МЕТОДИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАНАЛОВ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

DOI 10.36622/VSTU.2022.18.5.016 УДК 621.396.931

МЕТОДИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАНАЛОВ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

М.В. Хорошайлова, А.В. Турецкий, Р.Н. Хорошайлов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются принципы передачи данных по каналу радиосвязи с целью обеспечения информационной безопасности, а также предотвращения потери информации при передаче по радиоканалу. Способ передачи данных включает этапы, на которых сервер станции получает информацию, компилирует данные управления и отправляет первое беспроводное сообщение на наземную систему приема информации, затем система наземного радиовещания получает первое беспроводное сообщение, отправленное станционным сервером данных, и перекодирует это сообщение во второе сообщение, затем наземная система вещания для обеспечения безопасности отправляет второе беспроводное сообщение в систему связи для обеспечения безопасного радиоканала в одностороннем режиме вещания. Проведенные эксперименты показывают, что при любом размере пакета в стандартной цифровой системе радиосвязи при увеличении нагрузки на систему время прохождения пакетов увеличивается. С помощью эксперимента было доказано, что система удовлетворяет требования ко времени прохождения пакетов со скоростью передачи до 1,4 Кбит/с. В ходе эксперимента были рассмотрены вопросы связи между радиоблочным центром и коммутационным центром TETRA, соединения радиоблочного центра с системами электрической централизации, модернизации бортового оборудования локомотива и проверки алгоритмов работы стационарного оборудования. Установлено, что эксплуатационные характеристики цифровой системы радиосвязи TETRA приводят к регулярным отказам системы SIRDP-E (система интервального регулирования движения поездов на основе радиоканала)

Ключевые слова: пакеты передачи данных, информационная безопасность, пропускная способность, цифровой канал связи

Введение

Внедрение ^Н системы комплексной диагностики и удаленного мониторинга инфраструктуры, систем железнодорожной автоматики и телемеханики на микропроцессорной элементной базе с расширенным функционалом, модульных цифровых систем радиосвязи стандарта GSM-R, DMR, проведение мероприятий по повышению энергоэффективности,

оптимизации технологических стандартов и т. д. являются основной стратегией холдинга РЖД на период до 2030 года.

Использование микропроцессорной

элементной базы с расширенным функционалом в системе железнодорожной автоматики и телемеханики дает возможность хакерам использовать кибератаки на технологический процесс транспортировки. В связи с этим необходимо обеспечить передачу данных по радиоканалу на высоком уровне безопасности этих систем.

Логистическая информация о расписании движения и местонахождении поездов представляет ценную коммерческую ценность. Основой обеспечения безопасности движения поездов являются системы железнодорожной автоматики и телемеханики (RATs).

В радиосистемах управления поездами, особенно на высокоскоростных железных дорогах (ВСМ), используются современные технологии беспроводной связи,

вычислительные и сенсорные возможности для удовлетворения растущих требований к железнодорожному транспорту с точки зрения большей надежности, большей пропускной способности и низкого риска для безопасности передачи данных. Системы объединяют киберсети (например, беспроводная связь между поездами, компьютерная блокировка) с физическими элементами (например, движение в пространстве и взаимодействие в реальном времени с физической средой, включая позиционирование поезда и определение скорости), таким образом формируя киберфизические системы (CPS) [1]. Беспроводные соединения занимают центральное место в разработке передовых CPS, в которых каналы связи должны отвечать строгим требованиям по пропускной

© Хорошайлова М.В., Турецкий А.В., Хорошайлов Р.Н., 2022

способности, задержке, дальности действия и обеспечивать высокий уровень надежности [2].

Цели обеспечения информационной безопасности для системы управления движения поездов и группы угроз информационной безопасности показаны на

рис. 1. В современной системе RAT для обеспечения безопасности движения поездов необходимо передавать важную информацию по нескольким независимым каналам.

Цель обеспечения информационной безопасности — | компенсация ошибок в результатах управления контролем!

Навязывание ложной! информации

Рис. 1. Угрозы информационной безопасности

Передаваемая информация должна быть надежно защищена как от помех, так и от различных воздействий, которые способны её удалить или изменить.

На безопасную передачу данных в информационно-телекоммуникационных системах влияют внешние и внутренние угрозы, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Виды угроз информационной безопасности

Внешние угрозы Внутренняя угроза

Естествен- Искусственные

ные Преднамеренные Непреднамеренные

Irl <U 1 Программно-аппаратные средства Непреднамеренное действие

Авария Электромагни ное излучени Предполагае мые помехи Вирусы и встроенные дефекты Несанкционированный доступ Прослушивание Потеря данных Потеря или утрата Операционная ошибка Нарушение доступа

Разрушение Повреждение Обнаружение Утечка данных Нарушение доступа

Потеря информации и нарушение устойчивости функционирования транспортной

системы

Анализируя информационную

безопасность и помехоустойчивость технологических радиоканалов

железнодорожного транспорта, учитываются три основных типа предполагаемых угроз, которые могут привести к нарушению устойчивой работы между железнодорожной станцией и локомотивом:

несанкционированный доступ, прослушивание информации и ее потеря.

Система ERTMS/ETCS (ERTMS -Европейская Система управления

железнодорожным движением, ETCS -Европейская система управления поездами)

основана на непрерывной и точечной передаче данных между придорожными устройствами и поездом, модульной архитектуре бортового компьютера и интеллектуальных датчиках, которые позволяют поезду определять собственное местоположение на линии с высокой точностью.

ETCS является частью ERTMS, которая также содержит компоненты управления эксплуатацией поездов, информационную систему для пассажиров, сбор вагонов, энергетически оптимизированный ход поездов и т.д. Целью разработки ETC является стандартизация систем обмена информацией

между железнодорожными и путевыми объектами. Система состоит из ответчика Eurobalise, приводного ремня Euroloop, средств радиосвязи Еврорадио, локомотивного оборудования Eurocab.

Предлагаемое решение

В настоящее время для повышения производительности процесса передачи информации по радиоканалу здесь разработан и широко используется метод маскировки помех кодовых радиоканалов, реализуемый посредством комбинированного случайного кодирования передаваемых сообщений.

Наряду с созданием цифровых систем был разработан комбинированный алгоритм выбора параметров кода для передачи информации по радиоканалу с маскировкой помех, позволяющий получать результаты независимо от определенных схем кодирования и корректирующих кодов, одновременно обеспечивая повышение помехозащищенности и безопасную передачу данных по радиоканалу, а также управление передачей информации.

Рассмотрим принцип передачи данных по радиоканалу [3]. Существуют следующие отличия от альтернативных средств передачи цифровых данных, характерных для других закрытых систем:

1. Иерархические сети с кольцевой структурой. Компьютер централизации, как элемент управления, был отделен от кольцевой структуры, хотя все исполнительные блоки объединены по принципу замкнутого контура с помощью медного (SHDSL) или волоконно-оптического кабеля. Отступление от классической схемы звездообразных соединений по принципу «точка-точка» позволяет:

- уменьшите потребность в кабеле;

- с помощью кольца обеспечивают два независимых канала передачи данных.

2. Магистраль с волоконно-оптическим кабелем стандарта Ethernet, состоящим из двух независимых каналов и соединяющим компьютер кольцами, которые обеспечивают контроль над группой расположенных почти на обочине устройств через их контроллеры объектов. Данный тип резервирования гарантирует жизнеспособность системы при повреждении любых физических соединений. Длина магистрали может достигать десятков и даже сотен километров.

3. Планировка в контроллерах объектов диагностических задач. Благодаря размещению исполнительных цифровых элементов непосредственно на придорожных устройствах или даже внутри них, информационная вышка получает исчерпывающую информацию о состоянии объектов управления и контроля «из первых рук». При этом необходимо отличать проблемы управления/контроля от диагностики, предусматривая приоритетные принципы в рассматриваемой сети передачи данных.

4. Сетевые модули перед каждым управляющим или исполнительным элементом. Задачи модулей заключаются в определении высшего приоритета в отношении пути передачи потока данных в режиме реального времени и использовании канала с наименьшим приоритетом для передачи диагностических сообщений от придорожных устройств. Кроме того, сетевые модули поддерживают двойное соединение с магистралью, преобразуют протоколы (Ethernet поверх SHDSL), фильтруют трафик, имеют ограничения по объему передачи данных на линейную кольцевую шину и являются усилителями цифровых сигналов, которые обеспечивают связь на высоком диапазоне.

5. После передачи команд по обоим каналам сетевой модуль исполнительного элемента, получив первое сообщение, записывает его номер и запускает команду. Поступившее впоследствии по резервному каналу второе сообщение с таким же номером удаляется в сетевом модуле.

6. В перспективе магистраль волоконно-оптической линии связи может быть заменена радиоканалом (например, GSM-R), а сетевые модули будут подключены к соответствующим передатчикам радиосвязи.

7. С учетом разработки передовых энергосберегающих технологий, а также альтернативных источников местного электроснабжения, питающая сеть постепенно утратит свое значение, и местных источников питания будет достаточно для автономной работы устройств, удаленных от вышки устройств.

Следует учитывать, что при передаче данных внутри цифровой централизации любое неверное сообщение или ошибочная команда могут привести систему в опасное состояние. Чтобы исключить это, в стеке

протоколов TCP/IP выделена зона, отвечающая за передачу сигналов, и это не критично по отношению к безопасности. Таким образом, ответственные функции безопасности находятся на уровне приложений, а

транспортный уровень вместе с магистральной, линейной кольцевой шиной и сетевыми модулями (рис. 2) выполняет задачи высоконадежного пути передачи данных.

Сервер с централизованным управлением Регулятор параметров объекта

Рис. 2. Многоуровневая модель безопасной передачи данных

Реализация различных комбинаций передаваемых сообщений позволяет на практике осуществить способ маскировки кодовых помех радиоканалов,

представляющий собой комбинацию помехоустойчивого и стохастического кодирования.

На рис. 3 показаны особенности повышения уровня защиты передачи информации с использованием метода маскировки кодовых помех, и, как видно, качество передачи цифровой информации

оценивается вероятностью ошибочного приема сообщений Рош, не превышающей предельно допустимой величины Рош.треб. Значение Рош, в свою очередь, определяется вероятностью ошибочного принятия информационного символа р0, связанного с характеристиками канала связи и параметрами используемого помехоустойчивого кода. В течение интервала времени от ^ до t2 в канале связи осуществляется передача информации.

ро ро

Рис. 3. Особенности повышения уровня защиты передачи информации с использованием метода маскировки кодовых

помех

Моделирование и результаты

На первом этапе получения экспериментальных результатов измерения проводились по следующему плану. Компьютер 1 подключен к радиомодему потокового протокола реального времени (RTPS) на локомотиве, компьютер 2 подключен к магистрали TETRA через коммутатор на вышке.

На обоих компьютерах установлено программное обеспечение («приемник» на компьютере 2 и «передатчик» на компьютере 1), осуществляющее передачу протокола

пользовательских датаграмм ЦОР разной длины на различных скоростях. Увеличение или уменьшение количества пакетов приводит к изменению нагрузки на радиоканал.

Во время экспериментов на компьютерах 1 и 2 запускается специализированное программное обеспечение, обеспечивающее передачу и прием пакетов протокола пользовательских датаграмм (ЦОР). В ходе экспериментов были использованы настройки, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Результаты, полученные на первом этапе

моделирования

Размер Нагрузка на Продолжительность

пакета, канал передачи испытания, мин.

байт данных, Кбит/с

46 1.2-2.0 105

64 1.2-2.4 30

76 1.2-2.4 30

86 1.2-2.8 105

106 1.2-2.8 30

Результаты измерений, включая данные о пропускной способности канала, времени прохождения пакетов, данные о потерях пакетов в радиосети TETRA, приведены на рис. 4-6.

OOOOOOOOOOOOOOOOODOOOOOOOOOOO

sssisssgsssasssassíassgssssssss

в* о а О Ф " — ^ — — _„__,_. _

Ч> «1 t* О О «

•т т *т т -7

Рис. 4. Время прохождения пакета размером 46 байт

2SООО

-Í.4 Kbpív»/ 71.В

•г* (bpiw/ыв

-¡.О POipi ni )и& -Í.OKtipiw/MB • I DUipi w/ íbB -1 GKbpíw/WB -и Kbpí w/ Í6B

-i?Ki)pi w/ыв

Time in mi

Рис. 5. Время прохождения пакета размером 64 байта и 76 байт

-2 .в Kbpí и/ 1001 -J.R КЬрi w/86S -2 0 Kbps vi/ 1061 -2.0 Kbpí 1V/E6B -16 Kbpi w/£60 -1.3 Kbpí w/ 1061 l.ZKbc;w/B6B

ÍM О krt m O ^ *J riojL^n^iCnOI« ^rj^LÍi^C^^'^SO') —•

Рис. 6. Время прохождения пакета размером 86 и 106 байт

Time Jn mi

Как видно из графиков на рис. 4, для пакетов размером 46 байт эксперименты показали следующее [4]:

- при скоростях 1,2-1,4 килобит/с время прохождения пакетов туда и обратно ^ТТ) в обе стороны составляет около 1-2 секунд, при этом

время прохождения стабильно и практически не меняется в течение общей продолжительности теста;

- при скорости 1,6 килобит/с время передачи сигнала в обе стороны составляет 6 секунд;

- при скорости 1,8 килобит/с время прохождения начинается с 3 секунд и в течение тестового времени увеличивается до 27 секунд;

- при скорости 2,0 килобит/с RTT составляет около 26 секунд в пределах общей продолжительности экспериментального времени.

Как видно из графиков на рис. 5, для пакетов размером 64 и 76 байт эксперименты показали следующее:

- при скоростях 1,2-1,6 Кбит/с RTT изменяется от 1 до 3 секунд в течение всего теста;

- при скорости 2,0 Кбит/с RTT достигает 25 секунд, при этом по времени с момента начала эксперимента время прохождения увеличивается;

- при скорости 2,4 Кбит/с время RTT составляет около 25 секунд в течение всего теста.

Как видно из графиков на рис. 6, для пакетов размером 86 и 106 байт эксперименты показали следующее:

- при скоростях 1,2-1,6 Кбит/с RTT изменяется от 1 до 3 секунд в течение общей продолжительности теста;

- при скорости 2,0 Кбит/с RTT достигает 18 секунд, при этом с момента начала эксперимента время прохождения увеличивается;

- при скорости пакетов 2,8 Кбит/с RTT составляет около 30, при этом для пакетов размером 106 байт время прохождения в начале теста составляло около 18 секунд, а затем резко увеличилось до 32 секунд.

На втором этапе эксперимента компьютеры подключены к радиомодемным RTPS на локомотивах, а другие компьютеры подключены к магистрали TETRA.

Обмен пакетами происходит парами, между компьютерами. В ходе экспериментов на всех 4-х компьютерах запущено специализированное программное

обеспечение, обеспечивающее передачу и прием UDP-пакетов. Локомотивы,

участвующие в экспериментах, неподвижны. Результаты измерений, в том числе данные о пропускной способности канала, времени прохождения пакетов, данные о потерях пакетов в радиосети TETRA приведены на рис. 7.

2.0 ItbjK *■/ 4ьв Ь«¡ni — 13 И.Сцп ж/ 4Ьв Irainl

-1.6 Rbp í А/ Л ЬВ Inlnl

1.4 ВДн w/ *6В Tnlnl

-1w/ *í¡8 TtJinl

««. J O Hti^iW *ЬБ Tf jiní *•**• LS lb(»w/ ibB IfjinJ <•••• l.bíüpsw/ília Tra¿nJ HUnitw/*lbe Tf4¡nJ I j Мин w/«B lM¿n?

'88888888888888888888888888 .........r. í. - .1 ч . 4

Рис. 7. Время прохождения пакета размером 46 байт

Рис. 8. Процент потери пакетов в радиосети

Как видно из графиков на рис. 7, для пакетов размером 46 байт эксперименты показали следующее:

- при скоростях 1,2-1,4 Кбит/с RTT для модемов, установленных на обоих локомотивах, варьируется от 1 до 3 секунд в пределах продолжительности теста;

- при скорости 1,6 Кбит/с время достигает 21 секунды, следовательно, по истечении времени с момента начала эксперимента время прохождения увеличивается [5]. Эта закономерность характерна для обоих модемов, установленных на локомотивах;

- при скорости 1,8 Кбит/с время RTT у первого локомотива достигло 30 секунд, у второго локомотива - 40 секунд;

- при скорости 2,0 Кбит/с время RTT пакетов у первого локомотива достигло 33 секунд, у второго локомотива - 42 секунд.

Процент потерь пакетов в радиосети представлен на рис. 8.

Как видно из графика, одновременно с увеличением скорости передачи и времени отправки корректировок растет и процент их потерь (до 50% при скорости 2,4 Кбит/с). Таким образом, в соответствии с требованиями к системе цифровой радиосвязи, требуемая пропускная способность должна быть не менее 4,8 Кбит/с, время прохождения пакетов в одну сторону не должно превышать 0,5 секунды, в обе стороны 1 секунду соответственно.

Заключение

Проведенные эксперименты показывают, что при любом размере пакета в системе стандартной цифровой радиосвязи TETRA при увеличении нагрузки на систему время прохождения пакетов соответственно увеличивается. При скорости передачи до 1,4 Кбит/с система отвечает требованиям ко времени прохождения пакетов. Начиная с загрузки 1,6-2,0 Кбит/с время прохождения

пакетов становится неприемлемо большим и достигает 30-40 секунд, что не соответствует предъявляемым требованиям.

Одновременно с этим растет процент потерянных данных (до 50%), при этом наблюдается потеря нескольких пакетов данных подряд. В будущем планируется провести другие эксперименты по уточнению эксплуатационных характеристик стандартной цифровой системы радиосвязи TETRA при работе с разрабатываемой национальной системой безопасности движения поездов.

Результаты, полученные

экспериментальным путем, позволят в дальнейшем определить эксплуатационные характеристики цифровой системы радиосвязи при разработке национальной системы для обеспечения информационной безопасности железнодорожной сети.

Литература

1. Experimental determination of the characteristics of transmission spectrum of tiled fiber Bragg gratings / А. Tolegenova, P. Kisla, A. Zhetpisbayeva, O. Mamyrbayev,

B. Medetov// Metrology and measurement systems. 2019. Vol. 26. Р. 581-589.

2. Teyega G., Vlasenko S.V. Automation and telemechanics systems at the world railways. М.: Intext, 2010. Р. 261 - 274.

3. Хорошайлова М.В. Архитектура канального кодирования на основе ПЛИС для 5G беспроводной сети с использованием высокоуровневого синтеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 2. С. 99-105.

4. Башкиров А.В., Хорошайлова М.В., Белецкая

C.Ю. Использование стохастического вычисления для реализации недвоичного LDPC-декодера на ПЛИС // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 5. С. 70-73.

5. Khoroshaylova M.V. LDPC code and decoding algorithms // Антропоцентрические науки: инновационный взгляд на образование и развитие личности: материалы II-й междунар. науч.-практ. конф. В 2-х ч./ под ред. Э.П. Комаровой. Воронеж, 2015. С. 227228.

Поступила 08.09.2022; принята к публикации 14.10.2022 Информация об авторах

Хорошайлова Марина Владимировна - канд. техн. наук, старший преподаватель, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: pmv2205@mail.ru, ORCID: orcid. org/0000-0001-9167-9538

Турецкий Андрей Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: tav7@mail.ru, AuthorlD: 455597

Хорошайлов Роман Николаевич - магистрант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: hrn3001@mail.ru

METHOD OF INTERACTION OF TRAIN RADIO COMMUNICATION CHANNELS, ENSURING

THE SECURITY OF DATA TRANSMISSION

M.V. Khoroshaylova, A.V. Turetskiy, R.N. Khoroshaylov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the paper discusses the principles of data transmission over a radio channel, in order to ensure information security, as well as to prevent threats when transmitting information over a radio channel. To experimentally determine data on the channel capacity, packet transit time, data on packet losses in the radio network, experiments were carried out on interaction with the train via a digital communication channel, taking into account the requirements for information security. The experiments performed show that for any packet size in a standard digital radio communication system, with an increase in the load on the system, the packet transit time increases. The experiment proved that the system satisfies the requirements for packet transit time with a transmission rate of up to 1.4 Kbps. During the experiment, the issues of communication between the radio unit center and the TETRA switching center, the connection of the radio unit center with electrical interlocking systems, the modernization of the on-board equipment of the locomotive and the verification of the operation algorithms of the on-board and stationary equipment were considered. It has been found that the performance of the TETRA digital radio system results in regular failures of the SIRDP-E (Radio Channel Based Train Interval Control System)

Key words: data transmission packets, information security, bandwidth, digital communication channel

References

1. Tolegenova A., Kisla P., Zhetpisbayeva A., Mamyrbayev O., Medetov B. "Experimental determination of the characteristics of transmission spectrum of tiled fiber Bragg gratings", Metrology and Measurement Systems, Poland, 2019, vol. 26 issue 3, pp.581589.

2. Teyega G., Vlasenko S.V. "Automation and telemechanics systems at the world railways", Moscow: Intext, 2010, pp. 261—

274.

3. Khoroshaylova M.V. "Architecture of FPGA based channel coding for 5G wireless network using high-level synthesis", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 2, pp. 99-105

4. Bashkirov A.V., Khoroshaylova M.V., Beletskaya S.Yu. "Use of stochastic computation for realization of non-binary LDPC-decoder on FPGA", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2016, vol. 12, no 5, p. 70-73.

5. Khoroshaylova M.V. "LDPC code and decoding algorithms", Proc. of the 2nd Int. Sci.-Practical Conf.: Anthropocentric Sciences: an Innovative Look at Education and Personal Development (Antropotsentricheskie nauki: innovatsionnyy vzglyad na obrazovanie i razvitie lichnosti), 2015, pp. 227-228.

Submitted 08.09.2022; revised 14.10.2022

Information about the authors

Marina V. Khoroshaylova, Cand. Sci. (Technical), Assistant Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: pmv2205@mail.ru, tel.: +7-910-732-66-13, ORCID: orcid.org/0000-0001-9167-9538

Andrey V. Turetskiy, Cand. Sci. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: tav7@mail.ru.

Rovan N. Khoroshaylov, MA, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: hrn3001 @mail.ru