第三章 無線感測網路能源消耗
3.5 無線感測網路能源消耗結論
本章節主要提出無線感測網路中能源消耗模型來計算無線感測網路中節點的 能源消耗，此能源模型考慮節點在網路中運作的方式及CSMA/CA競爭機制，並 考慮因overhearing而產生額外的能源消耗，並參考了IEEE 802.15.4標準協定[1]及 Jennic[35]在節點運作流程中所計算出的各種詳細時間參數，此外建構了傳輸機率 模型來表示節點在與其他競爭節點共存環境下可能產生的事件及傳輸機率。
而本研究利用Prism模擬器模擬出節點與多個競爭節點在共存環境下且彼此 競爭通道時的傳輸機率，並加入了理想通道及非理想通道的考量，在利用此傳輸 機率進一步推算出節點在理想通道與非理想通道中的網路效能，如:能源消耗、
throughput與goodput。而也利用Qualnet模擬器模擬出throughput及接收每bit所消耗 的能源來與數值分析之結果做驗證及比較，藉此證明此能源消耗模型所預測之效 能具有一定的預測準確度。從此結果顯示，競爭節點的密度、傳輸的封包長度及 網路品質對網路的效能影響甚大，而除了預測網路效能外，還可從此結果數據來 分析佈建網路時該選擇何種部屬方式才能發揮最大的網路效能，例如:在節點密度 較高的環境下，可選擇避免傳送過長的封包來提升節點的成功傳輸機率，避免節 點消耗多餘的能源，藉此延長網路壽命。
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第四章
6LoWPAN 能源消耗
6LoWPAN 為 IOT 的概念，是基於 IEEE 802.15.4 的標準在低功率的無線網路 的環境下運作，因此能源消耗在此也是相當重要的議題，而由於 6LoWPAN 的運 作是基於 IEEE 802.15.4 的標準協定，因此此章節的 6LoWPAN 能源消耗模型將以 第三章的無線感測網路能源消耗模型為基礎來做延伸，並考慮 6LoWPAN 中路由 機制方式 Mesh-under 以及 Route-over 傳送時需將封包分割為符合 802.15.4 的封包 大小來進行傳送，接收時需將封包進行重組的特性，本研究針對二種路由機制分 別建構不同的能源消耗模型，而此章節將會分析並比較此二種路由機制在理想通 道與非理想通道下傳送不同分割封包數量的能源消耗，可利用此模擬的結果來判 斷在何種環境下應該選擇何種路由。而此章節也進入本研究之重點:入侵偵測機制，
利用此能源消耗之結果檢測節點是否遭受到網路攻擊，而由於 Route-over 封包傳 送主要經由處理能力較強的 router 處理，因此已有許多防火牆及金鑰演算法來抵 擋外部網路的攻擊，因此此部分只考慮內部網路也就是在 Mesh-under 上的能源入 侵偵測，而在此章節則採用常見的 DoS 攻擊來模擬 Mesh-under 受攻擊時的數據。
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4.1 6LoWPAN 狀態機模型
此章節敘述 6LoWPAN 中傳送及接收端在 Mesh-under 路由機制的運作流程圖
4.1.1 Mesh-under 傳送端狀態機
Network Layer
Fragmenting an IP Packet and adding mesh header into f
fragments
f fragments perform MAC Contention
Adaptation Layer
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 Forwarding PHY
Receiving
Acknowledgement ? Done
N Y
Upper layer
An IPv6 packet is forwarded
Transport Layer
Retransmission
圖 4-1、Mesh-under 傳送端運作流程圖
圖 4-1 為 Mesh-under 路由機制中傳送端節點的運作流程圖，依照 Mesh-under 的特性，當有封包欲傳送時，先將封包送至 adaptation layer並分割成數個符合 IEEE 802.15.4 之封包大小的分割封包，接著進入到 MAC 層來競爭通道，競爭成功後 則將分割封包經由 Phy 層傳輸，並確認是否收到目的端所回覆的 ACK，成功收
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到 ACK， 則結束流程，無收到 ACK，則再次進入 MAC 競爭並重傳。
4.1.2 Mesh-under 接收端狀態機
Network Layer
Adaptation Layer
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 PHY Upper layer
N Y
Receiving f number of fragments from previous
hop Reassembling to
IPv6 Packet ? Source waits ack
timeout
Y N
Transport Layer
Forwarding to next hop The current node
is destination?
MAC contention Retransmission from
source
圖 4-2、Mesh-under 接收端運作流程圖
圖 4-2 為 Mesh-under 路由機制中接收端節點的運作流程圖，當接收端收到前 一跳節點所傳送的封包時，先檢查 IP 位址是否為自己，如不是，則進入 MAC 層 來競爭通道，接著做轉發的動作，如果 IP 位址為此接收端的位址，則將封包送 至 adaptation layer 做重組的動作，重組成功則回傳 ACK，當重組失敗，傳送端等
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待 ACK 時間倒數後無收到 ACK 封包，則會主動進行重傳的動作。
4.2 6LoWPAN 能源消耗模型
此章節將針對 6LoWPAN 中 Mesh-under 及 Route-over 重組、分割的特性且考 慮在非理想通道下加入重傳的因素來建立不同的能源消耗模型。
4.2.1 Mesh-under 能源消耗模型
此能源模型主要計算節點在使用 Mesh-under 路由機制時的能源消耗，考 慮到 Mesh-under 的特性，當目的節點收到封包後，會將收到的封包做重組的動作，
當重組失敗，則會要求來源節點重新傳輸所有分割封包，Mesh-under 的能源模型
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而詳細能源消耗的計算將在之後介紹，
δ
為節點重組封包的時間，k 為重傳的次 數， Erecombination為重組所消耗的能源，依照 IEEE 802.15.4 標準設定最多為 3 次。4.2.2 Route-over 能源消耗模型
此能源模型計算節點使用 Route-over 路由機制所產生的能源消耗，考慮 Route-over 的特性，當節點收到前一跳節點所發送出來的分割封包後，藉由將分 點第一次傳輸成功的能源消耗，後半段表示節點重傳的能源消耗，Efragment為分割 消耗之能源，Ptrx為分割封包傳輸的成功機率，1-Ptrx為傳輸失敗機率，而封包重 傳只在於節點與前一跳節點之間，所以重傳距離為單跳，因此Route-over中，每 一跳成功機率皆相同，而Tfrag為封包分割的時間，其餘參數與前面相同。
從上述公式可看出在理想通道下，也就是傳輸成功機率為 1 的情況，
Mesh-under 因少了逐跳重組的動作，比起 Route-over 每一跳都需做重組及分割的 動作相對來的較省電，延遲也較小，而非理想通道下多了重傳的情況，Mesh-under 的重傳需等待封包到達目的端才重組，發現無法重組才由來源端重新傳送所有封 包，所以重傳發生時，路由上的每一個節點都會再次轉發來源端所發送的封包，
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造成多餘的能源消耗及時間花費，比起 Route-over 只向前一跳要求重傳，能源消 耗發生在單跳之間，能源消耗以及封包到達目的端的延遲相對較少。
4.3 Mesh-under 與 Route-over 能源消耗比較之分析結果
此章節為Mesh-under與Route-over二種路由在理想通道與非理想通道下的能 源消耗比較。為了評估此二種路由協議的效能，在此章節本研究使用了Qualnet 模擬器來模擬Mesh-under以及Route-over路由機制，考慮多跳與重傳，比較二種路 由機制在理想通道以及非理想通道下的能源消耗。多跳環境中，Node1為來源節 點，Node2、3為轉發節點而Node4為目的節點。此二種路由機制分別傳送分割封 包數量為100個及10個，封包大小為133Bytes，而能源規格則使用CC2530之規格。
(a)理想環境 (b)BER=10-6
(c)BER=10-5 (d)BER=10-4
圖 4-3、為 Mesh-under 與 Route-over 在不同通道品質之能源消耗比較
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在圖 4-3(a) 及圖 4-3(b)中，理想通道及 BER=10-6環境下，通道品質良好而沒 有封包錯誤之情況，因此二者在總跳數及傳輸封包數量等條件相同情況下，能源 消耗是差不多的，而由於傳輸分割封包 100 個的數量較大，因此能源消耗比分割 封包數量 10 個的來的多，而 Route-over 會因為逐跳重組的原因，因此每個節點 會造成多餘的能源消耗花費在重組封包的處理上，而封包數量越多，則能源消耗 會越大。而在圖 4-3(c)、圖 4-3(d)隨著通道品質變差(BER=10-5、10-4)，封包錯誤 的機率提高造成封包丟棄的數量上升，而由於 Mesh-under 是當封包傳送到目的端 才由目的端進行封包重組的動作，所以當封包重組失敗需重傳時，來源端等待直 到 ACK TimeOut，封包則由來源端重新發送，並經過轉發節點到達目的端做重組 檢查，而 Route-over 則為逐跳重組的方式來傳輸，路由中間的轉發節點皆會重組 並檢查封包是否正確，因此當封包重組失敗時，只需向前一跳節點要求封包重傳，
不需從來源端重新傳送封包，因此不需要每個中間轉發節點都幫忙轉發封包，因 此當通道品質降低時，Mesh-under 之能源消耗則因為重傳而比 Route-over 來的高。
而當通道狀況較為理想時，Route-over 則會因為每一跳節點都需將封包重組、分 割的關係，因此比 Mesh-under 消耗較多能源在重組及分割上，但重組及分割的能 源消耗比例較少，因此差別並不大，但隨著傳輸的封包數量增加，此部分的能源 消耗會隨之增加。
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4.4 Mesh-under 受攻擊之能源數據
此章節利用 Qualnet 模擬器來模擬節點在理想通道與非理想通道下正常時及 受攻擊時的能源消耗數據，藉此比較正常與受攻擊的能源消耗差距，證明節點受 到攻擊時，能源消耗會大幅提升，而由於 Route-over 封包傳送主要經由處理能力 較強的 router 處理，因此已有許多防火牆及金鑰演算法來抵擋外部網路上的攻擊，
因此只考慮內部網路也就是 Mesh-under 上的能源入侵偵測。
4.4.1 各種節點狀態受攻擊與無攻擊之能源消耗數據
此章節將節點能源消耗細分成閒置、接收及傳送，觀察節點在不同的通道品 質下，各狀態能源消耗受攻擊時的變化，在此以理想通道及 BER=10-4環境為例。
(a)閒置之能源消耗 (b)接收之能源消耗 (c)傳送之能源消耗 圖 4-4、理想通道中節點受攻擊時各狀態的能源消耗變化
(a)閒置之能源消耗 (b)接收之能源消耗 (c)傳送之能源消耗 圖 4-5、非理想通道(BER=10-4)中節點受攻擊時各狀態的能源消耗變化
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圖 4-4 為理想通道下，節點受攻擊與無攻擊時，閒置、接收及傳送狀態的能 源消耗數據圖，而圖 4-5 為非理想通道下(BER=10-4)，節點受攻擊與無攻擊時，
閒置、接收及傳送狀態的能源消耗數據圖，從結果看出理想通道下，無攻擊時，
節點接收封包完畢的時間皆在第 4 秒結束，但受攻擊時，接收同樣封包數量的時 間卻延長至 18 秒，而非理想通道下，因通道品質降低造成重傳，無攻擊環境接 收封包完畢的時間延長至 18 秒，但受攻擊時，節點接收封包完畢的時間更延長 至 28 秒。
而不論理想通道或非理想通道的環境下，在圖 4-4(a)、圖 4-5(a)中，節點大部 分時間處於接收狀態在接收攻擊節點的封包，造成受攻擊環境處於閒置狀態的時 間比起無攻擊環境相對減少許多，因此受攻擊時，節點在閒置狀態的能源消耗也
而不論理想通道或非理想通道的環境下，在圖 4-4(a)、圖 4-5(a)中，節點大部 分時間處於接收狀態在接收攻擊節點的封包，造成受攻擊環境處於閒置狀態的時 間比起無攻擊環境相對減少許多，因此受攻擊時，節點在閒置狀態的能源消耗也