KR101383096B1 - 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법 - Google Patents

무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법에 관한 것으로서, 위험요소의 위치에 대응한 위험도를 계산하여 각 센서 노드에 준비태세 단계를 설정하는 단계와, 소스 노드에서 데이터의 우선순위를 설정하는 단계와, 이웃 노드로 상기 데이터의 우선순위를 전송하는 단계와, 상기 이웃 노드에서 상기 데이터의 우선순위와 상기 준비태세 단계를 비교하여 위험도가 낮으면서 최단 거리로의 라우팅을 수행하는 단계를 수행함으로써, 위험요소에 인접한 데이터 전송 시에 위험요소의 움직임을 고려하여 준비태세를 설정함으로써 데이터가 해당 지역을 통과 할 때 위험 영역을 우회하여 데이터 보안성을 제공할 수 있으며, 데이터를 분산시켜 특정 노드에 데이터 및 질의가 집중되는 것을 감소시킴으로써 센서 네트워크의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법{Risk Factor Detour Multi-Path Routing Scheme Based on DEFCON in Wireless Multimedia Sensor Networks}
본 발명은 센서 네트워크에서의 멀티미디어 데이터 보안 및 전송 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한정적인 에너지를 기반으로 동작하는 센서 네트워크를 기반으로 하여 음성 데이터나 영상 데이터 등과 같이 크기가 큰 멀티미디어 데이터를 전송함에 따라 에너지가 급격하게 소진되는 현상을 해결하기 위해 네트워크에 배포된 전체 노드들의 에너지를 균형적으로 사용하여 수명을 증가시킬 뿐만 아니라, 그 과정에서 발생하는 데이터 노출에 대한 보안성을 향상시킬 수 있는 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법에 관한 것이다.
최근 컴퓨팅 기술의 비약적인 발전과 신호 처리 기술, 소형 전자 장치 개발 기술, 무선 통신 기술이 발전함에 따라 센서 네트워크에서 사용되는 센서 노드는 소형화, 저비용, 저전력이 가능하게 되었다. 무선 센서 네트워크의 주요 목적은 주변 환경이나 관찰하고자 하는 대상의 상태와 관련된 정보를 사용자에게 전달하는 것이다. 이러한 목적에 따라 멀티미디어 데이터를 기반으로 효과적인 상황 감지를 수행하는 분야가 무선 멀티미디어 센서 네트워크(WMSN: Wireless Multimedia Sensor Networks)이다.
무선 멀티미디어 센서 네트워크는 기존 전통적인 무선 센서 네트워크에서 활용되는 무선 센서 노드에 CMOS 이미징 센서 모듈과 같은 멀티미디어 센서 모듈을 탑재하여 음성 데이터나 영상 데이터를 수집함으로써 상황 감지를 용이하게 한다. 이러한 특성을 고려하여 무선 멀티미디어 센서 네트워크는 군사 목적의 감지, 안전 감지와 같이 정확한 상황 감지를 요구하는 특수 응용 분야에서 폭넓게 사용된다.
일반적으로 무선 센서 네트워크에서 활용되는 센서 노드는 에너지가 제한적인 배터리를 기반으로 동작하므로 네트워크 수명이 한정적이다. 이 때, 네트워크를 통해 수집되는 멀티미디어 데이터는 전통적인 무선 센서 네트워크에서 수집되었던 단순 수치 데이터와 달리 용량 크기가 매우 크다는 특징에 의해 멀티미디어 데이터 연산 및 전송 수행 시 특정 노드에 과도한 에너지 소모가 발생하므로, 그로 인해 네트워크의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
더불어, 무선 센서 네트워크는 외부의 공격으로부터 취약하며, 다양한 형태의 보안 문제를 발생시킬 수 있다. 센서 노드는 자가 네트워크를 구성하고, 수집된 데이터를 기지국으로 전송하기 위해 무선 RF 통신을 이용한다. 따라서 RF 신호 수신기만 있다면 네트워크에서 전송되는 데이터를 수신 가능하다. 이러한 특성 때문에 네트워크 내부의 데이터를 불법적으로 감청하는 스니핑 공격의 위험에 취약하다.
기존의 전통적인 무선 센서 네트워크는 온도, 습도 등의 스칼라(Scalar) 데이터를 수집하고 전송한다. 일반적으로 무선 센서 네트워크는 무인으로 환경 정보를 수집 및 전송하여야 하는 특성으로 인해 해당 환경에 직접적으로 노출되어 있다. 하지만, 무선 멀티미디어 센서 네트워크는 기본적으로 비디오나 오디오 등과 같은 멀티미디어 데이터를 수집하므로, 기존의 스칼라 데이터와는 달리 크기가 매우 크다. 하지만 센서 노드의 특성상 제한된 통신 대역폭을 가지고 있기 때문에 단일 경로로 대용량의 멀티미디어 데이터를 전송하기에는 문제가 존재한다. 따라서 다중 경로를 통한 데이터 전송이 이루어져야 한다. 그러므로 결과적으로 무선 멀티미디어 센서 네트워크는 기존의 전통적인 센서 네트워크와 달리 불법적인 감청 공격에 더욱 취약하다.
이를 고려하여 이와 같은 응용에서 데이터의 노출을 고려하여 데이터 보안 기법을 적용하는 것은 불가능하지는 않다. 하지만 기존의 보안을 고려한 멀티미디어 데이터 전송 기법은 MAC를 이용한 키-배포 전략을 사용하여 데이터 전송에 보안성을 가미하였다. 하지만 키-배포와 다수의 인증 절차로 인한 실시간 서비스 제공이 어렵고, 에너지 소모 또한 크기 때문에 무선 멀티미디어 센서 네트워크에 적합하지 않다. 더불어, 기존 기법은 키-배포 및 저장을 위한 메모리 공간을 필요로 한다. 뿐만 아니라, 멀티미디어 데이터의 암호화 및 변조를 통한 보안 기법은 높은 연산 능력을 요구하므로 한정적인 자원을 기반으로 동작하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 활용하는 것은 적합하지 않다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0086216호(2010.07.30.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 멀티미디어 센서 네트워크의 특성을 고려하여 다중 경로 전송을 통해 네트워크에 배포된 전체 노드들의 에너지를 균형적으로 소모하여 네트워크의 수명을 증가시키는 동시에, 데이터 전송 시에 데이터 노출에 대한 보안성을 제공하기 위한 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법은, 위험요소의 위치에 대응한 위험도를 계산하여 각 센서 노드에 준비태세 단계를 설정하는 단계; 소스 노드에서 데이터의 우선순위를 설정하는 단계; 이웃 노드로 상기 데이터의 우선순위를 전송하는 단계; 및 상기 이웃 노드에서 상기 데이터의 우선순위와 상기 준비태세 단계를 비교하여 위험도가 낮으면서 최단 거리로의 라우팅을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 데이터의 우선순위는 데이터의 변화가 많을수록 높게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 데이터의 우선순위가 가장 높은 데이터를 경로의 전송 지연이 가장 적은 경로로 설정하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 데이터의 우선순위에 따라 순차적으로 전송 지연이 적은 경로로 설정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법에 따르면, 위험요소에 인접한 데이터 전송 시에 위험요소의 움직임을 고려하여 준비태세를 설정함으로써 데이터가 해당 지역을 통과 할 때 위험 영역을 우회하여 데이터 보안성을 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 준비태세 단계를 연산하는 노드는 준비태세 설정에 노드 자신의 정보와 1-홉(Hop) 이내의 이웃 노드들의 정보만을 활용함으로써 연산 부하를 최소화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 데이터를 분산시켜 특정 노드에 데이터 및 질의가 집중되는 문제(Hotspot)를 감소시킴으로써 센서 네트워크의 수명을 향상시키는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 라우팅 과정에서의 보안성을 제공함에 따라 키-기반의 보안 기법 및 데이터 암호화 등의 추가적인 보안 연산을 감소시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 준비태세 지역에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 준비태세 지역의 설정을 설명하기 위한 수식이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 우선순위에 따른 다중 경로 라우팅을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 준비태세 단계를 설정하는 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법의 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
한편, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙이기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 준비태세 지역에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서는 발견된 위험요소(DE)의 위치를 기준으로 위험도를 계산하여 준비태세 단계를 설정한다. 본 발명은 데이터 전송 과정에서 준비태세 정보를 유지하고 있는 센서 노드를 경유할 경우 데이터의 우선순위와 준비태세 단계를 비교하여 데이터를 전송할 다음 노드를 선정할 경우 위험요소(DE)를 회피하여 공격으로부터 안전한 다중 경로 전송을 수행한다.
준비태세지역은 실제 전쟁에서의 방위 준비태세와 같이, 준비태세지역을 구분하여 위험요소(DE)의 공격에 대비한다. 본 발명의 실시예에서는 위험요소(DE)의 움직임을 고려하여 센서 네트워크 지역에 준비태세를 설정한다. 1단계는 가장 위험한 단계로 데이터가 위험요소(DE)에 의해 외부로 노출될 수 있는 지역이고, 2단계는 직접적으로 위험요소(DE)에게 데이터 노출은 되지 않지만, 위험요소(DE)가 조금만 움직이면 데이터 노출이 가능한 최소 이동 속도 범위 안의 지역이다. 3단계는 위험요소(DE)의 평균 이동속도 안의 범위인 지역에 설정되고, 4단계는 위험요소(DE)의 최대 이동 속도안의 지역에 설정된다. 5단계는 1-4단계가 포함되지 않는 전체 영역을 의미하며, 기본적으로 초기 모든 센서 노드에 설정한다.
이러한 방법으로 위험요소(DE) 인근으로 데이터 전송이 수행될 경우, 위험요소(DE)와 거리를 두어 전송함으로써 노출을 회피할 수 있게 된다.
이러한 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소(DE) 우회 다중 경로 라우팅 기법을 수행하기 위해, 전체 센서 네트워크에 초기 정보 설정을 위한 네트워크 초기화 장치와, 위험요소(DE)의 감지 반경 및 이동 속도에 따른 예외 데이터의 준비태세 단계 설정을 위한 준비태세 단계 연산부와, 준비태세 단계를 분석하여 준비태세 지역을 설정하는 설정 장치를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 준비태세 지역의 설정을 설명하기 위한 수식이다.
도 1에 도시된 준비태세 지역과 같이, 1단계는 가장 위험한 지역으로 데이터 중 가장 중요도가 낮은 데이터를 전송하고, 5단계는 가장 안전한 지대로 중요도가 높은 데이터를 전송한다. 준비태세 지역은 도 2의 수식으로 구분된다.
Figure 112012075905317-pat00001
는 위험요소의 감지 반경,
Figure 112012075905317-pat00002
은 위험요소의 최소 속도,
Figure 112012075905317-pat00003
는 위험요소의 평균 속도이며,
Figure 112012075905317-pat00004
는 위험요소의 최대 속도를 의미한다. 각 센서 노드는 수집된 위험요소의 위치와 최대 속도, 감지 반경을 통해 자신 스스로 단계를 설정한다. 이렇게 모든 센서 노드마다 준비 태세 단계가 설정된다.
모든 데이터를 안전한 지역을 통해 전송할 수 있다. 하지만, 멀티미디어 센서 네트워크에서는 전송 지연시간이 짧아야 하고 또한 라우팅 경로의 센서 노드가 겹치지 않는 다중 경로를 설정해야 하므로, 만약 모든 데이터를 안전한 지역으로 전송 할 경우 전송 지연 및 다중 경로 설정에 문제가 있다. 따라서 데이터의 중요도에 따른 우선순위를 설정하여 데이터를 전송한다. 본 발명의 실시예에서는 데이터의 우선순위를 준비태세단계와 같이 1-5단계로 설정한다. 예를 들어, 동영상 데이터를 전송하는 경우에는 움직임이 많이 발생한 부분을 중요한 데이터로 정하여, 전체 동영상에서 전 프레임과 비교할 경우 변화량이 많은 부분을 5단계로 설정하고, 변화량이 가장 적은 부분을 1단계로 설정한다. 이렇게 우선순위가 설정된 데이터를 전송 할 경우 데이터의 우선순위와 준비태세의 단계를 비교하여 선택적인 라우팅을 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 우선순위에 따른 다중 경로 라우팅을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 소스 노드는 자신의 1-홉 반경의 센서 노드 중 목적지와 가까운 n개의 노드들에게 데이터의 우선순위를 설정하여 전송한다. n개의 센서 노드들은 목적지까지 지리적인 라우팅을 수행한다. 만약 라우팅 경로의 센서 노드들이 5단계보다 위험한 단계라면 데이터의 우선순위 단계와 비교하여 라우팅 경로를 설정한다.
예를 들어, 우선순위가 3인 데이터를 전송할 경우 목적지까지의 최단 거리를 갖는 이웃 노드에게 전송하여 라우팅을 진행한다. 하지만 센서 노드가 준비태세 5단계가 아니라면 데이터의 우선순위와 준비태세 단계를 비교한다. 데이터의 우선순위는 3단계이므로 준비태세 1,2 단계를 제외한 목적지와 최단거리를 갖는 센서 노드에게 데이터를 전송하여 라우팅을 진행한다. 또한, 경로를 설정할 경우에 우선순위가 가장 높은 데이터가 경로의 전송 지연이 가장 적은 경로로 설정한 후 우선순위에 따라 전송 지연이 적은 경로로 설정한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 준비태세 단계를 설정하는 동작 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 센서 노드는 위험요소가 존재하는가를 판단하여(S1), 위험요소가 있다고 판단되면, 위험요소의 감지변수를 생성한다(S2). 이어서, 생성된 감지변수에 의한 위험요소의 속도를 연산한다(S3). 이에 따라 위험요소의 속도변수가 생성되면(S4), 이웃 노드로 위험요소의 속도변수를 전송한다(S5). 이에, 각 노드는 위험요소의 속도를 고려하여 준비태세 단계를 설정한다(S6).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법의 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 특정 노드(소스 노드)에서 전송할 데이터가 발생되는지 판단하여(S11), 전송할 데이터가 생성되면 데이터의 중요도에 따라 데이터를 분할한 후, 해당 데이터의 우선순위를 설정한다(S12). 이에 따라 전송할 데이터가 생성되면(S13), 생성된 데이터를 분할하고 우선순위를 설정한다(S14). 이어서, 현재 노드의 이웃 노드 중에서 목적지와 가장 가까운 이웃 노드를 선택한다(S15). 이 때, 선택된 노드가 목적지 노드인지를 판단하여(S16), 목적지 노드이면 목적지 노드부터 출발지 노드까지 구성된 라우팅 경로를 검사한다(S17). 한편, 선택된 노드가 목적지 노드가 아닐 경우에는, 우선순위와 준비태세 단계를 비교하여(S18), 안전한 이웃 노드를 현재 노드로 설정한 후, 라우팅 경로에 추가한다(S19). 단계 S19를 수행한 후, 단계 S15로 리턴되어 선택된 노드가 목적지 노드라고 판단될 때까지 라우팅은 반복된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
DE : 위험요소

Claims (4)

  1. 센서 노드에서 해당 센서 노드에 존재하는 위험요소의 감지변수를 생성하는 단계;
    상기 감지변수에 의한 위험요소의 속도를 연산하여 위험요소의 속도변수를 생성하는 단계;
    상기 위험요소의 속도변수를 이웃 노드로 전송하는 단계;
    상기 이웃 노드에서 위험요소의 속도변수에 따라 준비태세 단계를 설정하는 단계;
    소스 노드에서 전송할 데이터가 발생되면, 데이터의 변화에 기반한 중요도에 따라 데이터를 분할하는 단계;
    상기 소스 노드에서 분할된 데이터에 우선순위를 설정하는 단계;
    이웃 노드로 상기 우선순위를 전송하는 단계;
    상기 이웃 노드에서 상기 데이터의 우선순위와 상기 준비태세 단계를 비교하여 위험도가 낮으면서 최단 거리로의 라우팅을 수행하는 단계; 및
    상기 이웃 노드가 목적지 노드일때까지 라우팅을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터의 우선순위는 데이터의 변화가 많을수록 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 데이터의 우선순위가 가장 높은 데이터를 경로의 전송 지연이 가장 적은 경로로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터의 우선순위에 따라 순차적으로 전송 지연이 적은 경로로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크 환경에서 준비태세기반 위험요소 우회 다중 경로 라우팅 기법.
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