Σχεδίαση, Ανάπτυξη Και Υλοποίηση Πρωτοκόλλων Ασφαλούς Και Ενεργειακά Αποδοτικής Δρομολόγησης Δεδομένων Σε Δίκτυα Ασύρματων Αισθητήρων

Abstract

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.