第四章 6LoWPAN 能源消耗
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 比無攻擊環境來的低。而圖 4-4(b)、圖 4-5(b)中，節點受攻擊時，長時間處於接 收封包狀態，因此受攻擊環境下的接收狀態之能源消耗皆大於正常環境下的接收 狀態能源消耗。而圖 4-4(c)、圖 4-5(c)中，正常環境下由於封包正確傳送，使部 分能源消耗在傳送 ACK 的動作上，但受攻擊環境下，正常封包皆與攻擊封包碰 撞，使節點並沒有接收到正常封包，也不需傳送 ACK 封包，因此受攻擊環境下 之傳送狀態能源消耗則低於正常環境之傳送狀態能源消耗，此章節證明節點受攻 擊時，能源消耗主要消耗於接收之狀態。
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4.4.2 受攻擊與無攻擊之總能源消耗數據
延續前章節各狀態能源消耗部分，此章節為節點整體的能源消耗，整體的能 源消耗主要為閒置狀態、接收狀態與攻擊狀態的能源消耗加總。
(a)理想環境 (b)BER=10-6
(a) BER=10-5 (b)BER=10-4 圖 4-6、Mesh-under 在不同通道品質中受攻擊時的能源消耗
圖 4-6 為理想通道與非理想通道下之正常環境與受攻擊數據圖，正常節點從 第 2 秒開始以 10 毫秒的間隔傳送封包，總傳輸分割封包量 50 個封包，而正常環 境下皆以 Mesh-under 路由機制的特性來運作，來源端傳送 50 個分割封包，經過
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2 跳到達目的端，而目的端則需完整接收到 50 個分割封包，才算重組成功，而攻 擊節點從第 2 秒開始以 5ms 的傳送間隔攻擊直到正常節點的封包傳輸結束。
在通道品質為理想通道及 BER=10-6時，圖 4-6(a)及圖 4-6(b)在無攻擊環境下 的能源消耗較穩定，皆在第 4 秒時將封包傳輸完畢，而受攻擊時，則平均需等到 第 18 秒才將封包傳輸完畢，直到通道品質降低至 BER=10-5 及 BER=10-4 如圖
4-6(c)及圖 4-6(d)，正常環境的能源消耗則因重傳而產生較大的變化，也使節點直 到第 8 秒及 15 秒才將封包傳送完畢，而在攻擊環境下，節點平均延長時間至第 23 秒及 28 秒才將封包傳送完畢，而不論通道品質的好壞，受攻擊時的能源消耗 大約位於 0.002mJ 左右，皆大於無攻擊時的能源消耗。
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4.5 靜態入侵偵測機制之演算法
此章節介紹靜態入侵偵測機制演算法，檢測節點是否受到攻擊。
表 4-1、靜態入侵偵測機制演算法
Computing Energy Consumption // Computing Energy Consumption of nodes alarm = FALSE // initial alerm,count the times of attacked if(Current Time - Pervious Sampling Time >= 0.5)
//0.5 seconds is the energy consumption sampling rate {
Calculate the Current Energy Consumption of node
Energy consumption RiseRate= (Current Energy Consumption - Prediction Energy Consumption) /
Prediction Energy Consumption *100
if (Energy consumption RiseRate > EnergyRisethreshold) // EnergyRisethreshold is 30%,
{
alerm=TRUE
if(alerm= = TRUE)
//if there is alarms, node is regarded as attacked and // remove the node from the route table in 6LowPAN.
} else {
alerm =FALSE }
}
一開始，演算法則會利用能源消耗模型來預估節點的能源消耗 SampleEnergy，
並取得目前時間判斷是否到達檢測時間，而檢測時間在此預定為每 0.5 秒檢測一 次，接著檢查節點目前能源消耗 NowEnergy，在利用 SampleEnergy 與 NowEnergy 來計算目前能源與預測能源的能源上升比例，而在此部分所模擬的環境為例，當
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上升的比例大於檢測門檻值 30%時，則將 alerm 設為 TRUE，則認定節點遭受攻 擊並發出警告。
4.6 入侵偵測機制之檢測率
此章節為檢測節點是否受到攻擊的檢測率分析，檢測條件為當能源上升的比 例大於 30%則視為遭受到攻擊，能源為 0.5 秒檢測一次。
圖 4-7、理想通道與非理想通道下之檢測率結果
圖 4-7 為理想通道與非理想通道下之檢測率結果，當通道品質下降時，檢測 率也跟著下降，主要原因是節點重傳的次數增加使節點的能源消耗提升，因此與 攻擊時的能源消耗相比時，上升的比例相對較少，造成某些時候的上升比例未達 門檻值，因此檢測率下降，而結果顯示，通道品質維持在理想或是 BER=10-6時，
檢測率皆有 100%的表現，而當通道品質下降時，由於重傳造成能源消耗提升，
因此上升比例減少，但至少維持在 83%。
Ideal 10-6 10-5 10-4
0 20 40 60 80 100
Detection Rate / %
BER
Detection Rate
83%
90%
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Ideal 10-6 10-5 10-4
0.02
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4.7 6LoWPAN 能源消耗結論
本章節提出 6LoWPAN 中的能源消耗模型，而 6LoWPAN 中的能源消耗延續 第三章節無線感測網路之能源消耗模型，而在 6LoWPAN 中分為 Mesh-under 及 Route-over ， 本 研 究 針 對 此 二 種 路 由 機 制 建 構 了 不 同 的 能 源 消 耗 模 型 ， 而 Route-over 路由機制是使用在外部網路，因此封包傳輸皆經由傳輸能力較強的路 由器來做處理，許多較複雜的金鑰演算法及防火牆可使用在 router 上，因此本章 節之入侵偵測機制則專注在 Mesh-under 路由機制上，而在此採用著名的 DoS 攻 擊，以大量封包傳輸針對 Mesh-under 進行攻擊，且分析正常環境與受攻擊環境在 理想通道與非理想通道下的能源消耗。結果顯示，與正常環境相比，受到 DoS 攻 擊時，節點的能源消耗會因接收到大量封包導致能源消耗的提升。而利用能源的 上升比例及接收封包數量來做為入侵偵測機制門檻值，檢測節點是否受到攻擊。
結果表示，能源消耗上升的比例皆高於 30%，而在通道品質較好的情況下，檢測 率皆可達到 100%，而隨著通道品質變差，使節點重傳產生額外的能源消耗，造 成能源上升比例減少，使部分受攻擊時的上升比例未達 30%(20%至 26%)，因而 使檢測率下降，但也維持至 83%之檢測率。
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第五章
動態入侵偵測機制
此章節將針對入侵偵測機制做詳細的介紹，而由於 6LoWPAN 中有許多路由 機制，因此在此不侷限於第四章節建構之 Mesh-under 及 Route-over 能源消耗模型 來預測節點之能源消耗，在此運用第三章節所建構之無線感測網路能源消耗模型 來預測節點的能源消耗，並觀察能源消耗模型所預測之節點能源消耗來判斷節點 是否遭受攻擊，本章節分析正常環境與受攻擊環境在理想通道及非理想通道下能 源消耗的差別，並延續第三章節之結果，考慮節點在理想通道與非理想通道的環 境下與其他共存節點共同競爭通道時受攻擊的能源消耗。而攻擊方式在此選用
DoS 攻擊中的攻擊手法:Deceptive(在此稱為 DoS)及 Random。本章節之入侵偵測 機制，更考慮環境的狀況來動態調整檢測的門檻值，如:節點密度、通道品質。而 檢測門檻包含了預測能源與受攻擊能源之間的能源消耗上升比例、總接收封包量、
接收單一個 bit 的能源消耗，觀察不同的環境，藉由動態調整門檻值來達到提升
接收單一個 bit 的能源消耗，觀察不同的環境，藉由動態調整門檻值來達到提升