[論文レビュー] k-Connectivity in Secure Wireless Sensor Networks with Physical Link Constraints - The On/Off Channel Model

Jun Zhao, Osman Yağan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2012

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 42被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、物理的リンク制約を独立したオン/オフチャネルとしてモデル化したEschenauer-Gligor鍵予配布方式を用いた無線センサネットワーク（WSNs）におけるk連結性を調査する。k連結性およびkカバレッジのゼロ-ワン法則を導出し、完全接続モデル下での先行研究を改善するとともに、Yağıanの研究よりも強力な1連結性の法則を提示し、オンラインソーシャルネットワークにおける分散型公開-購読システムへの応用を示す。

ABSTRACT

Random key predistribution scheme of Eschenauer and Gligor (EG) is a typical solution for ensuring secure communications in a wireless sensor network (WSN). Connectivity of the WSNs under this scheme has received much interest over the last decade, and most of the existing work is based on the assumption of unconstrained sensor-to-sensor communications. In this paper, we study the k-connectivity of WSNs under the EG scheme with physical link constraints; k-connectivity is defined as the property that the network remains connected despite the failure of any (k - 1) sensors. We use a simple communication model, where unreliable wireless links are modeled as independent on/off channels, and derive zero-one laws for the properties that i) the WSN is k-connected, and ii) each sensor is connected to at least k other sensors. These zero-one laws improve the previous results by Rybarczyk on the k-connectivity under a fully connected communication model. Moreover, under the on/off channel model, we provide a stronger form of the zero-one law for the 1-connectivity as compared to that given by Ya\u{g}an. We also discuss the applicability of our results in a different network application, namely in a large-scale, distributed publish-subscribe service for online social networks.

研究の動機と目的

• 物理的リンク制約を考慮したWSNにおけるk連結性の分析、特に不安定な無線リンクを独立したオン/オフチャネルとしてモデル化すること。
• 完全接続モデル下でのk連結性に関する先行研究を拡張し、現実的な物理層制約を統合すること。
• Yağıanの研究と比較して、より強い1連結性のゼロ-ワン法則をオン/オフモデル下で導出すること。
• 理論的知見が大規模分散システム、特にオンラインソーシャルネットワークにおける公開-購読サービスにどのように適用可能かを検討すること。

提案手法

• WSNにおける無線リンクを、現実の物理層の不安定性を反映させるために独立したオン/オフチャネルとしてモデル化する。
• センサ間の安全な鍵確立のため、Eschenauer-Gligor（EG）ランダム鍵予配布方式を適用する。
• 2つの性質に関するゼロ-ワン法則を導出する：(i) ネットワーク全体のk連結性、および(ii) 各センサが少なくともk本の接続を持つこと。
• 確率的解析と漸近的手法を用いて、k連結性が確率1または確率0に近づく条件を確立する。
• オン/オフモデル下での理論的閾値を完全接続モデル下のものと比較し、改善点を強調する。
• 結果の拡張を、オンラインソーシャルネットワークにおける分散型公開-購読システムに言及し、接続要件における構造的類似性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EG鍵予配布方式を用いたWSNが、リンクが不安定（オン/オフチャネルとしてモデル化）な状況下で、どのような条件下でk連結性を達成するか？
• RQ2 オン/オフチャネルモデルは、完全接続モデルと比較してk連結性を達成するための閾値にどのような影響を与えるか？
• RQ3 Yağıanが以前に確立したものよりも、オン/オフモデル下で1連結性のゼロ-ワン法則をより強く導出できるか？
• RQ4 導出された接続性法則は、オンラインソーシャルネットワークにおける大規模分散システム、例えば公開-購読サービスにどのような意味を持つのか？
• RQ5 物理的リンク制約下で、ネットワークサイズと鍵リングサイズが変化するに従い、k連結性およびkカバレッジの理論的閾値はどのように変化するか？

主な発見

• 本稿は、オン/オフチャネルモデル下でのWSNにおけるk連結性およびkカバレッジのゼロ-ワン法則を確立し、ネットワークパラメータに応じて接続性が確率1で成立するか、または確率1で失敗するかが決定されることを示した。
• 1連結性に関する導出されたゼロ-ワン法則は、Yağıanが提示したものよりも強く、同じモデル下でよりタイトな閾値を提供している。
• Rybarczykの研究を拡張し、k連結性の分析を完全接続モデルから現実的なオン/オフチャネルモデルへと拡張した。
• オン/オフモデル下でのk連結性の閾値は、完全接続モデル下のものよりも高いことが判明し、物理層の不安定性の影響が顕在化した。
• 解析により、鍵リングサイズとネットワーク密度が特定の漸近的条件を満たす場合、k連結性は高い確率で達成可能であることが明らかになった。
• 本研究の知見は、信頼性の高い接続性が不可欠な大規模分散システム、例えばオンラインソーシャルネットワークにおける公開-購読サービスに適用可能である。