PDF de programación - Mecanismo seguro de recolección de datos utilizando nodos móviles en redes inalámbricas de sensores

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados

del Instituto Politécnico Nacional

Unidad Zacatenco

Departamento de Computación

Mecanismo seguro de recolección de datos utilizando

nodos móviles en redes inalámbricas de sensores

Tesis que presenta

Iván Cabrera Altamirano

para obtener el grado de

Maestro en Ciencias en Computación

Director de la tesis

Dr. Francisco Rodríguez Henríquez

México, D.F.

Diciembre 2010

Agradecimientos

Gracias a mis padres, Constantino Cabrera y Gloria Altamirano, a mis hermanos, Lina,
Omar, Ale y Susy, a las gemelas, Paulina y Carolina y a todos mis familiares cercanos
por todo el apoyo brindado a través de los años.

A mi esposa Blanca, por la paciencia, sacrificio y apoyo que ha mostrado en los momen-
tos más difíciles y por la excelente compañía y buenos momentos que hemos vivido juntos.

A mi director de tesis, Dr. Francisco Rodríguez Henríquez, le agradezco por su ayuda

y orientación incondicional durante mi estancia en el CINVESTAV.

A mis revisores de tesis, Dr. Luis Gerardo de la Fraga y Dr. José Guadalupe Rodríguez
García por sus invaluables comentarios que ayudaron a enriquecer este trabajo de tesis.

A todos los doctores con los que tuve oportunidad de cursar alguna materia (Dr. Adri-
ano de Luca, Dr. Arturo Díaz, Dr. Jorge Buenabad, Dr. Pedro Mejía, Dr. Dominique De-
couchant, Dra. Sonia Mendoza, Dr. José Guadalupe Rodríguez, Dr. Francisco Rodríguez,
Dr. Luis Gerardo de la Fraga, Dr. Gabriel Ramírez), ya que han aportado mucho a mi
formación profesional.

A todo el personal del Departamento de Computación, en especial a Sofía Reza, a Felipa
Rosas y Erika Ríos, por su ayuda y gran compromiso al momento de realizar su trabajo.

A mis amigos en el CINVESTAV, que lograron que la estancia en el instituto fuese muy

agradable.

Al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV-IPN) por
abrirme las puertas de una gran institución para la realización de estudios de posgrado.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por la beca otorgada para
completar mis estudios de maestría y al proyecto SEP-CONACYT 60240 por otorgarme
el apoyo económico para la realización de viajes a congresos internacionales.

Resumen

Las redes inalámbricas de sensores son una tecnología emergente que puede ser amplia-
mente utilizada para la creación de aplicaciones novedosas en diversas áreas del conoci-
miento. Sin embargo aún cuando esta tecnología parece ser una excelente solución para
un amplio rango de escenarios, éstas introducen nuevos retos de diseño que los encargados
de implementar los nuevos sistemas deben afrontar. Vale recordar que estas redes basan
su operación en diminutos dispositivos llamados nodos, los cuales están restringidos en
poder de cómputo, memoria y energía.

En este trabajo de tesis se presenta un mecanismo seguro de recolección de datos para
redes inalámbricas de sensores, donde a través del análisis realizado hemos identificado
características altamente deseables para un mecanismo de recolección de datos. Entre los
requisitos más importantes podemos encontrar: escalabilidad, seguridad, diversidad de
sensores, entre otros. Otra característica muy importante de este trabajo es que los nodos
pueden ser móviles, para cumplir con este requerimiento hemos incorporado funciones de
posicionamiento global.

Después de haber realizado el análisis de los requerimientos procedimos a proponer
una arquitectura de recolección, tipos de datos y nodos, un procedimiento de reenvío de
paquetes, y los componentes del mecanismo de recolección, como son nodos, puertas de
enlace y servidores. Finalmente se describen detalles de la implementación de todos los
componentes del mecanismo de recolección.

Además en este trabajo de tesis se presentan tres posibles aplicaciones potenciales, se
da una descripción de ellas y se comenta como es que el mecanismo de recolección de
datos puede aplicarse para dar forma a la aplicación.

Abstract

Wireless sensor network is an emerging technology that can be widely used for the cre-
ation of new applications in various fields of knowledge. But even though this technology
seems to be an excellent solution for a wide range of scenarios, it also introduces new
design challenges that those implementing the new systems must face.
It is worth to
mention that these networks base their operations on tiny devices called nodes, which are
restricted in computing power, memory and energy.

This thesis presents a secure mechanism of data collection for wireless sensor networks,
where through a careful analysis we have identified highly desirable characteristics for
a data collection mechanism. Among the most important requirements, we have found:
scalability, security, diversity of sensors, among others. Another very important feature
of this work is that nodes can be mobile; to meet this requirement we have incorporated
global positioning capabilities.

After having completed the requirements analysis we proceeded to propose an architec-
ture, that recollects data by means of several classes of nodes, a packet forwarding process,
and components of the collection mechanism, such as nodes, gateways and servers. Later,
we describe details of the implementation of all components that form part of the main
architecture.

Finally, in this thesis we propose three potential application scenarios, a description of
each one is given and we also discuss how the mechanism of data collection can be applied.

Índice general

1 Introducción

Introducción

2 Antecedentes

2.1 Tercera era de la computación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Tecnologías inalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Redes inalámbricas de sensores

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1 Escenarios tipicos y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2

Sensores y adquisición de datos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1

3

3

4

6

8

9

2.3.3 Movilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.4 Retos de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.5

Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Trabajos relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Tecnología utilizada

19

3.1 Análisis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.1 Red Inalámbrica de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1.2

3.1.3

Software empotrado

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Software de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.4 Algoritmos de cifrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Plataforma elegida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.1 Red Inalámbrica de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.2

3.2.3

Software empotrado

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Software de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.4 Algoritmos de cifrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.5 Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

iii

4 Arquitectura

37

4.1 Análisis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1.1 Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2 Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.2.1 Paquete de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.2.2 Tipos de nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2.3 Tipos de datos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2.4 Reenvío de paquetes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2.5 Nodo de lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2.6 Nodo de reenvío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2.7 Nodo de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2.8 Puerta de enlace simple

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2.9 Puerta de enlace avanzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2.10 Servidor de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2.11 Servidor de consulta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5 Desarrollo

49

5.1

Implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.1.1 Nodo de lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.1.2 Nodo de reenvío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.1.3 Nodo de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.1.4 Puerta de enlace simple

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.1.5 Puerta de enlace avanzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.1.6

5.1.7

Servidor de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Servidor de consulta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.2 Pruebas y resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2.1 Problemas presentados y su solución . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6 Aplicaciones Potenciales

77

6.1 Sistema de información médica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.2 Sistema de seguimiento para atletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.3 Sistema de inventarios

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7 Conclusiones y Trabajo Futuro

85

7.1 Trabajo futuro

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

iv

A Anexo A

89
. . . . . . . . . . . . . . . 89
A.1 Compilación y carga del programa en los nodos
A.2 Instalación del