بخشی از مقاله
چکیده–دریک شبکه حسگربیسیم،حسگرها برای پردازش داده ها و مسیریابی نیاز به ارتباط با یکدیگر دارند و نیاز استاین ارتباط امن باشد برای این منظور بهتر است گرههایهمسایه ازطریق یک کلید مشترک با هم ارتباط داشته باشند.با توجه به حساسیت کاربردی شبکه های حسگر بیسیم وبا توجه به محدودیت منابع، مدیریت کلید به عنوان موضوعی چالش برانگیز در ارتباط با WSN پدیدارشده است.
یکی از نگرانیهای عمده به هنگام طراحی یک طرح مدیریت کلید، مقیاس پذیری شبکه WSN در کنار کاهش میزان انرژی مصرفی گرهها است. در این مقاله روشی ارائه شده است که شمار زیادی از گره ها را پشتیبانی می کند تا مقیاس بزرگی از شبکه فعال شود و در عین حال میزان مصرف انرژی در شبکه بصورت یکنواخت توزیع شود.
مقدمه
امروزه شبکه های حسگر بیسیم به طور فزایندهای در زمینه های با کاربرد خاص در بخشهای نظامی، پزشکی، و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به حساس بودن کاربردهای مزبور، درنظرگرفتن سرویس های امنیتی پیچیده، ضروری است.[1]مدیریت کلید مبنای بسیاری از سرویس های امنیتی همچون سرویس های مخفی و محرمانه و سرویس های اعتبار سنجی - راستی آزمایی - مورد نیاز در ارتباطات امن در WSN است.
ایجاد ارتباط امن میان گره ها، مشکل چالش برانگیز دیگر در WSN است. به دلیل محدودیت منابع، ایجاد کلید متقارن، مناسب ترین مدل برای تبادلات امن در WSN است. از طرف دیگر بخاطر فقدان زیرساختارها در WSN، معمولا به آیتم سومی که قابل اعتماد بوده و بتوان به کمک آن کلیدهای مخفی را با گره های همجوار جفت کرد دسترسی نیست. به همین دلیل غالب راهکارهای موجود بر مبنای پیش توزیع کلید هستند. طی دهه گذشته، شمار زیادی از کارهای تحقیقاتی در ارتباط با موضوع پیش توزیع کلید متقارن در زمینهWSN صورت گرفته و راهکارهای زیادی در این زمینه ارائه گردیده است.[2-12]
با این وجود در غالب راهکارهای موجود، طراحی حلقه های کلید - بلاکهایی از کلیدها - ، قویاً با سایز شبکه ارتباط داشته است که این راهکارها یا بواسطه ی پایین بودن میزان مقیاس پذیری - تعداد گره های پشتیبانی کننده - دچار ضعف هستند و یا معیارهای عملکردی دیگر همچون اتصال امن، حجم، سرریز حافظه و انعطاف پذیری - در حالتی که با شبکه های بزرگ و گسترده سروکار داریم - دچار تنزل گردیدهاند.در بخشهای بعدی ابتدا با پیش توزیع کلید و سپس با بلوکUnitalو طراحی Unitalآشنا و بعد از آن به طرح پیشنهادی می پردازیم و درآخر با استفاده از نرم افزار NS2 نتایج را ارزیابی می کنیم.
-1 آشنایی با پیش توزیع کلید
منابع شبکههای WSN بسیار محدود است. این شبکه ها ظرفیت ذخیره سازی کاهش یافته ای نیز دارند، لذا لازم است که تکنیکهای هوشمندانهای خلق گردد تا بلاکی از کلیدها ساخته شود که روی گرهها نهفته شده تا اتصالات شبکهای را امن کند.
-2 طراحیUnital
مثلا یک طرح t، - ' - Y ' E ' U ' N به شکل زیر میباشد. اگر یک مجموعه محدود X از نقاط یا المانهای v داشته باشیم، ساختاری ازb زیر مجموعه X که بلوک خوانده می شود. و هر بلاک یک اندازه k دارد. هر نقطه یا المان شامل r بلاک و هر t نقطه در بلاک جای می گیرند. در روش پیشنهادی روی Unital های تفکیک پذیرکه برای تمام mها یک توان اولیه درنظر میگیرند تمرکز میشود. برای دیگر ساختمان ها برای m ، وجود یک توان اولیه به این صورت ضروری نیست.[13]
یک واحد Unital را می توان با ماتریس تلاقی آن v×b نشان داد که آن را M می نامیم. در این ماتریس ردیفها نقاط را نشان میدهند و ستونها نشان دهنده بلاکهای هستند. در آن صورت ماتریس M به طریق فرمول زیر بیان می گردد: = { ∈در نمودار شکل ذیل یک ماتریس تلاقی مربوط به unital تفکیک پذیر 2- - 9,3,1 - نشان داده شده است. این ماتریس شامل 12 بلاک از یک مجموعه ی 9 نقطه ایست. هر بلاک شامل 3 نقطه بوده و هر نقطه در 4 بلاک - بلاک - پدیدار می گردد. هر جفت نقطه دقیقا در یک بلاک گنجانده شده اند.
-3 آشنایی با طرح پیشنهادی
با توجه به اهمیت مصرف انرژی در شبکههای حسگر بیسیم در این مقاله هدف پرداختن به موضوع میزان انرژی باقیمانده گره های حسگر است به طوری که سایر معیارهای عملکردی شبکه دچار افت و تنزل نگردد. برای رسیدن به این هدف، یک طرح مد نظر قرار می گیرد که تضمین کنندهی پوشش دهی امن شبکه-های با طیف گسترده با حجم سرریز حافظه پایین و انعطاف پذیری شبکهای مطلوب میباشد. با در نظر داشتن این هنر نمایش و نهایی، از تئوری طراحی unital ، برای رسیدن به پیش توزیع کلید شبکه های حسگر بیسیم موثر استفاده می شود.
در حقیقت یک نقشه برداری ساده از طراحیunital تا پیش توزیع کلید را پیشنهاد داده و از طریق آنالیز تحلیلگرانه نشان داده میشود که این طرح احتمال اشتراک کلید را حفظ کرده و در عین حال تعدیل در میزان انرژی باقیمانده گره حسگر را ایجاد می کند. منابع شبکههای WSN بسیار محدود است . این شبکه ها ظرفیت ذخیره سازی کاهش یافته ای نیز دارند، لذا لازم است که تکنیکهای هوشمندانهای خلق گردد تا بلاکی از کلیدها ساخته شود که روی گرهها نهفته شده تا اتصالات شبکهای را امن کند.
این راه حل استفاده از طراحی Unital را تقویت می کند. طراحی unital از یک ساختمان هوشمند از بلوکها با اشکال خاص تبعیت میکند که این ساختمانها از ایده های اتصال و مقیاس پذیری تبعیت میکنند. شیوه جدید ارائه شده را آنالیز کرده و با طرحهای موجود مقایسه می شود، در این مقایسه، معیار انرژی باقی مانده گره حسگر، نتایج بدست آمده نشان می دهد که راهکارهای ارائه شده این معیار را در شبکه ارتقاء داده و در عین حال عملکرد کلی شبکه را بهینه می سازد.
-4 نقشه برداری پایه ای از Unitalهای پیش توزیع کلید برای شبکه های WSN
در این قسمت شروع به توسعه یک طرح مقیاس پذیر ساده مبتنی برطراحی Unitalمی کنیم . که این طرح بوسیله NU-KP یک طرح ساده پیش توزیع کلید مبتنی بر Unitalساده مشخص می کنیم. یک نقشه برداری پایهای پیشنهاد میشود که در آن به هر نقطه از unitalیک کلیدمجزا، و به مجموعه ی کلی نقاط، یک منبع کلید و به هربلاک یک حلقه کلید گره اختصاص داده می شود.
-5 طرح پیشنهادیProKeyPreDistribution
قبل از فاز گسترش، بلاک های unital متناظر با حلقه های کلید را تولید می کنیم. هر گره با یک حلقه کلید مجزا شبیه شناسه های کلید متناظر، پیش بارگیری می گردد.[14] بعد از مرحله ی گسترش، هر دو گره همجوار، لیست شناسه های کلیدشان را که تعیین کننده کلید مشترک احتمالی هستند را باهم جابه جا می کنند. با استفاده از این روش اساسی هر 2 گره حداکثر یک کلید مشترک را به اشتراک می گذارند.
در حقیقت با ارجاع به ویژگی های unital، هر جفت نقطه دقیقا شامل یک بلاک هستند که این نشانه می دهد که 2 بلاک نمی توانند بیش از یک نقطه را به اشتراک بگذارند. بنابراین اگر 2 گره همجوار یک کلید مشترک را به اشتراک بگذارند، دومی به عنوان کلید زوج شونده مورد استفاده قرار میگیرد تا لینک امن شود در غیر این صورت گره ها بهتر است مسیرهای امن متشکل از اتصالات امن متوالی را تعیین کنند.
-6 انرژی باقی مانده گره حسگر
یکی از اصلیترین مسئلههایی که در شبکههای حسگر بیسیم مطرح میشود و در این طرح نیز به آن توجه کردیم، میزان انرژی باقیمانده گره میباشد که طول عمر شبکه را بصورت مستقیم تحت تاثیر خود قرار خواهد داد. همانگونه که در اشکال زیر مشاهده میشود در روش ProKeyPreDistributionمقدار خیلی کمی انرژی مصرف می گردد تا تعداد کمی از شناسه های کلید مبادله شوند.
هرچه زمان بیشتر باشد، مصرف انرژی بیشتر است. دلیل آن تعداد افزایش یافتهی کلیدهای ذخیره شده و تعداد افزایش یافتهی شناسه های تبادل شده است. نهایتا اینکه این نمودارها بطور مشخص نشان میدهند که در طرح ProKeyPreDistribution پیشنهادی به نسبت طرح TradeKP[8]انرژی کمتری مصرف میگردد. این نتایج با انتظارات موردنظر تطابق دارد چرا که مصرف انرژی با تعداد کلیدهای ذخیره شده همبستگی دارد.
-7 توضیح مختصر سناریوهای شبیه سازی
برای تحلیل دقیقتر نتایج، باید تنظیمات پایهای شبیه سازی را به منظور ارزیابی دقیق تر بر پایه محیط واقعی انجام دهیم. پارامترهای مورد نیاز برای شبیه سازی روش ارائه شده در جدول ذیل نشان داده شده است. در هر بار از شبیه سازی میتوان تعدادی از پارمترها از جمله زمان شبیه سازی و تعداد گره حسگر را تغییر داد و نتایج حاصل از شبیه سازی را ارزیابی کرد.در سناریوهایمختلف روش پیشنهادی ProKeyPreDistribution با پروتکلTradeKP[8] مورد مقایسه قرار گرفته است.
محیط شبیه سازی استفاده شده در این سناریو برای شبیه سازی 1000متر در 1000متر میباشد. دامنه انتشار رادیویی برای هر گره 250 نظر گرفته شده است،پروتکل لایه MAC آن IEEE 802.11 می باشد.همچنین در این شبیه سازی جریان ترافیکی CBR در شبکه وجود دارد که با نرخ ثابت بسته را به شبکه ارسال می کنند . قرار گرفتن موقعیت گرهها در این سناریو به صورت تصادفی در نظر گرفته شده است و شبیه سازی در دو سناریوی زمان و تغییر تعداد گره حسگر انجام شده است. در سناریوی تغییر تعداد گره حسگر، تعداد 50، 150، 200 و 250 گره در نظر گرفته شده است و در سناریوی زمان زمان شبیه سازی بین 1000-200 ثانیه متغییر بوده است.
