Разработка моделей и методов обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат наук Хоанг Лэ Чунг

• Хоанг Лэ Чунг
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Хоанг Лэ Чунг

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЛИЯНИЮ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ. ПОСТАНОВКИ ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.1 Концепция Интернета вещей. Беспроводные сенсорные сети

1.2 Преднамеренные электромагнитные воздействия как угроза для систем телекоммуникации

1.3 Аналитический обзор исследования по влияниям преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводные сети

1.4 Модель влияния преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводную сенсорную сеть

1.4.1 Преднамеренные электромагнитные воздействия по цепям питания

1.4.2 Преднамеренные электромагнитные воздействия по металлоконструкци ям

1.4.3 Преднамеренные электромагнитные воздействия по линиям связи

1.4.4 Преднамеренные электромагнитные воздействия электромагнитным полем

1.5 Постановка целей и задач диссертационной работы

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ

2.1. Возможные последствия преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводные сенсорные сети

2.2. Описание модели распределения узлов беспроводной сенсорной сети на местности

2.3. Метод обнаружения влияния преднамеренного воздействия на беспроводную сенсорную сеть

электромагнитного

2.4. Анализ доступности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

2.5. Анализ длины маршрутов и анализ связности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

2.6. Метод локализации источника преднамеренного электромагнитного воздействия при наличии одного источника преднамеренного электромагнитного воздействия

2.7. Метод локализации источника преднамеренного электромагнитного воздействия в условиях нескольких источников преднамеренных электромагнитных воздействий

2.8. Метод оценки связности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях

преднамеренных электромагнитных воздействий

Выводы по главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ВЫБОРА МАРШРУТОВ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

3.1. Аналитическая модель выбора маршрутов на основе параметров беспроводной сенсорной сети

3.2. Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях

3.3. Описание модели выбора маршрутов на основе параметров беспроводной сенсорной сети

3.4. Описание метода геолокации в беспроводной сенсорной сети на базе

протокола ZigBee

Выводы по главе

ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ ЗАЩИТЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

4.1. Модель защиты беспроводных сенсорных сетей в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

4.2. Применение суперузлов для обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

4.3. Вероятность функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях

преднамеренных электромагнитных воздействий

4.4. Моделирование фрагментов беспроводной сенсорной сети с разной вероятностью связи между узлами в условиях преднамеренных

электромагнитных воздействий

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Имитационная модель выбора маршрутов между узлами

БСС в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия

Приложение Б. Акт внедрения

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка моделей и методов обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий»

Актуальность темы исследования

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.

В то же время за последние годы достигнут существенный прогресс в области исследования беспроводных сенсорных сетей. Работы отечественных и зарубежных ученых А. Е. Кучерявого [2; 36; 37; 43-47; 50; 58; 60; 108], Е. А. Кучерявого [39; 40-42; 51; 53], А. В. Рослякова [64], Р. В. Киричка [30; 103;

106], А. П. Пшеничникова, Е. В. Туруты, В. А. Мочалова [53; 54], П. А. Абакумова [1; 72], А. В. Прокопьева [34; 35; 48], W. Heinzelman [92], O. Yonis, D. Kim, K. Lindsey, A. Salim [37] 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 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.

Методология и методы исследования

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.

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 передачи сообщений между

узлами беспроводной сенсорной сети осуществляется на основе алгоритма поиска кратчайших путей с учетом 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 к 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 № 15-0709431 а, 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 (Санкт-Петербург, сентябрь 2016 г.), 31-й Международной конференции по информационным сетям 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 научно-методической конференции «Актуальные проблемы

инфотелекоммуникаций в науке и образовании» СПбГУТ (Санкт-Петербург, февраль 2016 г.), 2-й Международной научно-технической 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 134 страниц текста, включая 32 рисунка, 10 таблиц, и состоит из содержания, введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы.

Личный вклад

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 анализируется содержание концепции Интернета вещей, беспроводных сенсорных сетей и их уязвимости. Был проведен аналитический обзор исследования по влияниям ПД ЭМВ на беспроводные сети. Определены модели влияния ПД ЭМВ на БСС для дальнейшего исследования в рамках диссертационной работы.

Во второй главе проанализированы возможные последствия ПД ЭМВ на БСС. Определены модели распределения узлов беспроводной сенсорной сети для исследования в рамках диссертационной работы. Разработан метод обнаружения преднамеренных электромагнитных воздействий на БСС путем проведения анализа параметров беспроводной сенсорной сети в условиях ПД ЭМВ.

В третьей главе проанализированы характеристики протоколов маршрутизации беспроводных сенсорных сетей. Разработана аналитическая модель, представленная в виде модифицированной матрицы 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, позволяющие увеличить вероятность доставки данных в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.

В четвертой главе разработана модель защиты беспроводных сенсорных сетей от преднамеренных электромагнитных воздействий на основе введения суперузлов и методика определения их числа, позволяющие обеспечить функционирование хотя бы одного из k суперузлов и сети при воздействии на большую часть ее площади.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЛИЯНИЮ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.1 Концепция Интернета вещей. Беспроводные сенсорные сети

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]. Применение концепции Интернета вещей может быть реализовано с использованием любой технологии, совместимой с Интернетом, такой как Wi-Fi, Ethernet, сотовые сети и др. Эти технологии хорошо зарекомендовали себя и способны полностью функционировать для предоставления услуг интернет-коммуникаций и как таковые подходят для того, чтобы стать базовыми для Интернета вещей. Тем не менее, требования к устройствам Интернета вещей отличаются от текущего использования персональных компьютеров, ноутбуков, смартфонов и других периферийных устройств, подключенных к Интернету. Во-первых, для повсеместного использования Интернета требуется увеличение пропускной способности, что является ключевым фактором в развитии услуг, связанных с Web 2.0, таких как потоковое мультимедиа, облачное хранение данных и работа с удаленными приложениями. Однако в рамках концепции Интернета Вещей требования к индивидуальной пропускной способности для каждого отдельного устройства низкое, так как все устройства Интернета вещей собирают, транслируют,

отправляют данные от сенсоров или выполняют поступившие команды [48; 76; 78; 79; 101; 102; 107; 129; 131]. Во-вторых, устройства Интернета вещей не требуют пользовательского интерфейса, как обычно при работе с подключенными устройствами, что позволяет сделать их достаточно дешевыми. В недалеком будущем устройства Интернета вещей будут способны функционировать и принимать решения без участия человека. Они смогут собирать данные, обрабатывать их с помощью какого-либо приложения и затем выполнять соответствующее действие на базе заранее сконфигурированного алгоритма или программного обеспечения для распознавания образов с самообучением. В качестве третьего фактора представлен масштаб использования Интернета вещей. Устройств Интернета вещей будет намного больше, чем на сегодняшний день, что потребует совершенствования магистральной сети, способной обрабатывать терабайты информации от подключенных устройств. Международный форум по исследованию беспроводных технологий оценивает число вещей, которые будут подключены к инфокоммуникационной сети Интернет в 7 трлн единиц к 2020 г. В это же время максимальное количество вещей в сетях связи общего назначения оценивается как 3000-5000 единиц в пересчёте на одного человека, что позволяет говорить уже о 50 трлн вещей в Сети. В соответствии с другими оценками, в 2017 году общее число подключенных устройств в Сети будет 4,9 млрд, а к 2020 году — 25 млрд. Поскольку адресное пространство для протокола IPv4 было исчерпано к началу 2009 года, а быстрый ожидаемый рост Интернета вещей предполагает большое количество подключенных устройств с уникальными адресами, весьма актуальным становится переход к адресации на базе протокола IPv6 как возможному решению данной проблемы.

В настоящее время одним из наиболее эффективных решений в быстром внедрении технологической основы для Интернета вещей являются беспроводные сенсорные сети (БСС), которые относятся к классу всепроникающих сенсорных сетей USN (Ubiquitous Sensor Networks [20; 73-75]). БСС обладают рядом особенностей по сравнению с существующими сетями, ключевой из которых

является их самоорганизация. Самоорганизующейся сетью называется такая сеть, число узлов в которой является случайной величиной в каждый момент времени, изменяясь в пределах от 0 до некоторого значения Nmax. Связи, возникающие между узлами в таких сетях, также случайны во времени т.к. образуются для достижения какой-либо цели или передачи данных в сеть связи общего пользования или в другие типы сетей. Как и все другие сети связи, самоорганизующаяся сеть состоит из сетей доступа и транзитных сетей. Сеть доступа называют Ad-hoc сеть (целевая сеть), а транзитную — mesh (ячеистая) сеть. Узлы сети Ad-hoc не могут маршрутизировать данные и осуществляют взаимосвязь лишь с ближайшими узлами. Зачастую такие узлы сети Ad-hoc называют дочерними. Последнее вовсе не означает, что каждый дочерний узел строго привязан к какому-либо определённому родительскому узлу. В процессе всего жизненного цикла дочерний узел может быть привязан к одному из родительских узлов, расположенных в непосредственной близости, а при определенных условиях дочерний узел может и сам на время или на всегда превратиться в родительский узел, например, в однородных сенсорных сетях. Узлы mesh сети используют встроенные функции маршрутизации и могут устанавливать соединения не только с ближайшими узлами, но и со многим другим узлами сети. Такой сетевой режим называется multi-hop (многошаговое соединение) и существенно отличается от соединений дочерних узлов Ad-Hoc-сети, ограниченных всего одним шагом при установлении соединения (one-hop). Поэтому достаточно часто Mesh-узлы называют родительскими узлами, т.к. это подчеркивает их транзитную функцию. Исходя из этого ясно, что все узлы самоорганизующейся сети могут совмещать дочерние функции и родительские.

Беспроводная сенсорная сеть — 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 больными, находящимися дома, и решении множества других подобных задач. Существует множество

приложении, для которых производители выпускают разные типы сенсорных узлов для создания разных типов беспроводных сенсорных сетей. Такие сети нашли широкое применение для сбора различных видов информации: в метеорологии (температура, давление), телемедицине, при чрезвычайных ситуациях (пожарах, катастрофах и др.), военных операциях (определение местоположения движущихся целей, сбор данных с военной техники) и т. д. В то же время беспроводная связь имеет одно из главных преимуществ — возможность быстрой инсталляции даже в уже построенных зданиях, поскольку она не требует дополнительного монтажа проводов. Ввиду того что устройства не связаны проводами, их можно свободно перемещать по зданию, что делает беспроводную связь идеальной для носимых предметов, а также стационарных устройств с беспроводной связью. Пример архитектуры построения типовой беспроводной сенсорной сети представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Архитектура построения типовой беспроводной сенсорной

сети

На представленном рисунке координатор выступает также в роли шлюза и является интерфейсом между пользователями и сетью связи. Таким образом, можно получить необходимую информацию с БСС, послав запрос на координатор. Типовая беспроводная сенсорная сеть содержит сотни тысяч сенсорных узлов. Если сенсорные узлы расположены на большой территории, то используется такой термин, как «сенсорные поля». Сенсорные узлы могут взаимодействовать между собой, используя радиосигналы. Как правило, сенсорный узел состоит из датчика/актуатора, микроконтроллера (который выполняет функции аналого-цифрового преобразования), радиомодуля и элемента питания. Кроме множества преимуществ сенсорные узлы имеют ряд ограничений, таких как низкая скорость передачи данных, малый объем памяти, небольшой радиус радиопокрытия. Сенсорные узлы могут быть случайным образом разбросаны на некоторой территории или предварительно размещены в полном соответствии с планом построения самоорганизующейся сети. Опрос беспроводных сенсорных узлов можно осуществлять через веб-интерфейс для последующей визуализации данных. Режим работы сенсорного узла может быть как непрерывным, так и управляемым событием. Глобальная система позиционирования (GPS — Global Positioning System) и локальные алгоритмы позиционирования могут быть использовать для получения информации о местоположении и локализации сенсорных узлов в пространстве. Устройства БСС могут быть статичными или мобильными в зависимости от определенных задач.

На базе беспроводных сенсорных сетей могут быть реализованы различные приложения, что требует применения нетрадиционных парадигм для разработки протоколов, благодаря специфичным ограничениям. Ввиду низких требований к сложности сенсорных узлов, а именно низкого энергопотребления (длинный жизненный цикл сети), необходимо найти подходящий баланс между коммуникацией и возможностями обработки сигналов/данных. Это диктует условия активизации исследовательской деятельности, стандартизации и промышленных инвестиций в этой области начиная с прошлого десятилетия.

В настоящее время основные направления исследования БСС сконцентрированы на разработке эффективных алгоритмов и протоколов для уменьшения энергетических затрат и увеличения остаточной энергии при функционировании сети, а это, в свою очередь, приводит к увеличению длительности жизненного цикла беспроводной сенсорной сети. В большинстве случаев в исследованиях беспроводных сенсорных сетей рассматриваются однородные сенсорные узлы. Стоит отметить, что в настоящее время большинство исследований сосредоточено на гетерогенных сенсорных сетях, в которых сенсорные узлы не похожи друг на друга с точки зрения их энергии. Новые сетевые архитектуры с гетерогенными устройствами и последние достижения в этой технологии устраняют существующие ограничения и значительно расширяют спектр возможных приложений для БСС, и все это очень быстро меняется. Существует ряд рекомендаций по исследованию БСС и их особенности [116-119; 121-127].

Несмотря на все преимущества беспроводных сенсорных сетей, в настоящее время для них существует ряд потенциально опасных угроз естественного и искусственного происхождения. Одной из ключевых является проблема обеспечения безопасности как отдельных элементов БСС, так и целых фрагментов сети. Существует четыре критерия, которые должны выполняться для обеспечения сетевой безопасности в сенсорных сетях, — это конфиденциальность, целостность, аутентификация и доступность. Конфиденциальность — это способность скрывать сообщения от пассивных злоумышленников, вследствие чего сообщение, передаваемое по сенсорным сетям, остается конфиденциальным. Целостность представлена как возможность подтверждения того, что сообщение не было подделано или изменено, пока оно находилось в сети. Под аутентификацией подразумевается информация о том, является ли полученное сообщение пришедшим от узла, который указан как отправитель, подтверждающая надежность происхождения сообщения. Доступность заключается в определении того, имеет ли узел возможность использовать ресурсы сети, например, доступна ли сеть для приема и передачи сообщений. Централизованное обновление в БСС подразумевает, что сенсорные

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хоанг Лэ Чунг, 2018 год

источник пд эмв

СЕНСОР

•л

Рисунок 1.10 - Модель влияния ПД ЭМВ на БСС

1.5. Постановка целей и задач диссертационной работы

С учетом изложенного можно сделать вывод, что преднамеренные электромагнитные воздействия являются новой серьезной угрозой для систем и средств связи, и особенно для беспроводных сенсорных сетей как базовой технологии Интернета вещей.

Используя методы обеспечения безопасности информационных технологий, которые подробно описаны в международном стандарте ИСО/МЭК 15408-1 (общие критерии), опасность преднамеренного электромагнитного воздействия (ПД ЭМВ) на информационную систему, в том числе на БСС, можно рассматривать как намерение произвести злоумышленные действия, направленные на уничтожение, искажение и блокировку передаваемой информации.

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.

Объектом исследования являются беспроводные сенсорные сети. По ходу исследования будем рассматривать влияния ПД ЭМВ не только на сами узлы беспроводной сенсорной сети, но и на процесс передачи данных и транзит данных между узлами сети.

В качестве предмета исследования выбраны модели и методы обеспечения функционирования беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.

Выводы по главе 1

1. Развитие Интернета вещей оказывает значительное влияние не только на развитие сетей связи, но и на образ нашего человечества. Базовой технологической основой ИВ являются всепроникающие сенсорные сети, к которым относятся беспроводные сенсорные сети.

2. Проведенный анализ деятельности международных организаций по изучению ПД ЭМВ показал, что в настоящее время есть серьезная угроза проведения электромагнитных атак на объекты телекоммуникационных сетей и систем террористическими или криминальными организациями. 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 объектов от данной угрозы;

- создание нормативной базы в виде системы целевых стандартов.

3. По результатам анализа 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, в настоящее время отсутствуют работы, в которых были бы проведены полные комплексные исследования механизмов деструктивного воздействия на беспроводные сенсорные сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.

4. Предложена модель влияния ПД ЭМВ на беспроводную сенсорную сеть, представленная в рамках диссертационной работы, а также для дальнейшего исследования.

5. Сформированы цели и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ

2.1 Возможные последствия преднамеренного электромагнитного воздействия на беспроводные сенсорные сети

В области сетевой безопасности, определяемой в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т Х.1311 «Структура сетевой безопасности для всепроникающих сенсорных сетей» [128], существенную роль играют атаки на разновидности взаимосвязи в ДОМ В рекомендации МСЭ-Т X1311 выделяются пять категорий взаимосвязей в ДОМ, 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.

Приведенный перечень взаимосвязей достаточно полно характеризует ^^ за исключением такого специфичного взаимодействия, как взаимодействие головного узла одного кластера с головным узлом другого кластера.

Далее в рекомендации МСЭ-Т X.1311 отмечается, что особенности построения и функционирования беспроводных сенсорных сетей предопределяют проблемы с использованием традиционных способов и средств обеспечения безопасности в сетях связи.

Действительно, сложно использовать общеупотребительную систему криптографических ключей вследствие достаточно строгих требований к сенсорным узлам по вычислительной мощности, объему памяти и энергопотреблению. Эти же требования способствуют и повышенной уязвимости сенсорных узлов из-за отсутствия экономической возможности сделать их защищенными при массовом применении. Кроме того, при создании сенсорной сети ее узлы размещаются на сенсорном поле, как правило, случайным образом, исходя из чего возникают проблемы с определением местоположения при использовании традиционных протоколов безопасности. Достаточно сложной проблемой обеспечения безопасности в USN является также тот факт, что базовая станция (шлюз) является точкой концентрации всей информации от всех сенсорных узлов сети, что делает ее привлекательным объектом для разнообразных атак.

Наряду с развитием беспроводных технологий передачи данных происходит развитие средств электромагнитного воздействия на них. Такие средства в ряде случаев могут использоваться на законных основаниях с целью обеспечения информационной безопасности, а также незаконно в целях совершения деструктивных действий (незаконные методы конкурентной борьбы, кибертерроризм и др.). Одним из распространенных методов такого воздействия является использование генераторов сверхкоротких импульсов, создающих помехи в работе средств широкополосной связи в диапазоне частот от 300 МГц до 12 ГГц. Далее рассмотрим преднамеренное электромагнитное воздействие как воздействие, осуществляемое путем применения портативных генераторов электромагнитного поля и приводящее к уничтожению, искажению и блокированию передаваемой информации.

Искажения в структуре передаваемых данных происходят на физическом уровне, как правило, на приемнике. В результате воздействия сигналов с параметрами, сопоставимыми с параметрами полезных передаваемых сигналов, происходит нарушение нормального функционирования сети связи и искажение передаваемой информации. Основной особенностью ПД ЭМВ является то, что

сформированный импульсом спектр схож со спектром широкополосного сигнала. Поэтому такие воздействия трудно обнаружить традиционными способами. К тому же они могут создаваться с помощью специальных генераторов с большого расстояния и маскироваться под обычные электромагнитные помехи. Вследствие такого воздействия нарушается не только функционирование отдельных сенсорных узлов, но и целостность беспроводной сенсорной сети, находящейся в зоне электромагнитного воздействия.

Влияние ПД ЭМВ в полосе рабочего канала, а также внеполосных помех в общем случае приводит к увеличению количества ошибок передаваемых пакетов вплоть до полной блокировки, т. е. к невозможности передачи данных между некоторым количеством узлов 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.

2.2 Описание модели распределения узлов беспроводной сенсорной сети на

местности

Задачей БСС является доставка данных (информации) между источником и получателем. В качестве источника может выступать один или несколько узлов сети, а получателем может быть шлюз БСС с внешней сетью или сервер, являющийся конечным получателем данных. Данные могут доставляться непосредственно по радиоканалу, если получатель находится в зоне связи источника, или по маршруту через цепочку узлов, выполняющих роль транзитных пунктов, которые находятся в зоне радиовидимости друг друга. Выбор маршрута обеспечивается используемым протоколом маршрутизации. Для характеристики качества функционирования сети можно использовать такие показатели, как вероятность наличия маршрута между источником и получателем и среднее время доставки данных. Последнее в значительной степени зависит от числа транзитов в маршруте (длины маршрута). Вероятность наличия маршрута и его длина определяются расстоянием между источником и получателем, радиусом связи узла, распределением узлов на территории или в пространстве. Далее будем двухмерный случай, т. е. вариант плоской поверхности, на которой размещены узлы сети. Распределение узлов БСС по обслуживаемой территории может быть как детерминированным, так и случайным. Процесс эксплуатации сети может сопровождаться выходом из строя отдельных узлов, изменением их положения (координат), поэтому в общем случае целесообразно ориентироваться на случайное размещение узлов, при этом закон их распределения по территории может быть различным и зависеть от многих факторов, в том числе и от

специфики назначения сети. Наиболее простой с точки зрения анализа является модель пуассоновского поля, которая предполагает, что координаты размещения узлов случайны и независимы (см. рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Пуассоновское сенсорное поле

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.

Однако 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 (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).

Рисунок 2.2 - Кластерная структура беспроводной сенсорной сети

Далее в диссертационной работе будем анализировать зависимость параметров связности сети от характера электромагнитных воздействий как для пуассоновской модели распределения сенсорных узлов, так и для кластерной структуры беспроводной сенсорной сети.

2.3 Метод обнаружения преднамеренного электромагнитного воздействия на

беспроводную сенсорную сеть

Уязвимость ДОМ к электромагнитным воздействиям состоит не только в снижении связности и росте доли ошибок, но и в затратах энергии на изменение конфигурации. Если протокол маршрутизации выполняет изменение конфигурации маршрутов после изменения состояния сети, например изменения качества обслуживания, то периодическое электромагнитное воздействие на сеть приведет к вынужденным процедурам реорганизации и, как следствие, к повышенному расходу энергии и сокращению времени жизни. На времени жизни также сказывается длина маршрута пропуска трафика. Чем большее число транзитов в маршруте, тем выше расход энергии, необходимой для передачи сообщения.

Так как любое электромагнитное воздействие проявляется в изменении конфигурации сети, целесообразно рассмотреть зависимость параметров связности от параметров воздействия. Будем полагать, что воздействие оказывается точечным источником. В качестве параметра будем рассматривать радиус зоны воздействия Я. Для решения поставленных задач проанализируем зависимость таких параметров, как число доступных узлов сети, связность сети и длина маршрута от радиуса зоны воздействия.

2.4 Анализ доступности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

Будем полагать, что узлы, попавшие в зону воздействия, становятся недоступными. Зона воздействия представляет собой круг радиуса Я. Распределение числа узлов сети, попадающих в зону электромагнитного воздействия, для пуассоновского поля непосредственно следует из его свойств и определяется распределением Пуассона как вероятность попадания k узлов в область площади Б [82]

Р*(5) = ^ е, (2.1)

где 5 = пИ2,

Я - радиус зоны воздействия (м);

р - плотность узлов (число узлов на единицу площади).

Математическое ожидание числа узлов в зоне воздействия, соответственно,

как

п2 = рпЯ2 (2.2)

Распределение числа доступных узлов будет определяться аналогичным образом с учетом того, что они расположены вне зоны воздействия,

рл(5) = е-!(!-!!2) (2.3) где Р - площадь зоны обслуживания.

Математическое ожидание числа доступных узлов, соответственно, как

ПА = - пя2) (2.4)

При потере некоторого количества узлов возможно ценить площадь и радиус зоны предполагаемого воздействия

5 = % Я = Р, (2.5)

Р Л/

где п2 - число потерянных узлов сети. Или через число доступных узлов как

5 = <г- т- * ^! (в - > (26)

где Яд - число доступных узлов сети.

Оценки (2.5) и (2.6) дают лишь представление о параметрах зоны предполагаемого воздействия, но не позволяют идентифицировать факт такого воздействия, т. к. потерянные узлы могут находиться в различных точках обслуживаемой территории и причины их недоступности могут быть различны.

2.5 Анализ длины маршрутов и анализ связности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

Будем полагать, 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 х 200 м. Радиус связи узла составляет 50 м. Кратчайшие маршруты между всеми узлами находятся с помощью алгоритма Флойда-Уоршалла [90].

На рисунке 2.3 приведено распределение расстояний между узлами для пуассоновского поля точек (узлов) в плоской квадратной области размером 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м.

0,016 0,014 0,012 0,01 о. 0,008 0,006 0,004 0,002 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160170180190200

Им)

Рисунок 2.3 - Распределение расстояний между узлами в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м

На рисунке 2.4 приведено распределение длин кратчайших маршрутов, полученное в результате имитационного моделирования, в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м без воздействий на сеть.

0,35 0,3 0,25 0,2

а.

0,15 0,1 0,05 0

Рисунок 2.4 - Распределение длин маршрутов между узлами в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м

На рисунках 2.5 и 2.6 приведены распределения длин кратчайших маршрутов в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м при воздействии, радиус зоны которого составляет 50 и 75 м соответственно.

Рисунок 2.5 - Распределение длин маршрутов между узлами в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м и радиусе зоны

воздействия 50 м

0,16

о. 0,08

Рисунок 2.6 - Распределение длин маршрутов (в числе переходов) между узлами в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м и

радиусе зоны воздействия 75 м

Из приведенных рисунков видно, что при увеличении радиуса зоны воздействия изменяется средняя длина пути и среднеквадратическое отклонение этих длин. Зависимость средней длины маршрута в сети от радиуса зоны воздействия приведена на рисунке 2.7.

4,5 4,0

5 3,5 >

с 3,0

го '

I-

к 2,0 к

I 1,5 ш а

<-» 1,0

0,5

0,0

о—е—^

]

20

40

60

80

100

120

Радиус зоны воздействия, м

Рисунок 2.7 - Зависимость средней длины маршрута в сети от радиуса зоны

воздействия

На рисунке 2.8 приведена зависимость среднеквадратического отклонения длины маршрута от радиуса зоны воздействия.

-f

120

Рисунок 2.8 Зависимость среднеквадратического отклонения длины маршрута от

радиуса зоны воздействия

Из рисунков 2.7 и 2.8 видно, что изменения среднего значения и среднеквадратического отклонения длины маршрута от радиуса зоны воздействия существенны лишь при значительной величине радиуса. При относительно малых значениях радиуса зоны использование этих параметров не эффективно для идентификации воздействия. Идентификатором воздействия может служить изменение доли длинных маршрутов.

Под связностью узла будем понимать число доступных ему узлов (узлов в зоне связи). С учетом свойств пуассоновского поля связность узла может быть найдена как

с = рпг2 (2.7)

где г - радиус зоны воздействия (м); р - плотность узлов (узлов на единицу площади)

На рисунке 2.9 приведено распределение связности между узлами для пуассоновского поля точек (узлов) в плоской квадратной области размером 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м.

25

20

15

01 о

3£ и (11 У X

га а

5 ю

m ас а>

! 5 а и

©-9-

-е—е-

-е—©-

20

40 60 80

Радиус зоны действия, м

100

0123456789 101112131415161718192021222324252627282930

Связность

Рисунок 2.9 - Распределение связности в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м, без воздействия

На рисунке 2.10 приведено распределение связности между узлами для пуассоновского поля точек (узлов) в плоской квадратной области размером 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м и при радиусе зоны воздействия 50 м.

Рисунок 2.10 - Распределение связности в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м и радиусе зоны воздействия 50 м

Как видно из рисунков 2.9 и 2.10, при воздействии распределение связности существенно зависит от наличия воздействия. В частности, как видно из

рисунка 8, при наличии воздействия существенно изменяется средняя величина и появляется значительная доля узлов с нулевой связностью.

На рисунке 2.11 приведена зависимость средней величины связности от радиуса зоны воздействия. Целесообразно сопоставить ее с изменением средней длины маршрута.

20 18

со

§16 го

Л14 §12

¡10 со <-> 8 к

£ 6 с!

а л о. 4 и

2 0

20

40 60 80

Радиус зоны воздействия, м

120

40 60 80

Радиус зоны воздействия, м

100

120

Рисунок 2.11 - Распределение связности в сети из 100 узлов на территории 200 х 200 м, при радиусе связи узла 50 м и радиусе зоны воздействия 50 м

Как видно из рисунка 2.11, связность узлов существенно зависит от радиуса зоны воздействия. 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 сети.

Таким образом, изменение связности может быть одним из критериев идентификации воздействия.

Из проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

- Для идентификации электромагнитного воздействия следует использовать комплексный анализ параметров сети, 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.

- По этим данным может быть получена предварительная оценка площади подвергшейся воздействию (формулы (2.5) и (2.6)).

2.6 Метод локализации источника преднамеренного электромагнитного воздействия при наличии одного источника преднамеренного электромагнитного воздействия

Источник электромагнитного воздействия (помех) оказывает деструктивное влияние на функционирование ДОМ, которое, как было показано выше, выражается в изменении ее параметров. В общем случае локализация источника возможна двумя основными способами:

- сторонними средствами анализа радиочастотного спектра, позволяющими идентифицировать и локализовать источник;

- путем анализа параметров функционирования иБЫ.

Данный материал посвящен анализу функционирования ДОМ, поэтому первый способ выходит за рамки тематики, далее будем рассматривать только второй способ. Очевидно, что локализация источника воздействия вторым способом возможна только в том случае, когда известны координаты местоположения узлов сети. В противном случае возможно лишь сделать гипотезу о воздействии и оценить степень его влияния на сеть, как было показано выше.

Будем полагать, что система управления (мониторинга) ДОМ обеспечивает получение таких данных, как:

- общее число узлов сети;

- связность узлов сети;

- координаты узлов сети (характеристики местоположения);

- характеристики маршрутов пропуска трафика.

На основании данных о связности и координатах узлов может быть построен план сети или матрица связности.

Если предположить, что на сеть оказывается единичное воздействие, то наиболее вероятная локализация источника будет находиться вблизи точки, наименее удаленной от недоступных узлов (узлов, ставших недоступными в результате воздействия). Координаты этой точки могут быть вычислены как координаты центра масс для недоступных узлов

= & (!), Уг = Г=га У[(!) (2.8)

где п2 - число недоступных узлов;

- координата х 1-го недоступного узла;

У1- координата у 1-го недоступного узла.

Аналогичным образом, координаты этой точки могут быть вычислены при наличии данных об узлах, связность которых деградировала (уменьшилась) в результате предполагаемого воздействия:

= ^ТО?! **Ас, ус = У!(!)(2.9)

где пс - число узлов, связность которых деградировала;

- координата х 1-го узла;

У1- координата у 1-го узла;

Дс - абсолютное изменение связности (целое положительное число).

2.7 Метод локализации источника преднамеренного электромагнитного воздействия в условиях нескольких источников преднамеренных электромагнитных воздействий

При наличии нескольких источников воздействия задача их локализации усложняется тем, что априорно не известно ни положение источников помехи, ни их количество. В общем случае точно установить количество и положение источников невозможно. Однако частные решения могут быть получены при использовании методов кластеризации.

Будем исходить из того, что имеются данные о недоступных узлах, а область воздействия каждого из источников помех представляет собой круг. Применим следующий итерационный алгоритм.

1. С помощью выражения (2.5) оценим радиус предполагаемой области воздействия

Ял = Р, к = 1 (2.10)

где к - номер итерации.

Опишем начальный кластер окружностью данного радиуса с центром, полученным с помощью выражения (2.8).

2. По матрице связности оценим число доступных и недоступных узлов, попадающих в описанную область пА и п2.

= ^ >(211)

Если доля доступных узлов в выделенной области превышает заданную величину 50, делается попытка кластеризации, идти к п. 1.

Если доля доступных узлов в выделенной области меньше величины 50, то алгоритм закончен и предполагаемые источники локализованы, число источников равно числу выделенных кластеров.

3. Для кластеризации используем алгоритм ГОЯБЬ, при этом радиус кластера будем выбирать из соображений, что площадь одного кластера равна

отношению площади, полученной с помощью (2.5), и числу выделяемых кластеров

где к - номер итерации.

4. Следующая итерация к = к + 1, идти к п. 2.

Использование приведенного алгоритма дает возможность выделить группы узлов, оказавшихся в зонах воздействия помех, получить оценку количества и предполагаемой локализации источников помех.

2.8 Метод оценки связности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий

Полагаем, что узел хранит данные о доступных ему соседних узлах, а мониторинг связности происходит итерационно при выполнении операциях реконфигурации сети или передачи/приема данных. В общем случае, с учетом того, что узел сети может находиться в зоне неуверенной связи с другими узлами, то его связность - это случайная величина, принимающая различные значения от итерации к итерации. Это может привести к реакции на каждое изменение связности как на электромагнитное воздействие и к загрузке сети работой по анализу данных. Связность характеризуется числом доступных соседних узлов. Полагаем, что доступность узлу / узла ] - двоичная случайная величина р (доступен или недоступен), которая распределена по биномиальному закону. Для оценки ее соответствия некоторой норме р0 проводятся попытки доступа, результаты которых регистрируются. По результатам испытаний производится оценка вероятности, характеризующей доступность. Для сокращения числа попыток целесообразно использовать метод последовательного анализа [15; 39]. Пусть состояние доступности оценивается по правилу р > р(0), где р -вероятность, представляющая оцениваемую доступность, р(0) - принятое

(2.12)

нормативное значение. Норматив также устанавливает вероятность выполнения данного правила 1 — а = р{р < р(0)].

В ходе испытаний фиксируется общее число испытаний п и число испытаний, при которых произошло событие т.

Вероятность т. событий в серии из п испытаний равна

Рт,п = С?р!(1 - р0)п~т (2.13)

где р0 = р(0 - вероятность, при которой принимается гипотеза Н0. Относительно двух гипотез вычисляется отношение правдоподобия. В данном случае отношение правдоподобия будет определяться как

у = Р£! = р!(1-р0)п~т = р!(1-р0)п~т (214)

' (О) ' (р0 + й)т(1-Ро-!)п_т р!г(1-р1)п~т ( . )

Рш,П

где й - допустимая погрешность оцениваемой вероятности. Рг = Ро — ^ - вероятность, при которой принимается гипотеза Нг. Гипотеза Н0 принимается, если число успехов

т > К2 + пкз (2.15)

принимается гипотеза Нг, если число успехов

т < + пкз (2.16)

если ^ + пкз < т. < К2 + пк3 то испытания следует продолжить.

, 1-рр

и - __ ь - __ ь = ё!-Р!__(217)

Ро 61-Р1 Ро 61-Р1 Ро 61-Р1

В = А = ^ (2.18)

1-! а 47

Математическое ожидание объема выборки определяется как

м (п| Ро) = '-»у (2.19)

!о 1о§!г- (1-!о) 1°§Т-!0 Ро 1-Р1

м (щ ро = ?'Т;Г"'Тро (2.20)

Ро 1-Р1

м (П |р0) = (2.21)

Ро 1-Р1

Узел сети регистрирует попытки установления связи с соседними узлами, и если описанный выше критерий после очередной попытки показывает

недоступность узла, то попытки прекращаются, а результат учитывается в коэффициенте связности узла. Все сказанное можно отнести и к попыткам передачи пакета.

Выводы по главе 2

1. Проанализированы возможные последствия преднамеренных электромагнитных воздействий на беспроводные сенсорные сети.

2. Определены модели распределения узлов беспроводной сенсорной сети на местности для исследования в рамках диссертационной работы.

3. Разработан метод обнаружения источника воздействия путем проведения анализа зависимости параметров беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия [32; 68; 95]. 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.

- По этим данным может быть получена предварительная оценка площади подвергшейся воздействию [формулы (2.5) и (2.6)].

4. Разработан метод локализации источника преднамеренного электромагнитного воздействия [68; 95]. Разработанный метод позволяет локализовать источник или источники преднамеренного электромагнитного воздействия при наличии данных о координатах узлов, проводить анализ связности узлов сети.

5. Разработан метод оценки связности узлов беспроводной сенсорной сети в условиях преднамеренного электромагнитного воздействия. При оценке связности узла целесообразно использовать статистические методы, позволяющие

игнорировать случайные изменения доступности узлов, в частности для сокращения числа проб целесообразно применять метод последовательного анализа.

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ВЫБОРА МАРШРУТОВ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

3.1 Аналитическая модель выбора маршрутов на основе параметров

беспроводной сенсорной сети

Как было отмечено во второй главе диссертационной работы, в результате влияния ПД ЭМВ на БСС происходит деградация качества каналов вплоть до прерывания связи с рядом узлов, что приводит к нарушению маршрутизации. Для обеспечения функционирования сети строится карта сенсорного поля на основе измерения ДО57 и прокладываются альтернативные маршруты, удаленные от зоны воздействия. Таким образом, решается задача повышения вероятности доставки данных в беспроводных сенсорных сетях в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий.

3.2 Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях

Беспроводные сенсорные сети могут иметь как постоянную структуру, так и изменяющуюся вследствие перемещения сенсорных узлов в течение времени. В этой связи возможно использовать различные алгоритмы маршрутизации, ориентированные в первую очередь на увеличение жизненного цикла беспроводной сенсорной сети в целом.

Значительную роль в работе беспроводных сенсорных сетей играют различные протоколы маршрутизации. Они осуществляют самоорганизацию узлов и доставку пакетов данных оптимальными маршрутами в соответствии с тем, какой стек протоколов или протокол используется (6Ьо"^РАК, ЯРЬ, ZigBee и др.). Протоколы маршрутизации помогают в оптимизации использования ресурсов беспроводной сенсорной сети, в том числе расхода энергии, использования памяти, цифроаналогового преобразования и др. Отсюда следует, что правильный выбор протокола маршрутизации позволяет значительно

увеличить время жизни сети. Улучшение этой характеристики крайне важно, потому что в большинстве случаев узлы БСС не предполагают дополнительного обслуживания и могут располагаться в труднодоступных местах. При этом время жизни сети определяют, как время, прошедшее от начала работы сети до выхода из строя первого ее узла, что в подавляющем большинстве случаев происходит из-за истощения источника энергоресурсов. Перейдём к исследованию существующих и перспективных протоколов маршрутизации в БСС, а также случаев их применения в зависимости от тех или иных обстоятельств.

Маршрутизация — процесс определения пути передачи информации от узла-отправителя к узлу-получателю через промежуточные узлы и дальнейшего перенаправления пакета. Протоколы маршрутизации реализуют механизмы определения искомого направления передачи данных из одного пункта в другой. Вычислительно-коммуникационные узлы в БСС обмениваются информацией о топологии сети в соответствии с алгоритмом для построения таблиц маршрутизации. При этом собирается и передается по сети только служебная информация и составляется карта связей сети определенной степени детальности [16; 57; 71]. На основе служебной информации для каждой конкретной сети принимается решение о том, в какие узлы следует передавать пакеты при маршрутизации. После переформирования сетки маршрутов меняется и сама таблица маршрутизации. В таких случаях пакеты, отправленные на основе устаревших данных, могут следовать ложными маршрутами, попадать в петли или теряться. Качество работы всей сети зависит от способности протокола маршрутизации оперативно приводить в соответствие содержимое таблиц реальному состоянию сети.

В связи с тем, что сенсорные сети могут не иметь постоянной инфраструктуры, не представляется возможным использовать стандартные протоколы маршрутизации применительно к сенсорным сетям. Дополнительным обстоятельством, которое также необходимо учитывать, является то, что в БСС одна и та же информация может поступить от нескольких различных узлов, находящихся в одной зоне. Так как ресурсы развёрнутой сенсорной сети

(вычислительная мощность, долговременная помаять, запас электроэнергии, ширина канала связи) практически всегда жестко ограничены, то представляется крайне неразумным передавать одну и ту же информацию по нескольку раз. Таким образом, в случае отказа 90 % узлов кластера целесообразно доставить данные от оставшихся 10 % узлов. С этой целью применяются различные алгоритмы маршрутизации, которые позволяют решить поставленную задачу. В общем для БСС к протоколам маршрутизации выделяются следующие требования (см. рис. 3.1) [34]:

Рисунок 3.1- Требования к алгоритмам маршрутизации в БСС

Существует много работ, которые посвящены вопросам классификации алгоритмов маршрутизации в БСС с учетом набора критериев, изложенных выше [34]. В таблице 3.1 представлена классификация алгоритмов маршрутизации

в БСС с использованием типового подхода, изложенного в [71]: Таблица 3.1- Простая классификация алгоритмов маршрутизации в БСС

Критерий Категория Примеры

Сетевая структура Одноуровневая SPIN

Иерархическая LEACH

Знания о ресурсах На основе остаточной энергии HEED

На основе точности расположения Directed Diffusion

Управление протоколами Централизованное SPIN

Географическое GFG

На основе QoS SAR

На основе теории очередей COUGAR

Протоколы маршрутизации также можно разделить на следующие категории [112]:

- протоколы маршрутизации, основанные на мобильности узлов в сети;

- протоколы маршрутизации, основанные на качестве обслуживания Quality of Service (QoS);

- протоколы маршрутизации, основанные на гетерогенности (содержат оборудование и программное обеспечение различных производителей);

- иерархические протоколы маршрутизации (выполняются автономно на каждом уровне сети);

- протоколы маршрутизации, использующиеся для агрегации данных;

- мультиориентированные протоколы маршрутизации;

В соответствии с вышеизложенным сравним различные алгоритмы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях (см. табл. 3.2).

Таблица 3.2 - Сравнение алгоритмов маршрутизации в БСС

Протокол Основан на атрибута х Энерго- эффекти вность Местного типа Multipath QoS Иерархический

SPIN да

Directed Diffusion да

COUGAR да

ACQUIR E да

GAF да да

GEAR да да да

LEACH да да

PEGASIS да да да

TEEN да да

DirQ да

SHRP да да да да

SAR да да да

Maximum Lifetime да да

Energy Aware да да

Рассмотрим более подробно наиболее популярные алгоритмы.

Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) — это семейство телекоммуникационных протоколов, которые обеспечивают передачу информации, основываясь на процедуре «переговоров». SPIN принадлежит к методам маршрутизации, использующим связь одноранговых узлов без гарантии доставки сообщений с возможностью учёта расходов электроэнергии. Он используется при создании БСС с динамически изменяющейся топологией и мобильными узлами. Может использоваться адаптивный вариант достаточно простой техники лавинного распространения (flooding), который в значительной мере повышает общую эффективность маршрутизации. В этом случае данные от всех узлов распространяются по всей сети, что позволяет довольно легко получить данные от любого узла в случае запроса с немедленной доставкой. Механизм взаимодействия реализован с помощью трёх типов сообщений: ADV — используется для сообщения о наличии новой порции данных в узле и содержит их описание (в виде метаданных); REQ — используется для запроса данных с узла; DATA — используется для пересылки данных. Суть алгоритма можно изложить следующим образом. При получении новой порции данных узел предварительно договаривается с соседними узлами, отправляя сообщение ADV и ожидая поступление на него ответа REQ. После поступления запроса на передачу (REQ) узел передаёт данные. Каждый соседний узел, получая данные, выполняет аналогичные действия со своими соседями, передавая данные тем узлам, которые в этом заинтересованы, т.е. которые эти данные ещё не получали и

имеют возможность их дальнейшей трансляции в сети (см. рис. 3.2). Метаданные здесь служат как бы идентификатором реальных данных, на основе которого узел получает возможность избегать повторной передачи тех же данных (например, передаче самому источнику). Это позволяет снизить избыточность сетевого трафика и уменьшить бессмысленные потери энергии в сравнении с существующим методом лавинной маршрутизации. В семейство входят несколько основных протоколов, таких как SPIN-1, SPIN-2, а также несколько альтернативных: SPIN-BC (для широковещательной рассылки), SPIN-PP (для обеспечения взаимодействия «точка — точка»), SPIN-EC (для учёта энергопотребления узлов) и т. д.

Рисунок 3.2 - Иллюстрация механизма взаимодействия протокола SPIN

Directed diffusion (DD). DD — протокол агрегации данных. Он ориентирован на централизованную модель сбора с доставкой данных по

требованию. Предполагает наличие центрального узла Sink и, соответственно, маршрутизацию от множества источников к одному приемнику [98; 99].

Алгоритм работы DD состоит из трех основных фаз: рассылки узлом Sink сообщения запроса Interest; первоначальной настройки градиентов Gradients; укрепления пути и передачи данных (см. рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Иллюстрация механизма взаимодействия протокола Directed

diffusion

Передача данных в указанном протоколе представляет собой направленную диффузию. Приемник в начале работы определяет всем узлам низкую скорость

передачи информации поступающих событий. В дальнейшем он может «укрепить» один определенный сенсор, отправив ему сообщение Interest, увеличив, таким образом, скорость передачи. Аналогично, если соседний сенсор получит это сообщение и более высокую скорость передачи (выше, чем у любого существующего градиента), то это «укрепит» одного или нескольких его соседних сенсоров. Градиент может иметь свой вес и определяет возможное направление для маршрутизации. В итоге для передачи данных выбирается наиболее подходящий путь (например, кратчайший или более энергоэффективный).

Алгоритм LEACH: Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy [92] (см. рис. 3.4). Узлы самоорганизуются в кластеры и выбирают головной узел кластера. Все узлы, которые не являются головными узлами кластера, передают информацию этого головному узлу. Головной узел кластера принимает данные, производит их обработку и передает на базовую станцию. Периодически происходит случайная смена головного узла кластера и изменение структуры кластеров.

Рисунок 3.4 - Структура построения сети при использовании алгоритма LEACH

Алгоритм GEAR: Geographic and Energy Aware Routing (см. рис. 3.5). Ограничивает число пересылаемых запросов в направлении взаимодействия.

Работает только в определенном кластере сети, вместо всей сети в целом. Каждый узел хранит текущую и предшествующую стоимость маршрутов. При выборе маршрутов учитывается оставшаяся энергия и расстояние до точки назначения [34; 71].

ЭшК

Г)1

£

И2

п

>1

г>3

М

h2

Vhl

&№ А -

hi м

м

<5>

затрат энергии

место назначения

расстояние —между узлами и D

затрат энергии > на сооединения h hl<h2<h3<h4

INTEREST

Рисунок 3.5 - Структура построения сети при использовании алгоритма GEAR

3.3 Описание модели выбора маршрутов на основе параметров беспроводной

сенсорной сети

При наличии в зоне обслуживания сети источника помех некоторая доля узлов может оказаться недоступной, либо качество связи с ними существенно ухудшится. При наличии в сети сосредоточенного источника помех его координаты (х5, у5) можно оценить с помощью метода, изложенного в [68; 95]. В этом случае для обеспечения функционирования сети следует изменить маршруты между ее узлами. При решении данной задачи формальным поиском кратчайших путей будут найдены маршруты согласно выбранному критерию, например, зависящему от показателей качества каналов между узлами. Однако при наличии случайных или периодических помех маршруты могут пройти в зоне их действия, если в момент поиска таких помех не наблюдалось. Возможно также случайное изменение степени влияния помех на качество связи из-за изменения

условий приема, причем эта вероятность выше для тех узлов сети, которые находятся ближе к источнику помех. Исходя из сказанного, можно предположить, что в ряде случаев при выборе маршрута следует учитывать географическую близость его элементов к источнику помех.

Можно рассмотреть два варианта решения данной задачи:

- нахождение нескольких (к) кратчайших маршрутов в сети и выбор того, элементы которого наиболее удалены от источника помех;

- поиск кратчайшего маршрута по измененным исходным данным с учетом близости элементов сети к источнику помех.

В первом случае можно воспользоваться известным алгоритмом, например Йена [137], для поиска k кратчайших путей. Оценку близости элементов маршрута к источнику помех можно рассмотреть как сумму квадратов расстояний от узлов маршрута до источника помех. Для r-го маршрута эта сумма будет равна

[(X! - XS+ (У! - ys)2] (3.1)

где (х5, у5) - оценка координат источника помех;

(Xi, yi) - координаты /-го узла в r-м маршруте;

пг - количество узлов в r-м маршруте.

Выбор маршрута производится по критерию

R = argminr8r,г = 1... к (3.2)

Данный способ гарантирует нахождение маршрута, если алгоритм Йена обнаружил хотя бы один маршрут. Однако априорно не известно, какую величину к следует выбирать для поиска. Малое значение к может не дать желаемых результатов (все маршруты могут оказаться вблизи источника помех), при большом значении к может потребоваться слушком большой объем работы для их поиска.

В качестве второго варианта можно рассмотреть возможность изменения исходной матрицы расстояний между узлами. Матрицу следует изменить таким образом, чтобы расстояния до смежных узлов от узлов, находящихся ближе источнику помех, увеличились в большей степени, чем для узлов, находящихся

дальше от источника помех. Согласно большинству моделей распространения радиосигнала, можно предположить, что степень влияния источника помех на узлы сети обратно пропорциональна квадрату расстояния до них. Исходя из этого допущения, модифицируем расстояния между узлами согласно

- - [-Щт (1и < Я

= &п = !+!2!5 !] , ¿,) = 1 .„ п (3.3)

( Ю д.!" > к

где - расстояние от /-го узла до источника помех,

п - количество узлов в сети,

а - коэффициент, определяющий чувствительность выбора маршрута к влиянию источника помех,

Я - радиус связи узла сети.

Для нахождения кратчайших маршрутов по модифицированной матрице можно использовать любой алгоритм поиска кратчайших путей.

На рисунке 3.6 приведен пример выбора кратчайших путей (использовался алгоритм Флойда [85]) между вершинами Ь и 1 без учета источника ПД ЭМВ (р1), с учетом источника ПД ЭМВ, при значении константы а = 2000 (р2), при значении константы а = 1 (р3). Источник ПД ЭМВ на рисунке помечен символом Б. Сеть расположена на территории 200 х 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 помех, чем меньше значение константы а.

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 соответствии с приведенным примером определяем вероятности доставки данных для каждого маршрута.

Заданная вероятность отказа сенсорного узла в доставке данных:

• на расстоянии до 30 м от источника ПД ЭМВ - 0,5

• на расстоянии 30-40 м от источника ПД ЭМВ - 0,25

• на расстоянии 40-60 м от источника ПД ЭМВ - 0,1

• на расстоянии более 60 м от источника ПД ЭМВ - 0.

Выбираем соответствующие вероятности потери для каждого сенсора Рг, Рг, ■■■, Рк

Тогда вероятность потери для всего маршрута из к узлов будет

V = 1 - (1 - Рг) * (1 - Рг) * ■■■ * С1 - Рк) (3.4)

Вероятность доставки, соответственно

Ч = 1 - Р (3.5)

Значения расстояния от каждого сенсора до источника ПД ЭМВ приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Расстояния от каждого сенсора по соответственному маршруту до

источника ПД ЭМВ