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

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

2 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 Page 2

3 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. Page 3

4 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. Page 4

5 Simulação em RSSF Page 5

6 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) Page 6

7 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. Page 7

8 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 Page 8

estado com os sensores vizinhos Custos energéticos A comunicação é o grande consumidor, como tal deve ser reduzidos os estados relacionados

9 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 Page 9

o estudo de protocolos de encaminhamento de RSSF, nomeadamente no que se refere às propriedades de fiabilidade, latência, energia e cobertura permitindo

10 Simulador WiSeNet (cont.) Page 10

11 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 Page 11

12 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); Page 12 }

setapplicationclass(aodvapplication.class); setroutinglayerclass(aodvroutinglayer.class); setnodeclass(aodvnode.

13 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; Page 13

do consumo energético de cada evento baseado em medições físicas documentadas em artigos académicos; Desenho do

14 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 µjoule/bit µjoule * nº bits 0.67µJoule /byte Sleep/Listen Implementação de espera de baixo consumo vs espera activa em modo LISTEN Tempo*µJoule T*µJoule 3 picojoules Custo da instalação de Timers para mudança de estado Sleep: CPU=OFF TX=OFF 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] µjoule/bit µjoule * nº bits AES128-> 1.62µJoule *bytes TX=OFF CPU=ON Decifrar Idem 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 Verificação custo de computação µjoule/bit µjoule * nº bits Transição ON/OFF Page 14 Custo de operação dos componentes eletrónicos Fixo depende do sensor (fabricante) µjoule * tempo Consultar fabricantes

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)

15 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 ON OFF Não são lançados eventos, apenas faz relay de Mensagens ON ON ON Faz todas as operações ON OFF OFF Apenas realiza computações ON OFF ON Detecta eventos mas não os envia OFF OFF OFF Fica em sleep mode poupando o máximo de energia Page 15

ciclo de operação) CPU TX Sensor Eventos ON ON OFF Não são lançados eventos, apenas faz relay de Mensagens

16 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" }" Page 16

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

17 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 Page 17

OffLine Possibilidade de simulação distribuída com submissão de jobs Avaliação da facilidade de uso

18 Page 18 Demonstração do Simulador

19 Page 19 Questões

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