End-to-End Resilience Mechanisms for Network Transport Protocols

The universal reliance on and hence the need for resilience in network communications has been well established. Current transport protocols are designed to provide fixed mechanisms for error remediation (if any), using techniques such as ARQ, and offer little or no adaptability to underlying network conditions, or to different sets of application requirements. The ubiquitous TCP transport protocol makes too many assumptions about underlying layers to provide resilient end-to-end service in all network scenarios, especially those which include significant heterogeneity. Additionally the properties of reliability, performability, availability, dependability, and survivability are not explicitly addressed in the design, so there is no support for resilience. This dissertation presents considerations which must be taken in designing new resilience mechanisms for future transport protocols to meet service requirements in the face of various attacks and challenges. The primary mechanisms addressed include diverse end-to-end paths, and multi-mode operation for changing network conditions

Body Sensor Network: A Modern Survey & Performance Study in Medical Perspect

As because of modern emerging technologies, low power integrated circuits and wireless communication has enabled a new generation of sensors network. The incorporation of these sensors networks in Health care is very popular and plays a vital role in breath breaking situations. The deployment of monitoring hardware incorporated with various wireless standards plays a key role in regard to interoperability, invasion privacy, sensors validation data consistency and interference related issues. The goal of our paper is to make a comparative study in realm of modern wireless trends such as Bluetooth, Wi-fi, Zigbee and Wibree and related facets. Index Terms– Wireless Body area network, Zigbee, Wi-fi, Bluetooot

RESH: A Secure Authentication Algorithm Based on Regeneration Encoding Self-Healing Technology in WSN

In the real application environment of wireless sensor networks (WSNs), the uncertain factor of data storage makes the authentication information be easily forged and destroyed by illegal attackers. As a result, it is hard for secure managers to conduct forensics on transmitted information in WSN. This work considers the regeneration encoding self-healing and secret sharing techniques and proposes an effective scheme to authenticate data in WSN. The data is encoded by regeneration codes and then distributed to other redundant nodes in the form of fragments. When the network is attacked, the scheme has the ability against tampering attack or collusion attack. Furthermore, the damaged fragments can be restored as well. Parts of fragments, encoded by regeneration code, are required for secure authentication of the original distributed data. Experimental results show that the proposed scheme reduces hardware communication overhead by five percent in comparison. Additionally, the performance of local recovery achieves ninety percent

Modeling and Simulation of a Novel Relay Node Based Secure Routing Protocol Using Multiple Mobile Sink for Wireless Sensor Networks

Data gathering and optimal path selection for wireless sensor networks (WSN) using existing protocols result in collision. Increase in collision further increases the possibility of packet drop. Thus there is a necessity to eliminate collision during data aggregation. Increasing the efficiency is the need of the hour with maximum security. This paper is an effort to come up with a reliable and energy efficient WSN routing and secure protocol with minimum delay. This technique is named as relay node based secure routing protocol for multiple mobile sink (RSRPMS). This protocol finds the rendezvous point for optimal transmission of data using a “splitting tree” technique in tree-shaped network topology and then to determine all the subsequent positions of a sink the “Biased Random Walk” model is used. In case of an event, the sink gathers the data from all sources, when they are in the sensing range of rendezvous point. Otherwise relay node is selected from its neighbor to transfer packets from rendezvous point to sink. A symmetric key cryptography is used for secure transmission. The proposed relay node based secure routing protocol for multiple mobile sink (RSRPMS) is experimented and simulation results are compared with Intelligent Agent-Based Routing (IAR) protocol to prove that there is increase in the network lifetime compared with other routing protocols

Performance of symmetric and asymmetric links in wireless networks

Wireless networks are designed to provide the enabling infrastructure for emerging technological advancements. The main characteristics of wireless networks are: Mobility, power constraints, high packet loss, and lower bandwidth. Nodes’ mobility is a crucial consideration for wireless networks, as nodes are moving all the time, and this may result in loss of connectivity in the network. The goal of this work is to explore the effect of replacing the generally held assumption of symmetric radii for wireless networks with asymmetric radii. This replacement may have a direct impact on the connectivity, throughput, and collision avoidance mechanism of mobile networks. The proposed replacement may also impact other mobile protocol’s functionality. In this work, we are mainly concerned with building and maintaining fully connected wireless network with the asymmetric assumption. For this extent, we propose to study the effect of the asymmetric links assumption on the network performance using extensive simulation experiments. Extensive simulation experiments were performed to measure the impact of these parameters. Finally, a resource allocation scheme for wireless networks is proposed for the dual rate scenario. The performance of the proposed framework is evaluated using simulation

Computer-network Solutions for Pervasive Computing

Lo scenario delle reti di comunicazione di tipo wireless sta rapidamente evolvendo verso i sistemi pervasivi in cui i dispositivi wireless, di diversi tipi e grandezze, costituiscono parte integrante dell’ambiente in cui sono immersi, ed interagiscono continuamente ed in maniera trasparente con gli utenti che vi vivono o che lo attraversano. Si parla a tal proposito anche di ambienti intelligenti. Seguendo l’evoluzione dai sistemi mobili a quelli pervasivi, questa tesi rivisita diversi tipi di ambienti wireless che si sono sviluppati e diffusi negli ultimi 20 anni: a partire dalle wireless LANs, proseguendo con le reti ad hoc, per finire con le reti opportunistiche. Sebbene molte problematiche delle reti wireless si ripropongano in quasi tutti gli scenari (ad esempio il risparmio energetico), a scenari wireless diversi corrispondono in genere utilizzi differenti e diversi fabbisogni degli utenti, come pure problemi specifici che richiedono soluzioni dedicate. Alcune soluzioni specifiche sono analizzate e proposte in questa tesi. Le reti WLANs basate su infrastruttura sono usate generalmente per fornire accesso alla rete Internet ed infatti lo scenario che le comprende è solitamente riferito come Wireless Internet. Nonostante la presenza dell’infrastruttuta fissa garantisca in generale una trasmissione di dati affidabile, l’utilizzo di questo tipo di reti per fornire esattamente gli stessi tipi di servizi delle reti fisse provoca un elevato consumo di risorse che all’interno delle WLANs sono invece limitate. Inoltre l’utilizzo dei protocolli dello stack TCP/IP sui link wireless è di solito fonte di inefficienze viste le profonde differenze esistenti fra i link wireless e quelli fissi. La progettazione di servizi in uno scenario di wireless Internet ha come primario obiettivo quello di garantire la fruizione da parte degli utenti mobili senza soluzione di continuità, mascherando così la presenza del link wireless che ha banda nominale inferiore rispetto ai link fissi ed è soggetto a maggiori perdite, e supportando la mobilità degli utenti all’interno delle zone di copertura (handoff). La gestione dei servizi di wireless Internet deve sempre essere integrata con soluzioni di risparmio energetico tese ad allungare il più possibile l’autonomia energetica dei dispositivi degli utenti (alimentati a batteria) garantendo così loro un servizio duraturo nel tempo. Abbiamo studiato una soluzione per servizi di streaming audio-video verso terminali mobili in un ambiente di wireless LAN. Oltre a garantire la continuità della riproduzione multimediale con buona qualità, questa soluzione ottimizza il consumo energetico del terminale wireless agendo sulla scheda di rete wireless. Durante lo streaming infatti, la scheda di rete viene periodicamente messa in uno stato a basso consumo energetico (sleep). I periodi di sleep della scheda vengono calcolati adattivamente in funzione dello stato di avanzamento della riproduzione multimediale e della banda disponibile istantaneamente sul canale wireless opportunamente monitorato. Il riposo della scheda di rete non incide sul processo di riproduzione e quindi sulla qualità del servizio percepita dall’utente mobile. A differenza delle WLANs, le reti MANETs sono prive di infrastruttura fissa ed i nodi che vi partecipano si autoconfigurano ed autoorganizzano tra di loro. Le MANETs si mostrano particolarmente adatte ad esigenze temporanee di gruppi di utenti che vogliano condividere dati, scambiarsi messaggi, o altro. Uno dei principali interessi di ricerca nell’ambito delle reti MANETs ha riguardato storicamente lo studio dei protocolli di routing per l’instradamento delle informazioni fra nodi sorgente e nodi destinatari. In una rete MANET infatti, vista l’assenza di infrastruttura, ogni nodo è coinvolto nella funzione di instradamento. Negli ultimi anni tuttavia, un nuovo aspetto di ricerca sta acquistando sempre maggiore attenzione e riguarda la sperimentazione su testbed reali. Le poche esperienze sperimentali eseguite su MANETs hanno dimostrato l’inadeguatezza degli studi di tipo analitico-simulativo nel giudicare l’efficacia delle soluzioni progettate per reti MANETs. Questo è principalmente dovuto al fatto che gli scenari wireless sono estremamente complessi e soggetti a fenomeni di diversa natura che influiscono sulle comunicazioni ma che sono difficilmente condensabili in un modello analitico completo. I modelli esistenti nei simulatori attualmente diffusi sono spesso causa di errori nel validare o al contrario bocciare le soluzioni ed i protocolli testati. Le attività di sperimentazione su testbed reali hanno dunque un duplice scopo: i) validare protocolli e soluzioni proposte attualmente, e ii) gettare le basi per la costruizione di nuovi modelli analitici e simulativi che siano maggiormente attendibili di quelli attuali. L’esperienza condotta su di un testbed reale per reti ad hoc comprendente portatili e palmari fino ad un totale di 12 nodi, ha dimostrato l’efficacia delle implementazioni di due protocolli di routing: AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) ed OLSR (Optimized Link State Routing). Tuttavia, benchè entrambi siano funzionalmente corretti, mostrano comportamenti differenti quando usati per supportare servizi di livello middleware ed applicativi (vedi ad esempio file sharing o trasferimenti ftp). In particolare, i ritardi causati dalla scoperta delle rotte in AODV sono spesso causa di inefficienze o addirittura di interruzione del servizio. OLSR invece, seppure responsabile di un overhead di traffico maggiore, si mostra maggiormente adatto alle interazioni con i servizi dei livelli superiori. Infine, l’esperienza ha dimostrato la necessità di ripensare molti dei servizi disponibili su rete fissa per adeguarli alle caratteristiche delle reti wireless e particolarmente di quelle ad hoc. Una nuova tipologia di reti wireless sta emergendo attualmente e si sta rivelando di particolare interesse: quella delle reti opportunistiche. Le reti opportunistiche non si appoggiano su alcuna infrastruttura fissa, né cercano di autoconfigurarsi in una infrastruttura wireless temporanea costituita da nodi vicini. Sfruttano le opportunità di contatto che si verificano fra i nodi (dispositivi wireless di piccola taglia) trasportati dagli utenti nelle loro attività quotidiane (ad esempio a lavoro, sugli autobus, a scuola o all’università, ecc.). I messaggi sono scambiati ogni qualvolta si renda possibile, ovunque sia possibile ed il successo della loro trasmissione è strettamente legato alle dinamiche sociali in cui sono coinvolti gli utenti che trasportano i dispositivi ed alla storia degli incontri tra individui. Data la mobilità estremamente elevata che caratterizza questo nuovo scenario di reti, e la nota rumorosità delle comunicazioni wireless, l’affidabilità delle trasmissioni emerge come uno dei fattori di principale interesse. Infatti, le comunicazioni possono aver luogo soltanto durante i periodi di contatto tra i nodi e devono essere estremamente veloci ed efficaci. Questo porta a dover fare uno sforzo di progettazione per nuovi protocolli di comunicazione che si diversifichino da quelli oggi più diffusi e basati sulla ritrasmissione dei dati mancanti. Le ritrasmissioni infatti, nella maggior parte dei casi potrebbero non poter essere eseguite per mancanza di tempo. Una strategia valida per gestire l’affidabilità delle comunicazioni opportunistiche in simili scenari estremi (caratterizzati cioè da scarse risorse e scarsa connettività) prevede l’utilizzo combinato di tecniche di codifica dei dati e strategie di instradamento di tipo epidemico. Questo approccio sfrutta la ridondanza sia delle informazioni, sia dei percorsi. La ridondanza delle informazioni dà robustezza a fronte della perdita dei dati in rete poiché è necessario che soltanto un sottoinsieme dei codici generati arrivi a destinazione per consentire al ricostruzione corretta delle informazioni. La ridondanza dei percorsi invece è necessaria poichè non è possibile predirre in anticipo la sequenza dei contatti che può portare i dati a destinazione e pertanto è necessario distribuire l’informazione in più direzioni. Le reti opportunistiche caratterizzate dalla presenza di dispositivi con limitata autonomia energetica e risorse limitate, offrono attualmente lo scenario che meglio traduce il concetto di sistemi pervasivi. Di particolare interesse è il caso delle reti di sensori sparse in cui i sensori sono disposti nell’ambiente con funzione di monitoraggio ed i dati che collezionano vengono raccolti da degli agenti mobili che passano nelle vicinanze e che sono noti come data MULEs. I data MULEs possono utilizzare le informazioni acquisite dai sensori per eseguire applicazioni dipendenti dal contesto o possono semplicemente inoltrarle fino a quando raggiungono l’infrastruttura dove vengono elaborati e memorizzati. Le interazioni fra i sensori immersi nell’ambiente ed i data MULEs sono soltanto un primo passo di un sistema di comunicazione globale completamente opportunistico in cui i data MULEs scambiano l’un l’altro le informazioni che trasportano fino a quando infine, i dati pervengono alle destinazioni più lontane. In questo scenario, le comunicazioni wireless completano naturalmente le interazioni fra gli utenti e si verificano ogni qualvolta gli utenti si incontrano oppure si avvicinano casualmente l’un l’altro, dovunque questa interazione avvenga. Per supportare un simile framework, è necessario sviluppare nuovi paradigmi di comunicazione che tengano in considerazione l’assenza di link stabili tra i nodi che comunicano (connettività intermittente) e che assumano quindi la disponibilità di brevi periodi di contatto per comunicare. Inoltre i nuovi paradigmi di comunicazione devono generalmente assumere l’assenza di un percorso completo fra i nodi sorgente e destinatario e sfruttare invece forme di instradamento delle informazioni che sono simili al modo in cui avvengono le interazioni sociali fra le persone. Strategie di instradamento basate su codifica dei dati offrono una valida soluzione per supportare il framework emergente dei sistemi pervasivi

Quantifying, generating and mitigating radio interference in Low-Power Wireless Networks

Doctoral Programme in Telecommunication - MAP-teleRadio interference a ects the performance of low-power wireless networks (LPWN), leading to packet loss and reduced energy-e ciency, among other problems. Reliability of communications is key to expand application domains for LPWN. Since most LPWN operate in the license-free Industrial Scienti c and Medical (ISM) bands and hence share the spectrum with other wireless technologies, addressing interference is an important challenge. In this context, we present JamLab: a low-cost infrastructure to augment existing LPWN testbeds with accurate interference generation in LPWN testbeds, useful to experimentally investigate the impact of interference on LPWN protocols. We investigate how interference in a shared wireless medium can be mitigated by performing wireless channel energy sensing in low-cost and low-power hardware. For this pupose, we introduce a novel channel quality metric|dubbed CQ|based on availability of the channel over time, which meaningfully quanti es interference. Using data collected from a number of Wi-Fi networks operating in a library building, we show that our metric has strong correlation with the Packet Reception Rate (PRR). We then explore dynamic radio resource adaptation techniques|namely packet size and error correction code overhead optimisations|based on instantaneous spectrum usage as quanti ed by our CQ metric. To conclude, we study emerging fast fading in the composite channel under constructive baseband interference, which has been recently introduced in low-power wireless networks as a promising technique. We show the resulting composite signal becomes vulnerable in the presence of noise, leading to signi cant deterioration of the link, whenever the carriers have similar amplitudes. Overall, our results suggest that the proposed tools and techniques have the potential to improve performance in LPWN operating in the unlicensed spectrum, improving coexistence while maintaining energy-e ciency. Future work includes implementation in next generation platforms, which provides superior computational capacity and more exible radio chip designs.A interferência de r adio afeta o desempenho das redes de comunicação sem o de baixo consumo - low-power wireless networks (LPWN), o que provoca perdas de pacotes, diminuição da e ciência energética, entre outros problemas. A contabilidade das comunicações e importante para a expansão e adoção das LPWN nos diversos domínios de potencial aplicação. Visto que a grande maioria das LPWN partilham o espectro radioelétrico com outras redes sem o, a interferência torna-se um desafio importante. Neste contexto, apresentamos o JamLab: uma infraestrutura de baixo custo para estender a funcionalidade dos ambientes laboratoriais para o estudo experimental do desempenho das LPWN sob interferência. Resultando, assim, numa ferramenta essencial para a adequada verificação dos protocolos de comunicações das LPWN. Para al em disso, a Tese introduz uma nova técnica para avaliar o ambiente radioelétrico e demostra a sua utilização para gerir recursos disponíveis no transceptor rádio, o que permite melhorar a fiabilidade das comunicações, nomeadamente nas plataformas de baixo consumo, garantindo e ciência energética. Assim, apresentamos uma nova métrica| denominada CQ - concebida especificamente para quantificar a qualidade do canal r adio, com base na sua disponibilidade temporal. Mediante dados adquiridos em v arias redes sem o Wi-Fi, instaladas no edifício de uma biblioteca universitária, demonstra-se que esta métrica tem um ótimo desempenho, evidenciando uma elevada correlação com a taxa de receção de pacotes. Investiga-se ainda a potencialidade da nossa métrica CQ para gerir dinamicamente recursos de radio como tamanho de pacote e taxa de correlação de erros dos códigos - baseado em medições instantâneas da qualidade do canal de radio. Posteriormente, estuda-se um modelo de canal composto, sob interferência construtiva de banda-base. A interferência construtiva de banda-base tem sido introduzida recentemente nas LPWN, evidenciando ser uma técnica prometedora no que diz respeito à baixa latência e à contabilidade das comunicações. Na Tese investiga-se o caso crítico em que o sinal composto se torna vulnerável na presença de ruído, o que acaba por deteriorar a qualidade da ligação, no caso em que as amplitudes das distintas portadoras presentes no receptor sejam similares. Finalmente, os resultados obtidos sugerem que as ferramentas e as técnicas propostas têm potencial para melhorar o desempenho das LPWN, num cenário de partilha do espectro radioelétrico com outras redes, melhorando a coexistência e mantendo e ciência energética. Prevê-se como trabalho futuro a implementação das técnicas propostas em plataformas de próxima geração, com maior flexibilidade e poder computacional para o processamento dos sinais rádio.This work was supported by FCT (Portuguese Foundation for Science and Technology) and by ESF (European Social Fund) through POPH (Portuguese Human Potential Operational Program), under PhD grant SFRH/BD/62198/2009; also by FCT under project ref. FCOMP-01-0124-FEDER-014922 (MASQOTS), and EU through the FP7 programme, under grant FP7-ICT-224053 (CONET)

Efficient key management in wireless sensor network security

Wireless sensor network is a multi-hop ad hoc network formed by a large number of low-cost micro-sensor nodes which communicate through radio channels. It is widely used in many areas in modern society and attracts a lot of attention from researchers. This research is on wireless sensor network security and it focuses on key management in hierarchical wireless sensor networks. Through literature review, the drawback and weakness of existing key management schemes are analyzed from various aspects including key establishment, key distribution, key update, authentication and node operation mechanism. Assessment criteria for key management scheme are proposed under different requirements and constraints of wireless sensor networks. The security criteria cover keying model, key distribution, key update, node operation and resilience. For cluster based hierarchical wireless sensor networks, an assistant node is introduced in a cluster to deal with the situation of cluster head compromise and to keep the member nodes securely staying in the network. With introduction of assistant nodes, a complete secure efficient hierarchical key management scheme (SEHKM) for wireless sensor network is proposed. The scheme supports three types of keys and the big improvement over existing key management schemes is on group key update, which is based on pseudo-random numbers and group Diffie-Hellman. The analysis and evaluation have shown that that SEHKM offers strong security with efficient operation from energy consumption point of view

EESMR: Energy Efficient BFT-SMR for the masses

Modern Byzantine Fault-Tolerant State Machine Replication (BFT-SMR) solutions focus on reducing communication complexity, improving throughput, or lowering latency. This work explores the energy efficiency of BFT-SMR protocols. First, we propose a novel SMR protocol that optimizes for the steady state, i.e., when the leader is correct. This is done by reducing the number of required signatures per consensus unit and the communication complexity by order of the number of nodes n compared to the state-of-the-art BFT-SMR solutions. Concretely, we employ the idea that a quorum (collection) of signatures on a proposed value is avoidable during the failure-free runs. Second, we model and analyze the energy efficiency of protocols and argue why the steady-state needs to be optimized. Third, we present an application in the cyber-physical system (CPS) setting, where we consider a partially connected system by optionally leveraging wireless multicasts among neighbors. We analytically determine the parameter ranges for when our proposed protocol offers better energy efficiency than communicating with a baseline protocol utilizing an external trusted node. We present a hypergraph-based network model and generalize previous fault tolerance results to the model. Finally, we demonstrate our approach's practicality by analyzing our protocol's energy efficiency through experiments on a CPS test bed. In particular, we observe as high as 64% energy savings when compared to the state-of-the-art SMR solution for n=10 settings using BLE.Comment: Appearing in Middleware 202