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Plataforma de Simulação de RSSF e modelo de energia em RSSFPedro Marques da Silva
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Sumário
ObjectivoSimulação em redes de sensores sem fios (RSSF)Modelo de Energia de uma RSSFO simulador WiSeNet O modelo de energia desenhadoAlgumas considerações Demostração do SimuladorDiscussão
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Objectivo
Apresentar o projecto de desenvolvimento de um simulador de redes de sensores sem fios, orientado para o estudo e avaliação sistémica de
protocolos de encaminhamento seguro.
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Simulação em RSSF
O porquê?– Tratando-se de dispositivos de baixo custo, para o desenvolvimento de
aplicações, protocolos de encaminhamento torna-se dispendioso, devido às suas limitações (energia, fragilidade).
Desafios– Escalabilidade, fácil instrumentação e API simples para implementação
de novas tecnologias, abstracção para diferentes aplicações, capacidade de medição de métricas relevantes (energia, latência, fiabilidade).
Vantagens– Baixo custo, repetição de experiências, depuração de erros,
abordagem sistemática, previsão de comportamentos aproximados à realidade, avaliação e comparação de protocolos numa mesma base tecnológica.
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Simulação em RSSF
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Modelo de Energia em RSSF
Problemática
– Recursos energéticos escassos dadas as dimensões das plataformas e os requisitos de operação (baixo custo, distribuição remota e em grande escala)
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Modelo de Energia em RSSF (cont.)
Arquitectura
– No nível de comunicação, de acesso ao meio (MAC) são feitos os grandes esforços para a gestão de energia.
– O custo das comunicações tem uma ordem de grandeza superior (na ordem dos milhares) comparativamente com o custo de computação.
– Desenvolvimento de protocolos MAC orientados para a optimização da energia, já existem também alguns protocolos de encaminhamento que reagem a informação energética.
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Modelo de Energia em RSSF (cont.)
Ciclo de vida de um Sensor
– Sleep, Active, Trasmit, Receive, Idle
– Passa cerca de 90% do tempo de operação em Sleep
– Ao nível MAC é “negociado” o estado com os sensores vizinhos
Custos energéticos
– A comunicação é o grande consumidor, como tal deve ser reduzidos os estados relacionados (transmit, receive)
– A implementação de algoritmos criptográficos para garantia de propriedades de segurança aumenta os consumos, tendo em atenção ainda a possibilidade de crescimento das mensagens cifradas.
– As transições de estados também são consumidoras de energia
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Simulador WiSeNet
Enquadrado na elaboração de uma dissertação de Mestrado cujo tema é “Avaliação de condições de fiabilidade e segurança de protocolos de encaminhamento de dados em redes de sensores sem fios”
Desenvolvimento em Java, baseado no simulador de eventos discretos Jprowler
Pretende contribuir para o estudo de protocolos de encaminhamento de RSSF, nomeadamente no que se refere às propriedades de fiabilidade, latência, energia e cobertura permitindo avaliar e comparar o impacto da implementação de mecanismos de segurança nestes protocolos.
Disponível em Open Source em http://code.google.com/p/secwsnsim/
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Simulador WiSeNet (cont.)
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Simulador WiSeNet (cont.)
Reformulação do Jprowler com a implementação de uma visão de camadas e adopção de Factories para a criação de nós;.
Formação de três camadas que facilitam o cruzamento de diversas MAC, Routing e Application;
Implementação de um MACLayer seguro ( semelhante ao TinySec existente no TinyOS).
Radio Model
MAC Layer
Routing Layer
Application
Mica2 Node
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Simulador WiSeNet (cont.)
Exemplos de Utilização Factoriespublic class AODVNodeFactory extends NodeFactory{
public void setup() { setApplicationClass(AODVApplication.class); setRoutingLayerClass(AODVRoutingLayer.class); setNodeClass(AODVNode.class);
setMacLayer(Mica2MACLayer.class);
setSetup(true); }
}
public class SecureNodeFactory extends NodeFactory{
public void setup() { setApplicationClass(AODVApplication.class); setRoutingLayerClass(AODVRoutingLayer.class); setNodeClass(AODVNode.class);
setMacLayer(SecureMica2MACLayer.class);
setSetup(true); }
}
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O modelo de energia desenhado
• Identificação de eventos relacionados com o consumo de energia que se pretendiam interceptar;
• Estabelecimento de uma grelha comparativa dos eventos e da caracterização de cada evento;
• Avaliação do consumo energético de cada evento baseado em medições físicas documentadas em artigos académicos;
• Desenho do algoritmo de gestão de energia de um nó sensor
• Implementação no simulador do modelo de gestão de energia;
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O modelo de energia desenhado (cont.)
Eventos Caracterização (Custo) Parametrização de Referência Cálculo de Custo Energético Obs.
Transmissão
Varia com a distância ( potência aplicada), Payload do pacote.
CPU=ON TX=ON
μJoule/bit
mA - Consumo
μJoule * nº bits
Pode ser calculado por tempo de transmissão, com base da largura de banda
Pode ser condicionada pelas condições externas (humidade, altitude) influenciando as retransmissões
RecepçãoConsumo semelhante ao da transmissão
μJoule/bit μJoule * nº bits
0.67μJoule /byte
Sleep/Listen
Implementação de espera de baixo consumo vs espera activa em modo LISTEN
Sleep: CPU=OFF TX=OFF
Tempo*μJoule T*μJoule
3 picoJoules
Custo da instalação de Timers para mudança de estado
ProcessamentoNumero de ciclos e custo por ciclo Nº de Ciclos de relógio para
processar 1 bitDificil avaliação em simulação devido a não aferição do numero de ciclos.
Cifrar
Depende a ciphersuite(custo computação); Tamanho da chave ; PT=CT ou PT=CT+[OVERHEAD]
TX=OFF CPU=ON
μJoule/bit μJoule * nº bits
AES128-> 1.62μJoule *bytes
DecifrarIdem μJoule/bit μJoule * nº bits
AES128-> 2.49μJoule *bytes
Assinatura/Digest
Comprimento fixo, custo de computação
μJoule/bit μJoule * nº bits
SHA1-5.9μJoule *bytes
Pode optar por redução do numero de bits da assinatura/digest
Verificaçãocusto de computação μJoule/bit μJoule * nº bits
Transição ON/OFFCusto de operação dos componentes eletrónicos
Fixo depende do sensor (fabricante) μJoule * tempo Consultar fabricantes
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O modelo de energia desenhado (cont.)
CPU TX Sensor Eventos
ON ON OFFNão são lançados eventos, apenas faz relay de Mensagens
ON ON ONFaz todas as operações
ON OFF OFFApenas realiza computações
ON OFF ONDetecta eventos mas não os envia
OFF OFF OFFFica em sleep mode poupando o máximo de energia
O Nó tem dois modos princípais: ACTIVO e SLEEP (Se estiver OFF é porque não tem energia e esgotou o ciclo de operação)
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O modelo de energia desenhado (cont.)
SE NODE==SLEEP ENTÃO não detecta eventos (camada aplicação não opera ao nível do simulador)SENAO SE for detectado um EVENTO ENTÃO PROCESSA_MENSAGEM()(1) SE TX == ON ENTAO Transmite Consome energia de trasmissão baseado na unidade de referência(J/Byte) SENAO (TX==OFF) TX OFF==>ON Consome Energia de transição OFF==>ON Transmite Consome energia de trasmissão baseado na unidade de referência(J/Byte) FIM SE SENÃO (Operação em RELAY ou RECEPÇÃO) SE receber uma mensagem ENTAO SE TX==ON ENTÃO Recebe Mensagem Consome energia de Recepção baseado na unidade de referência(J/Byte) PROCESSA_MENSAGEM() e TRASMITE Caso se aplique SENAO (TRASMISSÂO RELAY) (1) FIM SE FIM SEFIM SE
PROCESSA_MENSAGEM(){ SE estiver a CIFRAR ENTAO CIFRA MENSAGEM Consome energia de CIFRA baseado na unidade de referência(J/Byte) do algorimo utilizado SENAO SE estiver a DECIFRAR ENTAO DECIFRA MENSAGEM Consome energia de DECIFRA baseado na unidade de referência(J/Byte) do algorimo utilizado SENAO Computacao simples Consome energia de COMPUTACAO baseado na unidade de referência(J/CICLO) FIM SE FIM SE}
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Considerações finais
Em assuntos em aberto
– Implementação ao nível MAC do ciclo de vida do Sensor
– Definição dos gráficos de visualização de resultados energéticos
– Recolha de dados para avaliação OffLine
– Possibilidade de simulação distribuída com submissão de “jobs”
– Avaliação da facilidade de uso da API para desenvolvimento de novos protocolos
– Desenvolvimento de uma ciphersuite out-of-the-box
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Demonstração do Simulador
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Questões
