Teilprojekt 3: Sicherer und zuverlässiger Concast-Transport

Ziel dieses Teilprojekts ist der Entwurf und die Evaluierung von Protokollen für einen zuverlässigen Datentransport in Multi-Hop-Sensornetzen. Besonders berücksichtigt werden dabei Concast- Kommunikation und Aggregation. Bei diesen für Sensornetze typische Szenarien werden Daten an sogenannten Aggregationspunkten im Netz vor ihrer Weiterleitung zusammengeführt und verarbeitet (In-Network-Processing). Als Kommunikationsform liegt hier typischerweise eine (kaskadierte) Concast-Kommunikation (viele Quellen – eine Senke) vor, wofür derzeit, gerade im Umfeld von Sensornetzen, keine geeigneten Protokolle existieren.

Geeignete Mechanismen und Protokolle müssen effizient und speziell für die ressourcenarmen Geräte in ubiquitären Umgebungen optimiert sein. Trotz Aggregierung sollen dabei wichtige sicherheitstechnische Eigenschaften wie Authentizität, Originalität, Vertraulichkeit und Integrität überprüfbar bleiben. Darüber hinaus soll durch eine abstufbare Form von Zuverlässigkeitskriterien eine individuelle Konfiguration erreicht werden, die jeweils den szenarioabhängigen Bedarf an Zuverlässigkeit und Qualität der Ergebnisse erfüllt ohne dabei Energieeffizienz zu vernachlässigen. Die traditionellen ARQ-Verfahren (Automatic Repeat Request) erscheinen für den Einsatz in Sensornetzen dabei nur bedingt anwendbar.

Im Rahmen von Zeus ist Zuverlässigkeit als Oberbegriff von Robustheit und Sicherheit zu sehen. Während mit Sicherheit der Schutz gegen Angreifer und durch ihn korrumpierte Sensorknoten zu verstehen ist, gilt Robustheit vornehmlich den Umwelteinflüssen, denen Sensorknoten ausgesetzt sind.

Zuverlässigkeit

Sicherheit

Mit ESAWN [BWZ06] wurde ein Protokollrahmenwerk entwickelt, welches eine sichere Aggregation in Sensornetzwerken in Gegenwart eines "Standard-Angreifers" [BB07] ermöglicht. Dazu lässt ESAWN den Netzwerknutzer die Wahrscheinlichkeit P spezifizieren mit der das Ergebnis einer Anfrage authentisch ist. Dies ermöglicht die Abwägung von Sicherheit und Energieverbrauch. Dabei bietet ein niedrigerer Sicherheitsbedarf grösseres Einsparpotential beim Energieverbrauch als ein hoher. Um das Verfahren auf einfache und verständliche Weise zu präsentieren, wurde ein Demonstrator entwickelt [WBZ08], der Experimente mit einer TinyOS-Implementierung von ESAWN erlaubt.

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ESAWN Demonstrator auf der INSS 2008

Robustheit

Verbindungen in drahtlosen Sensornetzen sind aufgrund der Natur des drahtlosen Mediums und der geringen Sendeleistung der Sensorknoten oft mit hohen Verlustraten behaftet. Um die Zustellung wichtiger Messdaten zu garantieren werden ARQ-Verfahren benötigt. Der dadurch implizierte Overhead ist, bedingt durch die geringe Grösse der eigentlichen Messdaten jedoch oft unangemessen hoch. Durch das in [BHZ08] vorgestellte Wertvorhersageverfahren lassen sich die Zahl der zu übertragenden Nachrichten bei periodischen Messungen deutlich reduzieren, wenn ein gewisser Fehler bei den Messwerten akzeptiert wird. Hierbei korrelieren Genauigkeit der Messwerte und Energieverbrauch. Hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Werte erfordert häufigere Messwertübertragungen und damit höheren Energiebedarf des Protokolls.

Anfrageverteilung und Ergebnisconcast

In Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt 4 wurden anschließend die Möglichkeiten einer Kombination sicherer Anfrageverteilung und sicherem Ergebnisconcast untersucht. Ein Ergebnis ist das kombinierte Protokoll AQF+ESAWN, welches die Funktionalitäten des bereits erläuterten Concast-Protokolls mit denen des Anfrageverteilungprotokolls AQF vereint. Details zu AQF finden sich auf den Seiten des Teilprojekts 4. Eine wichtige Erkenntnis dieser Protokollfusion ist, dass selbst so orthogonal wirkende Aufgaben wie Anfrageverteilung und Ergebnisconcast Abhängigkeiten bilden und damit Bedingungen und Anpassungen für ein problemloses Zusammenspiel erfordern.

Im Juli 2009 wurde das AQF+ESAWN-Protokoll in Form eines Demonstrators von TP3 und TP4 gemeinsam auf der INSS vorgestellt [WZBF09].

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Projektmitarbeiter Michael Heinold stand den Fragen der Besucher Rede und Anwort.

Formale Verifikation von ESAWN

Durch den Projektkollegen Frank Werner aus Teilprojekt 6 wurde das ESAWN-Protokoll im dritten Projektjahr erfolgreich formal verifiziert. In dieser teilprojektübergreifenden Zusammenarbeit wurde sowohl das Protokollkonzept als auch die Beispielimplementierung für TinyOS untersucht. Seine Ergebnisse stellte Frank Werner, begleitet von Kollegen aus den Teilprojekten 1 und 3, auf dem Fachgespräch Sensornetze (FGSN) in Hamburg vor [WS09].

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Joachim Wilke, Frank Werner und Jens Horneber (in Vertretung für TP1) auf dem FGSN 2009.

 
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