Вероятностная модель процедуры случайного множественного доступа к среде типа CSMA/CA
Ключевые слова:
сеть цифровой радиосвязи, деструктивное воздействие, процедура случайного множественного доступа к среде, CSMA/CA, цепь Маркова, эффективность функционированияАннотация
Сегодня вопрос обеспечения безопасности функционирования сетей цифровой радиосвязи в условиях деструктивных воздействий со стороны злоумышленника имеет особое значение. Для предотвращения деструктивных воздействий на физическом уровне OSI применяются методы помехозащиты, а на сетевом и высших уровнях – шифрование. Практика показывает, что наиболее опасные уязвимости для деструктивных воздействий сосредоточены на канальном уровне сетей цифровой радиосвязи в процедурах, отвечающих за случайный множественный доступ абонентов к среде. И только для процедуры случайного множественного доступа к среде сетей цифровой радиосвязи типа S-ALOHA разработаны математические модели, позволяющие оценивать эффективность её функционирования в условиях потенциально возможных деструктивных воздействий. Даная процедура применяется в сетях цифровой радиосвязи стандартов GSM, TETRA, DMR, LTE. Однако в Wi-Fi и Bluetooth сетях, используемых в настоящее время в каждом доме, применяется процедура случайного множественного доступа к среде типа CSMA/CA. В работе представлена математическая модель процедуры случайного множественного доступа к среде сетей цифровой радиосвязи типа CSMA/CA. Модель учитывает потенциально возможные деструктивные воздействия со стороны злоумышленника путем уточнения аналитических выражений для вероятностных и временных характеристик в известных моделях, а также за счет использования нового показателя – вероятности занятости канала связи. В Wi-Fi и Bluetooth сетях в случае занятости канала связи по причине коллизии или успешной передачи таймер отсрочки передачи каждого абонентского терминала останавливается. В известных моделях данная особенность сетей цифровой радиосвязи со случайным множественным доступом к среде типа CSMA/CA не учитывается, а в настоящей работе учитывается с использованием вероятности занятости канала связи. Установлено, что при потенциально возможных деструктивных воздействиях эффективность существующих алгоритмов реализации случайного множественного доступа к среде типа CSMA/CA стремится к нулю. Результаты работы применимы в области разработки алгоритмов автоматического восстановления работоспособности сетей цифровой радиосвязи на канальном уровне OSI.Литература
1. Перегудов М. А., Бойко А. А. Оценка защищенности сети пакетной радиосвязи от имитации абонентских терминалов на уровне процедуры случайного множественного доступа к среде типа S-ALOHA // Информационные технологии. 2015. №7. С. 527–534.
2. Перегудов М. А., Бойко А. А. Модель процедуры случайного множественного доступа к среде типа S-ALOHA // Информационно-управляющие системы. 2014. № 6. С. 75–81.
3. Перегудов М. А., Бойко А. А. Модель процедуры зарезервированного доступа к среде сети пакетной радиосвязи // Телекоммуникации. 2015. №6. С. 7–15.
4. Перегудов М. А., Бойко А. А. Модель процедуры управления питанием сети пакетной радиосвязи // Телекоммуникации. 2015. №9. С. 13–18.
5. Kleinrock, L., Lam S.S. On Stability of Packet Switching in a Random Multi-Access Broadcast Channel // Seventh Hawaii International Conference on System Sciences. 1974. pp. 73–77.
6. Bianchi G. IEEE 802.11–Saturation Throughput Analysis // IEEE Communications Letters. 1998. Vol. 2 NO. 12. pp. 318–320.
7. Wang C., Li B., Li L. A New Collision Resolution Mechanism to Enhance the Performance of IEEE 802.11 DCF // IEEE Trans. Veh. Technol. 2004. Vol. 53. no. 4. pp. 1235–1246.
8. Aad I., Ni Q., Barakat C., Turletti T. Enhancing IEEE 802.11 MAC in Congested Environments // Elsevier Comput. Commun. 2005. Vol. 28. no. 14. pp. 1605–1617.
9. Choi J., Yoo J., Kim C. A Distributed Fair Scheduling Scheme with a new Analysis Model in IEEE 802.11 wireless LANs // IEEE Trans. Veh. Technol. 2008. Vol. 57. no. 5. pp. 3083–3093.
10. IEEE Standard for Information Technology—Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks¬Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. // IEEE 802.11. 2012.
11. Bianchi G. Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function // IEEE Journal on Selected Areas in Communication. 2000. Vol. 18. no. 3. pp. 535–547.
12. Wu H., Peng Y., Long K., Cheng S., Ma J. Performance of reliable transport protocol over IEEE 802.11 wireless LAN: analysisand enhancement // Proc. IEEE INFOCOM. 2002. Vol. 2. pp. 599–607.
13. Choi J., Yoo J., Kim C. A novel performance analysis model for an IEEE 802.11 wireless LAN // IEEE Commun. Lett. 2006. Vol. 10. no. 5. pp. 335–337.
14. Chen H. Revisit of the Markov model of IEEE 802.11 DCF for an error-prone channel // IEEE Commun. Lett. 2011. Vol. 15. no. 12. pp. 1278–1280.
15. Dai L., Sun X. A unified analysis of IEEE 802.11 DCF networks: Stability, throughput and delay // IEEE Transactions on Mobile Computing. 2013. Vol. 12. no. 8. pp. 1558–1572.
16. Kai C., Zhang S. Throughput analysis of CSMA wireless networks with finite offered-load // Proc. IEEE ICC. 2013. pp. 6101–6106.
17. Hosseinabadi G., Vaidya N. Token-DCF: An opportunistic mac protocol for wireless networks. COMSNETS. 2013. pp. 1–9.
18. Laufer R., Kleinrock L. The Capacity of Wireless CSMA/CA Networks // IEEE/ACM Transactions on Networking. 2016. Vol. 24, pp. 1518–1532.
19. Оруджева М. Я. Модели беспроводных локальных сетей с методом коллективного доступа CSMA/CA // Телекоммуникации. 2010. № 6. С. 15–18.
20. Ушаков Ю. А., Полежаев П.Н., Коннов А.Л., Бахарева Н.Ф. Вопросы оптимизации механизма CSMA/CA в беспроводных сетей высокой плотности // Системы управления и информационные технологии. 2014. Том 57. №3.2. С. 286–291.
21. Doost-Mohammady R., Naderi M., Kaushik R. Performance Analysis of CSMA/CA based Medium Access in Full Duplex Wireless Communications // IEEE Transactions on Mobile Computing. 2015. Vol. 15. no. 6. pp. 1457–1470.
22. Yang Y., Chen B., Srinivasan K., Shroff N. Characterizing the achievable throughput in wireless networks with two active RF chains // IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM). 2014. pp. 262–270.
23. Макаренко С. И., Татарков М. А. Моделирование обслуживания нестационарного информационного потока системной связи со случайным множественным доступом // Информационно-управляющие системы. 2012. № 1. С. 44–50.
2. Перегудов М. А., Бойко А. А. Модель процедуры случайного множественного доступа к среде типа S-ALOHA // Информационно-управляющие системы. 2014. № 6. С. 75–81.
3. Перегудов М. А., Бойко А. А. Модель процедуры зарезервированного доступа к среде сети пакетной радиосвязи // Телекоммуникации. 2015. №6. С. 7–15.
4. Перегудов М. А., Бойко А. А. Модель процедуры управления питанием сети пакетной радиосвязи // Телекоммуникации. 2015. №9. С. 13–18.
5. Kleinrock, L., Lam S.S. On Stability of Packet Switching in a Random Multi-Access Broadcast Channel // Seventh Hawaii International Conference on System Sciences. 1974. pp. 73–77.
6. Bianchi G. IEEE 802.11–Saturation Throughput Analysis // IEEE Communications Letters. 1998. Vol. 2 NO. 12. pp. 318–320.
7. Wang C., Li B., Li L. A New Collision Resolution Mechanism to Enhance the Performance of IEEE 802.11 DCF // IEEE Trans. Veh. Technol. 2004. Vol. 53. no. 4. pp. 1235–1246.
8. Aad I., Ni Q., Barakat C., Turletti T. Enhancing IEEE 802.11 MAC in Congested Environments // Elsevier Comput. Commun. 2005. Vol. 28. no. 14. pp. 1605–1617.
9. Choi J., Yoo J., Kim C. A Distributed Fair Scheduling Scheme with a new Analysis Model in IEEE 802.11 wireless LANs // IEEE Trans. Veh. Technol. 2008. Vol. 57. no. 5. pp. 3083–3093.
10. IEEE Standard for Information Technology—Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks¬Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. // IEEE 802.11. 2012.
11. Bianchi G. Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function // IEEE Journal on Selected Areas in Communication. 2000. Vol. 18. no. 3. pp. 535–547.
12. Wu H., Peng Y., Long K., Cheng S., Ma J. Performance of reliable transport protocol over IEEE 802.11 wireless LAN: analysisand enhancement // Proc. IEEE INFOCOM. 2002. Vol. 2. pp. 599–607.
13. Choi J., Yoo J., Kim C. A novel performance analysis model for an IEEE 802.11 wireless LAN // IEEE Commun. Lett. 2006. Vol. 10. no. 5. pp. 335–337.
14. Chen H. Revisit of the Markov model of IEEE 802.11 DCF for an error-prone channel // IEEE Commun. Lett. 2011. Vol. 15. no. 12. pp. 1278–1280.
15. Dai L., Sun X. A unified analysis of IEEE 802.11 DCF networks: Stability, throughput and delay // IEEE Transactions on Mobile Computing. 2013. Vol. 12. no. 8. pp. 1558–1572.
16. Kai C., Zhang S. Throughput analysis of CSMA wireless networks with finite offered-load // Proc. IEEE ICC. 2013. pp. 6101–6106.
17. Hosseinabadi G., Vaidya N. Token-DCF: An opportunistic mac protocol for wireless networks. COMSNETS. 2013. pp. 1–9.
18. Laufer R., Kleinrock L. The Capacity of Wireless CSMA/CA Networks // IEEE/ACM Transactions on Networking. 2016. Vol. 24, pp. 1518–1532.
19. Оруджева М. Я. Модели беспроводных локальных сетей с методом коллективного доступа CSMA/CA // Телекоммуникации. 2010. № 6. С. 15–18.
20. Ушаков Ю. А., Полежаев П.Н., Коннов А.Л., Бахарева Н.Ф. Вопросы оптимизации механизма CSMA/CA в беспроводных сетей высокой плотности // Системы управления и информационные технологии. 2014. Том 57. №3.2. С. 286–291.
21. Doost-Mohammady R., Naderi M., Kaushik R. Performance Analysis of CSMA/CA based Medium Access in Full Duplex Wireless Communications // IEEE Transactions on Mobile Computing. 2015. Vol. 15. no. 6. pp. 1457–1470.
22. Yang Y., Chen B., Srinivasan K., Shroff N. Characterizing the achievable throughput in wireless networks with two active RF chains // IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM). 2014. pp. 262–270.
23. Макаренко С. И., Татарков М. А. Моделирование обслуживания нестационарного информационного потока системной связи со случайным множественным доступом // Информационно-управляющие системы. 2012. № 1. С. 44–50.
Опубликован
2018-08-01
Как цитировать
Перегудов, М. А., Стешковой, А. С., & Бойко, А. А. (2018). Вероятностная модель процедуры случайного множественного доступа к среде типа CSMA/CA. Труды СПИИРАН, 4(59), 92-114. https://doi.org/10.15622/sp.59.4
Раздел
Информационная безопасность
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
