close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка моделей и методов обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Хоанг Лэ Чунг
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2018
Работа выполнена на кафедре сетей связи и передачи данных (ССиПД) Федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «СанктПетербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. БончБруевича» (ФГБОУ ВО СПбГУТ).
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Киричек Руслан Валентинович
кандидат технических наук, доцент кафедры сетей связи и передачи данных (ССиПД) Санкт-Петербургского
государственного университета телекоммуникаций им.
проф. М.А. Бонч-Бруевича (СПбГУТ)
Никульский Игорь Евгеньевич
доктор технических наук, доцент, ОАО “ЦНПО “Ленинец”, Гл. специалист, зам главного конструктора,
г. Санкт-Петербург
Андреев Сергей Дмитриевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-образовательского центра высокотехнологичных систем и инфокоммуникаций Института прикладной математики и телекоммуникаций федерального государственного автономного образовательного
учреждения высшего образования “Российский университет дружбы народов” (ФГАОУ ВО РУДН), г. Москва
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Петербургский государственный
университет путей сообщения императора
Александра I», г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится « 30 » марта 2018 г. в 12:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 219.003.02 при ФГБОУ ВО «Поволжский государственный
университет телекоммуникаций и информатики» (ПГУТИ) по адресу: 443010, г. Самара,
ул., Льва Толстого, д. 23, конференц-зал корпуса № 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ПГУТИ):
https://www.psuti.ru/ru/science/dissertation_councils/announcements/hoang-le-chung-dissertaciyana-soiskanie-uchenoy-stepeni
Автореферат разослан « » февраля 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д219.003.02
доктор технических наук, профессор
Тяжев Анатолий Иванович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы диссертации. На сегодняшний день одним из наиболее цитируемых
терминов в публикациях в сфере информационных технологий сегодняшнего дня является
«Интернет вещей». Интернет вещей – новая концепция нашей цивилизации, позволяющая
создавать сети, связывающие миллиарды объектов и устройств между собой и предоставляющие информацию о состоянии и изменении физических и виртуальных объектов. Развитие
Интернета вещей оказывает значительное влияние не только на сети связи, но и на образ
жизни человечества. Базовой технологической основой Интернета вещей являются беспроводные сенсорные сети (БСС). Беспроводные сенсорные сети обладают рядом особенностей
по сравнению с существующими сетями, ключевыми из которых являются самоорганизация
и низкое энергопотребление. Большой интерес к изучению таких сетей обусловлен в первую
очередь широкими возможностями их применения, как то: мониторинг окружающей среды,
мониторинг состояния промышленных объектов, мониторинг транспорта, системы обнаружения вторжений и слежения за целью, пожарная безопасность, автомобилестроение, медицина и т. д. Так как основной задачей БСС является сбор, хранение и передача данных, необходимо обеспечить возможность БСС выполнять заданные функции в различных условиях, в
том числе при наличии воздействия внешних дестабилизирующих факторов, иначе практическое применение БСС будет ограничено или невозможно.
В области сетевой безопасности, определяемой в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т
Х.1311 «Структура сетевой безопасности для всепроникающих сенсорных сетей», существенную роль играют атаки на взаимосвязи узлов БСС. При этом необходимо учитывать,
что сегодня в мире существуют разнообразные естественные и искусственные источники дестабилизирующего воздействия. В связи с развитием элементной базы и совершенствованием технологий генерации импульсных напряжений появилась новая угроза – преднамеренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ). Одним из современных видов ПД ЭМВ являются воздействия, создаваемые генераторами сверхкоротких электромагнитных импульсов
(СК ЭМИ). Основная особенность преднамеренного электромагнитного воздействия – искажение передаваемой информации, вплоть до полной блокировки. В ходе деструктивного
воздействия могут как отказать сами сенсорные узлы, так и появиться ошибки при передаче
данных (ошибки служебных полей, ошибки данных кадров и др.). Вследствие этого происходят потери данных, задержки, искажения передаваемой информации и возможно формирование ложных команд управления.
Все вышесказанное позволяет утверждать, что преднамеренные электромагнитные воздействия являются новой серьезной угрозой для беспроводных сенсорных сетей. Угрозу
преднамеренного электромагнитного воздействия на информационную систему, в том числе
на БСС, можно охарактеризовать как угрозу злоумышленных действий, направленных на
уничтожение, искажение и блокирование передаваемой информации, а также нарушение
функционирования сети.
Данная диссертационная работа направлена на разработку моделей и методов для выявления, противодействия и минимизации последствий электромагнитных атак на БСС. С учетом
изложенного тема диссертации является актуальной.
Степень разработанности темы. Очевидно, что на сегодняшний день электромагнитное
оружие на основе генераторов СК ЭМИ является одним из главных видов оружия XXI века и
представляет наибольшую опасность для электронной инфраструктуры объектов информатизации, каковыми являются, в частности, беспроводные сенсорные сети.
3
В то же время за последние годы достигнут существенный прогресс в области исследования беспроводных сенсорных сетей. Работы отечественных и зарубежных ученых
А. Е. Кучерявого, Е. А. Кучерявого, А. В. Рослякова, Р. В. Киричка, А. П. Пшеничникова,
Е. В. Туруты, В. А. Мочалова, П. А. Абакумова, А. В. Прокопьева, W. Heinzelman, O. Yonis,
D. Kim, K. Lindsey, A. Salim и многих других позволили оценить возможности этих сетей по
передаче трафика, найти новые подходы к архитектуре построения беспроводных сенсорных
сетей, определить новые направления исследований в области трехмерного пространства и
построения отказоустойчивых сенсорных сетей. Это позволило по-новому подойти к решению проблем преднамеренных электромагнитных воздействий на беспроводные сенсорные
сети.
В диссертационной работе воздействие на беспроводную сенсорную сеть исследуется
с точки зрения анализа сетевых параметров для его обнаружения и последующего восстановления функционирования сети. Этот новый подход к решению указанных выше задач и
позволяет считать тему диссертации актуальной.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является разработка моделей и
методов обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе последовательно решаются
следующие задачи:
 анализ концепции Интернета вещей, беспроводных сенсорных сетей и их уязвимости;
 анализ влияния преднамеренного электромагнитного воздействия на БСС;
 разработка метода обнаружения преднамеренного электромагнитного воздействия на
беспроводную сенсорную сеть;
 разработка метода локализации источника преднамеренного электромагнитного воздействия;
 разработка метода оценки связности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях
преднамеренных электромагнитных воздействий;
 разработка модели и метода повышения вероятности доставки данных в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий;
 разработка модели защиты беспроводных сенсорных сетей от преднамеренных электромагнитных воздействий.
Предмет исследования. Модели и методы обеспечения функционирования беспроводной
сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Объект исследования. Беспроводные сенсорные сети.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались
теории вероятностей, математико-статистические методы, теория массового обслуживания.
Научная новизна. Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Разработан метод обнаружения преднамеренного электромагнитного воздействия
на беспроводную сенсорную сеть, отличающийся от известных тем, что для обнаружения
воздействия используются доля длинных маршрутов и связность узлов сети.
2. Разработаны модель и метод повышения вероятности доставки данных
в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий, отличающиеся тем, что повышение вероятности доставки данных обеспечивается за
счет построения модифицированной матрицы расстояний между узлами с учетом степени
влияния источника преднамеренного электромагнитного воздействия, а выбор маршрутов
4
передачи сообщений между узлами беспроводной сенсорной сети осуществляется на основе
алгоритма поиска кратчайших путей с учетом максимальной удаленности от источника воздействия.
3. Разработана модель защиты беспроводных сенсорных сетей от преднамеренных электромагнитных воздействий, отличающаяся от известных введением структурной избыточности в виде суперузлов, а также методика определения числа суперузлов для обеспечения
функционирования хотя бы одного из k суперузлов и сети при воздействии на большую
часть ее площади.
Теоретическая и практическая значимость исследования. Теоретическая значимость
диссертационной работы состоит прежде всего в новизне самого предмета исследования –
преднамеренных электромагнитных воздействий на беспроводные сенсорные сети. Новыми
являются предложенные модели и методы, в основе которых лежит подход обнаружения, локализации и восстановления функционирования беспроводной сенсорной сети на основе
анализа сетевых параметров. При этом для обнаружения и локализации используются доля
длинных маршрутов и связность узлов, а восстановление функционирования достигается за
счет введения структурной избыточности в виде суперузлов в беспроводную сенсорную сеть.
Практическая ценность работы заключается в возможности использования полученных
результатов при планировании, проектировании и эксплуатации беспроводных сенсорных
сетей в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Результаты диссертации внедрены в работах по гранту Российского фонда фундаментальных исследований № 15-0709431а, а также в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при чтении
лекций, проведении практических занятий и лабораторных работ по курсам «Всепроникающие сенсорные сети» и «Интернет вещей».
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Метод обнаружения преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводную сенсорную сеть, использующий для этой цели параметры сети: долю длинных маршрутов и связность узлов.
2. Модифицированная матрица расстояний между узлами с учетом степени влияния источника преднамеренного электромагнитного воздействия и метод выбора маршрутов передачи сообщений между узлами беспроводной сенсорной сети на основе алгоритма поиска
кратчайших путей с учетом удаленности от источника воздействия, обеспечивающие увеличение вероятности доставки данных в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
3. Модель защиты беспроводных сенсорных сетей от преднамеренных электромагнитных воздействий на основе введения структурной избыточности в виде суперузлов и методика определения их числа, позволяющие обеспечить функционирование хотя бы одного из k
суперузлов и сети при воздействии на большую часть ее площади.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным применением математического аппарата, результатами имитационного моделирования, а также достаточно широким спектром публикаций и выступлений на международных и российских конференциях.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 16-й Международной
конференции Next Generation Wired/Wireless Networks and Systems NEW2AN (СанктПетербург, сентябрь 2016 г.), 31-й Международной конференции по информационным сетям
5
The 31st International Conference on Information Networking (ICOIN) (Вьетнам, январь 2017 г.),
7-й Международной конференции 7th International Conference on Information Science and Application (Вьетнам, февраль 2016 г.), 71-й Конференции СПбНТОРЭС им. А. С. Попова
(Санкт-Петербург, апрель 2016 г.), V Международной научно-технической и научнометодической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке
и образовании» СПбГУТ (Санкт-Петербург, февраль 2016 г.), 2-й Международной научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Интернет вещей и 5G»
INTHITEN 2016 (Санкт-Петербург, декабрь 2016 г.), а также на заседаниях кафедры сетей
связи и передачи данных СПбГУТ.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 9 опубликованных работах,
в том числе в 2 работах, опубликованных в журналах из перечня ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации; в 3 работах, опубликованных в трудах, индексируемых Scopus и Web of Science, и 4 публикациях в других изданиях и материалах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 132 страниц текста, включая 32
рисунка, 10 таблиц, и состоит из содержания, введения, 4 глав, заключения, приложения и
списка литературы.
Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.
Соответствие специальности. Диссертационная работа соответствуют пунктам п. 3, 10,
14 паспорта специальности 05.12.13.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, проанализировано состояние исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена научная новизна и практическая ценность результатов, рассмотрена область их применения, представлены основные положения,
выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях по теме работы, структура диссертации и ее объем.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ содержания концепции Интернета Вещей, принципов построения и функционирования беспроводных сенсорных сетей, а
также их уязвимости. Определена модель влияния ПД ЭМВ на БСС для дальнейшего исследования в рамках диссертационной работы.
Современное общество быстро становится все более зависимым от функционирования
цифровых электронных средств, основная задача которых – хранение, обработка и передача
информации. Эта зависимость включает почти все сферы современной жизни и критически
важные основные функции общества: передачу электроэнергии, телекоммуникации, транспортировку, банковское дело и финансы, ликвидацию чрезвычайных ситуаций, принятие
решений и др.
В настоящее время развитие Интернета вещей (ИВ) оказывает значительное влияние не
только на развитие сетей связи, но и на образ нашего человечества [33; 49; 64; 77; 97; 100;
120]. Одним из наиболее эффективных решений для Интернета вещей являются беспроводные сенсорные сети (БСС), которые называют также всепроникающие сенсорные сети USN
(Ubiquitous Sensor Networks). БСС это распределенная сеть, состоящая из множества миниатюрных сенсорных узлов с ограниченным ресурсом, осуществляющих контроль, управление
и сбор данных. Такие сети играют важную роль в мониторинге людей, объектов
и инфраструктур, оценивании состояния окружающей среды, в выполнении ухода за боль-
6
ными, находящимися дома, и решении множества других подобных задач. Существует множество приложений, для которых производители выпускают разные типы сенсорных узлов
для создания разных типов беспроводных сенсорных сетей.
Несмотря на все преимущества беспроводных сенсорных сетей, в настоящее время для
них существует ряд потенциальных уязвимостей, имеющих естественный и искусственный
характер. Анализ особенностей обеспечения безопасности в беспроводных сенсорных сетях
начнем с рекомендации МСЭ-Т X.1311 «Структура безопасности для всепроникающих сенсорных сетей» [128]. В рекомендации X1311 «Структура безопасности для всепроникающих
сенсорных сетей» выделяется пять категорий взаимосвязей в USN, которые могут представлять интерес с точки зрения сетевой безопасности:
 взаимодействие сенсорного узла с базовой станцией (шлюзом);
 взаимодействие базовой станции (шлюза) с сенсорным узлом;
 взаимодействие базовой станции со всеми сенсорными узлами, например, при перепрограммировании сенсорной сети;
 взаимодействие между узлами сенсорной сети, включая взаимодействие головного
узла кластера с сенсорными узлами и взаимодействие близлежащих сенсорных узлов между
собой;
 взаимодействие между базовой станцией (шлюзом) и определенной группой сенсорных узлов, объединенных, например, общим местоположением.
В настоящее время существует реальная угроза воздействия на беспроводные сети различных деструктивных электромагнитных воздействий. Наиболее серьезными являются
преднамеренные электромагнитные воздействия (ПД ЭМВ).
Преднамеренные электромагнитные воздействия на объекты и средства информатизации
могут осуществляться электромагнитным полем, по цепям электропитания, линиям связи
и металлоконструкциям с помощью генераторов сверхкоротких электромагнитных импульсов (СК ЭМИ).
Для этих воздействий свойственны:
 возможность проведения атак из-за пределов контролируемых зон;
 отсутствие явных демаскирующих признаков;
 маскировка под действие электромагнитных помех.
Данные воздействия являются наиболее критичными для средств информатизации, функционирующих в реальном времени, таких как средства связи и телекоммуникации, автоматизированные системы управления технологическими процессами, элементы систем физической защиты объектов и др.
Был проведен аналитический обзор исследования по влияниям ПД ЭМВ на беспроводные
сети. Определено, что существует новая серьёзная угроза проведения электромагнитных атак
в террористических или криминальных целях. В связи с этим основными направлениями деятельности в этой области, проводимой в России и за рубежом, являются:



исследование механизмов деструктивных воздействий на средства информатизации;
разработка методов и средств защиты от данной угрозы;
создание нормативной базы в виде системы целевых стандартов.
По результатам анализа установлено, что, несмотря на многообразие аналогичных исследований, проведенных как в России, так и за рубежом, посвященных влиянию данного вида
воздействия на различные виды сетей связи, в настоящее время отсутствуют работы, в которых были бы проведены полные комплексные исследования механизмов деструктивного
7
воздействия на беспроводные сенсорные сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Далее в главе была разработана модель влияния ПД ЭМВ на БСС для дальнейшего исследования в рамках диссертационной работы.
В связи с развитием элементной базы и совершенствованием технологий генерации импульсных напряжений в настоящее время возможно использовать генератор коротких импульсов, создающих помехи со спектром от 300 МГц до 12 ГГц, который покрывает весь
диапазон частот радиоэлектроники, включающий диапазон частот для устройства беспроводной связи (см. рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Диапазон частот преднамеренного электромагнитного воздействия
Таким образом, четко видно, что ПД ЭМВ электромагнитным полем на БСС представляет
серьезную угрозу, которая, в свою очередь, может стать причиной искажения, уничтожения
или блокирования передаваемой информации. Далее для решения поставленных задач диссертационной работы будем использовать модель влияния преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводную сенсорную сеть, осуществляемого электромагнитным полем (см. рис. 1.2).
Рисунок 1.2 – Модель влияния ПД ЭМВ на БСС
8
В главе также сформированы цели и задачи диссертационной работы. Оптимальный вариант направления решения проблемы «Защита беспроводных сенсорных сетей при преднамеренных электромагнитных воздействиях», в том числе для выявления, противодействия
и минимизации последствий электромагнитных атак, исходя из анализа публикации, по мнению автора, должен включать следующие основные шаги:
 обнаружение влияния преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводные сенсорные сети;
 локализацию источника ПД ЭМВ и оценку связности БСС в условиях ПД ЭМВ;
 обеспечение функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Во второй главе диссертационной работы проанализированы возможные последствия
преднамеренных электромагнитных воздействий на беспроводные сенсорные сети.
В общем случае по характеру влияния электромагнитных воздействий на узел сети их
можно классифицировать на три группы:
 воздействия, приводящие к выходу из строя электронных компонентов узла
(например, электромагнитные излучения ядерного взрыва, мощные индустриальные помехи,
военные генераторы и т. д.), вследствие которых узел выходит из строя;
 воздействия, приводящие к сбоям и ошибкам в работе электронных компонентов узла
(например,
сверхкороткие
электромагнитные
импульсы)
и временной
потере
функциональности узла, которая может быть восстановлена через некоторое время
собственными средствами контроллера узла;
 воздействия, приводящие к снижению качества радиоканала (снижению отношения
сигнал/шум) и, как следствие, либо к полной невозможности передачи данных, либо к росту
доли пакетов, принимаемых с ошибками.
Разница между первым и вторым типами воздействий состоит в том, что в первом случае
узел выходит из строя на все последующее время эксплуатации сети, т. е. происходит
перманентное изменение конфигурации сети, а во втором случае это изменение является
временным. Во втором случае время изменения конфигурации определяется
продолжительностью воздействия, временем восстановления функциональности узла
и временем восстановления конфигурации сети. Третий тип воздействия снижает качество
функционирования сети вследствие роста доли ошибок при передаче пакетов. При
некотором ее значении также происходит изменение конфигурации сети. Таким образом,
второй и третий типы воздействий приводят к временному изменению конфигурации сети,
а третий тип еще и к росту доли потерянных пакетов.
Определены модели распределения узлов беспроводной сенсорной сети для исследования
в рамках диссертационной работы.
Наиболее простой с точки зрения анализа является модель пуассоновского поля, которая
предполагает, что координаты размещения узлов случайны и независимы (см. рис. 2.1). В
такой модели характеристики сети могут быть описаны плотностью сенсорных узлов (их
числом на единицу площади). Воспользуемся данной моделью для анализа влияния
электромагнитных воздействий на функционирование. Будем анализировать зависимость
параметров связности сети от характера электромагнитных воздействий.
Параметры БСС сети (число узлов, радиус связи, пропускная способность) могут иметь
различные значения, в зависимости от целевого назначения сети. Параметры воздействия на
сеть также могут быть весьма разнообразны. Если сеть состоит из малого числа узлов
9
(например, менее десятка) и область обслуживания ограничена десятками метров,
а параметры воздействия имеют тот же порядок, что и передающие устройства узлов, то
практически все узлы сети будут подвержены воздействию и следует ожидать полной потери
функциональности сети. В случае же, когда число узлов исчисляется сотнями, а размеры
области обслуживания — сотнями и тысячами метров, при тех же параметрах воздействия
сеть может сохранить значительную долю функциональности. В данном случае предлагаем
рассмотреть кластерную структуру БСС как одну из наиболее распространенных структур
при построении беспроводных сенсорных сетей (см. рис. 2.2). В диссертационной работе
анализируется зависимость параметров связности сети от характера электромагнитных
воздействий как для пуассоновской модели распределения сенсорных узлов, так и для
кластерной структуры беспроводной сенсорной сети.
Рисунок 2.1 – Пуассоновское сенсорное
поле
Рисунок 2.2 – Кластерная структура
беспроводной сенсорной сети
Далее в главе разработан метод обнаружения влияния преднамеренного
электромагнитного воздействия путем проведения анализа зависимости параметров
беспроводной сенсорной сети от влияния преднамеренного электромагнитного воздействия,
таких как доля или число недоступных/доступных узлов, доля длинных маршрутов
и связность узлов.
Изменение этих параметров можно классифицировать как изменение конфигурации сети,
вызванное преднамеренным электромагнитным воздействием, которое приводит к потере
доступности части узлов сети.
Полагая, что маршрут может быть выбран между любыми двумя узлами сети, его выбор
производится решением задачи минимизации длины маршрута, а длину маршрута будем
характеризовать числом переходов (транзитов). Следует ожидать, что при росте плотности
узлов длина маршрута (метрическая) стремится к расстоянию между узлами.
Для анализа длин кратчайших маршрутов в сети разработана имитационная модель,
которая выполняет генерацию пуассоновского поля точек, имитирующего сеть из 100 узлов
на плоской квадратной территории размером 200 × 200 м. Радиус связи узла составляет 50 м.
Кратчайшие маршруты между всеми узлами находятся с помощью алгоритма ФлойдаУоршалла [90].
При наличии ПД ЭМВ в БСС увеличивается доля длинных маршрутов между узлами (см.
рис. 2.3 и 2.4).
10
Рисунок 2.3 – Распределение длин
маршрутов между узлами в сети из
100 узлов на территории 200 × 200 м,
при радиусе связи узла 50 м (без
воздействия ПД ЭМВ)
Рисунок 2.4 – Распределение длин
маршрутов между узлами в сети из
100 узлов на территории 200 × 200 м,
при радиусе связи узла 50 м (с воздействием ПД ЭМВ)
Под связностью узла будем понимать число доступных ему узлов (узлов в зоне связи).
С учетом свойств пуассоновского поля связность узла может быть найдена как
 =  2
(2.1)
где r - радиус зоны воздействия (м);
 - плотность узлов (узлов на единицу площади)
При воздействии распределение связности узлов существенно зависит от наличия воздействия (рис. 2.5 и 2.6). В частности, как видно из рис. 2.6, при наличии воздействия существенно изменяется средняя величина и появляется значительная доля узлов с нулевой связностью.
Рисунок 2.5 – Распределение связности
в сети из 100 узлов на территории
200 × 200 м, при радиусе связи узла
50 м (без воздействия ПД ЭМВ)
Рисунок 2.6 – Распределение связности
в сети из 100 узлов на территории
200 × 200 м, при радиусе связи узла 50 м
(с воздействием ПД ЭМВ)
Связность узлов существенно зависит от радиуса зоны воздействия (рис. 2.7). С увеличением радиуса среднее значение связности узлов снижается, причем до некоторого значения (в данном случае 60) это приводит к росту длины маршрута, а после этого значения –
к снижению средней длины маршрута из за нарушения связности отдельных фрагментов
11
сети. Таким образом, изменение связности может быть одним из критериев идентификации
воздействия.
Рисунок 2.7 – Зависимость средней длины маршрута и средней величины связности от радиуса зоны воздействия
В третьей главе диссертационной работы проведен анализ характеристик протоколов
маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях.
Протоколы маршрутизации играют значительную роль в работе беспроводных сенсорных
сетей (БСС). Благодаря им осуществляется самоорганизация узлов и доставка пакетов оптимальными маршрутами в соответствии с алгоритмами, декларированными в используемом в
сети протоколе. C помощью протоколов маршрутизации можно оптимизировать использование ресурсов сенсорной сети, таких как расход энергии, использование процессорного времени, памяти и др. Следовательно, применение эффективных протоколов маршрутизации
позволяет максимизировать время жизни сети. Это очень важно для БСС, поскольку узлы
являются необслуживаемыми, и время жизни сети определяется как временем от начала её
работы до момента выхода из строя первого узла. В большинстве случаев выход из строя узлов сети обусловлен истощением источника энергии. Представлено исследование существующих протоколов маршрутизации БСС и их возможности применения в зависимости от специфики категории, в которую входит протокол.
Далее в главе разработана аналитическая модель для обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети путем решения задачи повышения вероятности доставки данных
в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Для решения задачи обеспечения устойчивости БСС в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий следует обеспечить выбор максимально устойчивой конфигурации сети. Предлагаемый вариант решения данной задачи основан на вычислении координат
12
узлов, локализации источника ПД ЭМВ и выбора маршрута, географически удаленного от
источника ПД ЭМВ.
Рассмотрены два варианта решения данной задачи:
1. Нахождение нескольких (k) кратчайших маршрутов в сети и выбор того, элементы которого наиболее удалены от источника ПД ЭМВ:
Был использован известный алгоритм Йена [137], для поиска k кратчайших путей.
Оценку близости элементов маршрута к источнику ПД ЭМВ можно рассмотреть как сумму
квадратов расстояний от узлов маршрута до источника помех. Для r-го маршрута эта сумма
будет равна
n
δr = ∑i r[(xi − xS )2 + (yi − yS )2 ]
(3.1)
где (xS , yS ) – оценка координат источника ПД ЭМВ,
(xi , yi ) – координаты i-го узла в r-м маршруте,
nr – количество узлов в r-м маршруте.
Выбор маршрута производится по критерию
R = arg minr δr , r = 1 … k
(3.2)
2. Поиск кратчайшего маршрута по измененным исходным данным с учетом близости
элементов сети к источнику ПД ЭМВ:
Рассмотрена возможность изменения исходной матрицы расстояний между узлами. Матрицу следует изменить таким образом, чтобы расстояния до смежных узлов от узлов, находящихся ближе источнику ПД ЭМВ увеличились в большей степени, чем для узлов, находящихся дальше от источника ПД ЭМВ. Согласно большинству моделей распространения радиосигнала, можно предположить, что степень влияния источника ПД ЭМВ на узлы сети обратно пропорциональна квадрату расстояния до них. Исходя из этого допущения, модифицируем расстояния между узлами dij согласно
dij
dij ≤ R
d̃ij = d̃ji = {a+d2 iS
, i, j = 1 … n
(3.3)
∞ dij > R
где diS – расстояние от i-го узла до источника ПД ЭМВ,
n – количество узлов в сети,
а – коэффициент, определяющий чувствительность выбора маршрута к влиянию источника помех,
R – радиус связи узла сети.
Для нахождения кратчайших маршрутов по модифицированной матрице можно использовать любой алгоритм поиска кратчайших путей.
На рис. 3.1 приведен пример выбора кратчайших путей (использовался алгоритм Флойда
[85]) между вершинами b и t без учета источника ПД ЭМВ (p1), с учетом источника
ПД ЭМВ, при значении константы a = 2000 (p2), при значении константы a = 1 (p3). Источник ПД ЭМВ на рисунке помечен символом S. Сеть расположена на территории 200 × 200 м,
радиус связи узла 60 м.
Как видно из приведенного рисунка, при наличии источника ПД ЭМВ выбирается маршрут, элементы которого находятся на удалении от этого источника. Причем элементы выбранного маршрута тем дальше от источника ПД ЭМВ, чем меньше значение константы a.
13
Рисунок 3.1 – Изменение маршрута с учетом источника ПД ЭМВ
Следует отметить, что при применении преобразования (3.3) происходит увеличение длины (числа переходов) маршрута. В приведенном примере кратчайший маршрут (без учета
источника ПД ЭМВ) состоит из трех участков (переходов), а «обходные» маршруты содержат по четыре перехода.
В дополнении к методу повышения вероятности доставки данных предложено применение метода геолокации сенсорных узлов. Так как известно само местоположение узлов сети,
то можно построить альтернативный маршрут, удаленный от источника воздействия.
Полагаем, что для определения координат неизвестной точки необходимо измерить расстояние до нее от трех любых точек с известными координатами (в данном случае известны
координаты координатора и 2 роутера). Для вычисления координат узлов при трех опорных
узлах был использован метод трилатерации. В общем случае задача мультилатерации решается минимизацией выражения:
2
(xS , yS ) = arg min ∑ki=1(√(xi − xS )2 + (yi − yS )2 − d(pi , pS ))
(3.4)
где k – количество опорных (соседних) узлов;
d(pi , pS ) – оценка расстояния между узлами;
xS , yS – искомые координаты узла;
xi , yi – координаты опорных узлов.
В четвертой главе диссертационной работы была разработана модель защиты беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
Вероятность функционирования БСС в условиях ПД ЭМВ зависит от структурных параметров сети и может быть увеличена за счет введения узлов, способных выполнять роль координаторов сети (суперузлов). Предложенная модель применяется на двух основных сценария атаки ПД ЭМВ на БСС, которая имеет кластерную структуру распределения сенсорных
узлов (рис. 4.1):
 Предполагаем, что ПД ЭМВ влияет только на те сенсорные узлы сети, которые выполняют функции сбора, передачи и транзита данных, а на координатор (шлюз) не влияет.
14
При этом функциональность сети может обеспечиваться за счет альтернативной маршрутизации пакетов через узлы, не подвергшиеся (в значительной степени) деструктивному воздействию;
 Предполагаем, что ПД ЭМВ влияет на координатор (шлюз). При этом функциональность сети обеспечивается таким образом, что суперузел станет координатором (шлюзом)
и будет выполнять его функции.
Рисунок 4.1 – Модель защиты сети при условиях ПД ЭМВ
В процессе исследования была описана методика определения числа суперузлов для обеспечения функционирования хотя бы одного из k суперузлов и сети при воздействии на большую часть ее площади.
Вероятность попадания координатора в зону воздействия может быть определена геометрически как отношение площади зоны воздействия к площади зоны обслуживания
sE
при 0 ≤ sE < S
pG = { S
(4.1)
1 при sE ≥ S
где sE – площадь зоны воздействия;
S – площадь зоны обслуживания.
Вероятность функционирования координатора будет определяется как
pn = 1 − pG
(4.2)
Следует отметить, что выражение (4.2) характеризует устойчивость сети лишь с точки
зрения функционирования координатора. Предположим, что в сети имеется несколько суперузлов, способных выполнять функции координатора, тогда полная потеря функциональности произойдет в том случае, когда все они попадут в зону воздействия. При k таких узлах
эта вероятность будет определяться
1
k
pnk = 1 − (p )
G
(4.3)
Вероятность (4.3) характеризует функционирование хотя бы одного из суперузлов (координаторов). Функциональность же сети зависит также от связности действующих координаторов с остальными узлами сети.
При случайном расположении узлов сеть удобно описать моделью пуассоновского поля
[136], в которой вероятность попадания k узлов в область воздействия распределена по закону Пуассона и зависит от площади воздействия sE и плотности суперузлов ρs . Тогда вероят-
15
ность того, что не более чем k-1 суперузлов окажутся в зоне воздействия можно определить
как
p̃nk = ∑k−1
i=1
(ρS SE )i −ρ S
e S E
i!
(4.4)
На рис. 4.2 приведено сравнение зависимостей вероятностей (4.3) и (4.4) от площади зоны
воздействия. Из рисунка видно, что вероятность функционирования хотя бы одного из k суперузлов, определенная согласно (4.3) уменьшается с ростом площади зоны воздействия от 1
до 0. Когда площадь зоны воздействия равна площади зоны обслуживания, вероятность
функционирования сети равна 0, что вполне соответствует рассматриваемой модели. Согласно (4.4) вероятность функционирования сети также снижается, но не становится равной
0. Это объясняется тем, что в модели пуассоновского поля число суперузлов и площадь зоны
обслуживания не ограничены (стремятся к бесконечности).
Рисунок 4.2 – Вероятность функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях
преднамеренных электромагнитных воздействий
Для практических задач имеет смысл дать качественную оценку состояния сети при изменении вероятности связи между узлами, т.е. изменение состояния сети под влиянием воздействия, которое приводит к изменению вероятности связи pC (рис. 4.3). При достаточно большом числе узлов сети и достаточно малой области воздействия при моделировании устойчивости сети возможно использование модели случайных графов. Модель воздействия на сеть
может быть описана как потеря части узлов сети, попадающих в зону воздействия или как
снижение ресурса каналов связи.
16
а,
б,
Рисунок 4.3 – Фрагменты сети размер порядка n -(а,) и ln(n) -(б,) в сети при разной вероятности связи между узлами
В Приложениях к диссертационной работе приведены акты внедрения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы:
1. По результатам анализа состояния исследований в предметной области можно сделать
вывод о том, что, несмотря на многообразие аналогичных исследований, проведенных как в
России, так и за рубежом, посвященных влиянию данного вида воздействия на различные
виды сетей связи, до настоящего времени отсутствовали работы, в которых было бы
проведено достаточно полное и комплексное исследование механизмов деструктивного
воздействия и возможности обеспечения функционирования беспроводных сенсорных сетей
в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
2. Разработан метод обнаружения влияния преднамеренного электромагнитного
воздействия путем проведения анализа зависимости параметров беспроводной сенсорной
сети от влияния преднамеренного электромагнитного воздействия. В результате получены
следующие выводы:
 Для обнаружения преднамеренного электромагнитного воздействия следует
использовать анализ параметров сети: долю длинных маршрутов и связность узлов.
 Изменение этих параметров можно классифицировать как изменение конфигурации
сети, вызванное преднамеренным электромагнитным воздействием, которое приводит к
потере доступности части узлов сети.
 На основании этих данных может быть получена предварительная оценка площади,
подвергшейся воздействию.
3. Разработана аналитическая модель для обеспечения функционирования беспроводной
сенсорной сети путем решения задачи повышения вероятности доставки данных в
беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренного электромагнитного
воздействия. В результате получены следующие выводы:
 Для решения задачи обеспечения функционирования БСС в условиях
преднамеренных электромагнитных воздействий следует обеспечить выбор максимально
устойчивой конфигурации сети;
17
 Предлагаемый вариант решения данной задачи основан на вычислении координат
узлов, локализации источника ПД ЭМВ и выборе маршрута, удаленного от источника
ПД ЭМВ;
 Для определения местоположения сенсорных узлов предлагается использовать метод
мультилатерации при наличии нескольких (минимально трех) опорных узлов с известными
координатами. Для измерения расстояний до опорных узлов используется метод анализа
значений RSSI.
 На основе вычисленных координат узлов и данных о локализации источника
воздействия предлагается строить модифицированную матрицу расстояний между узлами, с
учетом степени влияния источника ПД ЭМВ. На основе данной матрицы с использованием
алгоритма поиска кратчайшего пути выбираются маршруты между узлами. Полученные
кратчайшие маршруты оказываются удаленными от источника воздействия, что позволяет
повысить стабильность структуры сети за счет уменьшения влияния ПД ЭМВ на маршруты
пропуска трафика.
4. Разработана модель защиты беспроводной сенсорной сети в условиях
преднамеренных электромагнитных воздействий. В результате получены следующие
выводы:
 Вероятность функционирования БСС в условиях ПД ЭМВ зависит от структурных
параметров сети и может быть увеличена за счет введения узлов, способных выполнять роль
координаторов/маршрутизаторов сети (суперузлов);
 Модель воздействия на сеть может быть описана как потеря части узлов сети,
попадающих в зону воздействия или как снижение ресурса каналов связи;
 Необходимое число суперузлов может быть определено из соображений необходимой
достаточности при изменении структуры сети в результате воздействия.
Дальнейшие перспективы исследований видятся в возможности использования
полученных результатов при планировании, проектировании и эксплуатации беспроводных
сенсорных сетей в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи, опубликованных в журналах из перечня ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:
1. Хоанг, Л. Ч. Влияние преднамеренных ЭМВ на функционирование наземного сегмента
летающей сенсорной сети / Л. Ч. Хоанг, Р. В. Киричек, А. И. Парамонов // Электросвязь. —
2016. — № 9. — С. 41–47.
2. Hoang, L. Tr. Development of methods to maintain the functionality of wireless sensor networks under intentional electromagnetic interference conditions / L. Tr. Hoang, R. V. Kirichek,
A. I. Paramonov, A. E. Koucheryavy // Электросвязь. — 2017. — № 3. — С. 32–38.
Научные статьи (доклады), индексируемые в международных базах данных Scopus
и/или Web of Science:
3. Hoang, T. Supernodes-based solution for terrestrial segment of flying ubiquitous sensor network under intentional electromagnetic interference / T. Hoang, R. Kirichek, A. Paramonov,
A. Koucheryavy // Lecture Notes in Computer Science. — 2016. — Vol. 9870. — P. 351–359.
18
4. Hoang, T. Influence of Intentional Electromagnetic Interference on the functioning of the Terrestrial Segment of Flying Ubiquitous Sensor Network / T. Hoang, R. Kirichek, A. Paramonov,
A. Koucheryavy // Lecture Notes in Electrical Engineering. — 2016. — Vol. 376. — P. 1249–1259.
5. Hoang, T. Adaptive routing in wireless sensor networks under electromagnetic interference /
T. Hoang, R. Kirichek, A. Paramonov, F. Houndonougbo, A. Koucheryavy // 31st International Conference on Information Networking (ICOIN). — 2017. — C. 76–79.
Научные статьи в журналах, включенных в РИНЦ и доклады в материалах научных
конференций:
6. Хоанг, Л. Ч. Аналитический обзор по исследованиям влияния преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводные сети / Л. Ч. Хоанг, Р. В. Киричек // Информационные технологии и телекоммуникации. — 2017. — Т. 5. — № 1. — С. 114–125.
7. Хоанг, Л. Ч. Обнаружение факта и характера преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводную сенсорную сеть / Р. В. Киричек, Л. Ч. Хоанг // 71-я Всероссийская
научно-техническая конференция, посвященная Дню радио. — СПб.: СПбГЭУ «ЛЭТИ» им.
В. И. Ульянова (Ленина). — 2016. — С. 187–188.
8. Хоанг, Л. Ч. Функциональность беспроводных сенсорных сетей в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия / Л. Ч. Хоанг, Р. В. Киричек // 2-я Международная
научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (INTHITEN
2016). Интернет вещей и 5G. — 2016. — С. 17–20.
9. Хоанг, Л. Ч. Сравнительный анализ функционирования алгоритмов маршрутизации
в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия / Л. Ч. Хоанг, Р. В. Киричек // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке
и образовании: сборник научных статей V Международной научно-технической и научнометодической конференции. — 2016. — С. 400–405.
_________________________________________________________
Подписано в печать: 30.01.2018
Формат 60 × 84 1/16. Печ. л. 1,93.
Тираж: 80 экз. Заказ: 88. Учреждение
«Университетские телекоммуникации»
197101, Санкт-Петербург, Биржевая линия В.О.,
д. 16, +7 (812) 915-14-54, zakaz@tibir.ru,
www.tibir.ru
19
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа