Phát hiện xâm nhập theo thời gian thực trong mạng internet của vạn vậ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẶNG XUÂN ĐÍCH

PHÁT HIỆN XÂM NHẬP THEO THỜI GIAN THỰC
TRONG MẠNG INTERNET CỦA VẠN VẬT

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐẠI THỌ

Hà nội, 2016


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo, Tiến sĩ
Nguyễn Đại Thọ. Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên
cứu, tìm hiểu, hoàn thành luận văn.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến những thầy cô đã giảng dạy tôi trong
thời gian học cao học, các thầy cô đã giúp tôi trang bị những kiến thức để phát triển
trong tương lai.
Tôi cũng xin cảm ơn đến những bạn bè, người thân trong gia đình tôi đã luôn
ủng hộ, động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cuộc sống.

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2016
Học viên

Đặng Xuân Đích

TÓM TẮT
Luận văn tập trung nghiên cứu và cải tiến các giải pháp phát hiện xâm nhập
theo thời gian thực đối với mạng Internet của vạn vật được đề xuất năm 2013 là
SVELTE [6].
SVELTE thực hiện tái hiện cấu trúc mạng trên một thiết bị trung tâm, thiết bị
trung tâm này là nơi trung gian gửi nhận dữ liệu giữa các thiết bị bên trong và mạng
Internet bên ngoài. Việc tái tái hiện cấu trúc được thực hiện dựa trên các thông tin từ
các thiết bị trong mạng gửi về cho thiết bị trung tâm. Trong quá trình gửi nhận thông
tin, do việc mất mát gói tin hoặc do một cuộc tấn công trong mạng, sự không nhất
quán về thông tin giữa các thiết bị có thể xảy ra. Một trong những module của
SVELTE giải quyết vấn đề này. Luận văn tập trung vào cải tiến thuật toán phát hiện
sự không nhất quán về thông tin của các thiết bị trong mạng bằng kỹ thuật gán nhãn
thời gian vector [1]. Tôi tự gọi hệ thống cải tiến với tên là SVELTE-VC.
Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán cải tiến đã có hiệu quả so với phương
pháp cũ. Tỉ lệ phát hiện thành công các cuộc tấn công vẫn giữ được như trong
SVELTE trong khi tỉ lệ phát hiện sai đã giảm xuống đáng kể.

Từ khóa: SVELTE, IDS, Internet of Things


ABSTRACT

My graduation thesis will present an improvement to intrusion detection
system in the Internet of Things, SVELTE [6] that was introduced in 2013.
SVELTE reconstructs the network topology on a control device, this device
functions as sending and receiving data centre among internal and external network
nodes.
The reconstruction is based on informations that the control device has

received from internal network devices. When transfer is in progress, because of the
loss of information or network attacks, the inconsistency of informations among
devices would happen. Therefore, a module in SVELTE was created to solve this
problem. My Thesis proposes an improvement to the inconsistent information
detection algorithm in SVELTE, using a novel vector clock timestamp technique [1].
Improved system is also called SVELTE-VC.
The simulation results indicate that our improved system has achieved better
performance: the detection rate for attack is the same as SVELTE's while the wrong
alarm rate significantly reduces.

Keyword: SVELTE, IDS, IoT


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong luận văn về xây dựng hệ
thống phát hiện xâm nhập theo thời gian thực trong mạng Internet của vạn vật là do
sự tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Đại Thọ.
Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được trích dẫn, nêu rõ
nguồn gốc một cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo trong luận văn. Trong
luận văn này, tôi cam đoan không sao chép nguyên bản tài liệu, công trình nghiên cứu
của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2016
Học viên

Đặng Xuân Đích


MỤC LỤC

TÓM TẮT.............................................................................................................. 3
1.

2.

MỞ ĐẦU........................................................................................................ 1
1.1

Bối cảnh chung......................................................................................... 1

1.2

Các công trình nghiên cứu liên quan........................................................ 3

1.3

Mục đích của luận văn.............................................................................. 3

1.4

Kết quả đạt được...................................................................................... 3

1.5

Cấu trúc của luận văn............................................................................... 4

HỆ THỐNG PHÁT HIỆN XÂM NHẬP SVELTE.....................................5
2.1

Định tuyến trong RPL và cơ chế tấn công sinkhole..................................5

2.2

Các thành phần phát hiện xâm nhập trong SVELTE................................7
6LoWPAN Mapper...............................................................................7
6LoWPAN Client................................................................................ 12

CẢI TIẾN GIẢI THUẬT PHÁT HIỆN SỰ KHÔNG NHẤT QUÁN VỀ
THÔNG TIN TRONG MẠNG ............................................................................. 14
3.1
Hạn chế của SVELTE ............................................................................. 14

3.

3.2

Cải tiến SVELTE sử dụng nhãn thời gian Vector ................................... 16
Khái niệm đồng bộ hóa tiến trình ........................................................ 16
Xác định trật tự cho các sự kiện trong hệ phân tán .............................. 16
Thiết lập nhãn thời gian Vector trong SVELTE .................................. 20

4.

MÔ PHỎNG ................................................................................................. 26
4.1

Cài đặt và cấu hình .................................................................................. 26

4.2

Kịch bản mô phỏng ................................................................................. 27

4.3

Kết quả mô phỏng ................................................................................... 30
Tỉ lệ phát hiện ...................................................................................... 31
Năng lượng tiêu thụ ............................................................................. 34

5.

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................... 37

6.

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 38

7.

PHỤ LỤC ...................................................................................................... 40


BẢNG CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

IoT

Internet of Things

Mạng Internet của vạn vật

6LoWPAN

IPv6 over Low-power Wireless
Personal Area Network

Mạng các thiết bị không dây
năng lượng thấp

6BR

6LoWPAN Border Router

Thiết bị định tuyến biên của
6LoWPAN

IDS

Intrusion detection system

Hệ thống phát hiện xâm nhập

6Mapper

6LoWPAN Mapper

Tên một module
thống SVELTE

Routing Protocol for Low Power

Giao thức định tuyến cho
mạng tổn hao năng lượng thấp
và mạng cảm biến không dây

RPL

and Lossy Network

trong

hệ

DAG

Directed Acyclic Graph

Đồ thị có hướng đi không tuần
hoàn

DAG ROOT

Directed Acyclic Graph ROOT

Gốc đồ thị có hướng đi không
tuần hoàn

DODAG

Destination-Oriented DAG

Đồ thị có hướng đi không tuần
hoàn có điểm đến được định
hướng


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Ví dụ mạng Internet of Things.......................................................................1
Hình 2.1 - Chọn Node cha (parent) trong thuật toán định tuyến RPL............................ 6
Hình 2.2 - Cơ chế tấn công của sinkhole attack..............................................................6
Hình 2.3 – Hệ thống phát hiện xâm nhập SVELTE........................................................ 7
Hình 2.4 - Cấu trúc mapping request packet...................................................................8
Hình 2.5 - Luồng xử lý dữ liệu trong SVELTE...............................................................9
Hình 2.6 - Cấu trúc mapping response packet...............................................................13
Hình 3.1 - Ví dụ SVELTE không phân biệt được sự không nhất quán do bản thân mạng
14
Hình 3.2 - Ví dụ về sự cập nhật nhãn thời gian Logic Lamport....................................19
Hình 3.3 - Ví dụ về sự cập nhật nhãn thời gian Vector................................................. 20
Hình 3.4 - Cấu trúc mapping response packet sử dụng nhãn thời gian vector..............21
Hình 3.5 - Ví dụ mô phỏng phát hiện không nhất quán do bản thân mạng...................24
Hình 4.1 - Giao diện của chương trình cooja trên ubuntu.............................................26
Hình 4.2 - Đặt tên thư mục để chạy SVELTE-VC........................................................27
Hình 4.3 - Mô phỏng với 8 Node, trong đó có 1 Node bị attacker điều khiển..............28
Hình 4.4 - Mô phỏng với 16 Node, trong đó có 2 Node bị attacker điều khiển............28
Hình 4.5 - Mô phỏng với 32 Node, trong đó có 4 Node bị attacker điều khiển............29

Hình 4.6 - Mô phỏng sinkhole attack với 26 node mạng..............................................30
Hình 4.7 - Tỉ lệ dương tính sai với kịch bản 8 node của SVELTE và SVELTE-VC 301
Hình 4.8 - Tỉ lệ dương tính sai với kịch bản 16 node của SVELTE và SVELTE-VC . 32
Hình 4.9 - Tỉ lệ dương tính sai với kịch bản 32 node của SVELTE và SVELTE-VC . 32
Hình 4.10 - Tỉ lệ dương tính đúng với kịch bản 8 node của SVELTE và SVELTE-VC
303
Hình 4.11 - Tỉ lệ dương tính đúng với kịch bản 16 node của SVELTE và SVELTE-VC
33
Hình 4.12 - Tỉ lệ dương tính đúng với kịch bản 32 node của SVELTE và SVELTE-VC
34
Hình 4.13 - Năng lượng sử dụng của toàn mạng trong 30 phút....................................35
Hình 4.14 - Điện năng sử dụng trung bình của các node trong 30 phút........................36


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

1. MỞ ĐẦU
1.1 Bối cảnh chung
IoT là thuật ngữ khoa học dùng để chỉ ra những đối tượng có thể được
nhận biết (identifiable) cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc
mang tính kết nối. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999.
Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi
thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không
dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng được
dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích.

Hình 1.1 - Ví dụ mạng Internet of Things

Internet of Things đang phát triển mạnh mẽ, nhận được nhiều sự quan tâm.
Dưới đây là một số dự đoán từ những chuyên gia của Businessinsider, một blog
tài chính nổi tiếng, dự đoán về tương lai của IoT:
- Internet of Things sẽ là thị trường thiết bị lớn nhất trên thế giới. Vào năm
2019 số lượng thiết bị IOT sẽ gấp đôi tổng số smartphone, PC, tablet, thiết
bị đeo thông minh wearable cộng lại.

1


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

- IOT sẽ mang lại 1700 tỷ USD giá trị gia tăng cho nền kinh tế toàn cầu
trong năm 2019. Con số này bao gồm phần cứng, phần mềm, chi phí lắp
đặt, dịch vụ quản lý, và giá trị kinh tế gia tăng.
- Giá trị của các thiết bị IOT sẽ chạm mốc 6,7 tỷ USD vào năm 2019. Trong
đó doanh thu từ phần cứng sẽ chỉ chiếm 8% - khoảng 50 triệu USD, các
nhà sản xuất phần mềm và các công ty cơ sở hạ tầng sẽ thu lợi nhiều hơn
từ cổ phiếu IOT.
- Sự tăng trưởng của IOT sẽ mang lại hiệu quả lớn và chi phí thấp hơn tại nhà,
nơi làm việc và các thành phố trong tương lai. Tuy nhiên, việc sử dụng các
thiết bị điện tử trong hệ thống an ninh vẫn là một vấn đề nan giải.
- Nền tảng IOT đang thiếu một chuẩn công nghệ và tiêu chuẩn chung để
tương thích và sử dụng với các thiết bị. Hiện nay có rất ít các tiêu chuẩn
(hoặc quy định) cho những thiết bị chạy trên nền tảng này. Vấn đề cấp
bách nhất là phải chuẩn hoá các nền tảng IOT và giải quyết những vấn đề
an ninh hiện tại.
(Trích, genk.vn – Internet of Things sẽ thế nào trong 5 năm tới)

Rõ ràng, IoT có thể thay đổi hoàn toàn cách sống của con người trong
tương lai. Khi mọi thứ đã được “Internet hóa”, người dùng hoàn toàn có thể điều
khiển chúng từ bất cứ đâu, chỉ cần một chiếc điện thoại có kết nối Internet.
Nhưng đây cũng là một thách thức cho các nhà quản lý, một khi “vạn vật” được
kết nối, thì tính bảo mật sẽ bị đặt dấu hỏi lớn và trở nên quan trọng.
Các thiết bị trong mạng IoT kết nối với nhau thông qua một thiết bị điều
khiển, thiết bị điều khiển này có thể là một máy tính, smartphone,... Các thiết bị
này có khả năng kết nối trực tiếp ra Internet, sẽ dễ dàng cho những kẻ tấn công
sử dụng chính mạng Internet đó xâm nhập và tấn công các thiết bị trong mạng.
Do IoT là mạng kết nối mà các phần tử sẽ truyền tải thông tin, giao tiếp với
nhau, vì thế việc truyền tải gói tin cần được bảo vệ chặt chẽ. Mặc dù giải pháp
mã hóa và xác thực đã được thực hiện trong IoT nhưng IoT vẫn bị ảnh hưởng
nặng bởi một số kiểu tấn công đặc biệt như sinkhole attack, selective forwarding
attack... Vì thế cần có một giải pháp chống lại các kiểu tấn công dạng này. Giải
pháp phổ biến nhất hiện này là triển khai hệ thống phát hiện xâm nhập theo thời
gian thực trong mạng Internet của vạn vật.
2


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan
Trên thế giới hiện nay, cũng có một số hệ thống phát hiện xâm nhập theo
thời gian thực đã được đề xuất, ví dụ như:
- RIDES [7], một hệ thống phát hiện xâm nhập trong mạng cảm biến không
dây dựa trên chữ ký.
- Phát hiện xâm nhập DoS trong mạng 6LoWPan [8] hay SVELTE, một hệ
thống phát hiện xâm nhập theo thời gian thực phát hiện các cuộc tấn công

sinkhole đã được kiểm chứng qua mạng giả lập.
SVELTE triển khai trên mạng IoT sử dụng Ipv6 để định danh các thiết bị
trong mạng và được định tuyến bằng giao thức RPL. IoT được gọi là mạng cho
các thiết bị năng lượng thấp (6LoWPAN), thiết bị chuyển tiếp gói tin từ các thiết
bị trong mạng ra ngoài được gọi là 6BR. SVELTE được cài đặt trên 6BR và trên
các node, module chạy trên các node có nhiệm vụ gửi thông tin về cho 6BR,
module trên 6BR nhận thông tin và phân tích các thông tin để đưa ra các cảnh
báo. Hệ thống SVELTE được đề xuất có tỉ lệ phát hiện khá cao, đặc biệt với
những mạng nhỏ. Tuy nhiên, SVELTE cũng có một hạn chế là không thể phân
biệt được sự không nhất quán thông tin của các node báo về cho 6Mapper là do
bản thân mạng hay do cuộc tấn công từ bên ngoài.

1.3 Mục đích của luận văn
Sự không nhất quán thông tin trong mạng có thể bị gây ra bởi việc gửi
nhận gói tin không đồng thời trong SVELTE hoặc do kẻ tấn công cố tình gửi
thông tin sai lệch. Thuật toán phát hiện sự không nhất quán của SVELTE dựa
vào thông tin khai báo bởi số đông hàng xóm so với thông tin của node đó để
đưa ra quyết định về sự không nhất quán. Thuật toán này có nhược điểm đó là
không xác định được thông tin sai lệch là do kẻ tấn công gây ra hay do việc gửi
nhận thông tin trong mạng gây ra. Vì thế, luận văn tập trung cải tiến thuật toán
này dựa vào kỹ thuật gán nhãn thời gian vector. Kết quả cho thấy thuật toán mới
chạy ổn định và thu được kết quả tốt hơn.

1.4 Kết quả đạt được

3


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

SVELTE được chạy mô phỏng trên Contiki OS, hệ điều hành chuyên để
mô phỏng các thiết bị nhúng không dây.
Mô phỏng được chạy với mạng có 8 node, 16 node, 32 node trong 5 phút,
10 phút, 20 phút, 30 phút với một số lần nhất định để tìm ra được tỉ lệ phát hiện
đúng các cuộc tấn công trong mạng.
Kết quả đã phát hiện được các kiểu tấn công sinkhole attack với tỉ lệ phát
hiện đúng tương đương SVELTE trong khi tỉ lệ phát hiện sai đã giảm so với hệ
thống cũ.

1.5 Cấu trúc của luận văn
Phần tiếp theo của luận văn được tổ chức như sau:
- Chương 2: Hệ thống phát hiện xâm nhập SVELTE
Chương này mô tả cấu trúc, thuật toán của SVELTE và hạn chế của
thuật toán gốc.
- Chương 3: Cải tiến giải thuật phát hiện sự không nhất quán về thông
tin trong mạng
Chương này đi sâu phân tích, thiết kế giải thuật, đưa ra các giả mã
của thuật toán sử dụng kĩ thuật gán nhãn thời gian vector để phát hiện các
sự sai khác là do bản thân mạng hay do cuộc tấn công sinkhole. Trình bày
ưu điểm của giải thuật cải tiến.
- Chương 4: Mô phỏng
Chương này đưa ra hướng dẫn cài đặt mô phỏng SVELTE-VC, đưa ra
các giả thiết, trường hợp trong mô phỏng. Đồng thời, trong chương này cũng
đưa ra các biểu đồ, so sánh kết quả với kết quả cũ đã được kiểm chứng.
- Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển
Chương này tóm lược nội dung luận văn, đề xuất những hướng phát
triển của đề tài.

4


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

2. HỆ THỐNG PHÁT HIỆN XÂM NHẬP SVELTE
SVELTE được cài đặt trên mạng của các thiết bị hạn chế về tài nguyên kết
nối với mạng Internet thông qua giao thức Ipv6 để định danh 6LoWPAN. RPL
được sử dụng làm giao thức định tuyến trong hệ thống.
SVELTE có ba module chính. Module đầu tiên là 6LoWPAN Mapper,
module được cài trên 6BR với nhiệm vụ phân tích, phát hiện xâm nhập trong
mạng từ dữ liệu thu thập được và phát hiện xâm nhập, module này sẽ được trình
bày trong phần 2.2.1. Module thứ hai là 6LoWPAN Client, được cài đặt trên các
node, có nhiệm vụ thu thập thông tin của các node hàng xóm và gửi về cho
6Mapper, module này sẽ được trình bày trong phần 2.2.2. Module cuối cùng là
hệ thống tường lửa được thiết kế để lọc các gói tin không muốn truyền tải trong
mạng, nhưng do luận văn nghiên cứu và cải tiến hệ thống phát hiện xâm nhập,
nên việc triển khai tường lửa không được đề cập tới.
Nhưng trước hết, để hiểu được hệ thống phát hiện xâm nhập, ta phải hiểu
cơ chế định tuyến và tấn công trong RPL.

2.1 Định tuyến trong RPL và cơ chế tấn công sinkhole
DAG [13] [14] là một topo mạng mà mọi kết nối giữa các phần tử (Node)
trong DAG đều có hướng hướng về DAG ROOT và đảm bảo không tạo ra các vòng
lặp trong DAG. RPL [13] [14] sử dụng DAG để định tuyến, 6BR chính là DAG
ROOT trong RPL, các thiết bị là các Node trong RPL. Thuật toán định tuyến này sử
dụng một giá trị gọi là rank để xác định tuyến đường từ node cần gửi tin tới DAG
ROOT. DAG ROOT sẽ có rank nhỏ nhất, càng ra xa, các node sẽ có rank càng cao,

node sẽ chọn node bên cạnh (node hàng xóm – node neighbor) có rank nhỏ nhất
làm node chuyển tiếp gói tin (node cha – node parent).

5


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

Hình 2.1 - Chọn Node cha (parent) trong thuật toán định tuyến RPL

Sinkhole attack [3] là kiểu tấn công mà node bị kẻ tấn công điều khiển
khai báo sai lệch rank nhằm mục đích đánh lừa các node trong mạng chuyển tiếp
gói tin qua node đó tức là chọn node đó làm node cha. Kiểu tấn công này có thể
kết hợp với selective forwarding attack [3]. Sự kết hợp giữa hai kiểu tấn công
này gây hậu quả rất nghiêm trọng cho mạng, có thể một phần lớn mạng không
thể giao tiếp với mạng Internet bên ngoài.

Hình 2.2 - Cơ chế tấn công của sinkhole attack

6


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

SVELTE tập trung vào phát hiện kiểu tấn công trên dựa vào việc phân tích
các thông tin về rank do các Node trong mạng gửi về. SVELTE được cài đặt trên

cả 6BR và các node trong mạng, đây là mô hình của SVELTE:

Hình 2.3 – Hệ thống phát hiện xâm nhập SVELTE

Module cài trên 6BR được gọi là 6LoWPAN Mapper (6Mapper), 6Mapper
có nhiệm vụ thu thập thông tin về mạng do các node báo lại, phân tích đưa ra
các cảnh báo về các cuộc tấn công trong mạng. Module cài trên các Node gọi là
6Mapper client, module này chỉ có nhiệm vụ thu thập thông tin và gửi về cho
6Mapper.
Khi nhận được các thông tin của các node, 6Mapper bắt đầu phân tích các
gói tin bằng các giải thuật như phát hiện sự không nhất quán thông tin trong
mạng, phát hiện mâu thuẫn giữa quan hệ cha-con trong mạng, ...

2.2 Các thành phần phát hiện xâm nhập trong SVELTE
6LoWPAN Mapper
Module này còn được gọi tắt là 6Mapper. Nó thực hiện nhiệm vụ tái hiện
lại cấu trúc mạng tại 6BR, tức là xây dựng lại thông tin của các node trên 6BR
bằng các cấu trúc dữ liệu định sẵn.
Để tái hiện lại cấu trúc của của mạng, 6Mapper sẽ gửi đi các gói tin yêu
cầu lấy thông tin tới tất cả các node (còn gọi là Mapping request packet). Các
gói tin này bao gồm các thông tin: RPL Instance ID (IID), DODAG ID,
DODAG version, timestamp.

7


Luận văn thạc sĩ CNTT

IID

DODAG
ID

Đặng Xuân Đích

DODAG VERSION

TIMESTAMP

Hình 2.4 - Cấu trúc mapping request packet

-

Trong đó:
IID: IID của 6BR.
DODAG ID: địa chỉ gửi gói tin, trong trường hợp này là địa chỉ của 6BR.
DODAG version: phiên bản của DODAG.
Timestamp: nhãn thời gian của gói tin.
SVELTE có thể sử dụng các giải pháp mã hóa và xác thực gói tin, nhưng để

đơn giản phần cài đặt mô phỏng, giả thiết gói tin đã được mã hóa và xác thực.

Nếu trong thực tế khi triển khai hệ thống, hệ thống mà có cài đặt thêm
việc xác thực gói tin thì trường DODAG ID không cần được thêm vào gói tin
Mapping request do việc xác nhận đã chứa thông tin về nguồn gửi gói tin.
6Mapper dựa vào các thông tin nhận được từ các node gửi tới để phân tích
đưa ra nhận định về việc mạng có là mục tiêu của cuộc tấn công nào hay không.
Sự không nhất quán trong khi xây dựng lại cấu trúc của mạng tại 6BR có
thể xảy ra, điều đó có thể gây ra cảnh báo sai lầm trong hệ thống. Sự không nhất
quán này có thể xảy ra khi thông tin về một node quá cũ hoặc do kẻ tấn công cố

tình gửi thông tin sai lệch.
Luồng xử lý thông tin trong SVELTE
Dữ liệu được xử lý với 3 thuật toán: phát hiện và hiệu chỉnh thông tin
không nhất quán giữa các node, phát hiện các node có thông tin quá hạn (out of
date), phát hiện bất thường giữa quan hệ cha-con. Sau khi dữ liệu được phân
tích, hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo về các node có dấu hiệu bất thường.

8


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

Phát hiện và hiệu chỉnh thông tin không nhất

Thông
tin node

Phát hiện các node có thông tin quá hạn

Cảnh
báo

Phát hiện bất thường giữa node cha và con
Hình 2.5 – Luồng xử lý dữ liệu trong SVELTE

2.2.1.1 Phát hiện sự không nhất quán trong mạng
Trong mạng Internet của vạn vật, các node có thể bị chiếm quyền điểu
khiển bởi kẻ tấn công thông qua nhiều cách. Khi node bị chiếm quyền điều

khiển, kẻ tấn công có thể chỉ định node đó gửi các thông tin sai lệch về rank của
node đó hoặc rank của hàng xóm cho 6Mapper. Thông tin sai lệch này cũng có
thể bị gây ra bởi sự mất mát gói tin, do mạng Internet của vạn vật là mạng không
dây của các thiết bị năng lượng thấp (thường là chạy bằng pin), nên việc mất
mát gói tin là không tránh khỏi. Vì thế việc phát hiện sự không nhất quán về
thông tin của các node và sửa lại thông tin đó rất quan trọng. Giải thuật dưới đây
giải quyết vấn đề trên. Sau đây là mã giả của giải thuật:
Giải thuật (GT1):
Require: N – A list of nodes
for Node in N do
for Neighbor in Node.neighbors do
Diff= |Node.neighborRank(Neighbor) - Neighbor.rank | Avg =
(Node.neighborRank(Neighbor) + Neighbor.rank)/2 {If the
absolute difference is greater than 20% of the ranks
average}
if Diff > Avg * 0.2 then
Node.fault = Node.fault + 1
Neighbor.fault = Neighbor.fault + 1
end if
end for
end for

9


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

for Node in N do

if Node.fault > FaultThreshold then
Node.rank = Rank reported for Node by any neighbor
for Neighbor in Node.neighbors do
Node.neighborRank (Neighbor) = Neighbor.rank
end for
end if
end for
Giải thuật (GT1) phát hiện sự không nhất quán về thông tin trong mạng dựa
vào sự tích lũy số lần thông tin không nhất quán của các node. Vòng lặp đầu tiên
kiểm tra thông tin không nhất quán. Mỗi node được tái hiện trên 6BR bởi một cấu
trúc dữ liệu. Mỗi cấu trúc dữ liệu biểu diễn một node sẽ có một biến fault. Nếu sự
chênh lệch về rank của node đó do node đó báo cáo với 6Mapper và do hàng xóm
của node đó báo cáo với 6Mapper lớn hơn 20% trung bình của hai giá trị thì biến
fault được cộng thêm 1 tại cả hai node. Vòng lặp thứ hai kiểm tra biến fault của các
node, biến fault của node nào vượt ngưỡng cho phép, node đó sẽ bị đánh giá là
không nhất quán thông tin so với thực tế, thông tin về rank của node đó sẽ được sửa
theo thông tin của bất kỳ hàng xóm nào báo về. Con số 20% trung bình của hai giá
trị rank được tác giả đưa ra qua kết quả thực nghiệm trong mạng từ 8 đến 32 node,
con số này có thể bị thay đổi với các mạng có số cấu trúc mạng khác.

Thuật toán (GT1) có nhược điểm không phân biệt được thông tin không
nhất quán do kẻ tấn công gây ra hay do sự truyền tải gói tin trong mạng. Việc
phát hiện do việc truyền tải gói tin trong mạng hoàn toàn có thể xác định được
bằng kỹ thuật gán nhãn thời gian vector.
2.2.1.2 Kiểm tra các node còn hoạt động trong mạng
Việc kiểm tra các node còn hoạt động trong mạng rất quan trọng. Ví dụ, khi
có cuộc tấn công selective forwarding trong mạng, node bị chiếm quyền điểu khiển
có thể chặn tất cả các gói tin, chỉ cho gói tin định tuyến RPL đi qua. Chúng ta có
thể dựa vào bảng định tuyến RPL tại node root để kiểm tra các node còn hoạt động
hay không. Việc kiểm tra cần sử dụng một danh sách trắng W, danh

10


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

sách các node đã biết thông tin bởi 6Mapper là M. Kết quả của việc kiểm tra sẽ
là danh sách các node bị lọc F.
Giải thuật (GT2):
Require: W – Set of whitelisted nodes
Require: M – Set of nodes known to the 6Mapper
F = [] {F will contain the filtered nodes} for
Node in W do
if Node in M and M[Node].lastUpdate() > RecencyThreshold
then F.add (Node)
end if
end for
return F

Trong giải thuật trên, một vòng lặp được tạo ra để duyệt hết các node trong
danh sách trắng, nếu node đó là node 6Mapper đã biết thông tin và thời gian gửi
thông tin của node đó quá một ngưỡng thì node đó sẽ được thêm vào danh sách
các node bị lọc.
2.2.1.3 Phát hiện sai lệch trong quan hệ giữa node cha và node con.
Một kẻ tấn công có thể thực hiện sinkhole attack để quảng bá tuyến đường
ngắn nhất cho các hàng xóm để gửi các gói tin. Nếu kiểu tấn công này kết hợp
với các kiểu tấn công khác như selective forwarding attack thì hậu quả rất
nghiêm trọng, một lượng lớn gói tin trong mạng có thể không được gửi đi.

SVELTE có thể phát hiện hầu hết các cuộc tấn công sinkhole attack bằng việc
phân tích cấu trúc mạng. Trong RPL, rank sẽ tăng dẫn từ root, vì thế rank của node
cha luôn luôn nhỏ hơn node con. Với mọi trường hợp, rank của node cha lớn hơn
rank của node con đều là dấu hiệu của cuộc tấn công sinkhole attack.

Việc phát hiện sai hoàn toàn có thể xảy ra, vì thế cần đặt ra một ngưỡng số
lần phát hiện rank của node đó nhỏ hơn rank của cha, nếu vượt ngưỡng thì hệ
thống sẽ đưa ra cảnh báo. Sau đây là giải thuật phát hiện sai lệch thông tin trong
quan hệ cha-con:
11


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

Giải thuật (GT3):

Require: N – A list of nodes
for Node in N do
if Node.rank < Node.parent.rank + MinHopRankIncrease
then Node.fault = Node.fault + 1
end if
end for
for Node in N do
if Node.fault > FaultThreshold then
//Raise alarm
end if
end for

Trong RPL, một root sẽ có giá trị MinHopRankIncrease là giá trị tăng
nhỏ nhất của rank, hiểu đơn giản rank của node con phải lớn hơn ít nhất
MinHopRankIncrease so với rank của node cha.
Vòng lặp thứ nhất để kiểm tra sự sai lệch về rank giữa node con và node
cha. Biến toàn cục fault sẽ được tăng nếu có sự sai lệch đó. Khi sự sai lệch vượt
quá ngưỡng đặt ra trước thì cảnh báo sẽ được đưa ra.
Giải thuật này phát hiện hầu hết các cuộc tấn công sinkhole attack. Kẻ tấn
công khi thực hiện sinkhole attack sẽ quảng bá rank của node bị điều khiển nhỏ
hơn rank của node cha, vì thế thuật toán cho kết quả tốt. Nếu kẻ tấn công quảng
bá rank lớn hơn rank của node cha, điều này không có ý nghĩa nhiều về việc
định tuyến các gói tin qua nó.
6LoWPAN Client
Module này có chức năng thu thập thông tin của các node hàng xóm và
gửi đến cho 6Mapper qua gói tin Mapping reponse.
Các node dựa vào thông tin của gói tin yêu cầu lấy thông tin về node để
xây dựng lên gói tin trả lời (Mapping response packet).

12


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

Cấu trúc gói tin trả lời như sau:

Hình 2.6 - Cấu trúc mapping response packet

Trong đó:
- Node ID: id của node gửi gói tin trả lời.

- IID, DAG ID, ver, TS: là các giá trị được lấy từ gói tin yêu cầu gửi thông
tin.
- Rank: rank của node gửi gói tin.
- Parent ID: id của node cha
- Neighbors: là danh sách chứa các thông tin về hàng xóm. Danh sách này
gồm:
+
N: số hàng xóm.
+
Nbr ID: id của node hàng xóm.
+
Rank: rank của hàng xóm.

13


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

3. CẢI TIẾN GIẢI THUẬT PHÁT HIỆN SỰ KHÔNG
NHẤT QUÁN VỀ THÔNG TIN TRONG MẠNG
3.1 Hạn chế của SVELTE
Giải thuật gốc của tác giả dựa vào việc tích lũy thông tin sai khác, vì thế các
thông tin của các node không hiệu chỉnh lại ngay. Khi đã phân tích hết các gói tin
được các node báo cáo về, giải thuật chạy vòng lặp cuối cùng và kiểm tra biến đánh
dấu sự không nhất quán của từng node, nếu vượt ngưỡng thì chỉnh lại thông tin của
node đó bằng thông tin báo về của bất kỳ hàng xóm nào. Điều này sẽ xuất hiện khả
năng có những node mà biến đánh dấu sự không nhất quán không vượt ngưỡng, sẽ
không được cập nhật lại dẫn đến không phát hiện được node giả mạo. Ngoài ra,

SVELTE phân tích sự bất thường dựa trên thông tin là rank, nên đôi khi sự bất
thường về rank của node là do bản thân mạng chứ không phải cuộc tấn công giả
mạo rank từ bên ngoài nên SVELTE có sự nhận định sai.

Hình 3.1 – Ví dụ SVELTE không phân biệt được sự không nhất quán
do bản thân mạng

14


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

Node K là cha của Node G, Rm(Node) sẽ là rank của Node tại 6Mapper,
Ra(Node) sẽ là rank thực tế của Node đó, R n(Node) là rank của node ghi nhận
tại các node neighbor.
- K gửi thông tin về rank cho 6Mapper là 1280, vì thế Ra(K) = 1280, Rm(K)
= 1280.
- Đến một thời điểm nào đó, node K tính toán lại rank và giá trị lúc đó là
768, node K sẽ quảng bá rank tới các hàng xóm trong đó có cả G, vậy R a(K)
= 768.
- Vì một lý do nào đó, Node K chưa gửi lại gói tin mapping response cho
6Mapper. 6Mapper vẫn chỉ ghi nhận rank của node K, Rm(K) = 1280.
- G nhận được giá trị rank mới của K, G tính toán lại rank của bản thân,
gửi thông tin lại cho 6Mapper, lúc này R a(G) = 1024, Rm(G) = 1024,
Rn(K) = 768.
Node E và node G khi gửi gói tin mapping response cho 6Mapper thì có
gửi thông tin về rank của bản thân nó, kèm theo rank của node K. Hiện tại,
6Mapper lưu giá trị rank của K là 1280 và rank của G là 1024, rank của node K

do node G báo lại cho 6Mapper là 768. 6Mapper kiểm tra thấy có sự sai khác về
rank của node K. 6Mapper sẽ tiến hành đếm số lần phát hiện sai khác rank từ các
node neighbor gửi về, nếu vượt quá ngưỡng cho phép thì sẽ coi đó là sinkhole
attack, nhưng thực chất sự sai khác rank ở node K là do trong quá trình xây dựng
DAG mạng bị lỗi, delay, hay sự cố nào đó mà node K chưa kịp gửi thông tin cập
nhật rank mới về cho 6Mapper.
Việc sử dụng nhãn thời gian vector trên thế giới được ứng dụng khá nhiều
trong các bài toán ứng dụng thực tế, nó giải quyết được vấn đề đánh dấu các luồng
gửi-nhận thông tin qua lại có phân biệt trước sau. Kết quả là việc phân biệt được
đâu là sự kiện diễn ra trước, đâu là sự kiện diễn ra sau theo quan hệ nhân quả. Áp
dụng kỹ thuật gán nhãn thời gian vector vào hệ thống SVELTE sẽ giải quyết được
việc phân biệt được sự sai khác thông tin node có phải là do bản thân mạng hay
không. Chi tiết giải thuật cải tiến sẽ được trình bày trong phần sau.

15


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

3.2 Cải tiến SVELTE sử dụng nhãn thời gian Vector
Khái niệm đồng bộ hóa tiến trình
Trong hệ tin học phân tán [1] [15], đồng bộ hóa tiến trình được hiểu như
là quá trình tạo nên sự hoạt động nhịp nhàng ăn khớp với nhau giữa tất cả các
đối tượng có tham gia yêu cầu chia sẻ tài nguyên dùng chung.
Điều kiện chủ yếu của việc đồng bộ hóa các tiến trình trong hệ phân tán là:
- Các tiến trình của hệ phải được phát triển trong cùng chu kỳ thực
hiện với các thời gian thực hiện lệnh khác nhau do khả năng xử lý
của các bộ xử lý (hoặc vi xử lý) thành phần khác nhau.

- Các tiến trình phát triển trong các hệ thống thành phần khác nhau,
nằm ở các địa điểm khác nhau và nối với nhau qua đường truyền
trong điều kiện có diễn ra sự cố kỹ thuật.
Không sử dụng bộ nhớ và đồng hồ chung.
Xuất phát từ yêu cầu và điều kiện kỹ thuật nêu trên, người ta cần phải nghiên
cứu các giải pháp đủ mạnh và hiệu quả để có thể đồng bộ hóa các tiến trình như là
đối tượng chủ yếu tham gia tạo nên sự hoạt động của hệ thống đồng bộ.

Xác định trật tự cho các sự kiện trong hệ phân
tán Giới thiệu
Một hệ thống phân tán bất kỳ nào cũng được cấu tạo từ thành phần. Các
thành phần này có thể là các tiến trình hoặc các trạm, các nút hoặc các máy
Server không dùng bộ nhớ chung và liên lạc với nhau bằng cách duy nhất là trao
đổi thông điệp. Mỗi một thành phần như thế hoạt động như một otomat có nghĩa
là nó triển khai các phép toán có khả năng thay đổi trạng thái của mình và của
toàn hệ thống.
Các phép toán thực hiện bằng một trong những thành phần vừa nêu phải
được sắp xếp một cách tự nhiên theo những trình tự diễn ra. Nếu một tiến trình
nào đó cho phép chứa nhiều luồng, trên hệ thống đơn bộ xử lý, đó chính là trật
tự thực hiện các lệnh trên bộ xử lý này. Chính bộ xử lý này sắp xếp các sự kiện.
Việc xác định trật tự các sự kiện trên hệ thống đa bộ xử lý là một vấn đề
phức tạp liên quan đến những khó khăn trong việc duy trì một thời gian tuyệt đối
16


Luận văn thạc sĩ CNTT

Đặng Xuân Đích

gắn bó. Đối với hệ tin học phân tán, việc thống nhất các giá trị của đồng hồ vật

lý để đồng bộ hóa các sự kiện là việc làm không khả thi vì những lý do sau đây:
Độ trễ của truyền thông.
Sự không thống nhất các đồng hồ vật lý theo một chuẩn nhất định.
Xử lý không theo thời gian thực.
Các khái niệm cơ bản
- Trật tự nhân quả
Trên một trạm, các sự kiện cục bộ có thể sắp xếp bằng trật tự thực hiện
của chúng hay bằng việc xác định thời gian tuyệt đối, mặt khác sự kiện truyền đi
một thông điệp trên trạm truyền luôn diễn ra trước sự kiện nhận thông điệp đó.
Điều đó được định nghĩa bởi trật tự nhân quả (Ký hiệu bằng →).

Khái niệm này được biểu diễn theo kiểu như sau:
Sự kiện 1 có trước một sự kiện 2, ta viết 1 → 2, nếu một trong hai điều kiện sau đây là đúng:

1.

1

và

2

diễn ra trên cũng một trạm và

1

diễn ra trước

2

theo

đồng hồ logic trên chính trạm đó.
2.

1

tương ứng với việc gửi thông điệptrên trạm

và

2

tương

ứng với việc nhận thông điệp này trên trạm với và là số thứ tự của
hai trạm trong hệ. Khái niệm có trước/nhân quả được ký hiệu bằng
→

và phản ánh quan hệ bắc cầu giữa các sự kiện.
3.

Nếu 1, 2, 3 là các sự kiện mà

1

→ 2 và

2

→ 3 thì

1

→3

(phép bắc cầu của quan hệ)
Trật tự của các sự kiện được so sánh bằng quan hệ → gọi là trật tự nhân quả. Các sự kiện
tranh, được ký hiệu là 1|| 2.

- Thời gian logic vô hướng
Định nghĩa
17

1

và 2 không so sánh với nhau bằng quan hệ → gọi là quan hệ tương