Formal Probabilistic Verification of Wireless Sensor Networks
Vérification Formelle Probabiliste des Réseaux de Capteurs sans Fil
Résumé
In the context of Wireless Sensor Networks (WSN), energy effciency is considered as the most critical requirement. To preserve energy and thus extend the network lifetime, the randomized node scheduling approach is one of the most widespread solutions. Traditionally, the performance of the proposed scheduling algorithms for WSN is usually analyzed using simulation or paper-and-pencil proof methods. Formal methods, in particular model checking, have been less frequently explored. However, these methods either are not scalable or do not ensure accurate results, which are serious drawbacks given the mission-critical WSN applications. To cope with these intrinsic limitations, this thesis advocates the usage of higher-order-logic theorem proving to formally analyze the probabilistic performance properties of randomly-deployed WSN using the k-set randomized node scheduling. Based on the recently developed probability theory, available in the HOL theorem prover, we present the foundational higher-order-logic formalizations of the randomized node scheduling algorithm. Then, we build upon these foundations to formalize the key performance attributes, namely the expected coverage intensity of the network, the detection probability of an intrusion and the delay of detection for an occurring event. Using the achieved formalizations, we present the formal verifi cation of the optimal network lifetime problem under Quality of Service (QoS) constraints associated to coverage and detection. Due to the wide applicability of the k-set randomized node scheduling, these formalizations allow us to tackle the formal analysis of various WSN applications. For illustration purposes, the thesis thus provides the formal performance analysis of different randomly-scheduled wireless sensor networks deployed for forest fire detection and border security monitoring.
Dans le cadre des Réseaux de Capteurs sans Fil (RCSF), l'efficacité en énergie est considérée comme la contrainte la plus critique. Pour économiser l'énergie et étendre ainsi la durée de vie de ces réseaux, l'approche d'ordonnancement aléatoire des nœuds est communément utilisée dans ce contexte. Traditionnellement, les performances des algorithmes d'ordonnancement des noeuds proposés pour les RCSF sont analysées en utilisant la simulation ou les modèles analytiques. Les méthodes formelles, en particulier la vérification de modèle, ont été moins souvent explorées. Toutefois, étant donné le caractère probabiliste inhérent aux algorithmes d’ordonnancement aléatoire de noeuds, ces méthodes ne peuvent, en aucun cas, fournir une analyse complètement correcte, ce qui constitue une limitation majeure étant donnée l'aspect critique des applications de RCSF. Pour surmonter les limitations majeures des techniques existantes, cette thèse préconise l'utilisation de la logique d'ordre supérieur, à travers la technique de démonstration de théorèmes, pour analyser formellement diverses propriétés probabilistes de performance de RCSF utilisant l'ordonnancement aléatoire de noeuds. En se basant sur la théorie des probabilités, récemment disponible dans le prouveur de théorèmes HOL, nous développons les formalisations fondamentales de l'algorithme d'ordonnancement aléatoire de noeuds en k-partitions. Ensuite, nous construisons sur ces fondations pour formaliser les attributs cl es de performance, à savoir l’intensité moyenne de la couverture réseau, la probabilité de détection d'une intrusion et le délai de détection d'un évènement. En se basant sur les formalisations obtenues, nous présentons aussi la vérification formelle du problème de la durée de vie optimale du réseau sous des contraintes de Qualité de Service (QoS) liées à la couverture et à la détection. En raison de la large applicabilité de l'algorithme d'ordonnancement aléatoire de noeuds, ces formalisations nous permettent de s'attaquer à l'analyse formelle de diverses applications de RCSF. A titre d'illustration, la thèse fournit l'analyse formelle des performances de réseaux de capteurs déployés pour la détection des feux de forêts et la surveillance de la sécurité des frontières.
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