Повышение транзакционной надежности передачи данных в интегрированных системах с использованием технологии Smart Dust

DOI:

Acknowledgements: The research was carried out at the expense of the Russian Science Foundation grant No. 25-11-20040, , a grant from the Krasnoyarsk Regional Fund of Science and Technology Support.

В своей основе строительство представляет собой управление проектами. В условиях цифровизации этот процесс трансформируется в управление, основанное на данных, которые автоматически собираются непосредственно в местах их возникновения с помощью устройств и датчиков Интернета вещей (IoT), интегрированных машин, платформ и оборудования. Это позволяет создавать информационные и математические модели, разрабатывать алгоритмы и внедрять всё более автономные и адаптивные производственные и бизнес-процессы [1].

В контексте интегрированных систем на основе технологии умной пыли (Smart Dust) ключевую роль играет надежная и транзакционно безопасная передача данных, которая обеспечивает точность и своевременность информации для моделирования и управления процессами. Основой цифровизации строительной отрасли становится информационное и математическое моделирование сквозных процессов, что позволяет оптимизировать работы по таким параметрам, как стоимость, сроки выполнения, а также минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и учитывать любые другие заданные критерии [2,3]. Интеграция должна осуществляться на основе данных высокого качества при их надежной передаче (по таким параметрам, как актуальность, релевантность, точность и полнота) [4].

В связи с эти, вопросы интеграции IoT и BIM-систем в строительной отрасли в настоящее время становятся актуальными и требуют решения задач надежной передачи данных и обеспечения безопасности [5, 6]. Использование технологии умной пыли, в частности, на объектах строительства, которые территориально распределены или размещаются в труднодоступных районах (горное производство и т.п.), а также реализация данной технологии в условиях агрессивной окружающей среды при мониторинге выбросов тепловых электростанций, требует обеспечения отказоустойчивой передачи данных между компонентами умной пыли - мотами [7]. При решении задачи необходимо учитывать деградацию мотов, что требует быстрой передачи срочных данных при ограниченных ресурсах мотов, и это особенно актуально для систем умной пыли.

В статье [8] рассматривается метод передачи данных двух классов с использованием облегчённой блокчейн-структуры для безопасных IoT-сред умной пыли. Авторы решают проблему эффективной и безопасной передачи данных в IoT-средах с использованием технологии «умной пыли». Данная технология поддерживает работу большого количества устройств с ограниченными вычислительными ресурсами, которые собирают информацию из окружающей среды. В качестве основной задачи указывается необходимость быстрой передачи срочных данных и обеспечение безопасности, особенно учитывая, что такие системы часто размещаются в труднодоступных местах.

Таким образом, статья предлагает инновационный и практичный подход к обеспечению быстрой и безопасной передачи данных в IoT-средах с ограниченными ресурсами.

Обзор современных подходов и решений

Система Интернета вещей (IoT) на основе технологии умной пыли представляет собой одну из областей IoT, которая осуществляет мониторинг физических пространств (например, зданий, дорог, производственных объектов) с помощью очень маленьких сенсоров (мотов). Моты - это устройств умной пыли, размещаемых вокруг объектов для сбора информации, такой как температура, влажность, ускорение и давление и т.д. Очень маленький размер мотов позволяет их массовое и масштабное развертывание. Особенно это актуально для использования аэрозольных методов распыления мотов в труднодоступных местах. Кроме того, поскольку устройства умной пыли должны выпускаться в очень больших количествах, их производство должно быть недорогим.

Часть данных, собираемых в средах умной пыли, требует немедленной передачи, тогда как другие данные могут передаваться с некоторой задержкой. Например, среди климатических данных сейсмические данные требуют немедленной передачи, тогда как передача данных о влажности, температуре и т.п. может быть отложена.

В исследовании [9] была предложена двухфазная методика сокращения объема передаваемых данных, которая уменьшает нагрузку на пропускную способность в средах умной пыли. Данные разделяются на две категории: обычные данные, допускающие небольшую задержку, и срочные данные, требующие немедленной передачи. Такой подход позволил сократить общий объем передаваемых данных и снизить требования к сетевым ресурсам. Однако проблемы безопасности в умных IoT-средах остаются актуальными.

Системы умной пыли, размещаемые в труднодоступных местах, подвержены множеству угроз безопасности, таких как атаки на целостность данных и аутентификацию, гораздо больше, чем традиционные IoT-системы. Блокчейн-технология широко признана эффективным решением для защиты от подобных угроз. Тем не менее, устройства умной пыли из-за ограниченных вычислительных ресурсов не могут хранить полный реестр блокчейна и обрабатывать задачи мемпула. Кроме того, с увеличением числа узлов в блокчейне значительно снижается скорость обработки транзакций.

В [10] предлагается концепция облегчённого блокчейна для безопасных умных IoT-систем с ограниченными вычислительными возможностями. Были исключены ненужные функции блокчейна, а структура изменена для сокращения времени аутентификации устройств умной пыли. Однако в этом исследовании все данные воспринимались однородно и передавались одинаково, что не позволяло эффективно обрабатывать срочные данные.

Чтобы обеспечить повышение транзакционной надежности, требуется метод передачи данных, разделяющий данные на два класса и использующий два типа блокчейнов: облегчённый и традиционный. Это обеспечивает безопасность и эффективность передачи срочных данных в средах умной пыли.

Таким образом, предлагается метод разделения данных на срочные, требующие немедленной передачи, и обычные, допускающие небольшую задержку. Для обеспечения безопасности используются два реестра блокчейна: один для срочных данных, другой — для обычных. Облегчённый блокчейн применяется для передачи обычных данных, а модифицированный традиционный блокчейн для срочных. Срочные данные передаются на сервер умной пыли мгновенно и сразу обрабатываются, тогда как обычные данные накапливаются, записываются в соответствующий реестр и передаются позже после интеграции и сжатия, что снижает объем передаваемой информации.

Данный подход обеспечивает баланс между скоростью передачи и безопасностью в интегрированных системах на основе технологии умной пыли, позволяя создавать устойчивые архитектуры ИТ-решений [11].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данной работе для обеспечения транзакционной надежности передачи данных в интегрированных системах на основе технологии умной пыли использованы комплексные методы [6-8], учитывающие специфику ограниченных вычислительных ресурсов и высокую динамичность IoT-среды. В основе решения лежит многоуровневая архитектура, которая разделяет систему на три ключевых уровня: устройства умной пыли, обеспечивающие сбор данных из окружающей среды; промежуточные устройства, выполняющие предварительную обработку и фильтрацию информации; а также серверный центр интеллектуальной обработки с узлом управления нагрузкой, отвечающий за анализ и распределение вычислительных ресурсов. Такой подход позволяет оптимизировать обработку и передачу данных, снижая нагрузку на сеть и повышая энергоэффективность всей системы.

Для обеспечения безопасности и целостности информации применяется облегчённая блокчейн-архитектура, адаптированная к ограниченным возможностям устройств умной пыли [9, 10]. В ней исключены ресурсоёмкие функции традиционного блокчейна, такие как майнинг и mempool, при этом введены специализированные узлы аутентификации и времени, что обеспечивает синхронизацию и надежность транзакций. Однако данная архитектура не предусматривает приоритетную передачу срочных данных, что требует дополнительного метода.

В качестве решения предлагается использовать метод сокращения объёма передаваемых данных, который разделяет информацию на срочные и обычные данные. При этом учитывается возможность задержки для обычных данных, что позволяет приоритизировать передачу срочных сообщений и снижать общий объём передаваемой информации за счёт фильтрации по пороговым значениям изменений. Оптимизация формата передачи данных осуществляется за счёт совместного использования сетевой информации, что уменьшает избыточность служебных данных и повышает эффективность использования пропускной способности сети.

Совместное применение многоуровневой архитектуры [8], облегчённой блокчейн-технологии и метода сокращения объёма данных обеспечивает баланс между скоростью, надежностью и безопасностью передачи информации в условиях ограниченных ресурсов и высокой нагрузки в среде интеграции IoT и умной пыли. Такой комплексный подход позволяет создавать устойчивые и масштабируемые интегрированные среды, способные эффективно функционировать в сложных и распределённых условиях эксплуатации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Среда интеграции IOT и умной пыли

Технология умной пыли объединяет различные технологии для создания микроскопических сенсорных устройств [12]. Устройства умной пыли (моты) - это не только миниатюрные сенсоры размером с пылинку, но и устройства, обладающие функцией коммуникации в рамках IoT. Отметим, что устройства умной пыли характеризуются не только крайне малыми размерами, но и возможностью массового развертывания в очень больших количествах, преимущественно в труднодоступных местах, например, с использованием воздушных средств доставки или путем посева в физических средах, таких, как вбросы ТЭС. В связи с этим устройства умной пыли должны быть недорогими и обладать ограниченной надежностью и ограниченными вычислительными ресурсами и мощностью. Очевидно, что такие особенности устройств умной пыли создают множество технических и организационных вызовов для построения надежных и эффективных систем умной пыли.

Для повышения транзакционной надежности среды интеграции IoT и умной пыли предлагаются, как правило, многоуровневые архитектуры систем, позволяющие избегать узких мест в обработке данных и обеспечивающие динамическое прогнозирование оптимального распределения нагрузки между вычислительными узлами в зависимости от текущей рабочей нагрузки [13].

В таблице 1 приведены основные физические компоненты среды умной пыли, их функциональное назначение с комментариями, раскрывающими роль каждого элемента в архитектуре системы. Такая детализация позволяет понять, как достигается эффективное управление вычислительными ресурсами и надёжная передача информации в интегрированных IoT-системах на базе технологии умной пыли.

Т аблица 1. Ф изические компоненты среды умной пыли .

T able 1. Р HYSICAL components of the smart dust environment .

Компонент Назначение Функциональность SDD (Smart Dust Devices) Сенсоры, собирающие данные из окружающей среды SDD, оснащённые датчиками для мониторинга различных параметров (температура, влажность, свет и др.), обладают низким энергопотреблением и могут функционировать автономно в течение длительного времени. Способны формировать распределённую сеть для сбора данных в реальном времени. RDD (Relay Dust Devices) Устройства для предварительной обработки данных RDD выступают в роли промежуточного звена между сенсорами и сервером. Они агрегируют и фильтруют данные, снижая нагрузку на сеть и серверные ресурсы. Благодаря более высоким вычислительным возможностям по сравнению с SDD, RDD способны выполнять базовую аналитику и передавать только релевантную информацию. Узел обработки на сервере IoT Центральный процессор для обработки данных Этот узел принимает и обрабатывает данные, поступающие от RDD, выполняет анализ, хранение информации и принятие решений на основе полученных данных. Узел может интегрироваться с облачными сервисами и другими IoT-системами для масштабирования и расширения функциональности.

PC отвечает за оптимальное распределение задач между несколькими серверными узлами.

Узел управления пулом (Pool Control, PC)

Процессорный узел для распределения вычислительной нагрузки

Использует динамические алгоритмы разбиения нагрузки, что позволяет эффективно использовать ресурсы и обеспечивать высокую надёжность передачи и обработки данных даже при изменяющихся условиях работы сети.

Таким образом, архитектура состоит из трех уровней [14]:

Уровень 1: SDD как источники данных, обеспечивающие сбор информации непосредственно из окружающей среды.

Уровень 2: RDD в качестве промежуточного уровня (не только передаёт, но и обрабатывает данные, что позволяет оптимизировать загрузку сети и повысить энергоэффективность).

Уровень 3: Центр интеллектуальной обработки данных (с PC). Это завершающий уровень, где происходит глубокий анализ данных, их хранение и принятие решений, а также динамическое распределение вычислительных ресурсов для обеспечения устойчивости и масштабируемости всей системы.

Данная архитектура обеспечивает эффективное управление вычислительными ресурсами и передачу данных, что является ключевым для обеспечения требуемого уровня транзакционной надежности передачи информации в интегрированных системах на основе технологии умной пыли.

Транзакционная технология блокчейн

Блокчейн является безопасной распределённой вычислительной технологией, которая обрабатывает все действия в виде транзакций, объединяет блоки с сохранёнными транзакциями в цепочку и распределяет эти блоки между множеством узлов сети [2, 15, 16]. Отмечается, что распределённые реестры считаются решением таких проблем, как подделка данных, несанкционированные изменения и двойные платежи, поскольку никто не может произвольно вносить изменения, а каждый участник сети может просмотреть результаты изменений. В широком смысле блокчейн представляет собой систему или алгоритм, который хранит множество транзакций (включая данные аутентификации, детали журнала изменений и прочее) в блоках и связывает эти блоки в цепочку с помощью хеширования [17]. Фактически, заголовок каждого блока содержит хеш информации предыдущего блока. Это создаёт эффект цепочки: при попытке подделать информацию в одном блоке, необходимо последовательно изменить данные всех предыдущих блоков, и так далее до самого начала цепочки. Иными словами, чтобы подделать один элемент информации, требуется изменить данные всех блоков блокчейна, которые распределены по всей сети. При этом объём вычислений растёт в реальном времени, поскольку постоянно создаются новые блоки и транзакции. Как только количество блоков или транзакций превышает определённый порог, объём необходимых вычислений становится больше, чем реально возможно выполнить. Таким образом, целостность блокчейна всегда гарантируется [18]. Однако следует учитывать, что с ростом числа участвующих узлов и увеличением количества блоков производительность блокчейна начинает значительно снижаться [16].

Таким образом, рассмотренные ключевые аспекты транзакционной технологии блокчейна имеют существенное значение для обеспечения безопасности и надёжности передачи данных в распределённых IoT-системах на основе технологии умной пыли.

Ресурсоэффективная ( ОБЛЕГЧЕННАЯ ) БЛОКЧЕЙН - АРХИТЕКТУРА ДЛЯ СРЕДЫ ИНТЕГРАЦИИ

Одним из вариантов облегченной блокчейн-архитектуры является вариант, основанный на методе хранения и управления реестрами в предварительно аутентифицированном локальном хранилище [19]. В этом случае предполагается, что транзакции, происходящие в уже аутентифицированном блокчейне, могут гарантировать целостность данных. Такая система блокчейна является лёгкой и надёжной в работе. Однако её использование ограничено, поскольку тогда создаётся замкнутая экосистема, изолированная от внешнего окружения. Решением этой проблемы является разработка многоуровневой системы, объединяющей внешние и внутренние экосистемы. То есть, в системе транзакции делятся на локальные и оверлейные, что позволяет обрабатывать их по-разному. При этом следует особое внимание уделять аутентификации устройств в IoT. Однако, при генерации большого объёма данных (как в среде интеграции IoT и умной пыли) возникает множество обменов между оверлейной и локальной сетями, что может существенно снижать эффективность системы.

Среды умной пыли IoT подвержены потенциальным угрозам безопасности, например, некорректность данных от неавторизованных устройств. Классическая транзакционная блокчейн-технология не может эффективно функционировать в системах, используемых технологию умной пыли, где большинство SDD обладают крайне ограниченными вычислительными ресурсами. Поэтому в нашем случае внимание сосредотачивается на ресурсоэффективной облегченной версии блокчейна, которая может быть адаптирована для среды интеграции IoT и умной пыли.

По сравнению с базовой архитектурой отметим добавление узлов аутентификации (Auth node) и времени (Time node). Облегченный формат позволяет эффективно работать на устройствах с ограниченными вычислительными ресурсами [8]. В ней исключены традиционные функции блокчейна, такие как майнинг и mempool. Для решения проблемы синхронизации, вызванной удалением этих функций, введены понятия «стендбай-реестров» и «узла времени». Такая архитектура эффективно решает проблемы среды интеграции IoTи умной пыли с помощью облегченного блокчейна. Однако в ней не предусматривается механизм передачи срочных данных, возможны задержки или пропуски при передаче таких данных, что может привести к серьёзным проблемам в интегрированных системах на основе технологии умной пыли.

Двухэтапный метод сокращения объёма

ДАННЫХ

В условиях, когда в среде IoT на базе технологии умной пыли происходит взрывной рост объёма данных, пропускная способность сети зачастую оказывается недостаточной. Для повышения эффективности передачи данных предлагается применять двухэтапный метод сокращения объёма данных, основанный на принципах [8], которые раскрываются в таблице 2 при описании каждого этапа метода.

Т аблица 2. С одержание двухэтапного метода сокращения объёма данных .

T able 2. C ontents of the two - stage data reduction method .

Этап	Основные действия	Функциональные характеристики
1.	1.1.    Передача обычных (незначительных) данных с небольшой задержкой. 1.2.    Отсечение передачи данных, если изменение значения сенсора меньше порога.	В этой фазе метод учитывает «толерантность к задержке» для обычных (не срочных) данных, позволяя приоритизировать срочные сообщения. Фильтрация по порогу уменьшает объём передаваемой информации, снижая нагрузку на сеть и экономя энергию устройств (поддержка ресурсоэффективности).
2.	Сокращение объёма передаваемых данных за счёт совместного использования сетевой информации (например, заголовков протоколов).	На этом этапе происходит оптимизация формата передачи, уменьшая избыточность служебных данных и повышая эффективность использования пропускной способности сети.

Несмотря на то, что данный подход обеспечивает приоритетную и бесперебойную передачу срочных данных в распределённых IoT-системах на основе технологии умной пыли, он не решает такие задачи, как аутентификация и обеспечение целостности данных. Эти вопросы требуют     применения     дополнительных механизмов защиты и контроля.

Комбинированный метод повышения

ТРАНЗАКЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

Анализ транзакционных технологий блокчейна для среды интеграции IoT и умной пыли позволяет сформировать комбинированный подход, который основывается на методе передачи данных в два этапа (с двумя классами данных) с использованием ресурсоэффективной (облегчённой) структуры блокчейн.

В случае комбинации методов достигается эффект по следующим ключевым аспектам:

• •    немедленная передача срочных данных, полученных с датчиков (мотов Smart Dust), за счёт двухэтапного метода сокращения объема данных (данные разбиваются на два класса);

• •    эффективная передача данных в защищённой системе умного IoT с очень ограниченными вычислительными ресурсами посредством использования облегчённой структуры блокчейн.

Предлагаемая интегрированная система с использованием технологии Smart Dust основана на многоуровневой архитектуре IoT-системы умной пыли, которая поддерживает реализацию комбинированного    метода.     Физическая конфигурация устройств системы умной пыли (см. таблицу 1) с учетом использования облегчённого блокчейна расширяется путем добавления двух узлов:

• •    узел аутентификации (Auth node), который передаёт информацию для аутентификации устройствам RDD;

• •    узел времени (Time node), выполняющий функцию      определения      времени

синхронизации.

Таким образом, в рамках комбинированного метода как аутентификационная информация, так и передача данных, полученных сенсорами (мотами Smart Dust), обрабатываются в виде транзакций [20]. Для снижения объёма данных, генерируемых в среде интеграции IoT и умной пыли, реализуется способ передачи данных на основе распределённого реестра (ledger). Вместо того чтобы передавать все данные, собранные каждым устройством RDD, только выбранное устройство RDD анализирует всю информацию из реестра, полученную от всех RDD, и передаёт её на сервер умной пыли.

При сборе и передаче данных происходят транзакции, при этом информация об аутентификации и регистрации каждого устройства SDD также рассматривается как транзакция.

Применение блокчейна в среде интеграции IoT и умной пыли и обработка реестра может вызывать задержки при обработке срочных данных. Для решения этой проблемы вводится понятие mempool на уровне реестра, аналогично традиционному блокчейну (например, Ethereum) [17]. В системе создаются два типа реестров, которые управляют двумя классами данных (срочными и обычными) для их раздельной обработки. Таким образом, в архитектуре функционируют две цепочки блоков: облегчённый и, соответственно, ресурсоэффективный блокчейн для срочных данных и модифицированный традиционный блокчейн для обычных данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье рассмотрены основные аспекты повышения транзакционной надежности передачи данных в интегрированных системах, использующих технологию умной пыли. Предложенный комплексный подход, включающий многоуровневую архитектуру IoT-системы, облегчённую блокчейн-технологию и двухэтапный метод сокращения объёма данных, позволяет эффективно решать задачи быстрой и безопасной передачи информации в условиях ограниченных вычислительных ресурсов и высокой динамичности среды. Разделение данных на срочные и обычные с применением двух типов блокчейн-реестров обеспечивает приоритетную обработку критически важных сообщений без ущерба для общей безопасности и целостности данных. Введение специализированных узлов аутентификации и времени способствует синхронизации и надежности транзакций, что особенно важно для распределённых и масштабируемых систем умной пыли.

Таким образом, реализованный метод формирует основу для создания устойчивых и масштабируемых интегрированных IoT-сред умной пыли, способных эффективно функционировать в сложных и труднодоступных условиях эксплуатации, что имеет значительный потенциал для цифровизации не только строительной отрасли, но и других сфер промышленности [21]. Полученные результаты подтверждают перспективность использования комбинированных решений на базе облегчённого блокчейна и адаптивных методов передачи данных для обеспечения высокого уровня транзакционной надежности в современных системах, базирующихся на технологии Smart Dust.