Plataforma de Simulação de RSSF e modelo de energia em RSSF Pedro Marques da Silva 1 1

Simulação em redes de sensores sem fios (RSSF) Sumário Objectivo Simulação em redes de sensores sem fios (RSSF) Modelo de Energia de uma RSSF O simulador WiSeNet O modelo de energia desenhado Algumas considerações Demostração do Simulador Discussão

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.

Simulação em RSSF O porquê? Desafios Vantagens 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.

Simulação em RSSF

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)

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.

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

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/

Simulador WiSeNet (cont.)

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). Mica2 Node Application Routing Layer MAC Layer Radio Model

Simulador WiSeNet (cont.) Exemplos de Utilização Factories public 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); }

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;

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 Recepção Consumo semelhante ao da transmissão 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 Processamento Numero de ciclos e custo por ciclo Nº de Ciclos de relógio para processar 1 bit Dificil 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 AES128-> 1.62μJoule *bytes Decifrar Idem AES128-> 2.49μJoule *bytes Assinatura/Digest Comprimento fixo, custo de computação SHA1-5.9μJoule *bytes Pode optar por redução do numero de bits da assinatura/digest Verificação custo de computação Transição ON/OFF Custo de operação dos componentes eletrónicos Fixo depende do sensor (fabricante) μJoule * tempo Consultar fabricantes

O modelo de energia desenhado (cont.) O Nó tem dois modos princípais: ACTIVO e SLEEP (Se estiver OFF é porque não tem energia e esgotou o ciclo de operação) CPU TX Sensor Eventos ON OFF Não são lançados eventos, apenas faz relay de Mensagens Faz todas as operações Apenas realiza computações Detecta eventos mas não os envia Fica em sleep mode poupando o máximo de energia

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 SE FIM 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 }

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

Demonstração do Simulador

Questões