متن کامل پایان نامه مدل energy- efficient مبنی بر تراكم داده‌ها برای شبكه های سنسور بی سیم

متن کامل پایان نامه مدل energy- efficient مبنی بر تراكم داده‌ها برای شبكه های سنسور بی سیم

متن کامل تحقیق مدل energy- efficient مبنی بر تراكم داده‌ها برای شبكه های سنسور بی سیم

چكیده:

تراكم داده ها در شبكه های سنسور بی سیم افزونگی را حذف می كند تا مصرف پهنای باند و بازده انرژی گوه ها را توسعه دهد. این مقاله یك پروتكل تراكم داده های energy- efficient امن را كه (Energy- Efficient Secure Pattern based Data Aggregation) ESPDA الگوی امن energy- efficient بر پایة تراكم داده ها) نامیده می شود ارائه می كند. برخلاف تكنیكهای تراكم داده های قراردادی، ESPDA از انتقال داده های اضافی از گره های سنسور به cluster- headها جلوگیری می كند. اگر گره های سنسور همان داده ها را تشخیص داده و دریافت كنند، ESPDA ابتدا تقریباً یكی از آنها را در وضعیت خواب (sleep mode) قرار می دهد و كدهای نمونه را برای نمایش مشخصات داده های دریافت و حس شده توسط گره های سنسور تولید می كند. Cluster- head ها تراكم داده ها را مبنی بر كدهای نمونه اجرا می كند و فقط داده های متمایز كه به شكل متن رمز شده هستند از گره های سنسور به ایستگاه و مكان اصلی از طریق Cluster- headها انتقال یافته است. بعلت استفاده از كدهای نمونه، Cluster- headها نیازی به شناختن داده های سنسور برای اجرای تراكم داده‌ها ندارند. زیرا به گره های سنسور اجازه می دهد تا لینك های ارتباطی سرهم پیوسته (end-to-end) امن را برقرار كنند. بنابراین، نیازی برای مخفی سازی/ آشكار سازی توزیع كلید مابین Cluster- head ها و گره های سنسور نیست. بعلاوه، بكار بردن تكنیك NOVSF block- Hopping، امنیت را بصورت تصادفی با عوض كردن با نگاشت بلوك های داده ها به time slotهای NOVSF اصلاح كرده و آن را بهبود می بخشد. ارزیابی كارایی نشان می دهد كه ESPDA روش های تراكم داده های قراردادی را به بیش از 50% در راندمان پهنای باند outperform می كند.

1- مقدمه:

شبكه های سنسور بی سیم، بعنوان یك ناحیه و منطقة جدید مهم در تكنولوژی بی سیم پدیدار شده اند. در آیندة نزدیك، شبكه های سنسور بی سیم منتظر هزاران گره ارزان و كم هزینه و داشتن هر توانایی (Sensing capability) sensing با توان ارتباطی و محاسباتی محدود شده بوده اند. چنین شبكه های سنسوری منتظر بوده اند تا در بسیاری از موارد در محیط های عریض گوناگونی برای كاربردهای تجاری، شخصی و نظامی از قبیل نظارت، بررسی وسیلة نقلیه و گردآوری داده های صوتی گسترش یافته باشند. محدودیتهای كلید شبكه های سنسور بی سیم، ذخیره سازی، توان و پردازش هستند. این محدودیتها و معماری ویژه گره های سنسور مستلزم انرژی موثر و پروتكلهای ارتباطی امن هستند. امكان و اجرای این شبكه های سنسور كم هزینه با پیشرفت هایی در MEMS (سیستم های میكرومكانیكی micro electromechanical system)، تركیب شده با توان كم، پردازنده های سیگنال دیجیتالی كم هزینه (DSPها) و مدارهای فركانس رادیویی (RF) تسریع شده اند.

چالش های كلید در شبكه های سنسور، برای بیشینه كردن عمر گره های سنسور به علت این امر است كه برای جایگزین كردن و تعویض باطری های هزاران گره سنسور امكان پذیر نیست. بنابراین عملیات محاسباتی گره ها و پروتكلهای ارتباطی باید به اندازة انرژی موثر در صورت امكان ساخته شده باشد. در میان این پروتكلها، پروتكلهای انتقال داده ها بر حسب انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردارند، از آنجائیكه انرژی مورد نیاز برای انتقال داده ها 70% از انرژی كل مصرفی یك شبكة سنسور بی سیم را می گیرد. تكنیكهای area coverage و تراكم داده ها می توانند كمك بسیار زیادی در نگهداری منابع انرژی كمیاب با حذف افزونگی داده ها و كمینه ساختن تعداد افتقالات داده ها بكنند. بنابراین، روشهای تراكم داده ها در شبكه های سنسور، در همه جا در مطبوعات مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند، در SPIN (پروتكلهای سنسور برای اطلاعات از طریق مذاكره sensor protocols for Information via Negotiation

ارسال داده های اضافی با مذاكره meta- dataها توسط گره ها حذف شده اند. در انتشار مستقیم، شیب ها كه برای جمع آوری داده ها و تراكم داده ها برقرار شده اند، كاربرد مسیرهای تقویت مثبت و منفی را بوجود می آورند. در گره های سنسور، نمونه ای از داده ها را كه نشان می دهد كه چگونه تفسیر سنسور به فاصلة زمانی از پیش تعریف شده تغییر روش می دهد می فرستند. Cluster- headها نمونه های داده ها را جمع آوری كرده و فقط یكی از رویدادهای وخیم تطبیق یافته را می فرستد. از قبیل، پیش بینی افت درجه حرارت به طور تصادفی یك طوفان به پایگاه و مكان اصلی.

Cluster- head همچنین می تواند مطالعات نمایندة k را بجای مطالعات بدست آمدة n از تمامی سنسورهایش مطابق الگوریتم k-means بفرستد. امنیت در ارتباط داده ای موضوع مهم دیگری است تا طراحی شبكه های سنسور بی سیم مطرح شده باشد، همانند شبكه های سنسور بی سیم كه ممكن است در مناطق دشمن از قبیل میدان های نبرد گسترش یافته باشد. بنابراین، پروتكل های تراكم داده ها باید با پروتكلهای امنیتی ارتباط داده ها بعنوان یك تعارض مابین این پروتكل
ها كه ممكن است سوراخ و روزنه‌هایی (loophole) را در امنیت شبكه ایجاد كنند كار كنند. این مقاله یك الگوی مطمئن و energy-efficient مبنی بر پروتكل تراكم داده ها (ESPDA) را كه هر دوی تراكم داده ها و تصورات و مفهوم های كلی امنیتی را با هم در شبكه های سنسور بی سیم Cluster- head رسیدگی می كند، ارائه می كند. هرچند، تراكم داده ها و امنیت در شبكه های سنسور بی سیم در مطبوعات مورد مطالعه قرار گرفته اند، برای بهترین شناسایی و آگاهی ما این مقاله نخستین مطالعه برای رسیدگی كردن به تكنیكهای تراكم داده ها بدون مصالحه امنیت است. ESPDA كدهای نمونه را برای اجرای تراكم داده ها بكار می برند. كدهای نمونه اساساً نمایندة بخش های داده ها هستند كه از داده های واقعی به چنین روشی كه هر كد نمونه مشخصات مخصوص داده های واقعی متناظر را دارد اقتباس شده است (گرفته شده است). فرآیند اقتباس یا استخراج ممكن است وابستگی به نوع داده های واقعی را تغییر دهد.

برای مثال: وقتی كه داده های واقعی تصورات حس شدة موجودات بشر توسط سنسورهای نظارت و مراقبت هستند، مقادیر پارامتر كلید برای شناسایی صورت و بدن بعنوان نماینده ای از داده ها كه وابسته به نیازهای كاربردی هستند، مطرح شده اند. وقتیكه یك گره سنسور شامل واحدهای دریافت یا احساس (sensing) چند گانه است، كدهای نمونة گره سنسور، با تركیب كدهای نمونة واحدهای دریافت یا احساس (sensing) افرادی و فردی فراهم شده اند. بجای ارسال كل داده های حس شده و دریافت شد. (sensed) اول، گره های سنسور را تولید می كنند و سپس كدهای نمونه را به Cluster- headها می فرستند. Cluster- headها كدهای نمونة متمایز را تعیین می كنند و سپس فقط خواستار یك گره سنسور برای فرستادن داده های واقعی برای هر كد نمونه متمایز هستند. این روش دیدگاه هم انرژی و هم پهنای باند موثری را برای ESPDA بوجود می آورد. ESPDA، همچنین امن است زیرا Cluster- headها نیازی به كشف رمز داده ها برای تراكم داده ها ندارند و نه كلید رمزی سازی/ آشكار سازی منتشر شده است. علاوه بر این، nonblocking كردن پیشنهاد شدة تكنیك hopping بلوك OVSF جلوتر، امنیت ESPDA را به صورت تصادفی با عوض كردن نگاشت بلوك های داده به time slotهای NOVSF اصلاح می كند. گره های سنسور معمولاً با چگالی عالی برای مقابله با خرابی های گره بعلت محیط های ناملایم گسترش یافته اند. گسترش تصادفی شبكه نیز در بسیاری از مناطق با بیش از یك گره سنسور پوشانده شده بود. بنابراین، آن بسیار مطلوب و پسندیده است برای مطمئن ساختن اینكه یك منطقه و محیط فقط با یك گره سنسور در هر لحظه پوشانده شده است، بطوریكه بیش از یك گره سنسور همان داده ها را دریافت و احساس نمی كند. این منجر به یك پیشرفت برای راندمان تراكم داده ها می شود از آنجائیكه حتی داده های اضافی حس و دریافت نشده اند. در این خصوص، این مقاله یك الگوریتمی را برای هماهنگ كردن وضعیت خواب و فعال (sleep & active) به هنگام داشتن اشتراك گره های سنسور حوزه های sensing مطرح می كند. نتیجة این مقاله، بصورت زیر سازمان یافته است. بخش 2 تراكم داده ها و پروتكل وضعیت sleep- active را شرح می دهد. بخش 3 پروتكل امنیتی را مطرح می كند. بخش 4 ارزیابی كارایی تراكم داده های پیشنهاد شده، پروتكل های sleep-active و پروتكل های امنیتی را ارائه می كند. تبصره ها و توجهات در بخش 5 قرار دارند.

2- تراكم داده ها در ESPDA (Data Aggregation in ESPDA):

این مقاله در مورد شبكه‌های سنسور با ساختار سلسله مراتبی و مرتبه ای كه داده ها از گره های سنسور به جایگاه اصلی از طریق Cluster- headها مسیر دهی شده اند، رسیدگی می كند. ایستگاه های اصلی برای داشتن توان كافی و حافظه برای ارتباط برقرار كردن بطور امن و مطمئن با تمامی گره های سنسور و شبكه های خارجی از قبیل اینترنت در نظر گرفته شده و فرض شده اند. گره های سنسور بصورت تصادفی در بیش از یك فضا و محیط گسترش یافته و مستقر شده اند تا نظارت شده باشند و آنها را به درون clusterها بعد از گسترش ابتدایی سازماندهی می كنند. یك Cluster- head، از هر clusterای برای بكار بردن ارتباط مابین گره های cluster و ایستگاه اصلی انتخاب شده است. Cluster- headها بصورت پویا مبنی بر انرژی باقیمانده برای داشتن توان مصرفی یكنواخت در میان تمامی گره های سنسور عوض شده اند. از آنجائیكه انتقال و ارسال داده یك دلیل اصلی مصرف انرژی است، ابتدا ESPDA، ارسال و انتقال داده های اضافی را از گره های سنسور به Cluster- headها با كمك پروتكل هماهنگی وضعیت sleep-active كاهش می دهد. سپس، ترام داده برای حذف افزونگی بكار گرفته شده است و برای تعداد ارسال ها را برای ذخیره سازی انرژی به حداقل رسانده است. در روش های تراكم داده های قراردادی، Cluster- headها، تمامی داده ها را از گره های سنسور دریافت می كنند و سپس افزونگی را با بررسی محتویات داده های سنسور حذف می كنند. ESPDA كدهای نمونه را بجای داده های حس شده یا دریافت شده (sensed) برای اجرای تراكم داده بكار می برد، بنابراین، محتویات داده های ارسال شده مجبور نیستند تا در Cluster- headها آشكار و فاش شده باشند. این قادر می سازد تا ESPDA در تركیب عطفی (اتصال، پیوستگی) با پروتكل امنیتی كار كند. در پروتكل امنیتی و sensor data، كه به عنوان غیراضافی (non-redundant) با Cluster- headها شناسایی شده اند، به ایستگاه اصلی كه به شكل به رمز درآمده است، انتقال یافته است. كدهای نمونه با بكار بردن یك انتشار جستجوی نمونة محرمانه بوسیلة Cluster- head بصورت دوره ای تولید شده اند. جستجوی (seed) نمونه یك عدد تصادفی بكار رفته برای پیشرفت و اصلاح قابلیت اعتماد كدهای نمو
نه با اجازه ندادن به همان كدهای نمونة تولید شده در هر زمان است. چنانچه جستجوی نمونه تغییر یافته است، الگوریتم تولید نمونه، یك كد نمونة متمایزی را برای همان دادة سنسور تولید می كند. بنابراین، افزونگی حتی قبل از اینكه داده های سنسور از گره های سنسور انتقال یافته باشند، حذف شده است.