Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   4 ,  A ugus t   2020 ,   pp.  4296 ~ 43 04   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 10 i 4 . pp 4296 - 430 4           4296       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Multi - stage  secu re clust erhe ad se lection u sing disc re t e rule - set  against u nk nown attacks in  wire less sens or netwo rk       Te ja shwi ni  N . 1 ,   D .   R .   S hashi  Kum ar 2 , K .   S aty an ar ay ana  Reddy 3   1 Visvesvara y a   T ec hnolog ic a l  Un ive rsit y ,   Indi a   2 Depa rtment of  Com pute r  Scie n ce   and   Engi ne ering ,  Cambridg e  I nstit ute of Te chn olog y ,   Ind ia   3 Dep art m ent   of  I nform at ion  Sci e nce   and   Engi ne e ring,   C ambridge Instit ute of Te ch nolog y ,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J ul  5, 2018   Re vised Feb  3,  2020   Accepte d  Fe b 26,  2020       Secur ity   is  the   r ising  conc ern   of   the   wire le ss   ne twork  as  the re  a re  var ious   form s  of  reo nfi gura ble  net wor k  that  is  ari se d  from   it.  W ir el ess  sensor   net work  (W SN )   is  one  such  exa m ple   tha t  is  found  to  be  an  int e gra l  par t  of    c y b er - ph y sic al   s y stem  in  up co m ing  ti m es.   After   r evi ewing   t he  exi st ing   s y stem,  it   ca n  be  see n  th at   th ere   ar e  le ss   do m ina nt  and  rob ust  soluti ons  towar ds  m it iga ting  the   threat s  of   upcoming  appl i ca t ions  of  W SN .   The ref or e ,   thi s  pape r  int ro duce s  a  sim ple   and  cost - eff e ct i ve  m odel li ng  of  a  sec uri t y  s y stem  tha t  offe r s  sec urity   b y   ensuring  sec ure   select ion  of  cl usterh ea d  durin g   the   data  aggr eg at ion  pro ce ss   in   W SN .   The   proposed  s y stem  al so  m ake s  construc t  a  rul e - set  in  ord er  to   le arn   the  nat ur e  of  th e  comm unic a ti on  i in   orde r  to  have   a  discre t e  knowle d ge  about   the   in te nsit y   of  advers ari es.   W it h   an  ai d  of  sim ula ti on - b ase d  app roa ch  over   ME MS IC  nodes,   th e  proposed  s y stem  was  pro ven  to  offe r  red uce d  ene rg y   c onsum pti on  with  good  dat a   del iv er y   pe rform anc e   in   cont r ast t o  exi st ing  app ro ac h.   Ke yw or d s :   Crypto gr a phy   Encr y ption   Energy   Secu rity   W i reless se nso r netw ork   Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Tejas hw i ni N . ,   Visv es va raya  Tech no l og ic al   Un i ver sit y,    Be la gav i,  Karn at aka, India .   Em a il :  te j ashwi ni.n@g m ai l.c om       1.   INTROD U CTION     The  us a ge  of   wireless  netw ork  has   al m os t  su bst it uted  m a j ori ty   of  the  le gacy  wi red   pr oduct  in   pas t   decad e .  Although,   the re  are   sign i ficant  a dvance   of  t he  wireless  netw orks,  ther e  are   pote ntial   chal le ng e s     too   [1 ] .  T her e  is  var io us   rese arch   w orks  to wards  in vestig at ing   the  s olu ti on s  f or   i den ti f yi ng   the  c halle ng e s  i n  diff e re nt  form s   of   wireless  ne twork  e .g.  wire le ss  local   area  netw ork  ( WL AN)  [ 2 ,  3],  wi r el ess  sens or   ne twork   ( WSN)  [4 ,  5],  m ob il e  adhoc  netw ork  (MA NET )  [ 6 ,  7],  et c.  O ut  of  al l  f or m s  of  wi reless  net wor k,   W SN   ha s   go t  a  sig nifica nt  fu t ur e  as  it   is  an  integral   par t  of  I nter ne t - of - T hings  ( I oT)   as  well   as  any  cy ber - ph ysi cal  syst e m   [6 ] .  Ther e  are  wide  r ang e s  of   a pp li cat ion   sup ported  by  W S N  th at   has  sign i fic antly   fo un d  it s  way  to  the co m m ercia l pro du ct s.  Ho wev e r, secu rity  f act or is  bec om ing  a  rising c on ce r n because  of  var io us reas on s .    The  first  reas on   of  sec uri ty   con ce r n  ab out  WSN  is  that  it   cannot  e xecu te   ty pical   crypto gr a phic   pro gr a m s  as  i t   do e sn’t  ha ve   a dequate  res our ces  to  exec ute  com plex  crypt ogra ph ic   pr ogr a m s  [8 ] .  A  c om plex  cryptographic   al gorithm   e.g .  RSA  (Rivest  S ham ir  Algorith m )  is  a  stronge st  encr y ption  te chn i qu e;   how ever,  siz e  of   t he   key   for  RSA  is  too  la rg e  to  be  co ns ist ently   us ed   in  a  reso urce   const raint  sens or s .  The  sec ond  reas on   of   se cur it y   con ce r n  is  that   m ajo rity   of  th e  existi ng   s ecu rity   app r oac he s  are  only   m ea nt  f or   a ddressi ng   sp eci fic  for m   of   at ta cks.   This  in creases  the  de ve lop m ent  cost  and   reduces  it s  app li cabil it y  a s  m al iciou s  pr ogram   c an  chan ge  a t   any  point  of  ti m e.  Hen ce,  t he   app li cabil it y  of   the  sec ur it y  so luti on  dim inishes  in  this  reg a rd.  The  t hird   re aso n   of  sec ur it y  co ncern  is   that  it   is  not  feasi ble  f or  ide ntif yi ng   t he  at ta c ks   ge ner at e d  from   cro ss - pla tfor m   netw orks.   T his   us ually   ha ppe ns   w he n  two  di ff ere nt  netw or king  te chnol ogie s  are  connect ed  tog et her   e. g.  Io T  is  form ed  by  the  inte gr at io n  of   se nsor s  an d  cl oud.   Where  it   is  on e  of   t he   m os t  chall engi ng   ta s ks   to  i de ntify  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   Ele c &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Multi - sta ge  sec ur e cl us te rh e ad selec ti on  us i ng d isc ret e  ru l e - set   …  ( Tejas hwini N. )   4297   and   resist   the  at ta cks  from   diff ere nt  netw ork   do m ai n.   The  f ourth  r easo n   of  secu rity   con c ern   is  that  it   is  qu it e  chall eng i ng  to   identify   the  pr ese nce  of   at ta cker   for  a  gi ven   sce na rio  of   wireless  c om m un ic at ion .  Hen ce ,   irres pecti ve  of  pr ese nce  of   m any  enc ryptio n  m et ho ds   over  wireless  netw ork ,  there  is  sti ll  a  huge  researc h  ga p  as  no ne  of  the   existi ng  sec ur it y - base d  a ppr oa ches  offe rs  resi sta nce  to   the   ultim a te   threat  [ 9 - 13] .  It   can   be   al so   sai d  that  the  e xisti ng   f or m s  of   hard war e  a nd   netw ork  a r chite ct ur e  of   s ens or   node  is  def i nitel y  no t  read y  to   m ake secure tr ansm issi on  ove r  wi reless  netw ork.    At  pr ese nt,  s ecur it y  appr oa ches  are  de sign e d  usi ng  crypto gr a phic   appr oach es  m ai nly  wh ic h  do m inantly   use s  secret  keys  that  are  re qu i r ed  to  be  sto re d  safely   withi n  the  nodes  a nd  will   be  us e d  again.     It  will   m ean  t hat  us a ge  of  ke y - base d  e nc r ypti on   is  only   good  wh e n  it   hav e   m ulti ple  nu m ber s  of  pa sses  t o  gen e rate  the  se cret  key u sin g  so m e  co m plex  m at he m at ic a l  fu nctio n.  It w il l  al so   m ean  that  there w il l  be  hi gh e r  us a ge  of   sto ra ge  an d  proces sing   ca pab il it y  of   the  node  that  will   sign ific antly   dr a in  it s  ener gy  any way.  Ther e f or e,   the   m os t  sign ific ant  el igibil it y  factor  of  the   r obus t  e ncr y ption  te ch nique  i s  that  it   shou l d  be   li gh twei ght.  B y  li gh twei gh t,  it   will  m ean  t hat  the  al gorithm   sh ou ld  ha ve  le ss  it erati on s,  it   sh ould n’ t  store   m uch   interm e diate   sta le   m e ssage  to   av oid  ov e r head s .  H ence,  it   is  re quire d  that  a  good  sec ur it y  a lgorit h m   sh oul d  ha ve  be tt er  com m un ic at ion   ca pab il it y  as  well   as  le sser  res ource   consum ption   for  en surin g  be tt er  netw ork  li feti m e. Th ere f or e,  the pr opos e d  s yst e m  targ et s to  a ddres s t he  a bove - m entioned   prob le m s asso ci at e d  with  sec ur it y  pro blem   in  wireless  net wor ki ng   ta king  the   case  stu dy  of   wireless  se nsor  netw ork  ( WSN).    The  pap e r  al so  pr ese nts  a  sim ple  an d  li gh t w ei gh t  enc ryptio n  m et ho do l og y   that  is  prov e n  to  offe r  good  e nergy   savi ng  an d  bet te r  data  delive ry  perform ance.  Sect ion   2  discuss es  a bout  al gorithm   i m pl e m entat ion   fo l lowe d  by d isc us si on  of r es ult analy s is i n  sect io n 3. Fi nally , th e c oncl us i ve  rem ark s a re  pro vid e d  in  secti on  4.   T h e r e   a r e   v a r i o u s   a m o u n t   o f   r e s e a r c h - b a s e d   c o n t r i b u t i o n   i n   o r d e r   t o   d e a l   w i t h   s e c u r i t y   p r o b l e m s   i n   W S N .   The  recent   w ork   car ried  out  by  Z hang  et   al .  [ 14]   ha ve  int rod uced  a  sec uri ty   appro ac h  towa r ds   sa fegu ard i ng  the  com m un ic at ion   ov e r  rela y  netw orks  with  m or e  em ph asi s  on  physi c al   la ye r  secur i ty .  The  prob le m   of   falsi fied  i nj ect ion   of  data  is  addresse d  m os t  recently   by  Yang  et   al .  [15]  us i ng  a  dat a  f us io n  a ppr oa ch  for   adv a nce d  ap pl ic at ion   of   cy be r - ph ysi cal   syst e m .  Tia n  et   a l.  [16]  hav e  presented  a  cr oss - la ye r  ap proa ch  f or  enh a ncini g  the   sp ect r um   eff ic ie ncy  ov er  m ulti - hop  netw ork .  H ua ng   et   a l.  [17]  ha ve  presented  a  gro up - key   base d  secu rity   appr oach   in  order   to  a ddress  the  com m un ic at ion   over hea d  prob le m s  in  WSN  integ rated  with   so ft war e  dev ic e  networ ks .  Al - Tu r j m an  et   a l.  [1 8]  ha ve  pre sented  a  key - a ggrem ent  schem e   us ing   pu blic  key  encr y ption  co nsi der in g  m ob il e  sin k.   Zha o  e t  al .  [ 19 ]   ha ve   i m ple m ented  com po sit e  key   Pr e distrib utio n  for  secur i ng  the  vulne rab le   c omm un ic at ion s.  T he  a pproach  of   rek ey i ng   proc ess  has   bee n  re vised  i n  the   ap proac h  of   Aissa ni  et   al .  [20]  to  ge ne rate  a  uniq ue  ke y  m anag em ent  syst e m   with  l ess  over hea d.   Ca o  et   al .  [ 21 ]   have   pr ese nted   a n  ide ntific at ion  schem e  of  rand om   at ta c ks   i n  WSN  for  sec uri ng  the  relay   net works.  Im ple m entation   of  asy m m etr ic   encr y ption  was  car ried  ou t  by  Chen  et   al .  [22]  usi ng   ha r dware - base d  appr oach.  A  uniq ue  auth enti cat ion   prot oco l   was  pr e sente d  by  Chu   et   al .  [23]  us in g  sim il ar  har dwa re - base d  appr oach that   us es sim ple exc lusive - or  op e r at ion   for  e ncr y ption.    Ado ption   of   c hao ti c  ap proac h  was  ca rr ie d  ou t  in  the  w ork  of  G opal akr i sh n an  a nd   B ha gyave ni  [24] .   The  aut hors  use d  this  sche m e  fo r  sel ect ion   of   the  sec ur e  li nks  with   be tt er  data  de li ver y  perfor m ance.   Hon g  et   al .  [2 5]  ha ve  ad op te d  a  gam e  theor y - base d  m od el   for  resist ing   a ny  form   of   at ta cks  rela te d  to   the  interfe re nc e.  Li  et   al .  [ 26 ]   hav e  im ple m e nted  a  ge ne rati on   a ppr oach   for  sy m m et ric  ke y  us ing   gro up - base d  com m un ic at ion   syst em   as  w el l  as  sign al   stren gth   facto r.   Sh in  et   al .  [ 27 ]   hav e  prese nted  a  co nce pt  of  m ulti - factor  a uth e nti cat ion  syst em   t hat is m eant fo r  secu rin g  the  WSN that i s jo intl y op erate d wit h  5G tec hn ologies.   Nkwe  et   al .  [ 28]   ha ve  prese nted  sec uri ty   ov e r  the  physi cal   la ye r  us in g  er ror  factor  and   powe r  as pe ct   fo r   form ulati ng   se cur it y  poli ci es.   Sh im   et   al .  [ 29]   ha ve  present ed  a n  a uth e ntica ti on   a ppr oach  us i ng  ide ntit y - base d   sign at ur e  po li c y.  A  uniq ue  at ta ck  identific at ion   f ram ewo r k  is  pr ese nted  by   Su n  et   al .  [ 30]   that  m ake  us e  of  pr i ncipal  com po ne nt  analy sis  in  order   to  m i nim iz e  the  depend e ncies  of   m or e   nu m ber   of   detect ion   fe at ur es .   Ado ption   of  s ymm et ric  key  pr act ic es  w as  wi tnesse d  in  t he  w ork  of   Ol iveira  et   al .  [ 31]   where  lo w  energy   dev ic es  a re  use d  re duci ng  th e  ov e r head s   of   the  co ntr ol  m essage.  The  te chn i qu e  us es  a dv a nce d  e ncr y ption   sta nd a rd   for  pe rfor m ing   secu rity .  Pintea  et   al .  [32]  ha ve  e m ph asi zed  on  the  us a ge  of  th e  sen sit ive  age nts  in   order  to  resist s  de nial  of  ser vi ce  at ta cks  in  WSN.  Ha n  et   a l.  [33]  ha ve  im plem ented  the  con ce pt  of   i de ntifyi ng  the  le vel  of  int ru si on  in   orde r   to  resist   the   si nkhole   at ta ck  i n  WSN.   The re fore,  it   ca n  be   seen  t hat  the re   are  diff e re nt  form s   o f  ap proac hes   in  existi ng   sy stem   fo r  resist ing   sec ur it y  thr eat s  in  wireles s  netw ork.   T he   br ie f   ou tl inin g o f  th e pro blem s asso ci at ed wit h  t he  ex ist in g  syst e m   is discusse d i n  ne xt secti on.   The  si gn i ficant  r esea rch p robl e m s ar e as  fo ll ow s:     The  secu rity   appr oac hes  of   e xisti ng   syst em   are  m or e  fo cu s ed  towa r ds   ad dressi ng  so l utio n  again st  sp eci fic   secur it y t hreat .       Evid e nce  to w ard s  res ource - eff ic ie ncy  a bout  the  existi ng  sec ur it y  ap proac hes  are   no t  pro ven   i n    existi ng li te ratur es .     Stud y  to wards   le ss  co m pu ta ti on al   com pl exity   factor   associat ed  with   cryptogra ph i c  us age  to wa r ds   secur i ng vulne rab le   wireless  netw ork  is l ess  pro m inent.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   4296   -   4304   4298     Av ai la bili ty   of   le ss  ben c hm ark ed   s olu ti on  t owar ds   pote ntia l  resist ance   ag ai ns t  le thal  at ta ck  is   f ound  le ss  in ex ist in g  li te r at ur es.   Ther e f or e,  t he   pro blem   s ta teme nt  of   the  pr opos e d  stu dy  can  be  sta te d  as  “De velo ping  a  pote ntial   s ecur it y  so luti on  to  resi st  unknow n  f orm s  of   at ta ck  in  wireless  netw ork  us in g  c os t  eff ect ive  resist ive  so l ution   wi th  f a r   reachi ng ef fect”. T he next se c ti on   ou tl ines  th e so l ution t owa rd s  r esi sti ng t he se proble m s.   The  im ple m e ntati on   of   t he   propose d  te c hn i qu e  is  ca r ried  ou t  usi ng  an  a naly ti cal   researc h   m et ho dolo gy  and   the  pro posed  syst em   ac ts  as  an  extensio n  of  our  pr i or   w ork  [ 34] .  The  c or e  aim   of    the  pro posed  te ch nique  is  to  offe r  a  sig nificant  pr otect ion   agai ns t  an  unkn own  f orm   of   adv e rsa ry  in     WSN  us in g  s i m ple  and   ye t   rob us t  form   of   secu rity   m echan ism .  The   schem at ic   diagr am   to  re present     the im ple m ent at ion   of prop ose d  syst em  is h igh li ghte d i n Fi g ure  1 .       P r e p a r a t i o n   o f   t h e   S i m u l a t i o n   A r e a C o n s t r u c t i o n   o f   R u l e - S e t P r i m a r y   r u l e - s e t   ϕ P S e c o n d a r y   R u l e - S e t   ϕ s A s s e s s i n g   I n t e n s i t y   o f   A d v e r s a r y A p p l y i n g   R u l e - S e t   t o   R e s i s t   A d v e r s a r y L o g i c   o f   I d e n t i f i c a t i o n   a n d   R e s i s t a n c e S e n s o r s d i s t a n c e a d v e r s a r y E n e r g y     Figure  1. Pro pose d  sc hem at ic  diag ram       Fig ure  1  hi gh l igh ts  the  i m ple m entat ion   flo w  of   the  pr opos e d  syst e m   wh e re  it   can  be  seen  that    the  pro po se d  syst e m   con sid ers  init ia ll y  a   ty pical   pr ep arati on   of   the   si m ulati on   area  by  co ns id erin g     the  sens or s ,  distance,  ad ver s aries,  an d  ene rg y  facto r.   T he   pr op os e d  syst e m   a lso  consi der s  that  ad ver sa ry   m od ule  is  qu it e  po te ntial ;  howev e r,   it   will   ne ver   la un c h  a ny   at ta ck  wh e n  it   j oin s  a  new   netw ork.   Hen c e,  there   is  no   ap rio ri  inform ation   ab out  the  adv e r sa r y.  The  pro pose d  syst e m   al so   const ru ct s  a  r ul e - set   that  is  fu rt her   cl assifi ed  in  t wo  f or m s  i.e.  pr im ary  Rulese t  and  seco nd ary  r ule - set .  T hese  ru le   set s  are  m eant  to  pe rfor m     a  sp eci fic  ta sk   of   sel ect ion  o f  secur e  cl ust erhea d.   T he  pr im a ry  ru le - set   is  m ean t  for  ens ur i ng   sel ect io n  of  m os t   el igible  cl us te r head  f ollo wed  by  sec onda ry  Rulese t  that  is  m eant  to  perform   secur it y  an al ysi s  of   t he  pr i m aril y  sel ect ed  cl us te rh ea d.   The  ou tc om e  of   the  seco nd a ry  r ule - set   is  a  fin al l y  sel ect ed  secur e d  cl us te rh ea d.   This  op e r at io n  is  fo ll ow e d  by   con st ru ct in g  the  desig n  in   orde r  to  i nve sti gate  the  int ensity   of  the  a tt acker  fo ll owe d  by  ap plyi ng   t his  ru le   set   in  orde r  to   ens ur e  pro per  s el ect ion .  Finall y,  the  a dversa r y  node  is   ide ntifie d  and   is  updated   to  al l  the  neig hbori ng  as  we l l  as  finall y  to  com plete   netwo r k  so   t hat  al l  the  com m un ic at ion  process  gen e r at ed  to  an d  from   su ch  adv e rsar y  co uld   be   te r m inate d.   T h e   c o r e   o b j e c t i v e   o f   t h e   p r o p o s e d   m e t h o d o l o g y   i s   t o   e n s u r e   t h a t   a   l i g h t w e i g h t   s e c u r i t y   p o l i c y   i s   i m p l e m e n t e d   i n   o r d e r   t o   e n s u r e   t h a t   a   b e t t e r   s u p p o r t a b i l i t y   o f   p u b l i c   k e y   e n c r y p t i o n   i s   a v a i l a b l e .       2.   ALGO RITH M  I MPLEME NTATIO N   The  pri m e  pu r po s e  of  the  pr opos e d  al gorithm   is  to  offe r   a  sec ur e   data   ag gr e gatio n  by   addressi ng    the  secur e  sel e ct ion   of  cl us te r - hea d.   T he  hypothesis  of  the  pro po se d  al gor it h m   con structi on   is  carrie d  out  on   the  fact  t hat  a  cl us te rh ea d  be ars  sig nifica nt  and  val uab le   i nfor m at ion   as  com par ed  t o  ot her   m e m ber   node s.   Ther e f or e,   it   is  m or e  li kely   that  cl us te r hea ds   will   be  m or e  ta r geted   to  be  c om pr om is ed  as   com par e d  t o  m e m ber   node s.  Hen ce ,  the   com plete   al go rithm   con st r uctions  ar e  c arr ie d  out  t o  protect   al l  s or ts  of   com m un ic at ion   or i gin at in g  t o  a nd  f r om   the  cl us te r hea d  in  WSN.  T he   al gorithm   ta kes  the  i nput  of  S area   (S im ulati on   area),   E i   (initi al   energy),  n   (se nsors ),  p x ,  y   (p osi ti on   of   se nsors ),   p CH   ( pro bab i li ty   of   cl us te r - heads) ,   and   n ad   (num ber   of   a dv e rsa r y)  that  after  proces sin g  yi eld s  an  ou tc ome   of   nC H  (se cur e  CH ).   T he   ste ps   include d  i n  t he  prop os ed  alg ori thm  are  as fol lows :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   Ele c &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Multi - sta ge  sec ur e cl us te rh e ad selec ti on  us i ng d isc ret e  ru l e - set   …  ( Tejas hwini N. )   4299   Algorithm for Selection of robust CH for s ecure Data Aggregation   Input : S area , E i ,  n , p x,y , p CH , n ad     Output : nCH   Start   1.  init   S area , E i ,  n , p x,y , p CH , p ad   2. S area [b x,y , rand(n x,y )]   3. construct ϕ P , ϕ S       // ϕ is Ruleset, P, S - primary/secondary   3.  For   i=1:n     //fuzzy+Active+dynamic   4.     θ 2π . ar b( n)   5.      2 1 2 1 )) ( ( )) ( ( i y y i x x V d   6.     For   j=1:n   7.        N non f 1 (n, p x,y ,  R nn )   8.        vul f 2 (n, p x,y )   9.        vic f 3 (p x,y ,  N,  b x,y )   10.      PO 1   ϕ P (E Nnon)  & SO 1   ϕ s (v ul ,  vi c,  d CH )   11.      n CH arg max (GQ1):   12.    End   13.  End   End     The flo ws of t he  prop os ed  alg or it hm ic   s t e p s   are il lustrate d  as b el ow :     2.1.   Prepar at i on   of the si mul at i on are a   T h e   a l g o r i t h m   i n i t i a l i z e s   a l l   t h e   i n p u t   p a r a m e t e r s   ( L i n e - 1 )   a n d   p e r f o r m s   d e p l o y m e n t   o f   a l l   t h e   s e n s o r   n o d e s   i n   r a n d o m   o r d e r   i . e .   r a n d   (n x ,  y ) ,   w h e r e a s   i t   c a n   a l s o   c h a n g e   t h e   p o s i t i o n   o f   t h e   b a s e - s t a t i o n   b x ,  y   a t   a n y   p a r t   o f     t h e   s i m u l a t i o n   a r e a   ( L i n e - 2 ) .   T h e   a l g o r i t h m   a l s o   s e l e c t s   c e r t a i n   n u m b e r   o f   a d v e r s a r y   n o d e s ;   h o w e v e r ,   i n   o r d e r   t o   a s s e s s   t h e   s y s t e m ,   t h e   a l g o r i t h m   i s   d e s i g n e d   w i t h   n o   p r e - d e f i n e d   i n f o r m a t i o n   a b o u t   t h e   l o c a t i o n   o f   t h e   a d v e r s a r y .       2.2.   Constr ucti on   of rule - se t   The  pro pose d  syst e m   con struc ts  two  seq ue ntial   ru le   set   t hat  is  util iz ed  for  filt erin g  th e  sel ect ion  process  of   the  secur e  cl us te r he ad.   T he  fir st  r ule - set   ϕ P   is  ab ou t  pr im ary  se le ct ion   w hile  second  r ule - s et   ϕ S   is  about  sec ondary   sel ect ion   crit erio n  of  the  cl us te r head   (Lin e - 3).  Co ns t ru ct ion   of   bo t h  the   ru le - s et   are  ca rr ie d  ou t  us i ng trap e zoidal m e m ber sh ip  fun ct io n.     2.2.1.   Pri mary rule - set  ϕ P   The  al gorithm   ta kes  the  e nerg y  and   the  nu m ber   of  the  neig hbor  as  an  input  par am et er  to  the  ru le - set   process or  that offers   the outp ut  of p rim ary  sel ect ed  cl us te r head.  T he  c ons tructi on o f   the r ule - set   f or  in puts  ar e   carried  out  consi der in g  lo wer,   hig he r,   a nd   m edium   value  of  if,  wh e r eas  in f eren ci ng  o f  the   ou tp ut  is  carri edout   by  m ulti ple  co m bin at ion   of  i t  as  highli gh te d  i n  Fi gure  2.  The  l og ic   of  t his  r ule - set   is  that  if  a   se ns or  node   bear s  l ow e r  r esi du al   ene r gy  and   lo we r  ne ighbor  no des ,  tho se  nodes   don’ t  s uit  to  be  bec om e  s tro ng   cl us t erh ea d  a nd  he nce  ne ver   com e  un der   th e  rad ar  of   a dv e rsar y.  Ap a rt  from   secur it y  vi ewpoint,  s uc h  weake r   form   of   nodes   will   no t  serv e   the  purpose  of  bein g  a  cl us t erh ea d  owin g  to  their  inca pa bili ty   to  of fer   rob us t  data  ag gregati on.  On   t he  oth er  ha nd,  if  t he  re s id ual  en erg y  of   a   no de   is  quit e  high  a nd   it   has  good   connecti vity   w it h  oth e r  a djac ent  no des,  tha n  those   nodes  a r e  co ns ide red  a s  the  pote ntial   cl us te rh ea d.  It  is  al so  i m per at ive  that  su ch  cl us te r he ad  will   li kely  to  at tract   the   at te ntion   of   t he  ad ver sa ry  as  if  su ch  no de s  are   com pr om ise d  than  dis per si on  of  the  m al i ci ou s   at ta ck  w il l  be  m or e.  Hen ce ,  th e  pr i m ary  ru le - s et   end  up  sel ect ing   the  m os t  su it able  c luster  hea d  tha t  can  assist s  in  data  aggreg at i on   process  f or  longer  durati on  with   good  resid ual e nergy.       2.2.2.   Se condar y  r ule - set  ϕ s   This  ru le - set   is  m eant  fo r   f ur t her   filt erin g  the  sel ect io n  process  of  the   secu re  cl ust er head  as  a n  extensi on   of   t he  pri m ary  ru le - set .  Fig ure  3  highli gh ts  t ha t  in  this  sta ge,  the  proces sor   ta kes  thre e  di ff e ren t   inputs  i.e.  vulnera bili ty ,   vicinit y,  and   distance .  All  these   par am et ers  are  m or e - or - le s s   li nk ed  with  di sta nce  m et ric  i tse lf.  Vu lne rab il it y  is  basical ly   con di ti on   w hen   a  se ns or  no de  is  in  a  distance  within  the  sen sin g  ran ge  of   a n  a dv e rsary   wh il e  vicit y  is  sa m e  distance  with  cl os es t  distance  with   the  ad ver sa ry   node.   O n  the   othe r   hand,   distance   is  basical ly   a   Eucli dea n  dist ance  betwe en  t wo   c omm un icati ng   cl us te r he ad  (in  case  of  m ul ti - hop  com m un ic at ion   only ).   Ac cordin g  t o  t his  final  ru le - set ,  t he  sa fest  cl us te rh ea d  will   be   that  node  w hic h  ha s   lowe r  val ue  of  vu l ner a bili ty ,  vicinit y,  as  we ll   as  distance.  It  sim ply  infers  that  only   no de  that  a re  loc at ed  at   the f a rthest e nd  from  the ad ve rsar y a re th e  s ecur e  no de  a nd is m or e li ke  to  b e  sel ect ed  as   cl us te rh ea d.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   4296   -   4304   4300   P r i m a r y   S e l e c t i o n   P r o c e s s E n e r g y   N u m b e r   o f   N e i g h b o r P r i m a r y   S e l e c t e d   C H L o w M e d i u m H i g h t r a p m f V e r y   s m a l l S m a l l R a r e l y   s m a l l M e d i u m   s m a l l M e d i u m M e d i u m   l a r g e V e r y   l a r g e R a r e l y   l a r g e N o n e t r a p m f     F igure  2. Co nst ru ct io n of   pri m ary ru le - set       S e c o n d a r y   S e l e c t i o n   P r o c e s s V i c i n d i s t F i n a l l y S e l e c t e d   C H L o w M e d i u m H i g h t r a p m f V e r y   s m a l l S m a l l R a r e l y   s m a l l M e d i u m   s m a l l M e d i u m M e d i u m   l a r g e V e r y   l a r g e R a r e l y   l a r g e N o n e v u l n e r a b t r a p m f     Figure  3 .   Co nst ru ct io n of   sec onda ry rule - set       2.3.   Assessin g  in te nsity o f ad ver sa r y    The  pro pose d  stud y  co ns tr uc ts  the  adv er sar y  scenario   wit h  a  com bin at i on   of   i)  act ive   at ta ck  and    ii )  dynam ic   state  of   node .  Alt houugh,   the  al gorithm   is  equal ly   capab le   f or  te sti fyi ng   dif f eren t  possible  at ta ck   scenari o  an d  diff e re nt  discr et e  sta te s  of   node;  this  sce nar i o  is  sel ect ed  f or   a naly sis  as  this  is  the  m os t  chall eng i ng  sc enar i o  with  re sp ect   to  inte nsi ty   of   at ta ck  and   it s  after m at h  con se qu ences.  T he  al gorith m   consi ders  al l  th e  nodes   prese nt   in  the  sim ulati on   a rea  (Line - 3)   a nd  im ple m ents  a  sim ple  fo rm ula  of  θ   (L ine - 4)  in  order   t o  re nder  ar bitra ry  ori entat ion   of   th e  sensor  no des .    This  par t  of   the  al gorithm   i m ple m entat ion   is  all   about  c heck i ng  the   dista nce   to  in vestigat e  the  pr ese nc e  of  ad ve rsary .  For  this   pur pose,  t he  al gorithm   com pu te s  the  vulne rab le   dista nce  V d   (Li ne - 5).  It  f ur t her  pe r form s  m or e  filt erati on  of  t he  distance  on  the   basis   of  v ul ner a bili ty   assessm ent  us ing   sim ple  distance - based   l ogic .  F or   al l  the sen s or  n odes (L ine - 6),  the p r opos e d  al gorithm   appl ie s  m ulti ple  exp li ci t  functi on s   in  orde r  to  pe rfor m   this  assessm ent.  The  al gorith m   firs t   i m ple m ents  a  fu nctio n  f 1 ( x)   t hat  ta kes  the  i nput  ar g um ent s  of   num ber   of  nodes  ( n ),   po s it ion   of  node s  (p x,  y ),   and   ra nge  of   ne ighbor  node s  (R nn ).   O nly  the  sensors  w ho s e  distance  valu e  is  le ss   than  or   eq ual  to  range  of   neig hbori ng  node  is  co ns ide red   as  the  nei ghbo rin g  nodes  (Line - 7).  T he  nex t  pa rt  of   t he   al go rithm   per f or m s  com pu ta ti on   of  the  vulne ra bi li t y  m e tric   vul   con sid erin g  sens or s  ( n )  an d  posit ion   of  node  ( p x,  y )  (Line - 8) .     It  do e s  so   by  con st ru ct in g  a  functi on   f 2 ( x)   that  ca rr y  ou t  est im ating  the  Eucli dea n  distance  bet ween    the  norm al   node  an d  the  a dv ersa ry  node  f ol lowe d  by  s umm at ion   of   al l  the  est im a te d  di sta nce.  Th e  ne xt  pa rt  of   the  al gorithm   i m p lem ent at ion   pe rfo rm s  com pu ta ti on  of   vicinit yfact or   (Li ne - 9).   The  al gorith m   us es     a  f un ct io n  f 3 ( x)  that  c om pu te s  the  distance   betwee n  th e  re gu la r  a nd  m ali ci ou s   no de  a nd  c hecks  if  t he y  are   locat ed by cl ose ly  to  each  o t he r.       2.4.   Ap pl ying rule - set  to resis t a dv ers ar y     The  al go rithm   then  a ssesses   the  pri m ary  op ti m iz ation   by   app ly in g  th e  pr im ary  ru l e - set   ϕ P  on  init ia li ed  energy  an d  num ber   of   neig hbor  nodes .  Acc ord ing   to  this  pr i m ary  op tim iz a ti on ,  a  re gula r   node  sh oul d  spo ntan eousl y  dissipat e  energy.  How ever,  a  m alici ou s  no de  will   al ways  try   to  sa ve  m axi m u m   e nergy  un ti l  a nd  unle s s  it   has   not  init ia te d  it s  at ta ck.  It  will   m ean  t hat  if  a   m al iciou s  node   ha s  not  la un c he d  a n  a tt ack,   it   is  no t   feasi bl e  to  diff e re ntiat e  at ta cker   no de  a nd  norm al  node .  He nce,  the  prese nce  of  a bnor m al ly   hig he r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   Ele c &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Multi - sta ge  sec ur e cl us te rh e ad selec ti on  us i ng d isc ret e  ru l e - set   …  ( Tejas hwini N. )   4301   a m ou nt  of   e ne rg y  will   be  one  of  the  i nd i cat ion s  of   pr e sence  of   m al i ci ou s  node  i n  pr im ary  op ti m iz at ion   process .  Esta bl ishm ent  of   com m un ic at ion   with  s uc h  node s  is  insta nt ly   abo rted   af te r  this.  How eve r ,     the  al gorithm   exten ds   the  pr i m ary  op tim izati on   to  t he  se conda ry  optim iz at ion   in  orde r  to  furthe r  as certai n  about  the   ef fici ency  of  th e   resist ance .  I n  the  sec onda r y  op ti m iz a ti on,  the  al gorith m   con siders  a pp ly in g  seco nd a ry  r ule - set   ϕ s  to  fi nally   ensure  that  no  s uch  vulne ra ble  no de  is  sel ect ed  in  t his  proces s.  T h e   f u n c t i o n   t a k e s   t h e   i n p u t   a r g u m e n t s   t o   e n s u r e   t h a t   o n l y   t h e   s e c u r e d   c l u s t e r h e a d   i s   s e l e c t e d   i n   t h i s   p r o c e s s   ( L i n e - 1 0 ) .   F i n a l l y ,   t h e   a l g o r i t h m   s e l e c t s   t h e   h i g h l y   u t i l i z e d   s e c o n d a r y   o p t i m i z e d   v a l u e   t h a t   e n d s   u p   s e l e c t i n g   t h e   m o s t   e l i g i b l e   c l u s t e r h e a d   n CH   ( L i n e - 1 1 ) .       2.5.   Log ic   of iden t ific at io n  an d  r esi sta n ce    The  pro posed   s yst e m   app li es   a  uniq ue  l og ic  o f   ide ntifyi ng an d  c onform ing   t he  pr ese nce  o f   m alici ou s   node  a nd   im pl e m ents  a  m echan ism   to  resist   any  form   of   intru si on.  The  i de ntific at ion  p r oc ess  of   th e  ad ve rsar y  is  carried  out  in  dual   ste ps.  I n  the  first  ste p  of   i den ti ficat io n,   the   sen s or  pe rfor m s  exch a ng e  of  in form a ti on   i n  the  f or m   of  be acons  wit h  eac h  oth e r  that  al s o  bear s   a  s peci fic  fiel d  f or   res idu al   e nergy.  The  pro posed   syst e m   assum es  that  al l  the  cl us te r heads  are  higher  de gr ee  of  com m un ic at ion   sync hro noci ty   with  each   ot her   by  per i o dic  e xch a ng e  of  beac ons   a m ong  the  cl ust erh ea ds   durin g  inter - cl us te r  com m un ic at ion .  Accor ding  to  thi s   schem e,  a  cl us t er  hea d  bears  al l  the  authen ti cat ed  inf or m at i on   relat e d  to  it s  associat ed  m e m ber   nodes  a nd   this   will   cal l  fo r  e ven t ually   m on it or in g  al l  the  r eso ur ce - relat ed   inf or m at ion   too.  E ven   i f  a  conve ntion al   T DM A   schem e  is   assume d  to  be  i m ple m ented  than  the  tim e   fo r  da ta   fu sio n  as  w el l  as  agg reg at ion   is  alm os t  fixed.   This  entai ls  th at   regular  node s  spon ta neousl y  dep le te   ene r gy  in  the  pro gressi ve  ste p  of  data  ag gr e gation  a nd   hen ce  i n  this  proces s,  if  the re   is  a  pr ese nce  of   a ny  node  t ha t  bear s  a bnorm al l y  m or e  res idu al   ene r gy  th an  it   is   le ss  li kely   that  su ch  node  will   be  regular  node.   H owev er,  pr ese nce  of   s uc h  no de  with  hi gh e r  resid ual  energy  cannot  be  us e d  to  c on cl ud e  that  the  node  i s  a  m al iciou s  on e  a nd  there f or e ,  it   proceed s  for  ne xt  r ound   of   check.  F or   t he   pur po se   of  c onfirm ing   the  presence   of  m alici ou s  nodes  a t  the  en d  of  prel i m inary  chec king   sta ge,   the  al go rithm   con sider s  m ulti ple  distance - base d  pa r a m et ers  e.g .  vulne rab il it y  and   vicinit y  par a m et ers  in  orde r  to   car r y  ou t  m or e  in de pth   i nv est i gation  a bout  t he  be hav i our  of   t he   sens or s .  T he  unde rly ing   pri nc iple  of   this  resist a nce  theo ry  is  t hat  a  m alici ou s  node  will   not  la uch   any  form   of   at ta ck  wh e n  it   j oin s  a  new   netw ork.   At  the  sa m e  t i m e,  it  will   neither  re side  in  a  sam e   networ k  for  a   lon ge r  pe rio d  of   ti m e.  The  gain  of   the  m al ic iou s  node  is  on ly   at   the  instance  wh e n  they   are  su ccess f ul  in  their  at tem pt.  Fo r  this  pur po se ,     the  ad ve rsar y  will   be  r eq uire d  to   in cr ease  it s  at ta ckin g  e ve nt  as  far   a s  fea sible.  T he  nex t   ste p  is  t o  c hec k  f or   the  pr ese nce  of  inte rm i tt ent  com m un ic at ion   li nks,   w hic h  directl y  dep ic ts  that  this   li nk  le a ds   t o  m alici ou s  nodes  at som e p oi nt.   Ther e f or e,   as  per   t he  l og ic   of  the  pro posed   al gorit hm ,  the  pr e sence   of  m or e  nu m ber   of   c onsist en t   rem nan t  energ y  is  a  direct  re pr ese ntati on  of   the  fact  that  t he re  is  a  m al ici ou s   no de  at   the   end.  Howe ver,  there   is  al so   a  po ssib il ity  that  it   ocu ld  be  regular  node .  In   s uch   ca se,  the  pr i or   hi story  from   the  rout in g  ta ble  will   be  check e d.   If   upon   c heck i ng  it   is  fo un d  that  th at   no de  has  tra ns m itted  m any   data  in  past  an d  sti ll   i t  retai ns   m or e   energy  tha n  it   is  a  posit ive  in dicat ion   of  m a li ci ou s  node  or  el se  it   co uld   be  regular  node .  At  t he  sam e  tim e,     if  the  nu m ber  of   distances  that  are  al ways  increasing   in  it s  siz e   than  it   directl y  dep ic st  that  there  is     a  sp onta ne ous  sp rea d  of  at ta ck  w hich  is  feas ible  by  captur i ng   the  public  ke ys.  Ther e fore,   it   is  i m per at iv e  that  norm al   senso rs   will   al ways  ha ve  le ss  num ber  of   i ncr e asi ng   sp at ia l  distanc es  (as  it   will   drai n  m or e  energ y)  as  well   as  increa s ing   distance  a m on g  dif fer e nt   sens or s .  O n  t he  ot her   ha nd,   it   is  le ss  li kel y  that  adv e rsa r y  will  stop   afte r  co m pr omi sing   fe w  nodes  as  f ai r  chan ces  a r e  there  to  increase  the  num ber   of  at ta cks.  O n c e     t h e   m a l i c i o u s   n o d e   i s   c o n f i r m e d   f o r   i t s   p r e s e n c e   t h a n   a l l   t h e   c o m m u n i c a t i o n   t o   a n d   f r o m   t h e   a d v e r s a r y   w i l l   b e   e l i m i n a t e d   a n d   s u b s e q u e n t   a   f l a g   m e s s a g e   a b o u t   t h e   n o d e   a n d   i t s   r e s p e c t i v e   n e i g h b o r s   a r e   u p d a t e d   t o   a l l   t h e   n o d e s   a s   a n   u p d a t e .   H e n c e ,   t h e   p r o p o s e d   a l g o r i t h m   o f f e r s   s i g n i f i c a n t l y   c o s t - e f f e c t i v e   s o l u t i o n   t o   o f f e r   s i g n i f i c a n t   r e s i s t a n c e   t o   a n y   l e t h a l   f o r m s   o f   a t t a c k   i n   W S N .   T h e   n e x t   s e c t i o n   d i s c u s s e s   a b o u t   t h e   o u t c o m e s   o b t a i n e d   a f t e r   i m p l e m e n t i n g t h i s   a l g o r i t h m .       3.   RESU LT   A N ALYSIS    This  sect io n  di scusses  a bout  t he  outc om es  ob ta ined  a fter  i m ple m enting  the  al gorithm   discuss e d  in   pr i or   sect ion.  The  c om plete   e m ph asi s  of  the  a naly sis  is  giv e n  to  t he  m ai nly  two  pe rfor m ance  scal e  i.e.   thr oughput  a nd  e nergy.  Scr ipted  in   MA T LAB,  t he  a na ly sis  of   t h e  pro posed   al gori thm   is  carried   out   consi der i ng   500 - 1000  sens ors  co ns ide rin g  la rg e  scal e  ne twork  of   a re a  1000x1 200  m 2 .  The  sens ors  are  pro gr am itica lly  desig ne d  be arin g  the   sta ndar d  c ha recter ist ic   of   MEM SI C  nodes   al ong  with   2500  bits  of   pack et   an d  0.5   Joule s  of  ene r gy.  T he  st udy  ou tc om e  of   th e  pro posed   sys tem   is  com par ed  with  t he  sta nd a r d  secur it y  protoc ol  of   SecL EA CH  [35]  beca use   this  pr ot oc ol   is  kn own  f or   bo t h  it s  secur it y  ben efit s  an d  energy   conser vation i n  W S N.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   4296   -   4304   4302   The  ou tc om e  exh i bits  in  Fi g ures  4   a nd   5   highli ghts  th at   propose d  s yst e m   of fer s   good  e nergy   conser vation  in  WSN.  A   cl os er  l ook  i nto  Fig ure  4   hi ghli gh ts  t hat  pr opos e d  syst em   offer s  go od   ne twork   li fetim e   as  there  are  go od   num ber   of   s us t ai nin g  nodes  ov e r  inc reasin g  num ber   of   si m ulati on   rou nd s  as   co m par ed  to  c onve ntion al   Se cLEAC H  al gor it h m .  The  pr im e  reason  be hind  this  is  SecLEACH  us es  a  ty pical   encr y ption   m e chan ism   that  us es  recursive  f un ct io n  in  orde r  to  ge ner at e  th e  secret  key  for  authe ntica ti on.  T his  ph e nom eno n  will   require  a   node   to  al w ay s  hav e   s pec ific   am ou nt  of  res ources   to   carry  out  thi s  ta sk .   More ov e r,   the   placem ent  of   the  base  sta ti on   is  an oth e r  bigger  c halle nge  in  existi ng  syst e m   that  re su lt   in  m assive  traff ic   convergin g  us ing   sin gle  hop  m ai nly.  H e n c e ,   S e c L E A C H   c a n n o t   o f f e r   e n e r g y   c o n s e r v a t i o n   a s   t h e   t e s t   e n v i r o n m e n t   c h o s e n   i s   a   c o m b i n a t i o n   o f   a c t i v e   a t t a c k s   w i t h   d y n a m i c   s e n s o r   n o d e s   t h a t   c a n n o t   b e   s u p p o r t e d   e n e r g y   e f f i c i e n t l y   b y   S e c L E A C H .     Fig ure  6   discu sses  the  com par at ive  analy sis  of   the  t hroughp ut  for  both   propose d  an d  SecLE A C H   al gorithm .  The  ou tc om e  sh ow s   that  Sec LEAC H  co uldn’t  offer   s uffi ci ent  thr oughput  m or e  than   40 %   com pleti on   of  si m ulati on   ro un ds ,  w he rea s  propose d  syst e m   of fer s  s pontane ously   increase d  am o un t  of   thr oughput  ti ll   the  90%  of  the   si m ulati on   rounds  prov i ng   t hat  pro po se d  s y stem   of fer s  si gn i ficant  thr ou ghput   perform ance  al ong  with  opti m al   secur it y.   Fig ure  7   highl igh ts  that  pr opos e d  syst e m   offer s  si gn ific a nt ly   le s s   energy  fluct uation  as  c om par ed  to  SecLE A CH.  I ncr ea sed  fluctuati on  in  energy  is  al ways  li nk ed  with  la ck  of   synch ro noci ty   a m on g  the  nodes  that  res ults  in  fail ure  of  an  ef fecti ve  data  tran sm iss ion   as  well   as   non - su pp or ta bili ty   of  any  form   of   energy - e ff ic ie nt   al gorithm s.  In crease d  e ne rgy   var ia nce  of   S ecLEAC H  is  c ause d  du e   to   la ck  of  s ynch ron ou s   as w el l  as  la ck  o f  su pp or t a bili ty   of  m ulti - ho p  c omm un ic at ion  sch em e.  This result s   in m or e d e gr a da ti on   of  e ne rg y  but in a  h i gh ly  interm ittent w ay . On  the  o t he r  ha nd, t he pr opose d sy ste m  o ff e rs  increasin g  e ve nts  of  dissem i nation  of  the  updates  t hat  res ults  in  exc ha nge  of  ne arly   updat e d  data  e ve ryt i m e   there by  assist ing  the   ot her  s ens or s   kn ow  a bout  t he  e ven t   of  s uccess fu l   data  t ran sm issi on  or  presen ce  of   m al ic iou s  node .  He nce,  the  pro po se d  syst e m   is  fo und  t o  offer   m or e  re sist ivit y  againt  m axi m u m   fo r m   of   threats  with les ser deg ra dation t o  the  en e r gy  consum ption  a m on g  the  sens or no des.               Figure  4 .  Com par at ive  an al ys is of al ive  node s     Figure  5 .  Com par at ive  an al ys is of resi du al  e nergy             Figure  6 .  Com par at ive  an al ys is of th rou ghpu t     Figure  7 .  Com par at ive  an al ys is of va riance   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   Ele c &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Multi - sta ge  sec ur e cl us te rh e ad selec ti on  us i ng d isc ret e  ru l e - set   …  ( Tejas hwini N. )   4303   4.   CONCL US I O N   This   pa per   has   discuss e d  that   identify ing   a  m al ic iou s  node   is  no t  at   al l   an  easy   ta sk   that  can  al so   j ust ify   the  reas on   be hind  not  100%  fail   – pro ofness  a bout  th e  existi ng   sec uri ty   app r oac he s  in  W S N.   The   log ic   of   the  pro pose d  m et ho d  cl ai m s   that  th ere  is  al ways  a  com m on   and   a  ty pi cal   beh a viour  of   a ny  ad ver sa ry  node ,   wh ic h  sa ves  t he  tim e to inv est igate  m ult iple at ta cks.  In t his  reg a rd, the  en e rg y ac ts as  an e ssentia l res our ce for  al l  the  senso rs   wh et he r  it   is  regular  no de  or  m al ic iou s  node.   Th e  pro po sed  syst e m   con side rs  dual   le vel  of  filt ering   the  pa tt ern s  w her e  i n  the  fi rst  le ve l  an  eff ic ie nt  c lusate rh ea d  is  sel ect ed  w hile  in  the  seco nd   le vel   secur it y  c har e ct erist ic s  is  em ph asi zed  m or e.  A  c omm on   track   of  reten ti on   of  ab nor m al   residu al   e nergy  i s   consi der e d  as   on e   of  the  c riti eria  of  m alici ou s  node  wh e re as  there  a re  al s o  dual   c hecks  to  co nf i rm   this   fact.  The  sim ulati on   ou tc om e  sh ow s   that  it   isp racti cal ly   feasible  to  offer  good  le vel  of  s ecur it y  to  m ajo rity   of   at ta cks  as  it   of f ers  go od   netw ork  li feti m e  a nd   data  delive ry  perform ance  in  com par ison   t o  existi ng   sec ure  an d  energy - e ff ic ie nt  ap pr oach es .       REFERE NCE S   [1]   June  Jam ric h  Pa rsons ,   “ New pe r spec ti v es  on  co m pute r  concept s   2018, ”   Compr e hensiv e ,   C engag e  Learning ,   201 7.   [2]   M.  S.  Afaqui ,   E.  Garc ia - Vi ll eg as   and  E.   Lopez - Aguile r a,   "IE EE   8 02. 11ax:   Ch al l e nges  and  req uir e m ent s  for  future   high  eff ic i ency   W iFi, " i n  I EE E   Wirel ess Comm unic ati ons ,   vo l .   2 4,   no .   3 ,   pp .   130 - 137,   2017 .   [3]   A.  Z.   Yonis,  "P erf orm anc e  an aly s is  of  IEE E   802. 11ac   base d  W LAN   in  w ire l ess  com m un ic a ti on  s y stems , "   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring ,   vo l.   9 ,   no .   2 ,   pp .   11 31 - 1136,   2019 .   [4]   V.  Mus al e,   and  D.  Chaudha r i,   " Chal le ng es,   pro t ocol s  and  ca se  st udie s  in  design   o f  rel i able  en erg y  eff icien t  wire l ess   sensor  net works , "  4th  Inte rnat io nal  Confe renc e  on  Adv anc ed  Computing  and  Comm unic ati on  S yste ms ,   pp.   1 - 7 ,   2017.   [5]   G .  Sam ara ,   and   M .  Aljaidi,  "Eff i ci en t  en erg y ,   co st  red uc ti on,   and   QoS   base d  rout ing  proto col   for   wire le ss   sensor   net works , "  Inte r nati onal  Journa l  of  Elec tri cal   a nd  Computer  Engi nee ring   ( IJECE) ,  v ol.   9,   n o.   1,   pp.   496 - 504 ,   2019.   [6]   A.  Vij ,  and  V.   Sharm a,   "S ec ur ity  issues  in  m ob il e   adhoc   n et work:  A  surve y   p ape r , "  2016  Inte rnati onal  Confe ren c e   on  Computing,  Comm unic ati on  and  Aut omat ion ,   pp.   561 - 566,   20 16.   [7]   K.  Ramesh  Rao,   S.   N.  Ti rum al a  Rao,   and  P.  Che nna  Redd y ,   "A n  eff ective   da ta   pr iva c y   m ec han ism   through  sec ur e  sess ion  ke y   ex c hang e  m odel   for   MA NET, "  Inte rnational   Journal   of  El e ct ri cal   an d  Computer  Engi nee ring ,   v ol.   8 ,   n o.   5 ,   pp .   3267 - 3277,   2018 .   [8]   G.  Stergi opou lo s,  M.  Kandi as ,   and  D.  Gri tzali s ,   "A pproa ch ing  enc r y pt ion  throu gh  complex  nu m ber   loga ri thms , "  2013  Inte rnat ion al  Conf ere nce  o n  Sec uri ty and  C ryptography ,  pp .   1 - 6,   2013.   [9]   J.  Chudzi kie wi c z,   J.  Furtak ,   an d  Z.   Zi elinski,   "S ec ure   protoc o l  for  wire le ss   comm unic at ion  withi n  int ern et   of   m il it ar y   thi ngs,"   2015  IEEE  2nd   World  Forum on   Inte rne t  o f  Thin gs ( WF - IoT ) ,   pp.   508 - 513,   2015.   [10]   B.   Mba rek ,   and   A.  Medde b,   "En erg y   eff ic i ent   se cur ity   pro toc o ls  for  wire l ess  sensor  net works :  SP INS   vs  Ti n y Se c, "   2016  Inte rnat ion al  Symposium o n  Net works,   Co mputers and  Co mm unic ati ons ,  p p.   1 - 4 ,   2016 .   [11]   H.  Ha y ouni ,   M.   Ham di ,   and   T .   H.  Kim ,   "A   surv e y   on  enc r y p ti o n  sc hemes  in   wi rel ess  sensor  n etw orks,"  2014  7t h   Inte rnational   Co nfe renc e  on   Advance d  So ft ware   Engi ne ering  and   Its  App li ca ti ons ,   pp.   39 - 43,   2014 .   [12]   M.  A.  Sim pli ci o ,   et   a l . ,   "Com par ison  of  Authenticate d - En cr y ptio n  sche m es  in  W ire l ess  Sensor  N et works , "  2011   IEE E   3 6th   Conf ere nce on  Loca l Com pute r Ne two rks ,   pp.   450 - 457,   2011.   [13]   A .   B h a v e ,   a n d   S .   R .   J a j o o ,   " S e c u r e   c o m m u n i c a t i o n   i n   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k s   u s i n g   h y b r i d   e n c r y p t i o n   s c h e m e   a n d   c o o p e r a t i v e   d i v e r s i t y   t e c h n i q u e , "   I E E E   9 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   I n t e l l i g e n t   S y s t e m s   a n d   C o n t r o l ,   p p .   1 - 6 ,   2 0 1 5 .   [14]   J.  Zha ng ,   X.  T ao,   H.   W u ,   and   X.  Zha ng ,   "S e cur e  tr ansm ission  in  SW IPT - Po were d  Two - W a y   un truste d  r ela y   net works , "  IE EE A c ce ss ,   vo l. 6, p p.   10508 - 10519 ,   2018.   [15]   C.   Yang,   e t  al . ,   "A   novel   dat a  fu sion  al gorit hm   t o  combat  fal se  d at a  in jecti on  at t a cks  in  net worke d  rad ar  s y st ems , "  in  IE EE Tr ansacti ons on  S ignal   a nd  Information Proce ss ing  ov er  Net works ,   vo l. 4, no. 1, pp. 125 - 1 36,   2018 .   [16]   F.  Ti an ,   et   al . ,   "S ec recy   ra te   o pti m iz ation  in  w ire le ss   m ult i - h op  full   duple x  n et works , "  in  IE EE   Acce ss ,   vol .   6,     pp.   5695 - 5704 ,   2018.   [17]   M.  Huang,   B.   Y u ,   and  S.  L i,   "P UF - Assiste d  group  ke y   d istri but i on  sche m e  for  software - def ine d  wire le ss   sensor  net works , " i n   IE EE   Comm unic a t ions Le tters ,   vol .   22,   no.   2,   p p.   40 4 - 407,   2018 .   [18]   F.  Al - Turj m an ,   et   al . ,   "S ea m le s s  ke y   agr ee m ent  fra m ework  for  Mobile - Sink  in   IoT  base d   Clou d - Cent ri c  sec ur e d  publi c   safe t y   sen sor ne tworks,"  i n  IEEE Access ,   vol.   5 ,   pp .   24617 - 24631,   2017 .   [19]   J.   Zha o ,   "Topo l ogic a l  prope r ti es   of  sec ur e  wire l ess   sensor  net w orks  under   th e  $ q$ - Com posite   ke y   pre d istri but io n   sche m e  with   unr el i abl e   li nks , " i n   IEE E /A CM  Tr an sacti ons on  N etwor ki ng ,   vo l. 25, no. 3, pp. 1789 - 1802,   2017 .   [20]   S.  Aiss ani ,   M .   Om ar,   A.  T ari ,   and  F.  Bou akkaz,   "µ KM S:  M icro  ke y   m an agem ent   s y st em  for  W SN s,"  in  IE T  Wirel ess Se nsor   Syste ms ,   vol .   8 ,   no.   2 ,   pp .   87 - 97 ,   2018.   [21]   R.   Cao,   "D etec t ing  arb it r ar y   att ac ks  using  cont i nuous  sec ure d  side  informati on  in  wire le ss   netw orks,"  in  IEE E   Ac c ess ,   vol .   5 ,   p p.   25927 - 25945 ,   2017.   [22]   S.  L.   Chen,   et   al .,  "V LSI  implem ent a t ion  of  a  Cost - Eff icient   m ic r o  cont rol  unit   wi th  an  as y m m et ri c  enc r y pt ion  for   wire le ss   bod y   s e nsor ne tworks,"  in  IE EE A c ce ss ,   vol.   5 ,   pp .   4077 - 4086,   2017 .   [23]   S.  I.  Chu,   Y .   J.   Huang ,   and  W .   C.   Li n ,   "A uthenticati on   protocol  design   and  L ow - Cost  ke y   en cr y p ti on   func t io n   implementa t ion for wir eless   sensor ne tworks,"  in  IEE E   Syste ms   Jo urnal ,   vol .   11 ,   n o.   4 ,   pp .   2718 - 2 725,   2017 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   4296   -   4304   4304   [24]   B.   Gopal akr ishn an ,   and  M.  A.   Bhag y ave n i,   "A nti - ja m m ing  co m m unic at ion  for   bod y   area  n et w ork  using  cha o tic   fre quency   hoppi ng, " i n   Healt h ca re  Technol og y  L et t ers ,   vol .   4 ,   no .   6,   pp.   233 - 237,   2017.   [25]   S.  G.  Hong,  et   al . ,   "G ame - th eor et i c  m odel ing  of   bac ksca tt er  wir el ess  sensor  netw o rks  under   smart   interfe r ence,"     in  IE EE Comm unic ati ons   Letters ,   vol .   22 ,   no .   4 ,   p p.   804 - 807 ,   201 8.   [26]   Z.   Li ,   H.  W ang ,   and   H.  Fang ,   "G roup - base d  c ooper ation  on  s y m m et r ic  ke y   g ene ra ti on  for   wi rel ess  bod y   area   net works , " i n   IE EE   In te rnet   of   Things   Journal ,   v ol.   4 ,   no .   6 ,   pp .   1 955 - 1963,   2017 .   [27]   S.  Shin ,   and  T .   Kw on,   "Two - Fact or  au the nt icated  ke y   agr e ement   supporting  unlinkabil i t y   in  5g - i nte gra te d  wir el e ss  sensor ne tworks, " i n  I EE E   A cc ess ,   vol .   6 ,   pp .   1122 9 - 11241,   2018 .   [28]   K.  Moara - Nkw e, Q.   Shi,  G.   M.  L ee ,   and  M.   H.  E i z a, "A nove l  ph ysica l la y e r  sec ur e  ke y   g ene r at ion   and  ref r eshm en t   sche m e  for  wir eless   sensor ne two rks,"  in  I EE E   A c ce ss ,   vol .   6 ,   pp .   11374 - 11387,   2 018.   [29]   K.  A.  Shim ,   " BAS IS:  A  Prac ti c al   Multi - Us er   broa dca st  aut h ent i ca t ion  sche m e  in  wire le ss   sensor  net works, "    in  IE EE Tr ansacti ons on  In formation Forensic s a nd  Sec uri ty ,   vol .   12,   no .   7 ,   pp .   15 45 - 1554,   2017 .   [30]   Z.   Sun,  Y.  Xu,  G.  Li ang ,   and   Z.   Zhou,   "A n  int rusion  det e c ti on  m odel   for  wire le ss   sensor  net works   with    an  improved   V - Dete c tor al gori th m , " i n  IE EE Se n sor s J ourn al ,   vol .   18 ,   no .   5 ,   pp .   1 971 - 1984,   2018 .   [31]   L.   M.   L .   Oliv ei r a,   et   a l . ,   "N et w ork  admiss ion  c ontrol   solut ion  f or  6LoWP AN   net works   base d  o n  s y m m et ric  k e y   m ec hani sm s,"  in   IEEE  Tr ansactions   on  Industria l  Informati cs ,   vo l.   12 ,   no .   6 ,   pp .   2 186 - 2195,   2016 .   [32]   C.   M.  Pint ea,  P.  C.   Pop ,   and   I.   Z el in a,   "D enial  jam m ing  at ta cks  o n  wire le ss   senso r  net work  using  sensiti ve  age nts , "   in  Logic   Journal   of the   IGPL ,   vo l .   24 ,   no .   1 ,   pp .   9 2 - 103,   2016 .   [33]   G.  Han,   X.  Li,  J.   Jiang,   L .   Shu ,   a nd  J.  Ll ore t ,   "Int rusion  det ection  al gorit hm   base d  o n  nei ghbor  info rm at ion  against  sinkhole   at t ac k   i n  wire l ess sensor ne tworks,"  in  T he  Computer  Jo urnal ,   vol .   58 ,   n o.   6 ,   pp .   1280 - 1 292,   2015 .   [34]   Te j ashwini  N,  D.  R.   Shashikum ar ,   and  Sat y an aray an  R edd y   K ,   "M obil e  comm unic a ti on  sec ur ity   using  Gali os  Fiel d   in  el l ip tic  cur v e  Cr y ptogr aph y , "  I nte rnational   Co nfe renc e  on  Eme rging  Re search  i n  El e ct ronics,   C omputer   Sci en c e   and  Technol og y ,  pp.   251 - 256,   20 15.   [35]   L.   B .   Oliv ei r a,  et  al . ,   "S ecL EACH  -   A  ra ndom   ke y   distr ibut ion  solu ti on   for  sec ur ing  cl uster ed  sensor   net works , "   F if th   IEE E   Inte rnat io nal  Symposium  on  Net work   Computing  and   Appli cat ions ,  pp.   145 - 154,   2006 .       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS        T e j a s h w i n i   N . ,  sh e   h a s   c o m p l e t e d   h e r   B .   E   f r o m   S V C E ,   B e n g a l u ru   K a r n a t a k a   a n d   M .   T e c h   i s   f r o m   D r .   A I T ,   B e n g a l u r u ,   K a r a n a t a k a ,   s h e   h a v i n g   s i x   ye a r s   o f   t e a c h i n g   a n d   r e s e a r c h  e x p e r i e n c e   i n   r e s p e c t i v e   e n g i n e e r i n g   c o l l e g e s   u n d e r   Visvesvara ya  Te chno logi c al   Univer sit y ,   Bel ag avi ,   Karn a ta ka ,   India.  Her  int ere st  include s  Digit al   image   comm unic at ion ,   W ire le ss   comm unic at ion,  W ire le ss   sensor   net work  and  Opera t ing  s y stem.   Curre ntly   she  i s  pursuing  her   rese ar ch  for   PhD   under   Vis vesva ra y a  Tech nologi c al   Unive rsit y ,   Belagav i,   Karna ta k a.  She   has  publ ishe d  her   work   in   va rious  interna t ion al   conf er enc es   a nd  journals.         D .   R .   Sh as hi  Kumar,   Curre ntll y   working  as  a  Profess or  and  H OD ,   Depa rtment   of  CS E,   Cambridge  Insti tut e  of  Technol og y ,   Bengaluru,  Karna ta k a,   Ind ia .   He   has  m ore   tha n  2 9   working  in  v ar ious  ca p ac i ti es .   He  has  More   tha n   20   Rese arc h  Pap ers  (Nati on al   and   Inte rna ti ona l)   i n  his  cre dit   a nd  has  cha ire d   nat iona l  and   int ern ationa l  conf ere n ce s.     He  has  publi sh e d   10  rese arc h  p a per s  in  r efe r ee d  Inte rna ti ona l  T e chni c al   Journa ls   with  good     Im pac t  factor.  His  rese arc h   int ere st  area   is  Digit al   I m age   Proce ss ing,   Com pute r    Networks -   Specializa t ion   Mic rop roc essors ,   Dat a M ini ng,   and  Neu ral   Ne tworks.         K .   S atyana r ayana  Reddy ,  Curre ntl l y   work i ng  as  a  Profess or  and  HO D,  Depa rtment  of   ISE,   Cambridge  Instit ute  of  Tech nolog y ,   Beng al u ru,   Karna ta ka ,   I ndia .   He   has  m ore   tha n  2 5   y e ars  of  expe rience   in  acade m ics   in  the   fie ld  of  Com pute r  Scie nce .   He  has  m ore   tha n   25   Resea rch   Pap ers  (Nati ona l  and  Inte rna ti ona l)   in   his  cre di t  and  has  cha ir ed  na tional  an d   int ern at ion al   co nfe ren c es.   De li v ere d  Ke y no te   a ddre ss   in  few  nat ion al   l evel  c onfe ren c es.     His  are a  of  i nte rst  is  Artif i ci a l  Intelli g ence  and  Robot ics ,   Com pute r  Networks,     Data   Com m unic ations,  Softwa re  Eng ine e ring,  The or et i cal  C om pute r  Scie n c e,   W ir el ess     Sensor Net works .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.