Дослідження шляхів підвищення надійності безпроводової сенсорної мережі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Військового інституту телекомунікацій та інформатизації імені Героїв Крут

Дослідження шляхів підвищення надійності безпроводової сенсорної мережі

Роман Лазута начальник науково-дослідного відділу Михайло Зінченко начальник науково-дослідного управління Олександр Яковчук начальник науково-дослідного відділу - заступник начальника науково-дослідного управління Ольга Плугова науковий співробітник науково-дослідного відділу Альона Панкратова науковий співробітник науково-дослідного відділу

м. Київ, Укрїна

Анотація

Предметом статті є дослідження функціонування безпроводової сенсорної мережі в недружньому середовищі. Метою статті є дослідження процесів, які відбуваються у безпроводових сенсорних мережах шляхом їх моделювання, всебічного опису їх основних режимів роботи та аналізу критичних ділянок “вузьких” місць задля знаходження шляхів підвищення надійності функціонування мережі та мінімізації загроз її інформаційної безпеки.

Наукове завдання полягає в аналізі та моделюванні безпроводової сенсорної мережі та процесів функціонування її елементів, яке дозволить контролювати характеристики надійності, які мають вплив на інформаційну безпеку.

Автори досліджують структуру мережі масового обслуговування за структурою до безпроводової сенсорної мережі як об'єкту дослідження, вивчають основні характеристики вузла сенсорної мережі, як мережі масового обслуговування та досліджують аналітичні залежності для знаходження характеристик ненадійного вузла безпроводової сенсорної мережі.

Методологічною основою дослідження стали загальнонаукові та спеціальні методи наукового пізнання.

Отримані результати дослідження дозволяють зрозуміти та вивчити процеси, що відбуваються у бездротових мережах масового обслуговування та спрогнозувати поведінку мережі у недружньому середовищі. Можливість зробити оцінку числа загублених пакетів дає розуміння надійності роботи вузлів мережі.

Безпроводові сенсорні мережі можуть бути визначені, як розподілені комунікаційні системи. Характеристики надійності їх структурних елементів мають вплив на інформаційну безпеку. Безпроводова сенсорна мережа може бути змодельована, як мережа масового обслуговування. Основні характеристики вузла сенсорної мережі можуть бути визначені як характеристики мережі масового обслуговування.

Ключові слова: безпроводова сенсорна мережа, ненадійний вузол, мережа масового обслуговування, характеристики надійності, загрози інформаційної безпеки.

Abstract

Roman Lazuta head of the research department,

Kruty Heroes Military Institute of Telecommunications and Information Technologies, Kyiv, Ukraine

Michael Zinchenko

head of the scientific research department,

Kruty Heroes Military Institute of Telecommunications and Information Technologies, Kyiv, Ukraine

Oleksandr Yakovchuk

head of the research department - deputy head of the research department,

Kruty Heroes Military Institute of Telecommunications and Information Technologies, Kyiv, Ukraine

Olga Plugova

researcher of the research department,

Kruty Heroes Military Institute of Telecommunications and Information Technologies, Kyiv, Ukraine

Alyona Pankratova

researcher of the research department ,

Kruty Heroes Military Institute of Telecommunications and Information Technologies, Kyiv, Ukraine

STUDY OF WAYS TO IMPROVE THE RELIABILITY OF A WIRELESS SENSOR SERVICE NETWORK

The subject of the article is a study of the functioning of a wireless sensor network in an unfriendly environment. The purpose of the article is to study the processes that occur in wireless sensor networks by modeling them, comprehensively describing their main modes of operation and analysing critical areas of "bottlenecks" in order to find ways to increase the reliability of the network's operation and minimize threats to its information security.

The scientific task consists in the analysis and modelling of a wireless sensor network and the processes of functioning of its elements, which will allow the centerfield of reliability characteristics that have an impact on information security.

The authors investigate the structure of a mass service network similar in structure to a wireless sensor network as a research object, study the main characteristics of a sensor network node as a mass service network, and investigate analytical dependencies to find the characteristics of an unreliable wireless sensor network node.

The methodological basis of the research was general scientific and special methods of scientific knowledge.

The obtained results of the research make it possible to understand and study the processes occurring in wireless mass service networks and to predict the behaviour of the network in an unfriendly environment. The ability to estimate the number of lost packets provides an understanding of the reliability of network nodes.

Wireless sensor networks can be defined as distributed communication systems. The reliability characteristics of their structural elements have an impact on information security. A wireless sensor network can be modeled as a public service network. The main characteristics of a sensor network node can be defined as the characteristics of a mass service network.

Conclusion. The conducted research allows us to determine the characteristics of an unreliable node, which are necessary for the analysis of "bottlenecks", to increase the reliability of the network's functioning and to minimize threats to the information security of the wireless sensor network.

Keywords: wireless sensor network, unreliable mot, queuing network, reliability characteristics, information security threats.

Постановка проблеми

Бездротові сенсорні мережі складаються з окремих вузлів - мініатюрних обчислювально-комунікаційних пристроїв - мотів (від англ. motes - порошинки). Мот є платою розміром зазвичай трохи більше одного кубічного дюйма, розташований у просторі та призначений для моніторингу параметрів навколишнього середовища або об'єктів, що знаходяться в ньому.

Конфігурація бездротової сенсорної мережі повинна бути гнучкою і змінюватися в залежності від поточного положення в просторі і можливостей електропостачання. Сенсорні вузли зазвичай функціонують у недружньому середовищі. Через розрядку джерел живлення переповнення буфера втрачених пакетів може призвести до вимкнення мережевих мереж.

За умов невизначеності та обмежень стає проблематично передбачити поведінку БСМ в різних режимах роботи та зробити оцінку кількості втрат пакетів. Це необхідно для розуміння точності та надійності розрахунків, які відбуваються під час збору даних за допомогою датчиків за умов внутрішніх і зовнішніх впливів. безпроводовий сенсорний мережа інформаційний

Таким чином, актуальними є вирішення наукових завдань, яке полягає в дослідженні характеристик БСМ, аналізу їх властивостей, розробці методів оцінки основних характеристик БСМ за для визначення шляхів підвищення надійності функціонування вузлів, що покращить інформаційну безпеку.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

На сьогоднішній день проведено класифікацію сенсорних мереж, визначено їх основні властивості та проаналізовано програмні продукти для реалізації тієї чи іншої мережевої архітектури [1-7].

У публікації [1] була розглянута архітектура підпису на основі інтерактивної дошки, яка працює з підтримкою реального часу для вузлів бездротових датчиків за допомогою операційної системи MANTIS OS.

У публікації [2] були проаналізовані особливості та перспективи розвитку сучасних безпроводових сенсорних мереж та розглянуті найбільш популярні стандарти, які використовуються для їх побудови. З огляду на проблеми забезпечення інформаційної безпеки були розглянуті основні види існуючих мережевих протоколів, що використовуються у сенсорних мережах у відповідності до еталонної моделі взаємодії відкритих систем, зокрема, фізичного, канального, мережевого, транспортного та прикладного рівнів.

У публікації [3] була розглянута теорія і практика аналітичного та імітаційного моделювання складних систем, проблем моделювання, а також використання наукових результатів зі створення систем імітаційного - моделювання різного призначення.

У публікації [4] було запропоновано підхід до розробки моделі трафіку, що ґрунтується на аналізі даних моніторингу вхідних інформаційних потоків та дозволяє врахувати особливості трафіку бездротових мереж передачі даних.

У публікації [5] була представлена розробка програмного та апаратного забезпечення автономної системи управління будинком на основі протоколу ZigBee разом з мобільною та інтернет-системою, а також основні компоненти, з яких складається зв'язок усієї системи.

У публікації [6] були викладені основні положення та методи аналізу теорії масового обслуговування в телекомунікаціях (теорії телетрафіка), на яких базуються процедури проєктування телекомунікаційних систем і мереж. Розглянуті математичні моделі систем розподілу інформації з втратами, з чергою та з пріоритетами. Наведені методи дослідження цих систем в умовах ідеалізованої моделі пуассонівського потоку та реальних потоків вимог мультисервісних мереж зв'язку.

У публікації [7] було розглянуто розробка аналітичної моделі надійного вузла бездротової сенсорної мережі неоднорідною мережею масового обслуговування, розробка імітаційної моделі ненадійного вузла бездротової сенсорної мережі з кількома типами пакетів, проведення серії експериментів із розробленими моделями, проведеними аналізами та порівняння результатів моделювання.

Але в наукових роботах [1-7] не проведено моделювання ненадійної безпроводової сенсорної мережі неоднорідною мережею обслуговування.

Мета статті: є вирішення наукового завдання щодо моделювання процесів, які відбуваються в безпроводових сенсорних мережах, опис основних режимів їх роботи та аналіз “вузьких місць” для підвищення надійності мережі та мінімізації загроз її інформаційній безпеці.

Для досягнення цієї мети пропонується змоделювати ненадійний вузол сенсорної мережі за допомогою гетерогенної мережі масового обслуговування.

Ця мета визначила наступні завдання дослідження:

на основі аналізу технології побудови безпроводової сенсорної мережі та функціонування її елементів;

визначити характеристики надійності, що впливають на інформаційну безпеку; визначити структуру мережі масового обслуговування, подібної за структурою до безпроводової сенсорної мережі, як об'єкт дослідження;

визначити основні характеристики сенсорної мережі, як мережі масового обслуговування;

визначити аналітичні залежності для знаходження характеристик ненадійної безпроводової сенсорної мережі.

Використовуються загальнонаукові та спеціальні методи наукового пізнання.

А саме: положення теорії масового обслуговування та основи моделювання систем, розподіл стаціонарних ймовірностей відкритою неоднорідною мережею масового обслуговування (далі - ММО), принципи роботи сенсорних мереж. Крім того, використано описи аналітичних моделей мережевих систем та їх побудови.

Виклад основного матеріалу

1. Технології в бездротовій сенсорній мережі. Розглянемо однорідну самоорганізовану розподілену БСМ моніторингу та управління, призначену для моніторингу, управління процесами та ресурсами. Будемо вважати, що кожен датчик БСМ складається з обчислювального пристрою, приймача, датчиків і джерела живлення.

Обчислювальний пристрій складається з мікропроцесора і пам'яті.

Мікропроцесор призначений для аналізу та перетворення даних із суміжних вузлів мережі та датчиків цього вузла. Програми та дані зберігаються в пам'яті обчислювального пристрою.

Приймач пропонується розглядати як радіоприймач, призначений для організації радіо інтерфейсу між вузлами сенсорної мережі.

Датчик призначений для перетворення контрольованої величини (електричної напруги, електричного струму, температури, тиску, освітленості, коливань тощо) у сигнал, який легко виміряти та перетворити за допомогою мікропроцесора. Зазвичай, в одній мережі датчиків є декілька типів датчиків.

Блок живлення призначений для забезпечення роботи всіх електричних ланцюгів вузла сенсорної мережі. Вихід з ладу блоку живлення призводить до припинення роботи всього моту. Заміна блоку живлення відновлює працездатність мережі.

Вузли мережі можуть по черзі ретранслювати повідомлення один від одного, забезпечуючи значну зону покриття за допомогою протоколу 802.15.4/ZigBee [5].

Моделювання системи масового обслуговування.

Моделювання системи масового обслуговування (далі - СМО) - це набір взаємопов'язаних систем масового обслуговування, які забезпечують прийом, зберігання, обробку та видачу запитів, отриманих системою обслуговування під час роботи мережі з джерел обслуговування. СМО також поділяють на відкриту, закриту та змішану. Відкриті забезпечують обслуговування вимог, отриманих від джерела нескінченної потужності та повернення назад до джерела [3,6].

Як предмет, пропонується відкрита мережа масового обслуговування, що складається з двох систем та трьох класів вимог.

Для зручності представлення всіх даних у вузлі сенсорної мережі, а також дані, що надходять і виходять з вузла, будемо називати вимогами. Визначимо вимоги першого, другого та третього класів. Першокласні вимоги від датчиків вузла надсилаються мікропроцесору для обробки. Другий клас вимог надсилається з мережі до хост-приймача. Вимоги першого і другого класів, оброблені мікропроцесором, стають вимогами третього класу і ретранслюються в мережу.

До мікропроцесора і черги вимог до обробки в мікропроцесорі поставимо СМО S1 у відповідність до єдиного пристрою (каналу обслуговування), необмеженої черги і дисципліни обслуговування (останній прийшов - першим обслужили).

Приймач-передавач разом з чергою пакетів до нього в моделі буде відображати СМО S2 з одним пристроєм і необмеженою чергою з дисципліною обслуговування (перший прийшов - перший отримав).

Припустимо, що від джерела S0 система S1 отримує пуассонівський потік вимог першого класу з інтенсивністю першокласних вимог з інтенсивністю Х01.

Вимоги, які надходять до мікропроцесора від датчиків вузла будуть вважатися вимогами першого класу, а ті, які одержує передавач вузла від сусідніх вузлів будуть вважатися вимогами другого класу відповідно.

Тривалість обслуговування вимог першого класу системою S1 є експоненціально розподіленою випадковою величиною з параметром ції.

Після проходження служби в системі S1 вимоги змінюють свій клас з першого на третій і потрапляють в систему S2.

Пуассонівський потік вимог другого класу з інтенсивністю Х02 і вимог третього класу від системи S1 надсилається до системи обслуговування S2 від джерела. Тривалість обслуговування вимог другого та третього класу в системі S2 є експоненціальною розподіленою випадковою величиною з параметром g12.

Після завершення обслуговування в системі S2 вимоги другого класу потрапляють в систему S1, а вимоги третього класу залишають мережу масового обслуговування. Тривалість обслуговування вимог другого класу системою S1 є експоненціально розподіленою випадковою величиною з параметром ц12. Після проходження служби в системі S1 вимоги змінюють свій клас з другого на третій і потрапляють в систему S2.

Коли система функціонує, є можливість створювати черги для обробки пакетів в процесорі пакетів. У термінології ММО це явище буде відповідати наявності буфера з вимогами першого та другого класу для СМО S1. Аналогічно припускаємо, що буфер у СМО S2 може містити m2 вимог першого та другого класів [7].

Характеристики ненадійної сенсорної мережі будуть визначені за допомогою стаціонарних характеристик мережі масового обслуговування.

Стан мережі масового обслуговування визначається вектором де q11, q12 - кількість вимог у СМО S1 першого та другого класу відповідно, q22, q23 - кількість вимог у СМО S2 другого та третього класу відповідно. Стаціонарні ймовірності q11, q12, q22, q23 однозначно визначаються характеристиками систем і можуть бути розраховані відомими методами виходячи з того, що відомі відповідні значення АЮ1, Х02, ції, ц12.

Ненадійним буде вважатися мот, який може перестати працювати в процесі роботи (наприклад через збій електроживлення моту). Виходячи з цього, визначимо основні характеристики сенсорної мережі як мережі масового обслуговування:

E(S1) - MC номера системних вимог S1;

E(S2) - MC номера системних вимог S2;

t - час реакції мережі обслуговування;

E(S1) - MC часу перебування вимог у системі S1;

E(S2) - MC часу перебування вимог у системі S2;

E - MC номеру втраченої посилки.

Імовірність того, що система S відповідає вимогам q11, q12 і вимогам, заданим формулою (1, 2) [7]:

Відповідно, математичне очікування системних вимог S2 дорівнює кількості вимог у системі S2 за формулою (6) [7]:

Час відгуку сервісної мережі за формулою (7) [7]:

Час перебування MC вимог у системі Si формулою (8) [7]:

Час перебування MC вимог у системі S2 формулою (9) [7]:

Математичне сподівання номеру втрачених пакетів Q може бути отримано від датчиків до мoту при вимкненні формулою (10) [7]:

Будемо вважати, що час відновлення вузла є випадковою величиною, яка підкоряється експоненціальному закону розподілу з параметром. Тоді Q можна визначити за формулою (11) [7].

Таким чином, аналітичні залежності [1-7] дають змогу визначити характеристики ненадійного вузла, необхідні для аналізу “вузьких місць”, підвищити надійність роботи мережі та мінімізувати загрози інформаційній безпеці БСМ.

Висновки

Бездротові сенсорні мережі можна визначити як розподілені комунікаційні системи, які характеризують надійність їх структурних елементів, що впливають на інформаційну безпеку. Бездротова сенсорна мережа може бути імітована мережею з чергою заявок на обслуговування. Основні характеристики вузла сенсорної мережі можуть бути визначені як характеристики мережі масового обслуговування. Приведені аналітичні залежності дозволяють визначити характеристики ненадійного вузла, необхідні для аналізу “вузьких” місць, для підвищення надійності функціонування мережі та мінімізації загроз інформаційної безпеки бездротової сенсорної мережі. Подальші шляхи досліджень пов'язані з вивченням характеристик бездротових мереж на основі використання мережі БпЛА типу “зграї”.

Література

1. Karl Holger. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks: training manual / Holger Karl, Andres Willig. - England: Jonh Wiley & Sons, Ltd, 2005. - p. 507.

2. Аналіз загроз та механізмів забезпечення інформаційної безпеки в сенсорних мережах: захист інформації / О. Корченко, М. Алєксандер, Р. Одарченко, А. Наджі, O. Петренко. - Київ: Національний авіаційний університет, 2016. - С. 48-56.

3. Стеценко І.В. Моделювання систем: навчальний посібник / І.В. Стеценко. - Ч.: ЧДТУ, 2010. - 399 с.

4. Гахов Р.П. Моделирование трафика беспроводной сети передачи данных / P. П. Гахов, Н.Г. Кучук // Научные ведомости Харків. - 2014. - № 1 (172). - С. 175-181.

5. Лейцзюнь Сян. Проектування системи управління домом на основі протоколу ZigBee, GSM та TCP/IP / Лейцзюнь Сян // Х міжнародна конференція IEEE з управління та автоматизації (ICCA) «Комп'ютерні науки, інженерія» (12-14 червня 2013 року). - Ханчжоу, Китай: 2013 - С. 1372-1375.

6. Ложковський А.Г. Теорія масового обслуговування в телекомунікаціях: навчальний посібник / А.Г. Ложковський. - О.: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2010. - 112 с.

7. Тананко И. Е. Моделирование ненадежного узла сенсорной сети неоднородной сетью массового обслуживания: автореф. маг. работы: спец. 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника факультета компьютерных наук и информационных технологий» / И. Е. Тананко. - Саратов: СНИГУ, 2019. - 11 с.

References

1. Karl Nolger & Andres Willig. (2005). Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. England: Jonh Wiley & Sons, Ltd, (p. 507) [in Great Britain].

2. Korchenko, O., Alexander, M., Odarchenko, R., Naji A. & Petrenko, О. (2016). Analysis of threats and mechanisms for ensuring information security in sensor networks [Protection of information security in sensor networks]. Kyiv: National Aviation University, (pp. 48-56) [in Ukrainian].

3. Stetsenko, I.V. (2010). System modeling [Modeling systems]. Cherkasy: CHSTU, (p. 399) [in Ukrainian].

4. Gakhov, R.P. & Kuchuk N.G. (2014) Modeling of the traffic of a wireless data network [Wireless data network traffic simulation]. Kharkiv: Scientific Bulletin, (рр. 175-181) [in Ukrainian].

5. Leijun Xiang. (2013). Designing a home management system based on ZigBee, GSM and TCP/IP. X International Conference on IEEE Control and Automation (ICCA) «Computer Science, Engineering». (pp. 1372-1375). Hangzhou: IEEE [in China].

6. Lozhkovsky, A.G. (2010). Theory of mass service in telecommunications [Theory of queuing in telecommunications]. Odesa: ONAS named after A.S. Popov, (р. 112) [in Ukrainian].

7. Tananko, I.E. (2018). Modeling an unreliable sensor network node by a heterogeneous mass service network. Extended abstract of candidate's thesis. Saratov: SNIGU [in Russian].

Размещено на Allbest.ru