[논문 리뷰] k-Connectivity in Secure Wireless Sensor Networks with Physical Link Constraints - The On/Off Channel Model

Jun Zhao, Osman Yağan외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 07.

Security in Wireless Sensor Networks참고 문헌 42인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 물리적 링크 제약 조건을 독립적인 on/off 채널로 모델링한 Eschenauer-Gligor 키 예약 배포 체계 하에서 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 k-연결성에 대해 연구한다. k-연결성과 k-카버리지에 대한 0-1 법칙을 유도하여 이전의 완전 연결 모델에서의 결과를 개선하고, Yağıan의 작업보다 더 강력한 1-연결성 법칙을 제공하며, 온라인 소셜 네트워크에서의 분산형 게시-구독 시스템에의 적용 가능성을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 물리적 링크 제약 조건을 고려하여, 특히 신뢰할 수 없는 무선 링크를 독립적인 on/off 채널로 모델링함으로써 무선 센서 네트워크에서의 k-연결성 분석을 목적으로 한다.
• 기존의 완전 연결 모델 하에서의 k-연결성 연구를 보완하여 현실적인 물리 계층 제약 조건을 통합함으로써 기존 연구를 확장한다.
• 특히 Yağıan의 결과보다 더 강력한 1-연결성에 대한 0-1 법칙을 on/off 모델 하에서 도출한다.
• 이론적 결과가 대규모 분산 시스템, 예를 들어 온라인 소셜 네트워크에서의 게시-구독 서비스와 같은 분산 시스템에 어떻게 적용 가능한지 검토한다.

제안 방법

• 실제 무선 환경의 물리 계층 불안정성을 반영하기 위해 무선 링크를 독립적인 on/off 채널로 모델링한다.
• 센서 간의 안전한 키 설정을 위해 Eschenauer-Gligor(EG) 무작위 키 예약 배포 체계를 적용한다.
• 두 가지 성질에 대한 0-1 법칙을 도출한다: (i) 네트워크의 전체적인 k-연결성, (ii) 각 센서가 최소 k개의 연결을 갖는 것.
• 확률적 분석 및 점근적 방법을 사용하여, k-연결성이 확률이 1에 수렴하거나 0에 수렴하는 조건을 규명한다.
• on/off 모델 하에서의 이론적 임계값을 완전 연결 모델의 결과와 비교하여 향상된 성능를 입증한다.
• 결과의 확장을 온라인 소셜 네트워크에서의 분산형 게시-구독 시스템에 적용하여, 연결 요구 조건에서의 구조적 유사성을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EG 키 예약 배포 체계를 적용한 WSN에서 링크가 신뢰할 수 없을 경우(즉, on/off 채널로 모델링할 경우), 어떤 조건에서 k-연결성이 달성되는가?
• RQ2 on/off 채널 모델은 완전 연결 모델 대비 k-연결성 달성에 필요한 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이전에 Yağıan에 의해 확립된 바와 동일한 모델 하에서, on/off 모델 하에서 1-연결성에 대한 더 강력한 0-1 법칙을 도출할 수 있는가?
• RQ4 유도된 연결성 법칙은 대규모 분산 시스템, 예를 들어 온라인 소셜 네트워크에서의 게시-구독 서비스에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 물리적 링크 제약 조건 하에서 네트워크 크기와 키 링크 크기에 따라 k-연결성 및 k-카버리지의 이론적 임계값은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 논문은 on/off 채널 모델 하에서 WSNs의 k-연결성과 k-카버리지에 대한 0-1 법칙을 확립하여, 네트워크 매개변수에 따라 연결성이 거의 확실히 발생하거나 거의 확실히 실패함을 보여준다.
• 1-연결성에 대한 도출된 0-1 법칙은 Yağıan이 제시한 것보다 더 강력하여 동일한 모델 하에서 더 날카로운 임계값을 제공한다.
• Rybarczyk의 연구를 초월하여, k-연결성 분석을 완전 연결 모델에서 현실적인 on/off 채널 모델로 확장함으로써 성과를 향상시켰다.
• on/off 모델 하에서의 k-연결성 임계값은 완전 연결 모델 대비 더 높으며, 이는 물리 계층의 불안정성이 영향을 미친다.
• 분석 결과, 키 링크 크기와 네트워크 밀도가 특정 점근적 조건을 만족할 경우 k-연결성이 높은 확률로 달성됨을 밝혀냈다.
• 유도된 결과는 대규모 분산 시스템, 예를 들어 온라인 소셜 네트워크에서의 게시-구독 서비스와 같이 신뢰성 있는 연결성이 핵심인 분야에 적용 가능하다.