Сигурност

"Фантомна мрежа" – водна наномъгла за аварийни и военни комуникации

CIO Media

В статията е представена идеята за изграждане на нематериални, въздушни, "при поискване" и без нужда от захранване релейни комуникации, за което се въвежда понятието "фантомна мрежа". Целта е временно мостово осигуряване на комуникация между две или повече комуникационни устройства, които са извън взаимен обхват или между инфраструктура, чрез използване на въздушни нановъзли, разположени в атомизирани водни мъгли. Така предложената концепция е от особен интерес за сценарии, при които има нужда от бързо развръщане на временна комуникационна или релейна инфраструктура за осигуряване на комуникационни мрежи с голям обем на обменяните данни, свързани предимно с военни операции. Тъй като концепцията за въздушна мрежа се базира главно на водна основа, покритието и експлоатационният й живот са силно зависими от атмосферните условия в областта на развръщане. Възможното бъдещо използването на тази концепция включва установяване на временни, без инфраструктура мрежи при управление на последствията от бедствия и комуникации на бойното поле.

Нановъзлите се концентрират и суспендират в разтвор на водна основа под формата на атомизирана мъгла. Тя се разпръсква от земята нагоре в зоната, в която трябва да бъде изграден мрежовият мост. Мъглата, съдържаща нановъзлите, е временно разположена във въздуха и се разпространява според въздушния поток (вятъра). Поради своята нематериална природа такива мрежи се наричат "фантомни мрежи". Нановъзлите в мъглата излъчват своите съобщения до всички възли в обхвата им в THz честотна лента, което осигурява скорост на обмен на данни от няколко терабита за секунда. Комуникацията в този диапазон също така намалява шансовете за нежелани ефекти от смущения (самозаглушаване) поради ограничения брой устройства, работещи в тази честотна лента. Въздушно разположените нановъзли може да осигурят покритие "от край до край" и релейна мрежа чрез мостово преодоляване на липсващата комуникационна инфраструктура. Предложената технология има огромен потенциал за комуникации в райони, засегнати от бедствия, катастрофи, комуникации на бойното поле и аварийни комуникации в изключително отдалечени райони.

Фиг. 1 показва използването на предложените "фантомни мрежи" при свързване на комуникационни инфраструктури чрез наземно пръскане във въздуха на нанорелейни възли, разположени във водна мъгла, които препращат съобщения към крайната кула по епизодичен (ad-hoc) начин. Високите скорости на обмен на данни в мъглата осигуряват липсата на закъснение в предаването поради чакането на опашка от съобщенията във възлите.

Какво представлява нановъзелът

Съставните нановъзли на атомизираната мъгла използват типова схема на възлите, използвана в наномрежите за електромагнитни комуникации. Тези възли могат да функционират като предаватели и приемници и не зависят от активните източници на енергия за функционирането си, макар и да използват техники за добив на енергия за посрещане на минималните енергийни изисквания на техните компоненти на веригите (фиг. 2).

Нановъзлите е предвидено да имат сферична форма, за да се осигури минимално повърхностно напрежение навсякъде, което гарантира по-добра аеродинамика, както и минимална енергия за поддържане на структурна цялост. Освен това тази форма позволява на възлите да имитират физическото поведение на водните частици във водната мъгла.

Фиг. 2 показва и функционалността на нановъзел за приемане/предаване на съобщения. Външната повърхност е облицована с подложки (минипанели) за събиране (добиване) на енергия от заобикалящата среда - топлинни разлики в атмосферата или чрез използване на електромагнитни сигнали. Всеки възел включва компоненти за основна комуникация като предавател и приемник - (модули приемо-предавател - ПРМ/ПРД), единици за съхранение на данни (памет), процесор и модули за преобразуване на енергия.

Дори, когато нановъзлите постепенно се разпръскват далеч едни от други поради въздействието на околните ветрове или други източници на кинетична енергия, епизодичният характер на вътрешновъзлова комуникация гарантира, че мрежата се поддържа в мъглата.


"Фантомна мрежа" – водна наномъгла за аварийни и военни комуникации

Разгръщане на мрежата

Наномрежата се състои се от водни частици заедно с нановъзли в даден обем от пространството. Разпространението на този мрежови облак под въздействието на вятъра, изминатото разстояние и посоката на движение на облака може лесно да се оценят с помощта на основни изчисления. Като се има предвид, че се използва наземна водна помпа с постоянна концентрация на атомизираните частици, знае се тяхната крайна скорост, средната хоризонтална скорост на вятъра на определена височина, хоризонталният низходящ вятър и коефициентът на дифузия при разглежданата височина, както и отношението между скоростта на частиците и концентрацията им, може да се изчисли линията на разпространение на облака. Времето за неговото улягане (падане) пък представлява експлоатационният живот на мрежата.

Релейни топологии
Предлаганата технология може да използва две топологии на внедряване:
Релейна наномрежа с единична мъгла (Single Mist Relay). Налице е само една точка на разпръскване на мъглата. Нанорелейният облак осигурява непрекъснато покритие само във фиксирана зона. Фиг. 1 показва релейна наномрежа с единична мъгла. Атомизираната водна нановъзлова мъгла изгражда мостова връзка само между две отдалечени комуникационни кули. Технологично е твърде рано да се предвиди методът на предаване между нанорелейната мъгла и комуникационната инфраструктура. Въпреки това може да се предвиди, че решения за интеграция на THz лентова инфраструктура заедно с други технологии може да са възможни в близко бъдеще.
Релейна наномрежа от множество мъгли (Multiple Mist Relay). Топологията предполага използването на множество въздушни наномрежови мъгли, свързващи отделно разположени комуникационни инфраструктури. Множеството части на мъглата се установяват отделно, но чрез едновременно разпръскване на смеси от атомизирани водни нановъзли на отделни места. Ако има три отделени комуникационни инфраструктури A, B и C, комуникационният мост изисква две отделни мъгли, Relay Mist 1 и Relay Mist 2. Тези два отделни воала (облака) от мъгла могат да общуват помежду си чрез Catch-Process-Relay механизъм. Сигналите на съобщението от A или C под покритието на Мъгла 1 се прихващат от нановъзлите на Мъгла 2 на границата на мъглата, обработват се за премахване на грешки, усилват се и се предават на В. Тази топология изисква нановъзли с по-добри възможности за приемане, обработка и препредаване, отколкото тези в топологията с една наномъгла. Две едновременни операции характеризират тази топология: препредаване вътре в мъглата и препредаване между мъглите. Вътрешното препредаване на мъглата е подобно на механизма за препредаването в топологията с една мъгла. Въпреки това предвижда се препредаването между мъглите да следва механизъм за прехващане и процес на препредаване за изграждане на мостове между два независими облака от мъгли. Нановъзлите в тази топология трябва да бъдат значително усилени относно възможностите за обработка и приемане в сравнение с топологията на препредаването с единична мъгла. Възлите в тази топология трябва да предават съобщения на по-големи разстояния от характерните за THz комуникации.
Предимства на предлаганата технология

Инфраструктура. Не е необходима нова инфраструктура за осигуряване на комуникацията, което води до намаляване на разходите за внедряване и поддръжка, необходими за преодоляване на "пропуските" в комуникационната инфраструктура.
Размер. Поради минималния си размер възлите в предложената технология не могат да наранят хора или животни. Малкият форм-фактор гарантира и че решението е евтино, лесно за разполагане и го прави практически неоткриваемо.
Непостоянни. Непостоянната и временната природа на "фантомните мрежи" прави тяхното използване доста полезно и изгодно в сценарии след бедствия, аварии, катастрофи и в райони на бойни действия.
Скорост на обмен на данни. Високоскоростна комуникация в честотна лента от THz обхват в рамките на възлите в мъглата гарантира връзка с ниско закъснение "от край до край", което от своя страна означава трансфери в реално време между мостови инфраструктури.
Енергия. Самоподдържащите се нановъзли нямат нужда от допълнителна инфраструктура или източници на енергия за тяхната работа. Липсата на инфраструктура осигурява използване на техните пълни възможности във всеки терен и при всякакви условия, което прави така предложената технология полезна при неблагоприятни условия и липса на инфраструктура.
Устойчивост. Използването на огромен брой нановъзли във всяка свързваща релейна мъгла гарантира устойчивост на технологията срещу единични точки на провал (пропадане).

Предизвикателства пред предлаганата технология

Изработка на нановъзли. Изработката на нановъзли е доста сложна. Съображенията относно теглото и размера им, така че да могат да се смесват с частиците на водната мъгла, са основно изискване. В допълнение към това други предизвикателства включват проектирането на ефективна система от техники и технологии за добив на енергия и проектиране на бързи и отзивчиви процесори, универсални памети, механизми и стратегии за съхранение и високоскоростни и енергоефективни предаватели, способни да комуникират в THz обхват. Тези предизвикателства изискват нови иновации и изследвания в областта на електрониката, комуникациите, изчислителна техника, свръхмащабна интеграция, микро- и наноелектроника и технология за нанопроизводство.
Стратегии за разгръщане. Следващото предизвикателство се отнася до концепцията и проектирането на различни механизми и стратегии за развръщане на мъглата от нановъзли. Тъй като мъглата трябва да изгражда мост между две или повече физически разделени комуникационни инфраструктури, е важно тя да покрие инфраструктурите в разширяващата се зона. Концентрацията на нановъзли в земния спрей, промените в концентрацията им след разпръскване, дизайнът на комбинации от течни спрейове са някои важни проблеми, които занапред трябва да бъдат решени. За целта се изискват интердисциплинарни усилия, обхващащи областите електроника, механика на флуидите, нанопроизводство и химия.
Ефекти на околната среда. Влиянието на различни фактори на околната среда върху устойчивостта и оцеляването на "фантомната мрежа" е от решаващо значение. Различни природни явления като вятър, дъжд, сняг, градушка, както и влажността представляват значителни фактори, застрашаващи успешното развръщане и функциониране технологията. Вятърът например може да "издуха" мъглата от нейното предвидено местоположение, възможно е изсушаване на опората от атомизирани водни частици, както и бързо утаяване на въздушната мрежа в случай на дъжд, сняг или градушка. Това изисква значителни усилия при планиране, както и съобразяване с моментните и прогнозираните природни условия.
Живот на физическия възел. Физическият живот на отделния възел може да представлява предизвикателство за околната среда. Трябва да се вземе предвид и разграждането на тези нановъзли след разпадането на мостовата мрежа. Ако те не са от бързо разграждащи се материали или биоматериали, масовата употреба ще доведе до силно замърсяване на почвата, водата и земната повърхност. Освен това неразградими нановъзли могат да намерят своя път в хорските или животинските местообитания и да действат като алергени.
Живот на физическата мрежа. Като се има предвид, че мрежовата инфраструктура при тази технология е полугазообразна и с незначителна маса, тя е силно податлива на ефектите на вятъра. Ефектите от ускорена дифузия, дължаща се на силни ветрове над зоната на развръщане, поради полугазовия характер на тази мрежа може да се проявят под формата на "къси мрежи", чести прекъсвания в мрежовата свързаност и дори невъзможност за изграждане на мрежа като цяло. Освен това отчитането на посоката на вятъра също е голямо предизвикателство. Друго интересно явление е увеличената загуба на свързаност и повишени пакетни грешки при границите на мъглата. Това е резултат от ефектите на дифузия и временния дрейф на съставните частици във въздушната мъгла. Тези в центъра на атомизираната водна мъгла са по-близо една до друга в сравнение с крайните ѝ области.
Мрежова сигурност и поверителност. Схемата за открито излъчване и препредаване при тази мрежова технология я прави уязвима на подслушване, претоварване и отвличане. Акцентирайки само върху автентичността на съдържанието и аспектите на поверителност, има определена необходимост за разработване на усъвършенстван набор от протоколни компоненти, които могат да поддържат мерките за сигурност в тази технология, но да бъдат достатъчно малки и ефективни, за да се приспособят към ограниченията на тези мрежи. Сред предвидимите заплахи може да бъде поток от прекомерни пакети в мрежата и пътя, което да доведе до претоварване в мрежата. Други аспекти включват прекъсване на мрежата в различни точки поради явления като вятър и дъжд, както и преднамерено заглушаване на мрежата чрез разпръскване на допълнителни възли.
Комуникационни предизвикателства. Основно предизвикателство - увеличаването на вероятността за контакт между произволно плаващата мъгла от нановъзли. Случайността на тяхното движение затруднява тази задача. Увеличаване на концентрацията от възлите може да осигури по-голяма вероятност за препредаване на пакет "от край до край", но може и да предизвика претоварване на мрежата. Освен това предизвикателство за взаимодействие на базата на THz базираните наномрежи е настоящата MHz/GHz инфраструктура.
Мрежови предизвикателства. Изграждането на надеждна мрежа между нановъзлите, между въздушните мъгли, както и с инфраструктурата на място е значително предизвикателство. Развитието на слой за контрол на достъпа във всеки нановъзел може бъде доста сложно. Освен това в момента отсъства технология за едновременно предаване на огромни количества пакети.

Заключение
Технологията "фантомна мрежа" изисква иновации, внедряване на технологии за преодоляване на прекъсванията на комуникациите и изработка на наноустройства, специално фокусирани за военни операции. Изискват се силно интердисциплинарни подходи за физическа реализация.

Може да се предположи, че "фантомните мрежи" ще могат да осигурят икономични и лесни за разгръщане решения "при поискване" без зависимост от инфраструктура и енергийни източници. Физическата реализация на тази технология и прилагането й не само може да направи революция при управлението на последствията от бедствия и при военни комуникации, но също така може да бъде адаптирана за използване в общи приложения като прецизното земеделие, отдалеченото здравеопазване и дори клетъчните комуникации с малък обсег.

X