Security and energy saving in wireless sensor networks

par Walid Bechkit

Thèse de doctorat en Technologies de l'Information et des Systèmes

Sous la direction de Abdelmadjid Bouabdallah et de Yacine Challal.

Soutenue en 2012

à Compiègne .

mots clés

• Réseaux de capteurs sans fil
• Routage avec économie d'énergie
• Sécurité et gestion des clés
• Résilience
• Impact de le température
• Connectivité
• Réseaux de capteurs (technologie)
• Scalabilité (informatique)
• Économies d'énergie

Titre traduit

Sécurité et économie d'énergie dans les réseaux de capteurs sans fil

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) présentent de nos jours des avantages indéniables dans plusieurs domaines. Compte tenu des champs d'application critiques d'une part et des limitations de ressources (énergie. Mémoire, etc. ) d'autre part, un compromis doit être trouvé entre la sécurité ct l'efficacité dans ces réseaux. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse qui s'attaque à ces deux volets majeurs des RCSF: la sécurité et l'efficacité énergétique. Dans le premier volet, nous nous sommes intéressés à la gestion de clés, une brique de base pour les autres services de sécurité. Nous avons proposé une nouvelle approche scalable de sécurité basée sur une théorie de la conception combinatoire dite "unital design". Notre solution offre une bonne couverture sécurisée des RCSF à grande échelle avec un faible coût de stockage. Nous avons aussi proposé une classe générique de gestion de clés qui améliore la résilience des schémas existants. Dans le deuxième volet qui traite la conservation d'énergie dans les RCSF, nous avons modélisé l'impact de la température sur les communications et proposé des solutions permettant d'économiser l'énergie en adaptant l'activité des émetteurs-récepteurs en fonction de la température. Nous avons, par ailleurs, proposé un protocole de routage efficace qui prend mieux en compte la nature concentrique des RCSF afin d'économiser l'énergie. Nous présentons enfin le projet AgroSens (Picardie / FEDER) dans lequel nous avons conçu et dévelopé une plateforme de RCSF pour l'agriculture. Nous discutons les différentes étapes du projet ainsi que l'implémentation de notre architecture et les fonctionnalités du prototype que nous avons mis en place.

Résumé

Wireless sensor networks (WSN) arc set to become one of the technologies which invade our everyday life. These networks suffer from several constraints mainly related to the resource limitations (energy, memory, etc. ) and to the harsh deployment environment. These limitations, coupled with the required security levels and network autonomy, create a clash between two key design issues : security and efficiency. Ln this thesis, we tackle these two design objectives and propose secure and energy saving solutions for smooth operation of WSN. We focus in the first part on key management which lays the foundation of security in WSN. We develop a new scalable key management scheme which makes use of unital design theory. Our scheme provides a good secure coverage of large scale networks with a low key storage overhead. We also address the problem of network resiliency through a generic class of hash-chain based key management schemes. Ln the second part, we address the energy saving challenging issue. We model the impact of the temperature on the radio communications in WSN and we propose new fully distributed temperature-aware connectivity-driven algorithms for energy saving in WSN. Furthermore, we address the energy aware routing and we propose a new weighted shortest path tree for convergecast traffic routing in WSN. We finally present AgroSens project funded by the ERDF and the Picardy regional council. Ln this project, we design and develop a WSN system for agriculture in Picardy. We present in this thesis the main project phases and we discuss the implementation of our architecture and communication protocols. We also present the main features of the testbed that we set up.