چكيده:

تراكم داده ها در شبكه هاي سنسور بي سيم افزونگي را حذف مي كند تا مصرف پهناي باند و بازده انرژي گوه ها را توسعه دهد. اين مقاله يك پروتكل تراكم داده هاي energy- efficientامن را كه (Energy- Efficient Secure Pattern based Data Aggregation)ESPDA الگوي امن energy- efficient بر پاية تراكم داده ها) ناميده مي شود ارائه مي كند. برخلاف تكنيكهاي تراكم داده هاي قراردادي، ESPDA از انتقال داده هاي اضافي از گره هاي سنسور به cluster- headها جلوگيري مي كند. اگر گره هاي سنسور همان داده ها را تشخيص داده و دريافت كنند، ESPDA ابتدا تقريباً يكي از آنها را در وضعيت خواب (sleep mode) قرار مي دهد و كدهاي نمونه را براي نمايش مشخصات داده هاي دريافت و حس شده توسط گره هاي سنسور توليد مي كند. Cluster- head ها تراكم داده ها را مبني بر كدهاي نمونه اجرا مي كند و فقط داده هاي متمايز كه به شكل متن رمز شده هستند از گره هاي سنسور به ايستگاه و مكان اصلي از طريق Cluster- headها انتقال يافته است. بعلت استفاده از كدهاي نمونه، Cluster- headها نيازي به شناختن داده هاي سنسور براي اجراي تراكم داده‌ها ندارند. زيرا به گره هاي سنسور اجازه مي دهد تا لينك هاي ارتباطي سرهم پيوسته (end-to-end) امن را برقرار كنند. بنابراين، نيازي براي مخفي سازي/ آشكار سازي توزيع كليد مابين Cluster- head ها و گره هاي سنسور نيست. بعلاوه، بكار بردن تكنيك NOVSF block- Hopping، امنيت را بصورت تصادفي با عوض كردن با نگاشت بلوك هاي داده ها به time slotهاي NOVSF اصلاح كرده و آن را بهبود مي بخشد. ارزيابي كارايي نشان مي دهد كه ESPDA روش هاي تراكم داده هاي قراردادي را به بيش از 50% در راندمان پهناي باند outperform مي كند.

1- مقدمه: شبكه هاي سنسور بي سيم، بعنوان يك ناحيه و منطقة جديد مهم در تكنولوژي بي سيم پديدار شده اند. در آيندة نزديك، شبكه هاي سنسور بي سيم منتظر هزاران گره ارزان و كم هزينه و داشتن هر توانايي (Sensing capability) sensing با توان ارتباطي و محاسباتي محدود شده بوده اند. چنين شبكه هاي سنسوري منتظر بوده اند تا در بسياري از موارد در محيط هاي عريض گوناگوني براي كاربردهاي تجاري، شخصي و نظامي از قبيل نظارت، بررسي وسيلة نقليه و گردآوري داده هاي صوتي گسترش يافته باشند. محدوديتهاي كليد شبكه هاي سنسور بي سيم، ذخيره سازي، توان و پردازش هستند. اين محدوديتها و معماري ويژه گره هاي سنسور مستلزم انرژي موثر و پروتكلهاي ارتباطي امن هستند. امكان و اجراي اين شبكه هاي سنسور كم هزينه با پيشرفت هايي در MEMS (سيستم هاي ميكرومكانيكي micro electromechanical system)، تركيب شده با توان كم، پردازنده هاي سيگنال ديجيتالي كم هزينه (DSPها) و مدارهاي فركانس راديويي (RF) تسريع شده اند.

چالش هاي كليد در شبكه هاي سنسور، براي بيشينه كردن عمر گره هاي سنسور به علت اين امر است كه براي جايگزين كردن و تعويض باطري هاي هزاران گره سنسور امكان پذير نيست. بنابراين عمليات محاسباتي گره ها و پروتكلهاي ارتباطي بايد به اندازة انرژي موثر در صورت امكان ساخته شده باشد. در ميان اين پروتكلها، پروتكلهاي انتقال داده ها بر حسب انرژي از اهميت ويژه اي برخوردارند، از آنجائيكه انرژي مورد نياز براي انتقال داده ها 70% از انرژي كل مصرفي يك شبكة سنسور بي سيم را مي گيرد. تكنيكهاي area coverage و تراكم داده ها مي توانند كمك بسيار زيادي در نگهداري منابع انرژي كمياب با حذف افزونگي داده ها و كمينه ساختن تعداد افتقالات داده ها بكنند. بنابراين، روشهاي تراكم داده ها در شبكه هاي سنسور، در همه جا در مطبوعات مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته اند، در SPIN (پروتكلهاي سنسور براي اطلاعات از طريق مذاكره sensor protocols for Information via Negotiation

ارسال داده هاي اضافي با مذاكره meta- dataها توسط گره ها حذف شده اند. در انتشار مستقيم، شيب ها كه براي جمع آوري داده ها و تراكم داده ها برقرار شده اند، كاربرد مسيرهاي تقويت مثبت و منفي را بوجود مي آورند. در گره هاي سنسور، نمونه اي از داده ها را كه نشان مي دهد كه چگونه تفسير سنسور به فاصلة زماني از پيش تعريف شده تغيير روش مي دهد مي فرستند. Cluster- headها نمونه هاي داده ها را جمع آوري كرده و فقط يكي از رويدادهاي وخيم تطبيق يافته را مي فرستد. از قبيل، پيش بيني افت درجه حرارت به طور تصادفي يك طوفان به پايگاه و مكان اصلي.

Cluster- head همچنين مي تواند مطالعات نمايندة k را بجاي مطالعات بدست آمدة n از تمامي سنسورهايش مطابق الگوريتم k-means بفرستد. امنيت در ارتباط داده اي موضوع مهم ديگري است تا طراحي شبكه هاي سنسور بي سيم مطرح شده باشد، همانند شبكه هاي سنسور بي سيم كه ممكن است در مناطق دشمن از قبيل ميدان هاي نبرد گسترش يافته باشد. بنابراين، پروتكل هاي تراكم داده ها بايد با پروتكلهاي امنيتي ارتباط داده ها بعنوان يك تعارض مابين اين پروتكلها كه ممكن است سوراخ و روزنه‌هايي (loophole) را در امنيت شبكه ايجاد كنند كار كنند. اين مقاله يك الگوي مطمئن و energy-efficient مبني بر پروتكل تراكم داده ها (ESPDA) را كه هر دوي تراكم داده ها و تصورات و مفهوم هاي كلي امنيتي را با هم در شبكه هاي سنسور بي سيم Cluster- head رسيدگي مي كند، ارائه مي كند. هرچند، تراكم داده ها و امنيت در شبكه هاي سنسور بي سيم در مطبوعات مورد مطالعه قرار گرفته اند، براي بهترين شناسايي و آگاهي ما اين مقاله نخستين مطالعه براي رسيدگي كردن به تكنيكهاي تراكم داده ها بدون مصالحه امنيت است. ESPDA كدهاي نمونه را براي اجراي تراكم داده ها بكار مي برند. كدهاي نمونه اساساً نمايندة بخش هاي داده ها هستند كه از داده هاي واقعي به چنين روشي كه هر كد نمونه مشخصات مخصوص داده هاي واقعي متناظر را دارد اقتباس شده است (گرفته شده است). فرآيند اقتباس يا استخراج ممكن است وابستگي به نوع داده هاي واقعي را تغيير دهد.

براي مثال: وقتي كه داده هاي واقعي تصورات حس شدة موجودات بشر توسط سنسورهاي نظارت و مراقبت هستند، مقادير پارامتر كليد براي شناسايي صورت و بدن بعنوان نماينده اي از داده ها كه وابسته به نيازهاي كاربردي هستند، مطرح شده اند. وقتيكه يك گره سنسور شامل واحدهاي دريافت يا احساس (sensing) چند گانه است، كدهاي نمونة گره سنسور، با تركيب كدهاي نمونة واحدهاي دريافت يا احساس (sensing) افرادي و فردي فراهم شده اند. بجاي ارسال كل داده هاي حس شده و دريافت شد. (sensed) اول، گره هاي سنسور را توليد مي كنند و سپس كدهاي نمونه را به Cluster- headها مي فرستند. Cluster- headها كدهاي نمونة متمايز را تعيين مي كنند و سپس فقط خواستار يك گره سنسور براي فرستادن داده هاي واقعي براي هر كد نمونه متمايز هستند. اين روش ديدگاه هم انرژي و هم پهناي باند موثري را براي ESPDA بوجود مي آورد. ESPDA، همچنين امن است زيرا Cluster- headها نيازي به كشف رمز داده ها براي تراكم داده ها ندارند و نه كليد رمزي سازي/ آشكار سازي منتشر شده است. علاوه بر اين، nonblocking كردن پيشنهاد شدة تكنيك hopping بلوك OVSF جلوتر، امنيت ESPDA را به صورت تصادفي با عوض كردن نگاشت بلوك هاي داده به time slotهاي NOVSF اصلاح مي كند. گره هاي سنسور معمولاً با چگالي عالي براي مقابله با خرابي هاي گره بعلت محيط هاي ناملايم گسترش يافته اند. گسترش تصادفي شبكه نيز در بسياري از مناطق با بيش از يك گره سنسور پوشانده شده بود. بنابراين، آن بسيار مطلوب و پسنديده است براي مطمئن ساختن اينكه يك منطقه و محيط فقط با يك گره سنسور در هر لحظه پوشانده شده است، بطوريكه بيش از يك گره سنسور همان داده ها را دريافت و احساس نمي كند. اين منجر به يك پيشرفت براي راندمان تراكم داده ها مي شود از آنجائيكه حتي داده هاي اضافي حس و دريافت نشده اند. در اين خصوص، اين مقاله يك الگوريتمي را براي هماهنگ كردن وضعيت خواب و فعال (sleep & active) به هنگام داشتن اشتراك گره هاي سنسور حوزه هاي sensing مطرح مي كند. نتيجة اين مقاله، بصورت زير سازمان يافته است. بخش 2 تراكم داده ها و پروتكل وضعيت sleep- active را شرح مي دهد. بخش 3 پروتكل امنيتي را مطرح مي كند. بخش 4 ارزيابي كارايي تراكم داده هاي پيشنهاد شده، پروتكل هاي sleep-active و پروتكل هاي امنيتي را ارائه مي كند. تبصره ها و توجهات در بخش 5 قرار دارند.

2- تراكم داده ها در ESPDA(Data Aggregation in ESPDA): اين مقاله در مورد شبكه‌هاي سنسور با ساختار سلسله مراتبي و مرتبه اي كه داده ها از گره هاي سنسور به جايگاه اصلي از طريق Cluster- headها مسير دهي شده اند، رسيدگي مي كند. ايستگاه هاي اصلي براي داشتن توان كافي و حافظه براي ارتباط برقرار كردن بطور امن و مطمئن با تمامي گره هاي سنسور و شبكه هاي خارجي از قبيل اينترنت در نظر گرفته شده و فرض شده اند. گره هاي سنسور بصورت تصادفي در بيش از يك فضا و محيط گسترش يافته و مستقر شده اند تا نظارت شده باشند و آنها را به درون clusterها بعد از گسترش ابتدايي سازماندهي مي كنند. يك Cluster- head، از هر clusterاي براي بكار بردن ارتباط مابين گره هاي cluster و ايستگاه اصلي انتخاب شده است. Cluster- headها بصورت پويا مبني بر انرژي باقيمانده براي داشتن توان مصرفي يكنواخت در ميان تمامي گره هاي سنسور عوض شده اند. از آنجائيكه انتقال و ارسال داده يك دليل اصلي مصرف انرژي است، ابتدا ESPDA، ارسال و انتقال داده هاي اضافي را از گره هاي سنسور به Cluster- headها با كمك پروتكل هماهنگي وضعيت sleep-active كاهش مي دهد. سپس، ترام داده براي حذف افزونگي بكار گرفته شده است و براي تعداد ارسال ها را براي ذخيره سازي انرژي به حداقل رسانده است. در روش هاي تراكم داده هاي قراردادي، Cluster- headها، تمامي داده ها را از گره هاي سنسور دريافت مي كنند و سپس افزونگي را با بررسي محتويات داده هاي سنسور حذف مي كنند. ESPDA كدهاي نمونه را بجاي داده هاي حس شده يا دريافت شده (sensed) براي اجراي تراكم داده بكار مي برد، بنابراين، محتويات داده هاي ارسال شده مجبور نيستند تا در Cluster- headها آشكار و فاش شده باشند. اين قادر مي سازد تا ESPDA در تركيب عطفي (اتصال، پيوستگي) با پروتكل امنيتي كار كند. در پروتكل امنيتي و sensor data، كه به عنوان غيراضافي (non-redundant) با Cluster- headها شناسايي شده اند، به ايستگاه اصلي كه به شكل به رمز درآمده است، انتقال يافته است. كدهاي نمونه با بكار بردن يك انتشار جستجوي نمونة محرمانه بوسيلة Cluster- head بصورت دوره اي توليد شده اند. جستجوي (seed) نمونه يك عدد تصادفي بكار رفته براي پيشرفت و اصلاح قابليت اعتماد كدهاي نمونه با اجازه ندادن به همان كدهاي نمونة توليد شده در هر زمان است. چنانچه جستجوي نمونه تغيير يافته است، الگوريتم توليد نمونه، يك كد نمونة متمايزي را براي همان دادة سنسور توليد مي كند. بنابراين، افزونگي حتي قبل از اينكه داده هاي سنسور از گره هاي سنسور انتقال يافته باشند، حذف شده است.

1-2- هماهنگي وضعيت بيداري- خواب (Sleep- Active mode coordination) :