση της εμπιστοσύνης και της ενέργειας στα WSN, αποδεικνύεται ότι πληρούν τις προαναφερθείσες ιδιότητες και μέσω προσομοιώσεων σε περιβάλλον Η/Υ δείξαμε ότι οι προτεινόμενες σύνθετες μετρικές μπορούν να οδηγήσουν σε βελτιωμένη απόδοση όσον αναφορά σε συγκεκριμένες πτυχές.Για να διασφαλιστεί ότι οι προτεινόμενες προσεγγίσεις είναι εφαρμόσιμες στο διαθέσιμο υλισμικό αισθητήρων έγινε υλοποίηση των δύο προτεινόμενων λύσεων δρομολόγησης σε πραγματικούς κόμβους (τύπου telosb/iris). Τα αποτελέσματα από την διαδικασία υλοποίησης καθώς και από την λειτουργία του δικτύου αξιολογήθηκαν και συγκριθήκαν με αυτά που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις σε περιβάλλον Η/Υ.