論文架構

本論文之架構如下，第二章節為相關研究之探討，第三章節為能源消耗模型，

第四章節為針對 6LoWPAN 中路由機制所提出的能源消耗模型，第五章節為入侵 偵測機制演算法的介紹，第六章為結論與未來研究方向。

本論文的第二章節中，將討論關於無線感測網路中能源消耗模型與入侵偵測 機制的相關研究，並分析與歸納相關的文獻與所用技術。

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第三章節則介紹本研究基於無線感測網路環境所提出的「能源消耗模型」，分 析節點運作的方式來建構此能源消耗模型，更考慮競爭節點數量及通道品質提出 了傳輸機率模型結合在此能源消耗模型中，並利用 Prism 狀態機模擬器來模擬傳 輸成功機率並推算能源消耗、throughput、goodput，並分析及比較不同網路環境 下網路效能的狀況。

第四章節則延伸前章節之無線感測網路能源消耗模型，針對 6LoWPAN 中二 種路由機制 Mesh-under 及 Route-over 分別提出了能源消耗模型，並分析及比較二 種路由機制的效能，且提出了靜態入侵偵測機制來檢測 mesh-under 環境是否受到 攻擊。而 Route-over 為 PAN 與 PAN 間之路由機制，因此可將較複雜之抵禦機制 運用於在能力較強的路由器上，因此本研究在此暫不考慮 Route-over 的入侵偵測 機制。

第五章節則將分析了節點在理想通道及非理想通道環境下，受攻擊時的能源 消耗狀況，並藉此能源消耗數據及入侵偵測機制的門檻值，包含單位時間內能源 消耗的上升比例、接收封包量以及接收一個 bit 所消耗的能源等相互比較來檢測及確認

節點是否遭受網路攻擊。

第六章節則是本論文之結論並說明未來研究之方向。

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第二章 文獻探討

2.1 無線感測網路介紹

IEEE 802.15.4[1]主要設計是為一種用於感測器及控制網路的無線的解決方 案，因此大多數IEEE 802.15.4設備都以節能設計做為主要之訴求 (溫度調節器、

安全感測器等)，其電池壽命可以長達數月，甚至數年之久。IEEE 802.15.4採用

868MHz頻段(歐洲)、915MHz頻段(北美)及2.4GHz ISM頻段(全球)的DSSS無線訊 號。在2.4GHz ISM頻段中，802.15.4 共定義了16個通道，每一通道寬3MHz，通 道中心間隔為5MHz，使相鄰通道之間留有2MHz的頻率間隔。物理層上使用了 16-aryquasi-orthogonal的調變技術，並使用O-QPSK(Offset Quadrature Phase-Shift Keying)來做數位調變，如此構成了IEEE 802.15.4的DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列展頻)展頻技術。IEEE 802.15.4標準中主要提供如CCA與 CSMA/CA等機制來保證802.15.4在2.4GHz頻段和其他無線技術標準的共存能 力。

2.2 IEEE 802.15.4 碰撞避免機制

IEEE 802.15.4[1]Phy層的碰撞避免機制（Carrier Sense Multiple Access with

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Collision Avoidance, CSMACA）中包含CCA(clear channel assessment)的判斷機制，

CCA 的主要是偵測網路中的訊號強度來判斷頻道是否有其他同質或異質訊號所 佔用，為節點進入contention時檢查通道是否為閒置或忙碌的機制，如通道被佔用 時，CCA 必須回報為busy medium。

在IEEE 802.15.4 中定義了三種CCA模式：

 Mode1：Energy 大於ED threshold (energy detection門檻值)。如偵測到energy 大於ED threshold，CCA 必須回報busy medium。此一功能將有助於802.15.4在異 質無線網路環境下降低異質無線網路間的同頻干擾。

 Mode2：Carrier Sense，只偵測以IEEE 802.15.4之調變方式所調變信號，偵測 是否高於receiver threshold。如接收訊號高於receiver threshold，CCA必須回報busy

medium。此部分有助於Zigbe在異質無線網路環境下降低同質無線網路間的同頻 干擾。

 Mode3：Carrier Sense with Energy above ED threshold。此模式為結合Mode1 以及Mode2。如偵測到energy大於ED threshold且偵測以IEEE 802.15.4的調變信號 高於receiver threshold，CCA 必須回報busy medium。

2.3 6LoWPAN介紹

6LowPAN[2]為IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks的縮寫，

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概念是基於IEEE 802.15.4的標準在低功率的無線區域網路環境下傳送IPv6的封包，

簡而言之即是無線感測網路的節點需具備與IP溝通的能力，但由於佈建一個大型 無線感測網路可能需數量龐大的節點，若每個節點皆分配一組IP位址，現行的IPv4 已經所剩無幾，更遑論分配給為數眾多的無線感測網路節點使用，因此採用IPv6 的定址方式，IPv6 作為下一代網際網路協議，具有定址資源豐富(2128 個位址)、

IP 自動配置、高安全性、高移動性等優點，可以滿足無線感測網路在定址、網路 安全、移動性及與現有網際網路結合等方面的需求。此外，6LoWPAN 以IEEE 802.15.4作為傳輸依據，其底部的實體層(PHY)與媒體存取控制層(MAC)皆是採用 IEEE 802.15.4的標準協定，如圖一所示，由於IPv6定義的最大傳輸單位(Maximum Transmission Unit, MTU)為1,280 bytes遠大於IEEE 802.15.4的最大傳輸單位僅有 127 bytes ， 因 此 介 於 媒 體 存 取 控 制 層 與 網 路 層 之 間 6LoWPAN 提 出 了 適 配層 (Adaptation Layer)主要提供了封包的分割(fragmentation)、重組(reassembly)與表頭 壓縮(header compression)的功能，使得6LoWPAN IP封包能符合底層的需求，以及 將接收到的IEEE 802.15.4格式封包轉成IPv6的封包與網際網路連接。接著將介紹 在6LoWPAN中二種路由機制，Mesh-under及Route-over[3]。

2.3.1 Ｍesh-under機制介紹

Ｍesh-under的路由機制運作於Adaptation層為WSN的路由法，主要用於內部 網路內節點與節點之間傳送封包的情形，從Network層來的封包都將檢查是否大

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於IEEE 802.15.4的封包大小，超過則需分割成數個片段封包，此機制會將被分割 的片段封包透過多條路由進行傳輸，而中間的節點則將封包進行轉發的動作，當 所有的片段封包被傳送至目的端時，此時目的節點會將它們往至Adaptation 層進 行重組，將片段封包重組回原本IPv6封包，屬於end-to-end 的封包分割、重組，

當有任何一個片段封包因為掉包造成封包重組失敗時，則會要求傳送端重傳全部 的片段封包，直到重組成功或是重傳次數到達上限而將封包丟棄。

2.3.2 Route-over機制介紹

Route-over 的路由機制則為Network層的路由機制，當WPAN與另一個WPAN 溝通時使用，cluster header傳送封包給另一個WPAN的cluste rheader，此時則須使 用Route-over機制，來源節點將IPv6封包分割成數個符合IEEE 802.15.4封包大小的 片段封包，而將片段封包傳送至下一跳節點時，下一跳節點則會將封包傳至

Adaptation層來進行封包的重組，如同Mesh-under的機制，封包送至Network層進 行重組，重組成功後，Adaptation 層則會再次將封包分割數個片段封包，並傳送 至下一跳，重複此動作直到封包傳送至目的端，當重組失敗時，則向前一跳要求 重傳，為hop-by-hop的動作。

2.4 能源消耗模型介紹

無線感測網路擁有體積小、低成本、低傳輸速率、低耗電量及容易佈建等特 性，而現實環境下，無線感測節點通常佈建在人員較難出入的環境中，用以感測

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環境的資訊，而也較難為無線感測節點更換電源，因此許多研究建立了能源模型 來分析無線感測節點的能源消耗，並提出許多改善方法來降低節點的能源消耗及 提升整體網路的網路壽命，而在此我們不只參考802.15.4的相關文獻，也參考了

802.11關於能源消耗的相關文獻，使本研究提出的能於模型可更完整，如文獻[4]，

在802.11的環境下，作者計算及判斷節點的能源消耗，來動態調整傳輸路徑，藉 此提升節點的網路壽命，而此文獻所提出之能源模型考慮節點傳輸至接收端的所 有狀態，此觀念在能源模型中為重要的，而文獻[5][6]基於Markov chain提出數學 模型在多跳及非理想通道下分析無線感測網路中的效能，如:throughput、能源消 耗、封包抵達率、封包延遲。而文獻[7]，參考提出在WSN環境中計算節點能源 消耗的能源模型，此模型考慮隱藏節點的問題並計算封包傳輸的機率，最後依據 傳輸品質及節點的能源消耗來動態調整權重並改變傳輸路徑，藉此提升節點的壽 命，在文獻[8][9]也針對無線感測網路的能源消耗做了分析，文獻[8]更將節點的 狀態進行視覺化的動作，文獻[9]針對BER做評估並對868MHz及433MHz來分析能 源消耗，而文獻[10][11]提出的能源分析模型不單純計算節點進行封包傳輸的能源 消耗，還考慮了硬體的能源消耗部份，如功率放大器、晶片等硬體設施。

2.5 非理想通道介紹

隨著科技的進步，無線網路相關技術已經充分應用在人們的生活之中。如廣 泛應用的無線網路、智慧電網、無線行動通訊等。而在如此眾多的無線技術共存

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的環境，我們通稱為異質無線網路。在上述的無線技術中，IEEE 802.15.4採用

868MHz、915MHz及2.4GHz ISM頻段的DSSS無線訊號。而2.4GHz頻帶是一個被 普遍使用的頻帶，因為此頻帶之頻率範圍為 2.400 ~ 2.4835 MHz。正是所謂不用 額外申請的 ISM (Industrial, Scientific and Medical) 無線頻段。但是在無線通訊技 術快速發展的今日，該頻段已日益擁擠，為了能讓各種無線設備能正常運行。因 此，如何避免之間的同頻干擾在無線共存分析上顯然是非常重要的。一個異質無 線網路共存的環境，與原本單一無線網路系統的運作觀念上也將有極大的區別。

尤其無線感測網路的相關應用日漸重要，因此如何確保其傳輸可靠性與傳輸效率 已是當務之急。

2.6 Markov chain 介紹

6LoWPAN的底層採用了IEEE 802.15.4相同的實體層與媒體存取層協定，但由 於要將IPv6封包以長度較小的IEEE 802.15.4封包格式來傳送，必須要將IPv6封包 切割成數個較小的片段封包，當全數的分段封包皆成功抵達目的地，整體的IPv6 封包才算傳輸成功，因此IPv6成功傳送的機率較傳統的IEEE 802.15.4封包來得低。

因此，本研究重點首先藉由分析IEEE 802.15.4 MAC層的碰撞避免機制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA）估計節點競爭存取的 成功率。

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圖 1-1、2-D Markov chain model of IEEE 802.15.4 CSMA/CA

圖 1-1 為 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制使用二維的 Markov chain 模型模擬 出運作流程，以利計算機率分析，其中每一個橢圓方塊代表為一個 Backoff time

unit 稱作一個 state，而每個 state 裡面定義了二個參數分別是{ NB (t), BE(t)}，NB(t) 表示 Backoff 的次數，NB (t) ∈ [0, m]，m 為 NBmax，而將 NB (t)=-1 定義為節點 成功存取通道開始進入傳輸封包的階段，此外，傳輸封包所需佔用通道的時間長 度(time slot 的個數)視為封包的長度大小，以Ｌ表示，由第Ｌ個 time unit 倒數直 到 1 為傳輸的最後一個 time unit ，傳輸完成即回到 idle 狀態{-1, 0}，q 為進入下 一個 time unit，節點仍為 idle 的機率。BE(t)為 Backoff 倒數計數器，BE (t) ∈ [0, Wi - 1]，它從隨機選取的 Backoff time unit 開始倒數至 0，即進行 CCA，因為會立即