REDES DE SENSORES SEM FIO

1. REDES DE SENSORES SEM FIO Emanoel Costa Claudino Emerson José Santos Oliveira

2. OBJETIVOS • Apresentar a definição e aspectos de uma rede de sensores sem fio • Definições existentes • Principais características • Desempenho, arquitetura, comunicação, protocolos, segurança • Projetos acadêmicos e comercias

3. O QUE SÃO RSSF • Consistem em redes sem fio formadas por um grande número de pequenos sensores dispostos pelo ambiente, com a finalidade de detectar e transmitir alguma característica física do ambiente • A informação obtida dos sensores é agregada numa base central de dados

4. O QUE SÃO RSSF • Diferem de redes de computadores tradicionais em vários aspectos • Em geral, possuem um grande numero de elementos distribuídos, operam sem intervenção humana direta, tem restrições severas de energia, e devem possuir mecanismos para auto-gerenciamento

5. O QUE SÃO RSSF Vários sensores espalhados sobre um ambiente coletando determinadas informações e repassando-as para um estação central

6. O QUE SÃO RSSF • Enfoque de S.D: podem ser definidas como uma classe particular de sistemas distribuídos, onde as comunicações de baixo nível não dependem da localização topológica da rede

7. O QUE SÃO RSSF • Recursos limitados de energia • Topologia de rede dinâmica • Enorme quantidade de nós (sensores)

8. O QUE SÃO RSSF • dificuldade de reutilização de alguns algoritmos desenvolvidos para outros tipos de sistemas distribuídos • Soluções para problemas, como a sincronização da rede, a eleição de um líder e a aquisição de informações que representam o estado da rede devem considerar também características como a precisão, eficiência e o custo das operações

9. DESAFIOS • Os nós são embutidos numa área geográfica e interagem com um ambiente físico • São menores e menos confiáveis que roteadores tradicionais • Geram (e possivelmente armazenam) dados detectados • Podem ser móveis

10. VANTAGENS • permite a monitoração de alvos de difícil detecção (alvos que possuem baixa atividade sonar atravessando seções, ruídos de baixa radiação são difíceis de detectar e classificar). Utilizando uma combinação de sensores é possível obter informações de número, tipo e localização do alvo monitorado

11. VANTAGENS • redução de erros (a combinação de sensores de diferentes freqüências melhora a precisão das medidas. Para isso, requer sincronização e posição precisa dos sensores) • Aplicações de sensores representam um novo paradigma para operação de rede, que têm objetivos diferentes das redes sem fio tradicionais

12. TAXONOMIA DE TILAK • Classifica as redes de sensores de acordo com diferentes funções de comunicação, modelos de envio de dados, dinamismo da rede, métricas de desempenho e arquitetura

13. TAXONOMIA DE TILAK • Ajudar na definição apropriada de infra-estruturas de comunicação para diferentes sub-espaços de aplicações de redes de sensores • Características principais: o sensor, o observador e o fenômeno

14. TAXONOMIA DE TILAK • Sensores: dispositivos que implementam a monitoração física de um fenômeno ambiental e gera relatórios de medidas (através de comunicação sem fio) • Respondem a mudanças de condições físicas, como temperatura, campo magnético, luz, etc

15. TAXONOMIA DE TILAK • Consiste, tipicamente, de cinco componentes: • Detector de hardware • Memória • Bateria • Processador embutido • Transmissor-receptor

16. TAXONOMIA DE TILAK • Observador: é o usuário final interessado em obter as informações disseminadas pela rede de sensores em relação a um fenômeno • Pode consultar a rede e obter as respostas das consultas.

17. TAXONOMIA DE TILAK • Fenômeno: entidade de interesse do observador, que está sendo monitorada e cuja informação potencialmente será analisada / filtrada pela rede de sensores

18. MÉTRICAS DE DESEMPENHO • Eficiência de energia e vida útil do sistema • Latência e precisão • Escalabilidade • Exposição dos Sensores • Tolerância a Falhas

19. MÉTRICAS DE DESEMPENHOEficiência de energia e vida útil do sistema • Como os nós são operados por baterias, os protocolos devem ser eficientes na utilização de energia para maximizar a vida útil do sistema • A vida útil do sistema pode ser medida por parâmetros genéricos, como o tempo de nós ativos ou tempo de envio de informações à aplicação

20. MÉTRICAS DE DESEMPENHOEficiência de energia e vida útil do sistema • S-MAC (Sensor-Medium Access Control): Este protocolo de controle de acesso ao meio foi implementado visando redes de sensores com nós individuais que permanecem por longos períodos de tempo inativos

21. MÉTRICAS DE DESEMPENHOEficiência de energia e vida útil do sistema • S-MAC (Sensor-Medium Access Control): Os nós permanecem inativos para poupar energia • A idéia é que os sensores tornem-se rapidamente ativos quando algum fenômeno é detectado • Os nós vizinhos formam clusters virtuais para o sincronizamento

22. MÉTRICAS DE DESEMPENHOLatência e precisão • O observador está interessado em estudar o fenômeno dentro de um dado espaço de tempo • A medida da latência é dependente do fenômeno e da aplicação sobre o fenômeno

23. MÉTRICAS DE DESEMPENHOLatência e precisão • A precisão é o objetivo principal do observador, e também é determinada pela aplicação dada

24. MÉTRICAS DE DESEMPENHOEscalabilidade • A escalabilidade é também um fator crítico • Para redes de larga escala, é comum que a localização de interações através de hierarquia e agregação são críticas para assegurar a escalabilidade do sistema

25. MÉTRICAS DE DESEMPENHOExposição dos Sensores • A exposição pode ser definida como a medida de quão bem a rede de sensores pode observar um objeto, movendo-se num caminho arbitrário, num determinado período de tempo

26. MÉTRICAS DE DESEMPENHOTolerância a Falhas • Os sensores podem falhar devido as más condições físicas ou quando sua bateria acaba • Pode ser difícil a troca dos sensores existentes

27. MÉTRICAS DE DESEMPENHOTolerância a Falhas • É desejável que falhas não catastróficas sejam transparentes para a aplicação. A tolerância a falhas pode ser alcançada através da replicação de dados, entretanto, a replicação de dados por si própria requer energia

28. MÉTRICAS DE DESEMPENHOTolerância a Falhas • Solução baseada em roteamento em múltiplas rotas • Várias rotas previamente configuradas (gasto de memória para armazenar as rotas) • Descoberta de novas rotas (gasto de energia com comunicação)

29. MÉTRICAS DE DESEMPENHOTolerância a Falhas

30. SEGURANÇA • A rede pode estar uma situação onde um intruso pode alterar configurações de rede • Um intruso pode ser capaz de posicionar diversos nós dentro da rede e usá-los para transmitir mensagens falsas • Um intruso pode comprometer o funcionamento de um ou diversos nós

31. SEGURANÇA • Um intruso pode acessar informações restritas dos nós • Um intruso pode comprometer as informações trafegadas na rede

32. SEGURANÇA • Para que uma RSSF forneça dados com segurança é necessário que certos requisitos sejam cumpridos • Confiabilidade nos dados • Autenticação de dados • Integridade de dados • Dados recentes

33. SEGURANÇAConfiabilidade nos dados • Uma RSSF não deve deixar que as informações sejam transmitidas para redes vizinhas • Nós comunicam os dados coletados com muita freqüência

34. SEGURANÇAConfiabilidade nos dados • Criptografia e chaves são utilizadas • Somente o receptor consegue decriptografar a informação recebida, garantindo a confidencialidade

35. SEGURANÇAAutenticação de dados • Muito importante em funções administrativas, como reconfiguração da rede • Os receptores devem estar seguros que as mensagens realmente partiram de fontes confiáveis

36. SEGURANÇAAutenticação de dados • Alcançada através de mecanismos simétricos, onde o emissor e o receptor compartilham uma chave secreta para computar um código de autenticação de mensagem (MAC – Message Authentication Code) de todo dado comunicado

37. SEGURANÇAAutenticação de dados • Quando uma mensagem com um código de autenticação correto chega ao receptor, ele reconhece o emissor • Autenticação não é seguro para ser aplicado em redes broadcast

38. SEGURANÇAIntegridade de dados • Assegura ao receptor que as informações não foram adulteradas em trânsito • Alcançada através da autenticação de dados

39. SEGURANÇADados recentes • Garantir que dados são recentes implica em assegurar que não houve interferência de mensagens antigas • Pode-se aplicar o algoritmo de ordenação total de mensagens

40. SEGURANÇAProtocolos de segurança utilizados • SPINS (Security Protocols for Sensor Networks) • Os protocolos SPINS possuem dois blocos construídos • SNEP (Secure Network Encryption Protocol) • mTESLA (versão micro do Timed Efficient Streaming Losstolerant Authentication Protocol)

41. SEGURANÇAProtocolos de segurança utilizados • mTESLA provê: • Broadcast autenticado para ambientes com recursos limitados • SNEP provê: • confidencialidade dos dados • Autenticação dos dados

42. SEGURANÇASoluções em estudo • Protocolo de mecanismo de agregação de mensagens segura • Busca reduzir o overhead de comunicação • Nós intermediários poderiam alterar as mensagens ou enviar mensagens falsas

43. SEGURANÇASoluções em estudo • Protocolo de mecanismo de detecção de nós com comportamento estranho • Estações base poderiam garantir que os dados transmitidos sejam corretos, mesmo com nós falsos introduzidos na rede ou que ele descubra as informações importantes de um único nó

44. ARQUITETURA • Uma rede de sensores é uma ferramenta para medir e passar informação sobre o fenômeno para o observador dentro do limite de desempenho desejado e com melhor custo / benefício possível. Para tal a rede se organiza da seguinte forma: • infra-estrutura • protocolo de rede • Aplicação / observador

45. ARQUITETURAInfra-estrutura • Consiste de sensores e da forma como utilizá-los. Mais especificamente, a infra-estrutura é influenciada pelo número de sensores, pelas características deles (precisão de detecção, tamanho de memória, vida útil da bateria, extensão da transmissão) e estratégia de utilização (quantidade, localização e mobilidade do sensor)

46. ARQUITETURAProtocolo de Rede • É responsável por criar caminhos e realizar comunicação entre os sensores, e entre os sensores e o(s) observador(es) • O desempenho do protocolo pode ser altamente influenciado pelo dinamismo das redes, assim como pelo modelo construído de envio de dados específicos

47. ARQUITETURAAplicação/Observador • interesse de um observador no fenômeno é expresso através de consultas realizadas a respeito do fenômeno • Estas consultas podem ser estáticas (os sensores são programados para reportar dados de acordo com um padrão específico) ou dinâmicas • Para responder às consultas os dados distribuídos que os sensores são capazes de monitorar são aproximados

48. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO • O estudo desses protocolos pode ser feito por camadas como sugerido pela arquitetura TCP/IP: • Camada física • Camada de enlace • Camada de rede • Camada de transporte

49. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃOCamada física • Em uma RSSF podem ser exploradas três possibilidades para comunicação sem fio: ótica, infra-vermelho e Radio Freqüência (RF)

50. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃOCamada física • Em uma RSSF podem ser exploradas três possibilidades para comunicação sem fio: • ÓTICA • INFRA-VERMELHO • RADIO FREQÜÊNCIA (RF)