CC BY
185
Рассмотрено современное состояние роста объемов данных в компьютерных сетях. Проанализированы данные корпорации Cisco. Описана разработанная компьютерная имитационная модель сети с помощью программного обеспечения OMNeT++. Осуществлено имитационное моделирование двух топологий компьютерных сетей, полученных из базы данных проекта The Opte Project. Эффективность предложенного метода Ateb-прогнозирования трафика потока доказана экспериментально. Показано, что благодаря применению метода Ateb-прогнозирования средняя задержка передачи пакетов уменьшилась на 12-14 %, а максимальная задержка уменьшилась на 14-19 %. Эксперименты проиллюстрированы графиками.
Ключевые слова: трафик потока, компьютерная сеть, имитационная модель, OMNeT ++, The Opte Project, Ateb-прогнозирование.
Fedevych O.Yu. Application of Ateb-prediction Method to Reduce the Downloading Intensity of Network Channels
This article shows the current state of data volume growth in computer networks. Cisco corporation data were considered and analyzed. Developed computer simulation model of the network through OMNeT++ software was described. Simulation of two topologies of computer networks, obtained from the database of The Opte Project was done. The effectiveness Ateb-prediction method of traffic flows was proved experimentally. It is shown that due to the use of the proposed Ateb-prediction method average delay in the transmission of packets decreased by 12-14 %, and the maximum delay decreased by 14-19 %. The experiments were illustrated by graphs.
Keywords: traffic flow, computer network, simulation model, OMNeT++, The Opte Project, Ateb-prediction.
УДК 004.75
ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГИ БЛОКЧЕЙН У МЕРЕЖ1 1НТЕРНЕТ РЕЧЕЙ
Н.Г. Яцшв1, С.В. Яцтв2
Дослщжено, що технолог Blockchain мае значний потенщал застосування у pi3mx сферах дшльносй, однак найбшьш перспективою сферою застосування ща технологи е 1нтернет речей i кiберфiзичнi системи. Технолог Blockchain пропонуе ршення проб-леми безпеки i конфщенцшност у середовищi 1нтернет речей, забезпечуючи новий об-числювальний шар, де даш можуть бути безпечно оброблеш та проаналiзованi, залиша-ючись приватним. Розкрито потенцшш переваги та видiлено проблеми, як потрiбно ви-ршити для ефективного використання цiеï технологи у середовищi 1нтернет речей.
Ключовi слова: 1нтернет речей, блокчейн, бiткойн, хеш-функцiя, транзакщя, безпека.
Вступ. 1нтернет речей (Internet of Things, IoT) e наступним етапом еволюцiï 1нтернету на шляху до всеосяжного 1нтернету (Internet of Everything, IoE/ IoT мiстить широкий спектр речей, таких як сенсори, виконавчi мехашзми i послу-ги, розгорнуп рiзними органiзацiями i приватними особами для пiдтримки рiз-номаштних додатюв. Термiн "1нтернет речей" (IoT) вперше ввш Кевiн Ештон у 1999 р. для опису системи, в якш фiзичнi об'екти пов'язанi 3i сенсорами i мережею Internet [1].
Зпдно з прогнозами Gartner, у 2020 р. у свт буде 20,8 млрд шдключених пристрош IoT [2].
1 доц. Н.Г. Яцкгв, канд. техн. наук - Тернопшьський нацюнальний економ1чний ун1верситет;
2 студ. С.В. Яцк1в - Терноп1льський нацюнальний економ1чний ушверситет
Потенцiйними галузями для застосування IoT е сшьське господарство, мо-нiторинг навколишнього середовища, монiторинг здоров'я, смарт-виробництво, iнтелектуальнi мкта та iн. [3, 4]. Проте збшьшення пристро!в збирання та об-роблення даних, пiдключених до мережi 1нтернет, призводить до виникнення проблем, пов'язаних з безпекою даних. Прпдшення недостатньо1 уваги пробле-Mi безпеки у середовищд IoT може призвести, наприклад, до атак на секретнкть i аутентифiкацiю або атак на вiдмову в обслуговуваннi (DoS) [5].
Мета роботи полягае у визначенш перспективи та потенцiйних переваг використання технологií блокчейн для пiдвишення ефективносп функцюнуван-ня мережi 1нтернет речей.
Перспективи використання технологи блокчейн. Blockchain е новою ш-формацiйною технолопею, яка набувае розвитку та використання у багатьох га-лузях. Першим i найбiльш вiдомим прикладом використання технологи Blockchain е криптовалюта - Bitcoin [6]. На цеий час криптовалюта перетворилась у визнаний плапжний засiб, вiртуальну валюту, яку приймають великi та дабш пiдприемства, корпорацií та сервiси.
На сьогодш ведуть дослiдження та здшснюють реалiзацiю низки проектiв з використанням технологií Blockchain у таких галузях, як охорона здоров'я, засо-би масово!' iнформацií, електронне голосування, збертання файлш, смарт-кон-тракти, страхування, державний сектор (видача паспорпв, збiр податтв, реестрацiя земельних дшянок) та ш. [5, 7].
Корпорацiя IBM до^джуе технологiю Blockchain i працюе над створен-ням програмного забезпечення, за допомогою якого партнери зможуть укладати цифровi договори, що будуть фiксуватися у глобальнiй мережi. IBM також ре-алiзуе проект шд назвою Adept, мета якого вщстеження пiдключених до мережi пристро'в за допомогою технологи Blockchain [8, 10].
У робоп [11] запропоновано схему оновлення прошивки вбудованих прис-тро'в у середовишi IoT на основi технологií Blockchain, яка перевiряе версда та правильнiсть прошивки, а також дае змогу завантажувати останню версда прошивки, що, своею чергою, забезпечить зменшення часу в^а атаки.
У [12] представлено принципи штеграци технологií Blockchain i групи ро-бототехнiчних систем (swarm robotics), яка може забезпечити шновацшш рi-шення та стати ключем до серйозного прогресу у груповiй робототехнiцi, зок-рема: 1) можуть бути реатзоваш новi моделi безпеки, методи забезпечення кон-фiденцiйностi даних i способи iдентифiкацií групи роботiв; 2) можуть бути роз-робленi новi методи прийняття рiшень i виконання сп1льних мiсiй на основi ви-конання спецiальних операцiй у Blockchain, ят дають робототехнiчним агентам голосувати i досягати угоди; 3) роботи можуть функцюнувати в змiнюваних умовах без змш в алгоритмi управлшня.
Завдяки децентралiзованiй структурi, високiй надшносп i вiдмовостiйкос-тi, технологiя Blockchain може бути використана у системах автоматизованого транспортування, лопстики, складських системах, хмарних обчисленнях, а також в 1нтернет речей та кiберфiзичних системах [13, 14].
Проведений анатз показав, що технологiя Blockchain мае значний потенщ-ал i перспективи застосування в рiзних сферах дiяльностi, однак найбiльш цiка-
вою сферою для ще'1 технологи е 1нтернет речей i кiберфiзичнi системи, яю ма-тимуть найбтьшу вигоду вiд цiеí технологи.
Технологiя Blockchain. У 2008 р. автор або група aBTOpiB тд псевдонiмом Satoshi Nakamoto опублiкували статтю "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System" з описом концепци i принципiв роботи плат1жно! системи у виглядi од-норангово'1 мережi [6]. У 2009 р. було представлено протокол криптовалюти Bitcoin та опублковано код програми-клiента. Ключова особливiсть запропоно-вано'1 концепци полягала в тому, що онлайн платежi мiж клiентами здшснюють-ся без центрально'' фшансово'1 установи, яка виконуе роль довiреноí структури, з використанням криптографiчних методiв та публiчноí розподтено'' бази да-них, яка складаеться з ланцюжка блокiв (Blockchain) [15].
Blockchain - це розподшена структура даних, яка складаеться з послщов-ностi блокiв, в якiй кожний блок мiстить хеш попереднього блоку, утворюючи, як наслiдок, ланцюг блоюв (рис. 1). Перший блок у ланцюжку (батькiвський блок, genesis block) розглядають як окремий випадок, оскшьки в нього вщсут-нiй попереднш блок. Blockchain працюе як розподшена база даних, яка здшснюе облш усiх операцiй у мережi. Операци мають вiдзначку часу i збериа ються у блоках, де кожен блок щентифкуеться сво'м криптографiчним хешем. Blockchain повшстю зберiгаеться у кожному вузлi мережi. Для роботи Blockchain не потрiбно довiри мiж вузлами мережi, оскiльки будь-який вузол може са-мостiйно перевiрити, чи збкаеться його копiя бази з коп1ями, якi зберiгаються в шших вузлах [16].
Рис. 1. Спрощена поЫдовтсть блоке
Принцип функщонування технологи Blockchain розглянемо на прикладi криптовалюти "бикойн". Як хеш-функцш криптовалюта бггкойн використовуе криптографiчну хеш-функцiю SHA-256 [15]. Для перевiрки цiлiсностi даних у блощ використовуеться деревоподiбне хешування (дерево Меркле), яке пред-ставляе особливу структуру даних, що мютить шформацш про здiйсненi тран-закцií. Для цього з кожно'1 транзакци обчислюеться хеш, а потiм з кожно'1 пари хешiв обчислюеться новий хеш пари. Ця процедура повторюеться доти, поки не залишиться один хеш. Якщо пара в хешу вщсутня, то вiн переноситься на новий рiвень без змiн (рис. 2).
Групу транзакцiй пiсля перевiрки записують у спецiальний блок (див. рис. 2). Блок складаеться iз заголовка та списку транзакцш (Tr A, Tr B, ...). Заголовок блоку включае хеш даного блоку, хеш попереднього блоку (Previous
Hash), хеш транзакцш (Merkle Root) та додаткову службову iнформацiю (Nonce, Timestamp). Вщзначка про час (Timestamp) вказуе, коли був створений блок, i надае докази того, що данi в блощ iснували в певний момент часу.
Рис. 2. Структура блоку
Для формування нового блоку вузла потрiбнi дат: хеш попереднього блоку в ланцюжку; хеш Merkle для операцш, яю потрiбно помютити у блок; час (Timestamp) та одноразовий код (Nonce), вибраний псевдовипадкових чином.
Для тдтвердження коректностi блоку потрiбно обчислити хеш заголовка нового блоку, який повинен починатися iз задано'' кiлькостi нулiв. Дана задача вщома, як доказ правильностi роботи (proof-of-work), що базуеться на двох принципах: 1) зробити тдтвердження транзакцш затратними для користувачiв мережi у виглядi комп'ютерних обчислень; 2) здшснювати винагороду за допо-могу у перевiрцi транзакцiй.
Розв'язання задачi "доказ правильносп роботи" полягае в тому, щоб знайти таке число х, яке додавши до повiдомлення (набiр транзакцiй) S, забезпечить результат хешування, що починаеться iз задано'' юлькосл нулiв. Обчислювальну складнiсть задачi "доказ правильностi роботи" розглянемо на прикладь Позна-чимо через h - фiксовану хеш-функцш, вбудовану в протокол, S - черга неза-вершених транзакцiй. Нехай S = "Internet of Things", одноразовий код х = 0. Об-числюемо хеш-функцш iз комбiнацií ("Internet of ThingsO"): h=sha256("Internet of ThingsO").
h= 'a47a5248711f9bba752137c5d809b0578fc5c038efa15f69d47e4e531a0a6da3'. Якщо x=40, хеш-функцiя починаеться з двох нулiв: h = sha256 ("Internet of Things40").
h = '00dd26369b13e8d81d3e5afedcc2e847aaeaa476e5da8a15c77358761a1623ef. Якщо x=47304, хеш-функцiя починаеться з чотирьох нулiв: h = sha256 ("Internet of Things 47304").
h = '0000c75f1b2ba0cbc69068dee203907dd4b5ae6fe12aed0261052d25036d174a'. Отже, складнiсть задачi "доказ правильностi роботи" можна змшювати за-даючи певну кiлькiсть нулiв на початку значення кеш-функцп. Як видно з прикладу, вщносно простим завданням е пошук числа, яке забезпечуе 3-4 нуи, i, вщ-
повiдно, значно складшшим буде знаходження числа, яке забезпечуе 10-15 ну-лш на початку значения кеш-функци.
Новий блок приймаеться iншими вузлами мережi, якщо значення хешу заголовка доршнюе або менше заданого числа, величина якого перюдично змь нюеться. Коли результат знайдено, сформований блок розсилаеться шшим вуз-лам, якi його перевiряють. Якщо перевiрка пройшла усшшно, то блок додаеться в ланцюжок i наступний блок повинен включати в себе його хеш.
Робота, яку вузли повинш виконати для створення нового блоку, вимагае багато часу та обчислювальних ресурсов. Це знижуе ймовiрнiсть того, що два блоки будуть зробленi одночасно, але така ситуация все-таки можлива. Коли це вщбуваеться, то створюеться розгалуження в Blockchain. У такому випадку вузли можуть почати будувати ланцюг на рiзних гiлках. Щоб запобiгти такiй ситу-ацií, кожен вузол ввдстежуе всi плки, але вузли будуть намагатися розширити тшьки найдовшу плку. При цьому, довжина визначаеться не кшькктю блокiв, а загальним обсягом роботи, яка затрачена на створення плки, i визначаеться кшькктю нулiв на початку хешу блоку.
Обчислювальна складиiсть перевiрки транзакцш допомагае уникнути за-лежностi ввд кiлькостi вузлiв у мережi, ят може контролювати зловмисник. От-же, на перевiрку впливае тальки загальна обчислювальна потужнiсть вузлiв. От-же, для змши iнформацií в блощ зловмиснику потрiбнi значнi обчислювальнi ресурси, що робить це практично недоцшьним.
Оскшьки копií Blockchain зберiгаються у вузлах розподшено! мережi, це робить технологда Blockchain стiйкою до проблем з тимчасовим або постiйним вщключенням вузлiв, пов'язаним iз збоями обладнання або зв'язку, а також шд-ключенням нових вузлiв.
Переваги технологи Б1оекеЬа1п. Переваги технологií Blockchain, як за-безпечують 11 ефективне використання у середовищi 1нтернет речей [6, 11-13, 16, 17]:
1) Blockchain е публiчною розподiленою базою вих транзакцiй у мережi, яка тдтримуеться одноранговою мережею;
2) мережа Blockchain стiйка до збо!в, оскiльки вона функцюнуе без едино!' точки вщмови;
3) Blockchain е незмiнною i довговiчною розподiленою базою i, як тшьки тран-закци записанi в Blockchain, вони не можуть бути змшеш або видаленi;
4) мережа Blockchain мае високий ступiнь масштабованоста;
5) усi транзакци в мережi Blockchain захищенi криптографiчними методами;
6) Blockchain дае змогу пристроям IoT здiйснювати операци автономно без довь рено! сторони.
Вказанi переваги технологи Blockchain роблять 11 перспективним шстру-ментом для вирiшения проблем у галузi безпеки i конфiденцiйностi в Ьз^
Незважаючи на вказанi переваги, використання технологи Blockchain у се-редовищi IoT мае низку обмежень, ят потребують вирiшения:
1) створення блоыв потребуе значних обчислювальних ресуршв, тодi як бшь-шiсть IoT пристро!в мають обмеженi апаратнi ресурси;
2) створення блоыв займае багато часу, проте для бшьшоста додатыв IoT пот-рiбна низька затримка реакци на подiю;
3) протоколи Blockchain значно збiльшують трафiк у мереж^ що може бути кри-
тичним для мереж IoT i3 бездротовими каналами зв'язку.
Технолопя Blockchain пропонуе ршення проблеми безпеки i конфвден-щйносп у середовишд 1нтернет речей, забезпечуючи новий обчислювальний шар, де даш можуть бути безпечно оброблеш та проанатзоваш, залишаючись приватним.
Для ефективного використання технологи Blockchain у середовишд IoT мае бути розроблена архггектура Blockchain, яка враховувала б зазначеш вище об-меження IoT та забезпечувала безпеку i конфщенщйнкть даних.
Висновки. Blockchain е в1дносно новою концепщею з високим потенщ-алом, в1дпов1дно потребуе додаткових дослвджень для ii' ефективного застосу-вання у нових галузях, таких як юберф1зичш системи та 1нтернет речей. 1нтегра-щя технолог^' Blockchain в 1нтернет речей дасть змогу створити новий обчислювальний сегмент, в якому даш можуть бути безпечно оброблеш та проанал1зова-ш, при цьому залишаючись приватним, що забезпечить шдвищення безпеки i конфщенцшносп шд час використання пристроив, тдключених до 1нтернету.
Лiтература
1. Ashton K. That Internet of Things / K. Ashton // Thing. RFID Journal, 22 July 2009. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.rfidjournal.com/articles/view74986.
2. Gartner Says 6.4 Billion Connected "Things" Will Be in Use in 2016, Up 30 Percent From 2015. [Electronic resource]. - Mode of access http://www.gartner.com/newsroom/id/3l65317.
3. Shancang Li. The internet of things: a survey / Li Shancang, Li Da Xu, and Shanshan Zhao // Information Systems Frontiers 2015, 17.2. - Pp. 243-259.
4. Whitmore Andrew. The Internet of Things - A survey of topics and trends / Whitmore Andrew, Anurag Agarwal, and Li Da Xu // Information Systems Frontiers 17.2, 2015. - Pp. 261-274.
5. Dorri, Ali. Kanhere, and Raja Jurdak / Ali Dorri, S. Salil // Blockchain in internet of things: Challenges and Solutions" arXivpreprint arXiv:1608.05187, 2016.
6. Satoshi Nakamoto. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. [Electronic resource]. -Mode of access https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.
7. Christidis Konstantinos, Michael Devetsikiotis. Blockchains and Smart Contracts for the Internet of Things. [Electronic resource]. - Mode of access http://ieeexplo-re.ieee.org/iel7/6287639/6514899/07467408.pdf? arnumber=7467408.
8. Brody, Paul. Device democracy: Saving the future of the Internet of Things / Paul Brody, Pu-reswaran Veena // IBM, September, 2014.
9. Panikkar, B.S. ADEPT: An IoT Practitioner Perspective / B.S. Panikkar, S. Nair, P. Brody, & V. Pureswaran, 2014.
10. Veena P. Empowering the Edge-Practical Insights on a Decentralized Internet of Things. Empowering the Edge-Practical Insights on a Decentralized Internet of Things / P. Veena, S. Panikkar, S. Nair, P. Brody // IBM Institute for Business Value, 17 Apr. 2015. [Electronic resource]. - Mode of access http://www-01.ibm.com/common/ssi/cgi-bin/ssialias? infotype=PM&subtype=XB&htmlfid= GBE03662USEN#loaded.
11. Boohyung Lee. Blockchain-based secure firmware update for embedded devices in an Internet of Things environment / Lee Boohyung, Lee Jong-Hyouk. The Journal of Supercomputing, 2016. - Pp. 1-16.
12. Ferrer E.C. The blockchain: a new framework for robotic swarm systems. arXiv preprint ar-Xiv:1608.00695, 2016.
13. Bahga Arshdeep. Blockchain Platform for Industrial Internet of Things / Bahga Arshdeep, Vi-jay K. Madisetti // Journal of Software Engineering and Applications. - 2016. - № 9. - Pp. 533-546.
14. Мельник А.О. Кiберфiзичнi системи: проблеми створення та напрями розвитку // Bic-ник Национального ушверситету "Львгвська полггехшка". - Сер.: Комп'ютерш системи та мере-ж^ - Львш : Вид-во НУ "Львшська полггехнжа". - 2014. - .№ 806. - С. 154-161.
15. Andreas M. Antonopoulos. Mastering Bitcoin: unlocking digital cryptocurrencies. "O'Reilly Media, Inc.", 2014. - 298 p.
16. Crosby M. Blockchain technology: Beyond bitcoin / M. Crosby, P. Pattanayak, S. Verma, V. Kalyanaraman // Applied Innovation 2, 2016. - Pp. 6-10.
17. Zhang Y. An IoT electric business model based on the protocol of BitCoin / Y. Zhang, J. Wen // Intelligence in Next Generation Networks (ICIN), 2015 18th International Conference on. IEEE, 2015. - Pp. 184-191.
Надтшла доредакцп 27.12.2016р.
Яцкив Н.Г., Яцкив С.В. Перспективы использования технологии блок-чейн в сети Интернет вещей
Исследовано, что технология Blockchain имеет значительный потенциал применения в различных сферах деятельности, однако наиболее перспективой областью применения данной технологии является Интернет вещей и киберфизические системы. Технология Blockchain предлагает решение проблемы безопасности и конфиденциальности в среде Интернет вещей, обеспечивая новый вычислительный слой, где данные могут быть безопасно обработаны и проанализированы, оставаясь частным. Раскрыты потенциальные преимущества и выделены проблемы, которые необходимо решить для эффективного использования данной технологии в среде Интернет вещей.
Ключевые слова: Интернет вещей, блокчейн, биткойн, хэш-функция, транзакция, безопасность.
Yatskiv N.G., Yatskiv S.V. Perspectives of the Usage of Blockchain Technology in the Internet of Things
The analysis showed that Blockchain technology has significant potential to be applied in various areas, but the most perspective area of application for this technology is the Internet of Things and cyber-physical system. The Blockchain technology offers a solution for security and privacy problems in the Internet of Things, providing a new computing layer, where data can be safely processed and analyzed while staying private. The potential benefits are revealed and some issues needed to be addressed for the effective use of technology in the Internet of Things are also highlighted. We have found the problems that must be solved for the effective use of the technology in the Internet of Things environment.
Keywords: Internet of Things, Blockchain, Bitcoin, Hash Function, Transaction, Security.
