I n t ern a t i o n a l   J o u rn a l   o f   A d v a n ces   i n   A p p l i ed   S ci en ces   ( I J A A S )   V o l .   7 ,   N o .   2 ,   J une   201 8 ,   p p.   1 35 ~1 4 2   I S S N 225 2 - 88 14 ,   D O I:   10. 115 91 / i j aas . v 7 . i 2 . pp 13 5 - 1 42       1 35       Jo u r n al   h om e pa ge h t t p : / / i a e s co r e . c o m/ o n l i n e / i n d e x . p h p / I J A A S   B ui l di ng  F a ul t  T o l era nce W i t hi n W s n - A  T op ol og M od el       M .   S ai   R am K r i s h n a,   C h .   Jn an G a ya t h r i ,   K .   L a xm i   P al l avi   R ao   D e pa rt m e nt  o f E l e c t ron i c s   a nd C om put e r E ngi n e e ri ng,  K . L U n i v e r s i t y ,   V i j ay a w ad a ,  I n d i a .       A rt i cl I n f o     A B S T RA C T   Ar t i c l e   h i s t o r y :   R ecei v ed   D ec   14 ,   2 01 8   Re v i s e d   A p 2 1 ,   20 1 8   A ccep t e d   Ma y   17 ,   2 01 8     W i re l e s s  S e ns or ne t w ork pl a y s  a  c ru c i a l  rol e   w hi c h he l ps  i n   vi s ua l i z i ng,   proc e s s i ng,   a nd  a na l y z i ng t h e   i nform a t i on w i r e l e s s l y .   W S N  i s  a  ne t w ork  w hi c h c ons i s t s  of huge  a m ount  of s e ns or de vi c e s  w hi c h a re  of l o w  c os t  a nd  l ow  pow e re d a l s o know n a s  s e ns or node s .  T he s e  t y pe  of n e t w orks  a r e   ge ne ra l l y  us e d i n re a l   t i m e  a pp l i c a t i ons  s uc h a s  m oni t ori ng of e n vi ronm e nt a l   c ondi t i ons ,  m i l i t a ri e s ,  i ndus t ri e s   e t c . ,  . but  t h e  pro bl e m  t ha t  e x i s t s   i n W S N  i s   m a y  b e  due  t o d i ffe re nt  fa i l ure s  s uc h a s  nod e  fa i l ure ,   l i nk f a i l u re ,   s i nk fa i l ur e ,   i nt e rf e re n c e ,  po w e r di s s i pa t i on  a nd c ol l i s i on.  If  t he s e  fa ul t s  a r e  una bl e  t o   ha ndl e  t h e n t he   de s i re d ne t w ork  c ri t e ri a ’s  m a y  no t  be  re a c he d pro pe rl y  w hi c h   re s ul t s  i n i ne ff i c i e nc y  of t he  ne t w ork.  S o,  t he  m a i n i de a  be hi nd t h e   i nve s t i ga t i on  i s  t o form  a  di ffe r e nt  ne t w orki ng  t o pol og y  w hi c h w orks  i n t he   e ve nt  of f a i l ur e   Ke y wo r d :   F a u l t   T o l e r a n c e     T o pol ogy   W i r el es s   S en s o r   N e t w o rk   Copy r i ght  ©  201 8   Ins t i t ut e  o f   A d v anc e d  E ngi n e e r i ng and S c i e nc e   A l l  ri g h t s re se rv e d .   C or r e s po n di n A u t h or :   M .   S a i   Ra m a   K r i s h n a ,     D e pa r t m e nt   of   E l e c t r oni c s   a n C om put e r   E n gi ne e r i n g ,   K . L   U n i v e rs i t y ,   Vi j a y a wa d a ,   I n d i a .   E m a i l :   dr m r a m a kr i s hna a @ gm a i l . c o m       1.   I N T R O D U C T I O N   W i re l e s s   S e n s o r   N e t w o rk s   ( WS N s )   pl a y   a   not e wo r t hy   pa r t   i p r e s e nt   da y   i nn ova t i on   w hi c act s   as   a   br i dge  be t w e e t he  p hy s i c a l   a n vi r t ua l  w o r l ds .   T h es e  s en s o r s  ar s m al l  w i t h  r es t r i ct ed  p r o ces s i n g  an d   c om put i ng r e s ou r c e s  w hi c h  a r e  i ne xpe ns i ve  a nd  he l ps  i s e ns i n g,  pr oc e s s i ng ,  a n d a g gr e ga t i n g  t he   i nf or m a t i on f r om  t he  e nvi r o nm e nt ,  ba s e on  t he   r e qui r e m e nt  t he y  c a n   t r a ns m i t  t he  s e ns e da t a .   A  W i r el es s   S en s o r  N et w o r k  i s  a s el f - de s i gni n g ne t wo r k of  l i t t l e  s e ns or  n o de s  w hi c h he l ps  i n c on ve y i ng a m ong  t he m   u t i l i z i n r a di s i gna l s ,   de pl oy e i qua nt i t y   to  de t e c t ,   m oni t or   a n u n de r s t a nd  t he   p hy s i c a l   w o r l d.   I ge ne r a l   a   ne t w or k c o ns i s t s  o f   hu ge  c o m pone nt s   w hi c h a r e  t o   be  i nt e r - c o n ced ed   f o r   r em o t e s en s i n g  an d  t r an s m i t t i n g   i nf or m a t i on of  da t a  t o t he  s e r ve r   whi c h i s  l o c a t ed  f ar  a w ay  an d   r e c e i vi ng  da t a  f r om  t he  s e r ve r  a de pe n di n g   on t ha t  t he  l o c a l  e nvi r o nm e nt a l  c o ndi t i o ns  w i l l  be  c ont r ol l e d.   W S N s   e ve n  w or k i c r uc i a l  e n vi r o nm e nt s   w h i c h  ar s u b j ect ed  t o   d i f f e r en t  f ai l u r es  b y  s ev er al  l ay er s  i n  a f r am ew o r k .  S u p p o s e i f   a n o d e   w hi c h s ho ul t r a n s m i t  d a t a  i s  i n  a  f a i l u r e  c o n d i t i o n  t h e n   a l l  t h e  o t h e r   n o d e s  w i l l  b e   w a i t i n g  f o r  t h e   d a t a  t o  g e t   r e c e i v e d .   W S N  m us t  be   f r e e  f r om  f a ul t s .  T he  ne t wo r k   m us t  be  r e c ov e r e d f r om  t he   f a ul t  a s  s oo n a s  pos s i bl e  whe n t he   f au l t  o ccu r s .  A  W S N   ca n  b m a de  t o be   ope r a t i n un de r   no r m a l  c ond i t i ons  e ve n  w h e n a   f a ul t  oc c ur s  by   im pl e m e nt i ng f a ul t  r e c o ve r y  t e c hni q ue s .  F a ul t s  c a n ha p pe n w i t hi W S N  i nvol vi n g m a ny  c om pone nt s  of  t he   ne t w or k.  Di f f e r e nt  f a ul t  t ol e r a nc e  t e c hni qu e s  w he n i nt r od u c e d i nt o t he  s y s t e m   m a k e t h e W S N  m o r e r e l i ab l e.   R e pl i c a t i on ha s  be e n o ne   of   t he  m a jor  c o n c e pt s  t ha t  ha v e  be e n i m pl e m e nt e ove r  t he  t im e  f or  m a king t h e   W S N  f a u l t  t o l e r a n t .   T he  Q u a l i t y  of  W S N   m a y  s uf f e r   d ue  t o t he  i nt r od uc t i o n o f  r e du n da nc y   wi t h i n t he   w i r e l e s s  n e t w o r k s .   A   t y p i c a l   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r k   i s   s h o w n   i n   F i g u re   1.   W S N  N ode :  A  W S N  n o de ,  ot he r w i s e  c a l l e d a  bi t .  I t  i s  a  no de  i n a  s e ns or   s y s t e m   t ha t  i s   s up pl i e d f o r   pe r f o r m i ng  s o m e   ha n dl i n g ,   g a t he r i n a c t ua l   da t a   a nd   s pe a k i ng  w i t ot he r   a s s oc i a t e n od e s   i t he   s y s t e m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S   V o l .   7 ,   N o .   2 ,   Ju n e   201 8 :   13 5     142   1 36       Fi g ur e   1.   T y p i cal   W S N       B a s e  s t a t i on:   T he   ba s e   s t a t i on  s h o ul pe r f o r m  c o m put a t i ons ;   hi g he r   m e m or y  i s  r e qui r e d  a n d i s   f r e q u e n t l y  as s o ci at ed  w i t h   b et t er  co n t i n u i t y  s o u r ce t h a n   b at t er i es .   O n e ca n   l o o k  at  t h b as e s t at i o n  as  a n   ar ea   poi nt   t t he   W S w he r e   t h e   ba s e   s t a t i o n ' s   f u n d a m e n t a l   t a r g e t   i s   t o   c o l l e c t   d i s t i n g u i s h e d   d a t a   s t r e n g t h   n o d e s   i n   W S N .   T he   m a in  r ol e   of   ba s e   s t a t i on  i s   t o   t r a n s f e r   t he   r e c e i ve da t a   f r om   no de s   t t he   s e r v e r .   A p p l i c a t i o n  s e r v e r :   D ev el o p m en t   a nd i m ple m e nt a t i on of   di f f e r e nt  a ppl i c a t i ons  w h i ch   ar e r el at ed  t o   r eal   t i m ap p l i cat i o n s  n eed s   t h e u s e   o f  W i r el es s  S en s o r   N et w o r k s  ( W S N ) .   T h e u n i q u e f eat u r e o f   t h es a ppl i c a t i o ns   i s   t u s e   W S N   t o   c ol l e c t   a n pr o c e s s   t he   i nf or m a t i on  c ont i nu o us l y       1 . 1 .     C h a r a c t e ri s t i cs   o f   W i re l es s   S en o N et w o rk s   W S N   ar c h a r a ct er i zed   b y   m an y   i n t r i cat i s s u es   w h i c h   al l   h av b ear i n g   o n   i t s   f a u l t   t o l er an ce.   E ac h   o f  t h e c h ar act e r i s t i cs   m u s t  b e t ak en  i n t o  ac co u n t  an d  an al y zed  t o  u n d e r s t an d  t h e ef f ect  o f  t h e s am e o n  i t s   be ha vi o r   w he n  a ny   of  t he  f a ul t  oc c ur s .   S o m e  of  t h f eat u r es  t h at  a f f ec t  t h e f a u l t  t o l e r an ce  b e h a v i o r  ar a s   s ho w be l o w :   a.   A b i l i t y   t o   a d a p t   t o   h u b   d i s a p p o i n t m e n t     b.   S om e   po r t a bi l i t y  of   h ubs     c.   H e t e r oge ne i t y   of   h u bs     d.   A da pt a bi l i t y  t o   h uge   s i z e   of   s e ndi ng     e.   A b i l i t y   t o   w i t h s t a n d   s e v e r e   e n v i r o n m e n t a l   c o n d i t i o n s   f.   E a s e   o f   u t i l i z a t i o n     g.   Cr o s s - l ay er  p l an     1 . 2 .     T he   ne e d   f o r   bui l di n g   f a ul t   t o l e r a nc e   w i t hi W S N   N e t w o r ks   W S N   ar b ei n g   u s ed   f o r   m an y   cr i t i cal   an d   m i s s i o n   cr i t i cal   s y s t e m s ,   f ai l u r o f   w h i c h   m a y   s o m et i m es   l e a d s  t o   d i s a s t r o u s  s i t u a t i o n s   a n d   W S N  l e a d  t o  g r e a t  l o s s e s  i n m a ny  f or m s .  W S N s  a r e  be i n us e d f o r  m a ny  p u r p o s es   w h i ch  ai r cr a f t  m an ag em en t ,  V eg e t at i o n ,  w h et h e r  f o r ecas t i n g ,  T r af f i c m an ag em en t  an d  c o n t r o l  et c.   W S N  ar b ei n g  u s ed  e x t en s i v el y  f o r  r eal  l i f e an d  r eal  t i m e d at a acq u i s i t i o n .  T h W S N   n et w o r k s  a r e d el i cat a s  t he  ne t w o r ks  a r e  e s t a bl i s he d us i ng t i n y  a nd f r a gi l e  de vi c e s  a n d g e ne r a l l y  q ui t e  pr one   f or   f a i l ur e s .   T h er e f o r e i t  i s  n eces s a r y  t h at  W S N  ar b u i l t  co n s i d er i n g  t h e f ai l u r es   o f  t h e d ev i ces   u s ed   f o r  n et w o r k i n g .  I t  i s   ne c e s s a r y   t o   b ui l a s   m uc f a ul t   t ol er a n ce  as   p o s s i b l i n t o   W S N   s o   t h at   t h n et w o r k s   c an   b m ad t o   w o r k   as   m u c h   r e l i a b l y   a s   p o s s i b l e .     1 . 3 .     P r o b l e m   d e f i n i t i o n   T h er e  ar v ar i o u s  t ech n i q u es  ex h i b i t ed  i n  t h e r eal at ed  w o r k   f o r  i n c r eas i n g  t h e f au l t  t o l er an ce  o f  t h e   W S N   ne t w o r a nd  n one   of   t h e   s t r a t e g i e s   p r e s e n t e d   h a v e   p r e s e n t e d   v e r i f i a b i l i t y   o f   t h e   f a u l t   t o l e r a n c e   l e v e l s   o f   t he   W S ne t w or k.  T he   pr o bl e m  i s  t o di s c o ve r  t he  p r oc e d ur e s ,  t e c h ni q u e s  a n d m e c ha ni s m s  ut i l i z i ng w hi c h   t he   W S N  c a be  m a de  t o be  f a ul t  t ol e r a nt   a nd  ve r i f i a bl e .  I n t hi s  pa pe r   t w o t e c h ni que s  ha ve  be e pr o pos e d   us i n g w hi c f a ul t  t ol e r a nc e   l e ve l s  c a n be   c om put e d.  T h e  f a ul t  t ol e r a n c e  pr oc e s s e d by  bot h t he  m e t ho ds   p r o v i d e s   f o r   v e r i f i a b i l i t y   o f   t h e   Re l i a b i l i t y   o f   t h e   W S N   n e t w o r k s .       2.   R ELA TED   W O R K   W S N   a r e   s m a l l   d e v i c e s ,   l o w   c o s t ,   l i m i t e m e m or y ,   l ow   po w e r ,   a nd   l o w   p o w e r   c o ns um pt ion  de vi c e s .   T h e  m a i n  a i m  o f  t h e  s e n s o r  n e t w o r k s  i s  t o  p r o v i d e  r e l i a b i l i t y ,   m a i n t a i n a b i l i t y ,  a v a i l a b i l i t y  [ 1 ] .  I n  g e n e r a l   t he r e   wi l l  be  f a ul t s  w hi c h  m a y  oc c ur   d ue  t va r i ous  f a c t or s  s uc h  a s   n o de   f a ul t ,   s i n f a ul t ,   n e t w o r k  f a u l t s .   S us hr ut a  M i s h r a  e t ,  a l . ,  ha ve  e xpr e s s e d t ha t  W S N  c a n b e   s ub je c t e d t m a ny  f a ul t s  a nd a l s pr o vi d e d a ove r vi e w  on v a r i o us   f a ul t   de t e c t i on  a n r e c ove r y  s y s t e m s   whi c h he l ps  i n  c ont i n ui n g t he  ope r a t i o n n or m a l ly  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     IS S N :   225 2 - 88 14       B u i l d i n g   F a u l t   T o l e r a n c e   W i t h i n   W s n - a   T opo log y   M od e l   ( M .   S a R am K r is h na )   1 37   i n t he  e ve nt  o f  s om e  s y s t e m  c o m pone nt  f a i l ur e s .  T he  t wo m e t hods  us e f o r  f a ul t  r e c ove r y  a r e  A c t i ve   r e pl i c a t i on i whi c h a l l  or  m a ny  no de s   pe r f or m  s a m e  f unc t i ona l i t y .  I f  a n y  node   f a i l s  t he n a l s o r e c e i ve r  wi l l   ge t  r e s ul t s  f r o m  ot he r  n ode s  a nd t he  P a s s i ve  r e pl i c a t i on  i nv ol ve s  P r i m a r y  r e pl i ca r ece i v i n g  al l  r e q u e s t s  an d   pr oc e s s  t he m  a c c or di n gl y .   S am i r a   [2 ]   de s c r i be d a bo ut  r out i ng s ol ut i o ns  f or  f a ul t  t ol e r a n t  w hi c h i nc l ud e s  r e - t r a ns m i s s i on,  i n w hi c h t he  s ou r c e  n ode  s e nds  t he i r  da t a  ove r  a n de ve l ope d pa t h,  a n d i f  t hi s  pa t h f a i l s  t fo rwa r d  t h e   da t a  t he n t he  s o u r c e  a ga i r e t r a ns m i t s  t hos e  d a t a  t hr o ug h di f f e r e nt  pa t h .   T h e s eco n d  t ech n i q u e i s   t he  da t a  r e pl i c a t i on w hi c h s e nds   di f f e r e nt  c opi e s   of  t he  s a m e  da t a  ove r   m ult i pl e  pa t hs .   S m al l  s ca l e s en s o r   ne t w or ks  w hi c h c om pr i s e s  o f  hu ge  a m ount  of  s e ns or s   de pl oy e d o ve r  a  s m a l l  a r e a  w hi c h i s  ba s e d o E ne r gy   an d   f l o w  m an a g em en t  i n  s m a l l  s cal e W S N ,   D at a m an ag e m en t  i n  s m a l l  s c al e s en s o r  n et w o r k s  an d  C o v er a g e   a l o n g  w i t h  c o n n e c t i v i t y  i n  s m a l l  s c a l e  n e t w o r k s   w h i l e co n s i d er i n g  t h L ar g e S cal e w i r el es s  s en s o r   n et w o r ks   ( L S   W S N s )   w hi c c om pr i s e s   of   t ho us a nd s   o f   s e ns o r s   a r e   a l s b a s e o va r i o us   o b je c t i ve s   of   E n e r g a nd   f l ow  m an ag em en t .   A H i l a e t   [ 3]   ha ve   pr e s e nt e d   a ut om a ti c   pa th  r e c o ve r y   a nd   e f f i c i e nt   r o ut i ng  a l g or i t hm s   to  m a ke   t h e   W S N  f a u l t  t o l e r a n t .   F a u l t  t o l e r a n t   m u l t i p a t h   r o u t i n g  s c h e m e  f o r  e n e r g y  e f f i c i e n t   w i r e l e s s  s e n s o r  n e t w o r k   ( F T M R S )  i s   b a s e on  m ul t i pa t h da t a   r out i n g s c he m e  i n w hi c o ne   of  t he  s h or t e s t   pa t h i s  us e f o r  m a in  da t a   r o ut i n g a nd  i t he  ot he r  t w ba c k u pa t hs  a r e   us e d  a s  a l t e r na t i ve  pa t f o r  f a ul t y  ne t w o r k a nd  t o  ha n dl e  t he   ove r l oa de d t r a f f i c  o n m a i n c ha n ne l .   M a na s vi   [ 4 ]  e x p l a i n e d  t h a t   w i r el e s s  d ev i ces  a r e  b at t er y  p o w er ed  f o r   m a i n t a i n i n g  p r o t o c o l s  i n  a n  e f f i c i e n t  m a n n e r .  F l o o d i n g  i s  a  t e c h n i q u e  w h i c h  c o n t i n u e s  u n t i l  t h e  d e s t i n a t i o n   no de  i s  r e a c he w hi c h r e s ul t s  i n im pul s i on  or  o ve r l a p.   W he n s a m e  r e gi on i s  s e n s e b y  t w o s e ns or s   a nd t he   s en s e d   d at a i s  b r o a d cas t e d  a t  t h e s am e t i m e,  t h e  n ei g h b o r s   w i l l   r ecei v e   t h e d u p l i cat e d  p ac k et s   w h i c h  a re   ove r c om e  by  g os s i pi ng .  I g o s s i pi n w he n a  pa c ke t  i s  r e c e i ve d,   a  s e ns or   wo ul d  s e l e c t  o ne   of  i t s   ne i g h bo r s   r a n d om ly  a nd s e n d t he  pa c ke t s  t o ne i gh bo r .  T hi s  pr oc e s s  c ont i n ue s  u nt i l  a l l s e ns o r s  r e c e i ve  t hi s  pa c k e t  but   t h er e i s  a  d el a y  p r o b l em  i f  t h e n o   o f  n o d es  g et  i n c r eas ed .   T i ng Y ua n   [ 5 ]  pr e s e nt e d t he  s e c ur i n g o f  t h e  d a t a   t hr ou g i nt r o d uc i n f a ul t   t ol e r a nc e   wi t hi W S N.   T he   p os i t i on  of   a gg r e g a t i ng  a n f or w a r di ng  t he   i n f o r m a ti on   i s  k n o w n  a s  s i n k .  A  n o d e  c a n ' t  b e  e a c h  a   s i n k   a n d  a  s o u r c e  d u e  t o  t h e  f a c t  t h i s  w i l l  s u b s t a n t i a l l y  d i s s i p a t e  t h e   c on s t r a i ne d po we r   a n s e c u r i t y  s t r e n g t h  i s  a   k ey  m an ag e m en t  s ch em e,  t a m p er - r e s i s t a n t  h a r d w a r e  i s  s t i l l   e c on om i c a l ly   m i s t a ke t o be  a ppl i e d i n l o w - f e e  s e ns or   n ode s ,  m a ki ng no de  c a pt ur e  e ve n m or e  a ppe a l i ng t put   i nt e f f e c t .       3.   E X I S TI N G   W I R ELES S   S EN S O R   N ETW O R K S   A  W i r el es s   S en s o r  n et w o r k   i s   m a i nl y  us e f o r  c ont i nu o us  m oni t o r i n g a n p r o c e s s i ng  t h e   i nf or m a t i on,  i n ge ne r a l  t he r e  a r e  s o m a ny e xi s t i ng  W S N i n w hi c o ne  o f  t he   a p p l i c a t i o n s   i s  d e t a i l e d  i n   F ig ur e  2   w h i c h  s p r i n k l i n g  o f   w a t e r  a n d   p e s t i c i d e  f o r  t u r m e r i c  p l a n t a t i o n   d e p e n d i n g   o n  t h e  r a n g e   of  h um id ity  e x i s t e n c e .   A f t e r  s e n s o r  s e n s i n g  t h e  e x i s t i n g   h u m i d i t y  v a l u e  t h e n  i t  i n i t i a l i z e s  t h e  s p r i n k l i n g   o f   w a t e r  i f  i t  i s   be l o w t he   pr e de f i ne d .  T he  e nt i r e   da t a  i nc l udi ng  d a t e ,  t i m e ,  h um i di ty  r a n ge ,  l a t i t ude  a n d l on gi t u de ,  w a t e r   pum pe d a r e  s e nt  us i n g b a s s t at i o n s   v i a i n t er n et  t o  t h e  m ai n  s er v e r .  T h e d at w i l l  b an al y zed  a n d  i f  a n y   s pe c i f i c  i ns t r uc t i ons  r e qui r e w i l l  be  s e nt  t o t he  f o r m e r s  t hr ou g h S M S  m e s s a ge s  a nd t he   e nt i r e  da t a  r e c e i ve d   w i l l  b e  s t o r e d   a t  t h e   m a i n  s e r v e r .  Co n n e c t i v i t y  o f  t h e  m a i n  s e r v e r  a nd t he  ba s e  s t a t i on i s  a c hi e ve d t h r o ug h a   c a bl e  c o n ne c t i on   o r   us i n a   c om bi na t i on  of   W i - F i / Ce l l u l a r  i n t e r f a c e .           F ig ur e   2 .   E xi s t i ng  W S N       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S   V o l .   7 ,   N o .   2 ,   Ju n e   201 8 :   13 5     142   1 38   3 . 1 .   Tr e e   To p o l o g y   T he   i n ve s t i ga t i on  pr e s e nt e i n   t hi s   pa pe r   s h o ws   h o w   t he   r e l i a bi l i t y   of   a   W S N   c a be   e n h a nc e ba s e on  ne t w or ki n g  t opol ogy .  T s t a r t  wi t h F a ul t  t r e e  f or  t he  e xi s t i ng  W S N  i s  de ve l ope d a n d o ve r a l l  f a ul t  r a t e  i s   c om put e d.   T he  f a ul t   t r e e   di a gr a m   f or   t he   e xi s t i n W S N   i s   s h ow i F i gu r e   3.             F ig ur e   3 .   T r e t op ol o gy   i NS 2       B y   de ve l o pi n t he s e   t y pe   o f   t r e e   t op ol o gy   wi l l   r e s ul t   i hi g h   pa c ke t   l os s ,   l o w   t hr o ug h put ,   hi g de l a y   e t c . ,   s i o r de r   t a voi t he s e   t y pe   of   f a ul t s   w hi l e   t r a ns f e r r i n da t a   w e   a r e   opt i n a n ot h e r   t op ol o gy   kn ow a s   but t e r f l y  t opol ogy  w hi c h i s  ha vi ng m ul t i ple  num be r  of  i np ut s  a n d o ut put s  w hi c wi l l  he l p i n t r a ns f e r r i n g   i nf or m a t i on  i a ny   pa t h.       4.   I M P LEM E N TI N G   B U TTER - F L Y   TO P O LO G Y   W I T H I N   W I R ELES S   N ETW O R K S   I t  i s  pos s i bl e  t ha t  t he  f a i lur e  r a t e  o f  t h e  ne t w o r k c a n be  r e d uc e d  by  im pl e m e n t i ng di f f e r e n t   t op ol o gi e s  t ha n t he  t r e e  t o p ol o gy  us e d f or  t he  s a m pl e   W S N .   M u l t i - s t a ge  ne t wo r k s  a r e  c om m onl y  us e d t co n n ect   s et   o f   i n p u t s   t o   s et   o f   o u t p u t s ;   t h e   co n cep t   as   s u c i s   s i m il a r   t c l ou c om put i ng .   T he   c on ne c t i vi ty  i s  e s t a bl i s he d t hr o ug h l i nks   b e t we e n c om put i ng a n d s wi t c h i ng s y s t e m s .  T he s e  ne t wo r k s  us e  2  X 2 s w i t c he s .   E a c h s w i t c h t a ke s  t w o i n pu t s  a nd  pr o duc e s  2 o ut p ut s   vi a  di f f e r e nt  c on ne c t i o ns  ( S t r a i g ht ,  c r os s ,   up p e b r o a d c a s t  a n d   t h e  l o w e r  b r o a d c a s t .   A   b u t t e r  f l y  n e t w o r k  i s  a  m u l t i - s t a ge  ne t w or ks .  N u m be r  of   s t a ge s  us e d   de pe n ds   o t he  ki n o f   c on ne c t i vi t y   r e qui r e d .     A   but t e r f l y  t op ol o gy  w hi c u s e s  4  s t a ge   ne t w o r k s  h a s   be e n c ons i de r e d a nd  t he  s a m e  i s  f i t t e d i nt o  a   W SN   ne t w or k.   A   s w i t ch   b o x   i n   s t ag e   “I ”  i s   co n n ect ed   w i t h   t h l i n k s   t h at   ar at   d i s t an c o f   2 a p a rt .   T h e   4   but t e r f l y   ne t wo r k   i s   a c hi e v e t h r ou g t w o   X   ne t w o r k s .   T he   pr o ba bi l i t y   t ha t   o ne   of   t h e   pa t h s   e xi s t s   f or   c o n ne c t i ng   t a   W S n ode   c a be   c om put e d   as     A c  =  2 k ρ l   Φ (k )                   ( 1)     w h e r e   k   =   N u m b e r   o f   s t a g e s ,   ρ  =   p r o b a b i l i t y   t h a t   a   n o d e   f a i l s   a n d   Φ ( k )   i s   t h e   p r o b a b i l i t y   t h a t   t h a t   a   s w i t c h   bo i t he   s t a g e   K   c a f a i l .   Φ ( k )   c a be   c om put e us i n t he   e q ua t i on   ( 2) .     Φ (k =   1     1 -   ρ Φ ( k - 1) 2                 ( 2)     T he   b ut t e r f l y   n e t wo r c o n ne c t e f o r   f i t t i ng  t he   s a m pl e   W S N   ha s   be e s h o w i F igur e   4 .   T h e   b u t t e r   f l y  ne t wo r ha s  be e n e s t a bl i s he us i n g 4 X  4 ne t w or k c o nt a i ni n g 4 s t a g e s .   T he   4 X  4 ne t w or ha s  b e c om e   n e c e s s a r y  d u e   t o  t h e  a v a i l a b i l i t y  o f  8  e l e m e n t a r y  l e v e l s  of   i np ut s  a nd  4 di f f e r e nt  t y pe s  o f  out put s  r e q ui r e d t m ak t h n et w o r k   r el i ab l a n d   a v ai l ab l e.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     IS S N :   225 2 - 88 14       B u i l d i n g   F a u l t   T o l e r a n c e   W i t h i n   W s n - a   T opo log y   M od e l   ( M .   S a R am K r is h na )   1 39       F i gu r e   4.   S a m p l e   b u t t e r f l y   n e t wo rk       U s i n g t he  e q ua t i on ( 1 )  a n d e q ua t i on  ( 2)  t he   pr o ba bi l i t y  of   s uc c e s s  t ha t  a t   l e a s t  one   pa t h   e xi s t s  f r om   i np ut   p oi nt   t a out put   ha s   be e c om put e a s   0. 8 1.     F r o m  th e  F igur e  5   i t  c a n b e   s e e n t ha t   6 e xt r a  s wi t c he s  h a ve  b e e n i nc l u d e d i nt W S N   ne t w or k t o   m ak m o r f a u l t   f r ee.           F i gu r e  5.   M o d i fi e d   WS n e t w o rk - Bu t t e r f l y   t o p o l o g y - H i er ar ch i cal   m o d el       W e d e v el o p ed   but t e r f l y   n e t w o r k   i n N S 2 w he r e  w e   a r e  obt a i ni ng  Hi g t hr ou g hp ut ,  de l a y   i n   t r an s f er r i n g   p a ck et   i s   l es s   a n d   p ac k et   d el i v er y   r a t i o   i s   h i g h   w h i c h   i s   s h o w n   i n   F i g ur e   6 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S   V o l .   7 ,   N o .   2 ,   Ju n e   201 8 :   13 5     142   1 40       F i gu r e  6.   Bu t t e r f l y   n e t w or k   in  N S 2       5.   S O F T W A RE   P L A T F O RM   5 . 1 .     N e t w or k   s i m u l at or ( N S 2)   T h e  s c e n a r i o   o f  a s s a y   o f  t h e  s y s t e m  i n  t h e   d i g i t a l  e r a  i s  p r i m l y  b a s e d   o n  t h e  s i m u l a t i o n ,  t h e   s i m u l a t i o n   w h i c h  e x e m p l i f i e s  t h e  s y s t e m   d e s i g n  m o d e l   i l l u s t r a t e s   t h e  s y s t e m  f u n c t i o n i n g   a n d   i t s   a c c om pa ny i ng  out p ut .  S i m ul a t i on e x hi bi t s  t he  c om pr e he ns i ve  w a y  of   d e s i gni n g t he  s y s t e m  a nd t he  wa y  i t s   ope r a t i n g de s i r e d t o i t s   ob j e c t i ve  w hi c f a c i l i t a t e s  t he  us e r   w i t h t h e  c onc e pt  o f   l e a r by  doi n g.  T he   a c c om pl i s h m e nt  of  t h e  s im ul a t i on i s  a na l o g ous  t o a  c hi l be ha vi o u r .  T h e  a pp r oa c h t t he  s im ul a t i on  i s  t he   w a of   i n te r c o m m uni c a t i ons   be t w e e m a ny   e nt i t i e s   a nd   w h i c de pi c t s   i n   t he   de s i r e out c om e .     5 . 2 .     I m po r t a nc e   o f   N S2   T he r e  a r e  p r e v a l e nt  V a r i a n’ s   i n t he  e r a   of   n e t w o r k s i m ul a tor s  a n d i n w hi c h s om e  of  t he  s e que l  a r e   ns - 1,   ns - 2,   n s - 3.  T he   ne t w or k  s im ul a t or  ha s   t he i r  o w s i g n i f i can ce i n  al l  as p ect s   o f   d o m a i n s ,   b u t  i n  t h er a o f   t e a c hi ng  a nd  r e s e a r c h  i t  i s   p r e d om i na nt  a n d a l l   of  t he  ve r s i o ns  a r e  e m pl oy e d a s   pr i m e  s i m ul a t or s  f or  t h e   c om put e r  t e c h nol ogy .   I n t he   ne t w or ki n do m a i n t he  N e t w or k s i m ul a t or s  i s  a  di ve r s e  s i m ul a t or  e x hi bi t i ng a   s i gni f i c a nt   out c om e .     5 . 3 .     N S2   I ns t a l l a t i o ns   a n Se t up   a.   I ns t a l l   U b unt 12 . 0 4   b.   D o w nl oa NS - 2 . 3 5   ( h t t p : / / s o u r c e f o r g e . n e t / p r o j e c t s / n s n a m / f i l e s / a l l i n o n e / n s - a l l i n o n e - 2. 35 /ns - a l l i n o n e - 2. 35 . t a r . gz / d o w nl oa d )     c.   U nz i or   u nt a r   i t   t a ny   f ol de r   ( r e c om m e nde d   i s   / hom e / l ogi nna m e )   us i ng   t he   f ol l o wi n c om m a nds   o ne   by   one   s ud a pt - ge t   u pda t e   d.   U s i n c c om m a nd  go   i nt o  a pp r op r i a t e   f ol d e r ,   w he r e   t he   . gz   f i l e   e xi s t s ,   a nd   t he e xe c ut e   be l o w   c om m a nds   ta r   z xv f   ns - a l l i n o n e - 2. 35 . ta r . gz     s ud a pt - g e t   i n s t a l l   b u i l d - e s s e n t i a l   a ut oc o nf  a ut om a ke   l i bx m u - d ev   c ns - a l l i n o n e - 2. 35   . / i n s t a l l   e.   O n c e   i n s t a l l e d   t h e   P A T H   i n f o r m a t i o n   w i l l   b e   p r o v i d e d   t o   y o u .   S o   d o n t   c l o s e   t h e   t e r m i n a l   a f t e r   i n s t a l l a t i o n   c om pl e t e ,   be c a us e   y ou   d o nt   g e t   pa t a ga i n. )   Y o wi l l   s e e   s om e   c onf i gu r a t i on  i s om e   l a s t   l i n e s   o f   c o m p l e t e d   i n s t a l l a t i o n   a s   s h o w n   b e l o w .   P l eas e p u t   / h o m e / V e r t e x s o f t / D e s k t o p / N S - I n s t a l l a t i o n / n s - a l l i n o n e -   2 . 3 5 / b i n : / h o m e / V e r t e x s o f t / D e s k t o p / N S - I n s t a l l a t i o n / n s - a l l i n o n e - 2 . 3 5/ t c l 8. 5 . 1 0/ u ni x: / hom e / Ve r t e xs o f t / D e s kt op/ N S - I n s t a l l a t i o n / n s - a l l i n o n e - 2. 35/ t k 8. 5. 1 0/ u ni x     5. D e ve l op i n N e t w o r k i n t op ol og i n   N S 2   U s i n g  t h e  e x i s t i n g  a p p l i c a t i o n  s p e c i f i c   W S N  a n d  s e p a r a t e l y  c o n s i d e r i n g  t h e   m odi f i e d hi e r a r c hy   m e t hod  na m e but t e r f l y  a p pr oa c h,  t h e  f o l l ow i n g r e s ul t s  a r e   obt a i ne d  w hi c h a d opt   t he  f e a t ur e s   o f  b ot h   t ech n o l o g i e s   i n d i v i d u a l l y   t p r o d uc e   e f f i c i e n t  r e s ul t s   a s   s ho w be l o w .   T he   no de s   i t hi s   s im ul a t i on  r e s ul t s   a r e   s am e as  ab o v e m en t i o n ed   ap p r o ach es  an d  t h e  r em ai n i n g  ar e c o n s i d er ed  a s  s e n s o r  n o d es   f o r  e f f ect i v e   f un c tion ing .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A A S     IS S N :   225 2 - 88 14       B u i l d i n g   F a u l t   T o l e r a n c e   W i t h i n   W s n - a   T opo log y   M od e l   ( M .   S a R am K r is h na )   1 41   T h d at a f r o m  n o d es  t o  s er v e r  i s   r each e d   b y  a d o p t i n g  t h e  s h o r t e s t ,  s o  t h a t  e f f e c t i v e  t i m e  i n   p e r f o r m i n g  t h e  c o m p u t a t i o n  i s  m a i n t a i n e d .   Bu t  i n  s i m u l a t i o n ,  t h e r e  w i l l   n o t   b e  a n y  s i g n  o f   f a i l u r e   o f   v i r t u a l   n o d es .  B u t  i n   p r act i cal  ap p r o ach ,  t h er e m ay  b e c h an ce  o f   o ccu r r e n ce  o f   an y  f ai l u r e . t o   v er i f y  t he  f u nc t i oni n of  p r op os e d m e t ho d a  f a ul t  c on di t i on i s  i nt r o d uc e d a t  t im e  4m i nut e s  ne a r  t ow e r . a t  t hi s  s i t ua t i on,  t he  da t a   p ack et s   m o v b y   s el ect i n g   an o t h e r   a p p r o ac h   l eav i n g   t h f ai l u r t o w e r   n o d e.       6.   S I M U LA TI O N   R ES U LTS   T he   but t e r f l y  m e t hod i s  t he   be s t   a p p r oa c h wi t c h de l i ve r s  a pp r e c i a t e   r e s u l t s   w he c om pa r e t o pi l ot   ne t w or i c a s e   o f   a ny   m ode l .   T he   f ol l o wi n F i gu r e   7   s p e c i f i e s   t h e   e n d   t o   e n d   d e l a y   i n   N s 2   s i m u l a t i o n   r e g i o n   i n d i c a t i n g   t i m e   o n   x - a xi s   a nd   de l a y   o y - ax i s .             F igu r e   7.   E nd   t e n d el ay       T h e t h r o u g h p u t  i s  es s e n t i al  p ar am et er  w h i ch  s p eci f i es  t h p er f o r m a n ce  o f  a n y  m o d el .  I f  t h e   t hr ou g hp ut  o f   a ny  a p pr oa c h i s  hi g h,  t he n  i t  i s   m or e  e f f i c i e nt  a p pr oa c h.  T he  a v e r a ge  t h r ou g hp ut  o bt a i n e d by   us i n b ut t e r f l y   a pp r oa c h   i s   ve r y   hi g unl i ke   p i l ot   a pp r oa c is   g i v e in   F igur e   8               F igu r e   8.   A v e r ag t hr o ugh pu t       T he   pa c ke t   de l i ve r y  r a t e  i n di c a t e s  t he  f unc t i oni n of  a  m e t ho d.   I f  t he   de l i ve r y  r a t e  i s  v e r y  hi g h,  i t   i n d i cat es   t h p o o r   p ac k et   l o s s .   T h e   f o l l o w i n g   F igu r e   9 .   i n d i cat es   t h p ack et   d el i v er y   r at a do pt e by   bu t t e r f l y   t e c hni q ue   i s   ve r y   hi gh   w he c om pa r e t pr e vi o us   pi l ot   a pp r oa c he s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S SN :   2 252 - 88 14   IJ A A S   V o l .   7 ,   N o .   2 ,   Ju n e   201 8 :   13 5     142   1 42       F i g ur e   9 .   P a c k e t   l o s s       T he   m a xim u m   num be r s   o f   pa c ke t s   a r e   de l i v e r e d   i b ut t e r f l y   t op ol o gy   a n d   m i nim u m   pa c ke t s   a r e   de l i ve r e i pi l ot   s e ns o r   ne t w or ks .   T he   f ol l o wi n g   d i s p l a y s   t h p ack et  d el i v er y   r at i o n   i n   F i g u r 1 0 .             F i g u r 1 0 .   P ac k et   d e l i v e r y  Ra t i o       7.   C O N CL U S I O N   F a ul t  t ol e r a nc e  w i t hi n a   W S N c a be  e n ha nc e by  w a y  of  a d di n g r e du n da nc y  a t   n e t wo r k l e ve l   r e q ui r i n ne t w or ki n ga dge t s  s uc h a s  s w i t c he s ,   b r i d ge s  a n ga t e w a y s .   T he  de vi c e s   w i t hi t he  ne t w or k whe n   c on ne c t e us i n g t he  b ut t e r f l y  l i ke  t opol ogy   w i l l  e nha nc e  t he  r e l i a bi l i t y  of   W S N ne t w o r ks .  F a ul t  t ol e r a nc e  a s   s uc c a be   i n c l ude by   wa y   of   c r e a t i n a s   m a ny   pa t hs   a s   pos s i bl e   f r om   a   W S N   n o de .   I t he   c a s e   of   b ut t e r f l y   t op ol o gy  3 pa t hs  a r e  c r e a t e d f r om  e a c h of  t he  n ode  a s  2 X 2 s wi t c he s  a r e  us e d t o s w i t c h  t he  out p ut  f r o m  one   de vi c e   t ot he r .     R EF ER E N C ES   [1]   S us hrut a  M i s hra ,   L a m boda r J e na ,   A a rt i  P ra dha n “ F a ul t  T ol e ra nc e  i n W i re l e s s  S e ns or  N e t w orks ,   Int e r nat i on al   J our nal   of  A dv a nc e d R e s e ar c h i n Com put e r  Sc i e nc e  and Sof t w ar e  E ngi ne e r i ng ,  IS S N :  2277 1 28X ,   V ol um e   2 Is s ue  10.   [2]   C .A h i l a J er l i n N .R aj k am al  “ F au l t  T o l er an c e i n  w i r el es s  s en s o r  N et w o r k s ”,   Int e r nat i onal  J our nal  of  Innov at i v e   R e s e ar c h i n A dv anc e d E ngi ne e r i ng  ( IJ IR A E ) ,  IS S N :  2349 - 2163,  V ol um e  2,  Is s ue  2.   [3]   M a na s vi  M a nna n,  S ha s hi  B.  Ra na  “ F a ul t  T ol e r a nc e  i n w i re l e s s  s e ns or ne t w ork” ,   Int e r nat i onal   J o ur nal  of  Cur r e nt   E ngi ne e r i ng and  T e c hnol og y , E - I S S N  2277    4106,  P - IS S N  2347    5161   [4]   S a m i ra Choui khi ,  Inè s E l K orbi ,   Y aci n eG h am r i - D o u d an e,  L ei l aA zo u zS ai d an e “ A  s urve y  on F a u l t   T o l e ra n c e   i n s m a l l   an d  l ar g s cal e w i r el es s  s en s o r  n et w o r k s ”  N a t i ona l  S c hoo l  of Com put e r S c i e nc e ,   CRIS T A L L a b, U ni ve rs i t y ofM a no uba ,   Com put e Com m uni c a t i ons  69 (2015) 22 37   [5]   T i ng Y ua n,  S hi y ong Z h a ng “ S ecu r e F au l t  T o l er an c e i n  W i r el es s  S en s o r  N et w o r k s ” I E E E  8 t h  I n t er n at i o n al   Confe re nc e  on Com put e r a nd Inform a t i on T e c h nol og y  W orks hops ,   978 - 0 - 7695 - 3242 - 4/ 08 $25. 0 0 © 2008 IE E E   D O I 10. 1109/ CI T .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.