Диссертация (Противодействие информационным угрозам VANET-сетям на основе аппарата фрактальных графов), страница 3

В отличие от OBUузлы RSU агрегируют информацию о локальном состояние сети и выполняютпрограммы, поддерживающие функционирование VANET.В VANET подразумевается использование двух типов соединений (рисунок1.1) между узлами сети [10]: V2V – соединения между двумя мобильными узлами сети.Соединения данного типа на физическом уровне должны быть14реализованыпутёмпрямогосоединенияузлов(P2P)безиспользования сторонней инфраструктуры. Данное требованиеобусловлено тем, что соединения V2V используются в приложения пообеспечению безопасности дорожного движения (safety applications),для которых необходима минимизация задержек передачи данных. V2I – соединения между мобильным узлом сети и элементоминфраструктурыVANET.Соединенияданноготипамогутиспользовать как прямую связь между узлами, так и канал,образованный с помощью сторонней инфраструктуры (например,канал связи по сотовой сети).

Данные соединения при использованиесторонней инфраструктуры не подходят для реализации приложений,обеспечивающих безопасность дорожного движения, по причинебольших задержек при передаче данных. Так задержка при передачеданных по сети 4G составляет около 50 мс [11], за данное времяавтомобиль на скорости 90 км/ч преодолеет более одного метра.Таким образом из-за задержки в передачи сообщения по мобильнойсети приложения по обеспечению безопасности дорожного движенияне смогут предотвращать аварии при движении узлов на высокихскоростях. Соединения V2I предполагается использовать дляприложений, не связанных с безопасностью дорожного движения(например, навигаторы).LTEInfrastructure-basedVANETDSRCAd-hoc-based VANETРисунок 1.1 – Классы архитектур VANET15На практике архитектуры VANET часто являются гибридными, в нихиспользуются как V2V, так и V2I соединения для обеспечения поддержкиширокого спектра приложений.В качестве основной области применения VANET рассматриваютсяприложения для систем АСУДД, нацеленные на повышение эффективноститранспортной системы.

Так на основе VANET-сети возможно реализовать системыгородской навигации с обновлением информации в режиме реального времени.Пример топологии VANET-сети представлен на рисунке 1.2.Рисунок 1.2 – Пример топологии VANET-сетиТакже VANET-сети можно использовать для распространения сообщений спредупреждениями о препятствиях на дороге, которые находятся не в зоне прямойвидимости.

При этом информация о препятствиях может быть получена с помощьюсистем компьютерного зрения [12], на основе которых также могут бытьреализованы системы экстренного торможения.ТактическиеMANET-сетипредназначеныдляобеспечениясвязивоеннослужащих в ходе боевых операций в условиях отсутствия прочейинфраструктуры связи.Тактическая MANET-сеть может включать узлы различного типа, которыемогут быть как статическими (беспроводные датчики, командные центры), так имобильные (устройства связи военнослужащих).16Сети толерантные к задержкам (Delay Tolerant Networks, DTN) – подход кпостроению сетей передачи данных, в котором допускаются задержки припередаче данных. При отсутствии соединения с сетью данные накапливаются влокальном хранилище узла до момента восстановления соединения.MANET-сети, применяемые для приложений, не имеющих ограничений назначения задержек при передаче, могут реализовывать данный подход дляпредотвращения потери данных [13].1.1.2ДляСтандарты построения VANET-сетейрассмотренияархитектурыVANET-сетйудобноиспользоватьиерархическую модель сети, подобную модели OSI.

В данном разделерассматривается специфика построения VANET на различных уровнях сети ипроизводится сравнение существующих стандартов для построения VANET состеком протоколов TCP/IP.Физический уровень VANET можно разделить на два подуровня: сетевойподуровень, в который входят узлы сети и среда передачи данных, и аппаратныйподуровень, в котором рассматриваются особенности построения узлов VANET.На аппаратном подуровне VANET отличается от традиционных сетейпередачи данных строением мобильных узлов сети.

OBU (on-board unit),устанавливаемый в мобильных узлах, выполняет две основные функции. Онпроизводит сбор данных с многочисленных датчиков автомобиля и передачурезультатов обработки собранных данных по сети. Обработка данных должнапроизводится в режиме реального времени в связи с требованиями приложений пообеспечению безопасности дорожного движения.На сетевом подуровне при построении VANET используются беспроводныетипы соединений. Для соединений V2I возможно использование мобильных сетейсотовой связи.

Для соединений V2V может использоваться технология WiFi.Стандарты Wi-Fi разрабатывались без учёта требований сетей VANET, дляповышения надёжности и уменьшения задержки при передаче данных для сетейVANET был разработан новый стандарт беспроводной связи – 802.11p. Под нуждыприложений, обеспечивающих безопасность дорожного движения в США и ЕС17выделены каналы частот, названные DSRC (Dedicated Short Range Communications)[14, 15, 16].

Увеличение надёжности передачи данных в стандарте 802.11p нафизическом уровне достигается путём уменьшения частоты передачи, что снижаетколлизию при передаче пакетов.На канальном уровне в связи с требованиями чувствительных к задержкамприложений в реализациях VANET применяются протоколы, поддерживающиемеханизмыприоритезациитрафика.Такстандарт802.11pреализуетприоритезацию трафика, поддерживаемую с помощью метки ethertype наканальном уровне сети с помощью специального алгоритма управления доступомк среде передачи данных. Более приоритетный трафик в стандарте 802.11pобладает меньшим значением временных задержек в механизме множественногодоступа к среде передачи данных.На сетевом уровне в VANET возможно применение специфическихпротоколов маршрутизации, базирующихся на информации о географическойпозиции узла [17].

Служебные сообщения таких протоколов содержат толькоинформацию об идентификаторе узла и его позиции, что снижает объёмслужебного трафика в сети относительно протоколов маршрутизации на основетопологии.Также при построении VANET характерно использование стека протоколовс двумя независимыми решениями для сетевого уровня. В качестве одного изрешений часто выступает сетевой уровень стека TCP/IP, который используется длятраффика, не требующего низких задержек при передаче. Для трафикачувствительного к задержкам используется отдельное решение на сетевом уровне,обеспечивающие низкие задержки при передаче сообщений.

Часто такое решениебазируется на широковещательной рассылке сообщений.1.1.2.1Стек протоколов WAVEWAVE (Wireless Access in Vehicular Environment) – стек протоколов,базирующийся на группе протоколов IEEE 1609 на сетевом уровне и выше, нафизическом уровне используется стандарт 802.11p [18, 19].18Уровень приложений (IEEE 1609.1, 1609.11)UDPБезопасность (IEEE 1609.2)Координация уровней сети (IEEE 1609.5)Управление станциями WAVE (WME)Сетевой, транспортный уровниTCPIPv6WSMP(IEEE 1609.3,1609.12)Канальный уровеньПодуровень LLC (IEEE 1609.3, 1609.12)Координация каналов (IEEE 1609.4)Подуровень MAC (802.11p)Физический уровень (802.11p)Рисунок 1.3 – Стек протоколов WAVEСтек протоколов WAVE (рисунок 1.3) на физическом уровне опирается настандарт 802.11p, описывающий передачу данных в выделенном диапазоне частотDSRC.На канальном уровне помимо уровня MAC из стандарта 802.11p стекпротоколов WAVE использует стандарт IEEE 1609.4 [20], отвечающий заобеспечения передачи пакетов по нескольким каналам, на которые разбит спектрчастот диапазона DSRC.

Все каналы разбиваются на два класса: каналы контроля(control channels CCH), зарезервированные для передачи пакетов приложенийобеспечения безопасности дорожного движения и пакетов служебных протоколов,и каналы сервисов (service channel SCH), которые используются для передачи19произвольных пакетов. Стандарт IEEE 1609.3 [21] описывает взаимодействиеканального и сетевого уровней стека WAVE.На сетевом и транспортном уровнях в WAVE предусмотрено использованиедвух независимых стеков: TCP/IP и WSMP.

Сетевой и транспортный уровни стекаTCP/IP в WAVE предназначены для пересылки не чувствительного к задержкамтрафика. А для передачи сообщений приложений, отвечающих за безопасностьдорожного движения, используется стек WSMP [22].Для адресации в стеке WSMP используется пара MAC-адрес и PSID(Provider Service Identifier), описываемые соответственно в стандартах 802.11p и1602.12. MAC-адрес используется для указания целевого узла либо группы узлов,в то время как PSID выступает аналогом порта в протоколах транспортного уровнястека TCP/IP, идентифицируя сервис, для которого предназначено сообщение. Зарегистрацию PSID отвечает организации IEEE Registration Authority. В семействепротоколов IEEE 1609 предусмотрена возможность динамической смены MACадреса узла сети с целью сокрытия информации о владельце автомобиля.

Также встандарте 1609.3 описывается механизм широковещательных сообщений WSA(WAVE Service Advertisements), используемых для передачи информациислужебных протоколов и информации о присутствующих в сети сервисах. СтекWSMP обеспечивает меньшие значения задержек при передаче сообщений за счёттого, что механизмы контроля и безопасности выносятся на уровень приложений.Взаимодействия между уровнями сети в стеке WAVE обеспечивается засчёт интерфейсов SAP (Service Access Points), которые описываются в стандарте1609.5 и в стандартах соответствующих уровней. Так для передачи информации посредствам сети WAVE приложению необходимо обращаться к SAP сетевогоуровня: TSAP, предоставляющему интерфейс для передачи сообщения сиспользованием стека TCP/IP, либо WSM SAP, предоставляющему интерфейс кстеку WSMP.За механизмы контроля и конфигурации WAVE-сети отвечает компонентWME (WAVE management entity) [23], функционирующий на узлах сети.