Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.71 MB, 89 trang )
ng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG
HỌCGIA
BÁCH
ĐẠI
HỌCĐẠI
QUỐC
TP.KHOA
HCM
-------------------TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
PHẠM MINH KHUÊ
ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT TRONG VIỆC THU
HỒI NÚT CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỐI VỚI CÁC
THIẾT BỊ HẠN CHẾ VỀ TÀI NGUYÊN
Ngành : Khoa học Máy tính
Mã số : 60 48 01 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang a
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài ngun
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Đặng Trần Khánh
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
TS. Trương Tuấn Anh
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
PGS.TS. Trần Minh Triết
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 01 tháng 08 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS. Thoại Nam
2. Thư ký: TS. Phan Trọng Nhân
3. Phản biện 1: TS. Trương Tuấn Anh
4. Phản biện 2: PGS.TS. Trần Minh Triết
5. Ủy viên: TS. Lê Hồng Trang
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Phạm Minh Khuê – 1570213
TRƯỞNG KHOA KH&KTMT
Trang i
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM MINH KHUÊ
MSHV: 1570213
Ngày, tháng, năm sinh: 03/02/1992
Nơi sinh: Bình Dương
Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
Mã số: 604 80101
I.
TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT TRONG VIỆC THU
HỒI NÚT CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỐI VỚI CÁC
THIẾT BỊ HẠN CHẾ VỀ TÀI NGUYÊN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu các kiến thức về bảo mật cho các bài toán của các thiết bị hạn
chế về tài nguyên.
Tìm hiểu các cơ chế xác thực lightweight (lightweight authentication), các
ưu nhược điểm của các mơ hình bảo mật nói chung và mơ hình bảo mật của các
thiết bị hạn chế về tài nguyên.
Nghiên cứu đề xuất một giải pháp cho việc tìm và loại bỏ thành phần gây
hại trong mạng cảm biến của các thiết bị hạn chế về tài nguyên.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐẶNG TRẦN KHÁNH
Tp.HCM, ngày ….. tháng …. năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TRƯỞNG KHOA KH & KTMT
PGS.TS ĐẶNG TRẦN KHÁNH
PGS.TS THOẠI NAM
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang ii
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
LỜI CÁM ƠN
Trong thời gian học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí
Minh, tơi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và động viên từ gia đình, thầy
cơ và bạn bè giúp tơi có động lực phấn đấu trong học tập và rèn luyện.
Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình, xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tơi có thể
n tâm học tập dưới mái trường.
Tiếp theo, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến giảng viên hướng dẫn của tôi
là thầy PGS.TS Đặng Trần Khánh. Thầy là người đã định hướng cho tôi từ
những bước đầu của đề tài, chỉ rõ cho tôi những điều căn bản nhất để có được
những hành trang kiến thức nhằm thực hiện đề tài một cách tốt nhất. Thầy đã
giúp đỡ tôi rất nhiều trong giai đoạn thực hiện luận văn, giúp tơi góp nhặt được
những kiến thức q báu để hoàn thành đề tài cũng như những điều bổ ích
trong cuộc sống.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến khoa Khoa Học Và Kỹ Thuật Máy Tính
đã trang bị cho tơi những kiến thức bổ ích, những trang thiết bị hiện đại để tơi
có thể học tập và nghiên cứu hiệu quả nhất.
Cuối cùng xin gửi lời cám ơn đến Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ
Chí Minh đã tạo cho tơi một mơi trường học tập hồn hảo để chúng tơi có thể
tiếp thu kiến thức một cách tốt nhất làm hành trang cho tương lai.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cám ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2018
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang iii
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Mạng cảm biến không dây WSN đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên tồn
thế giới đối với nhiều mơ hình thành phố thơng minh, các dịch vụ thơng minh
và đồng thời cũng ứng dụng rất nhiều trong nhiều lĩnh vực cần thiết của đời
sống như đo đạc, y tế, chăm sóc sức khỏe, giao thơng,… Đi cùng với sự phát
triển của mạng cảm biến không dây WSN là nhu cầu rất cao về bảo mật thông
tin cũng như việc tiết kiệm năng lượng cho mạng WSN. Đã có rất nhiều nghiên
cứu về vấn đề này nhưng cũng tồn đọng khơng ít những hạn chế, thách thức
trong việc cân bằng giữa bảo mật dữ liệu của mạng cảm biến đồng thời phải tối
ưu năng lượng sử dụng. Để bảo mật dữ liệu của mạng cảm biến tránh kẻ xấu
lấy cắp hoặc làm thay đổi vì mục đích xấu, thì cần một cơ chế xác thực đủ mạnh
đồng thời tiết kiệm năng lượng đối với các thiết bị bị hạn chế về tài ngun.
Bên cạnh đó, ngồi cơ chế xác thực để tìm ra các tác nhân gây hại trong mạng
thì một điều quan trọng nữa là việc đưa ra quyết định loại bỏ các tác nhân đó ra
khỏi mạng. Trước những u cầu đó, kết quả chính của luận văn sẽ tập trung
vào hai vấn đề chính là: (1) Đề xuất mơ hình xác thực tiết kiệm năng lượng cho
mơ hình mạng cảm biến khơng dây WSN và (2) đưa ra quyết định loại bỏ các
node gây hại trong mạng cảm biến không dây WSN.
Nội dung của luận văn bao gồm các phần sau:
▪
Chương 1: Giới thiệu tổng quan, mục tiêu, ý nghĩa và phạm vi của đề
tài, đồng thời kế hoạch thực hiện và phương pháp đánh giá cũng được đề cập
trong chương này.
▪
Chương 2: Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm
khái niệm về mạng cảm biến không dây và thiết bị hạn chế tài nguyên, các ứng
dụng của mạng cảm biến không dây WSN. Đồng thời nêu rõ các vấn đề về bảo
mật của mạng cảm biến không dây WSN và các mơ hình quản lý khóa, mã hóa,
xác thực và thu hồi node trong mạng cảm biến không dây WSN.
▪
Chương 3: Khảo sát các cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài.
▪
Chương 4: Đề cập đến vấn đề chính của luận văn từ hướng tiếp và đặt
vấn đề đến mơ hình đề xuất và chi tiết mơ hình xác thực và loại bỏ node trong
mạng cảm biến không dây WSN.
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang iv
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
▪
Chương 5: Hiện thực mơ hình đề xuất bao gồm việc thu thập và xử lý
dữ liệu, hiện thực chương trình mơ phỏng và chạy thí nghiệm mơ phỏng trên
dữ liệu đã có.
▪
Chương 6: Phân tích và đánh giá kết quả thu được từ chương trình mơ
phỏng qua đó đưa ra những ưu, nhược điểm và đánh giá các thông số thu được
từ thực nghiệm.
▪
Chương 7: Tổng kết các cơng việc đã hồn thành, các thiếu sót của luận
văn và định hướng phát triển của đề tài.
▪
Tài liệu tham khảo: tổng hợp tài liệu tham khảo hỗ trợ cho quá trình
nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang v
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
ABSTRACT
Wireless sensor networks (WSN) has been applied extensively throughout the
world for many smart city models, intelligent services and variety of essential
aspects of life such as: measurement, healthcare system, transportation,…
Along with the development of Wireless sensor networks (WSN), there is a
high demand for information security as well as energy savings for the WSN.
There are a lot of researches on this issue, but there are still many limitations
and challenges in balancing the data security and the energy optimization. In
order to protect the data of sensor network from adversaries or malicious
modification, it is necessary to have a strong authentication mechanism while
saving engery for limited resource devices is also in demand. Beside that, in
addition to authentication mechanism to find harmful agents in the network, it
is also important to make decision to revoke the agents from the network. On
those demands, the main results of this thesis will focus on two main issues: (1)
Proposing an energy saving authentication model for wireless sensor networks
(WSN) and (2) making decision to revoke harmful nodes in the wireless sensor
networks (WSN).
The structure of the thesis is organized as follows:
▪
Chapter 1: Introduces the objectives, meanings and scope of the thesis,
implementation plan and methodology are also covered in this chapter.
▪
Chapter 2: Presents the background theories related to the subject
including the concept of wireless sensor network and limited resource devices,
applications of wireless sensor network. Presents the security issues of WSN
and key management, encryption, authentication and revocation models in
wireless sensor network.
▪
Chapter 3: Survey of researches related to the thesis.
▪
Chapter 4: Refers to the main content of the thesis from the approach
and questioning to the proposed model and detailed model of lightweight
authentication and node revocation in wireless sensor network (WSN).
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang vi
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
▪
Chapter 5: Implements the proposed model involves the collecting and
processing data, implements the simulator and excutes the simulator on existing
data.
▪
Chapter 6: Analyzes and evaluates the results obtained from the
simulation program, gives the advantages and disavantages and evaluates the
parameters obtained from the experiment.
▪
Chapter 7: Summarizes the completed works, the shortcomings of the
thesis and the development orientation as well.
▪
References: Support the research work.
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang vii
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn của tơi có tham khảo các tài liệu và các bài báo khoa học liên quan
được liệt kê ở mục tài liệu tham khảo, các hình ảnh và số liệu tơi đều có trích
dẫn nguồn gốc tham khảo. Ngồi ra, tơi xin cam đoan kết quả nghiên cứu và
trình bày luận văn do chính tơi thực hiện và khơng sao chép từ bất cứ nguồn
tài liệu hay cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu có bất kỳ sai phạm nào, tơi xin chịu trách nhiệm theo quy định của Hội
đồng bảo vệ, khoa và cơ sở đào tạo.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2018
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang viii
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN .................................................................................................. iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................. iv
ABSTRACT ..................................................................................................... vi
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... viii
MỤC LỤC ........................................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ xii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... xiv
TỔNG QUAN .............................................................................. 1
1.1 Giới thiệu đề tài ........................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 2
1.3 Phạm vi đề tài .............................................................................................. 3
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................... 3
1.4.1 Ý nghĩa khoa học ..................................................................................... 3
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................... 3
1.5 Kế hoạch thực hiện...................................................................................... 4
1.5.1 Hướng tiếp cận đề tài ............................................................................... 4
1.6 Phương pháp đánh giá ................................................................................. 4
1.6.1 Kế hoạch thực hiện đề tài ......................................................................... 5
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................. 7
2.1 Mạng cảm biến không dây và các thiết bị hạn chế về tài nguyên............... 7
2.1.1 Định nghĩa ................................................................................................ 7
2.1.2 Kiến trúc ................................................................................................... 7
2.1.3 Các mô hình liên kết mạng WSN............................................................. 8
2.1.4 Ứng dụng tiềm năng của mạng WSN .................................................... 10
2.2 Vấn đề bảo mật của mạng cảm biến không dây WSN .............................. 11
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang ix
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
2.3 Vấn đề về phát hiện và loại bỏ các node gây hại khỏi mạng cảm biến
khơng dây WSN .............................................................................................. 15
2.3.1 Mã hóa và quản lý khóa trong mạng cảm biến khơng dây WSN .......... 16
2.3.2 Xác thực trong mạng cảm biến không dây WSN: ................................. 20
2.3.3 Mơ hình tìm và thu hồi node trong mạng cảm biến khơng dây WSN ... 21
CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN............... 26
3.1 Mơ hình tính tốn độ tin cậy động cho các giao tiếp bảo mật trong hệ
thống đa tác nhân............................................................................................. 26
3.1.1 Mức độ hài lòng ..................................................................................... 26
3.1.2 Mức độ tương tự..................................................................................... 27
3.1.3 Độ tin cậy phản hồi ................................................................................ 27
3.1.4 Độ tin cậy trực tiếp ................................................................................. 28
3.1.5 Độ tin cậy gián tiếp ................................................................................ 28
3.1.6 Độ tin cậy gần ........................................................................................ 28
3.2 Xác thực lightweight, an toàn và ẩn danh cho mạng di động toàn cầu .... 29
3.2.1 Mơ hình giao tiếp và tin cậy................................................................... 29
3.2.2 Mơ hình tấn công ................................................................................... 30
3.2.3 Pha đăng ký ............................................................................................ 30
3.2.4 Pha đăng nhập ........................................................................................ 30
3.2.5 Pha xác thực ........................................................................................... 31
3.3Xác thực phát tán........................................................................................ 32
3.3.1 Mơ hình xác thực µTESLA .................................................................... 33
3.3.2 Mơ hình xác thực Multilevel-µTESLA.................................................. 35
MƠ HÌNH XÁC THỰC TÌM VÀ LOẠI BỎ NODE TRONG
MẠNG WSN ................................................................................................... 36
4.1 Hướng tiếp cận và đặt vấn đề:................................................................... 36
4.2 Phương pháp đề xuất ................................................................................. 37
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang x
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài ngun
4.3 Mơ hình ..................................................................................................... 39
4.3.1 Giả thiết và mơ tả ................................................................................... 39
4.3.2 Mục đích áp dụng ................................................................................... 41
4.3.3 Xây dựng mơ hình .................................................................................. 41
4.4 Chi tiết mơ hình trao đổi khóa .................................................................. 43
4.4 Mơ hình loại bỏ node khỏi mạng .............................................................. 46
HIỆN THỰC MƠ HÌNH .......................................................... 49
5.1 Thu thập dữ liệu ........................................................................................ 49
5.2 Xử lý dữ liệu thơ ....................................................................................... 50
5.3 Hiện thực chương trình ............................................................................. 52
5.4 Chạy thực nghiệm và điều chỉnh các thông số ......................................... 54
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ ............ 55
6.1 Đánh giá lý thuyết ..................................................................................... 55
6.1.1 Đánh giá về phương pháp xác thực qua lại giữa các node trong mạng . 55
6.1.2 Đánh giá về cơ chế bầu chọn giữa các node trong mạng....................... 56
6.2 Đánh giá thử nghiệm ................................................................................. 57
6.2.1 Thiết lập thí nghiệm: .............................................................................. 57
6.2.2 Tiến hành thí nghiệm ............................................................................. 57
TỔNG KẾT .............................................................................. 68
7.1 Kết luận ..................................................................................................... 68
7.2 Các kết quả đạt được ................................................................................. 68
7.3 Các vấn đề cịn thiếu sót............................................................................ 68
7.4 Hướng phát triển của luận văn .................................................................. 68
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................ 70
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 71
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang xi
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài ngun
DANH MỤC HÌNH
Hình 2-1: Kiến trúc WSN [5]....................................................................... 8
Hình 2-2: Mơ hình sao của WSN [6] ........................................................... 9
Hình 2-3: Mơ hình mắt lưới [6] ................................................................... 9
Hình 2-4: Mơ hình mạng hình cây [6] ....................................................... 10
Hình 2-5: Ứng dụng của WSN trong khu đơ thị [7] .................................. 11
Hình 2-6: Phương thức tấn cơng Wormhole [8] ........................................ 12
Hình 2-7: Phương thức tấn cơng kiểu HELLO Flood [8] .......................... 12
Hình 2-8: Phương thức tấn cơng kiểu Selective Forwarding [8] ............... 12
Hình 2-9: Tấn cơng mạo nhận (Sybil) [8] .................................................. 13
Hình 2-10: Tấn cơng Sinkhole [8] ............................................................. 13
Hình 2-11: Các phương thức tấn công mạng WSN [8] ............................. 15
Hình 2-12: Mã hóa bất đối xứng [11] ........................................................ 17
Hình 2-13: Xây dựng khóa cặp [13] .......................................................... 19
Hình 2-14: Các phương thức tấn công và các giao thức xác thực trong mạng
cảm biến khơng dây WSN [14] ........................................................................ 21
Hình 2-15: Giao thức thu hồi node RAKnka và RAKnkb [16]...................... 22
Hình 2-16: Giao thức thu hồi node RAKdha và RAKdhb [16]...................... 23
Hình 2-17: Giao thức thu hồi khóa KR [16] .............................................. 23
Hình 2-18: Giao thức thu hồi khóa RSK [16] ............................................ 24
Hình 2-19: Giao thức thu hồi node RNK [16] ........................................... 25
Hình 3-1: Mơ hình giao tiếp (trái) và mơ hình tin cậy (phải) [18] ............ 29
Hình 3-2: Sơ đồ pha đăng nhập và xác thực [18] ...................................... 32
Hình 3-3: Xác thực phát tán [19] ............................................................... 33
Hình 3-4: Sơ đồ phân cấp của xác thực phát tán [19] ................................ 33
Hình 4-1: Hướng tiếp cận ban đầu [21] ..................................................... 37
Hình 4-2: Chấm điểm dựa vào danh tiếng (độ tin cậy) ............................. 38
Hình 4-3: Mơ hình các node trong mạng của phương pháp đề xuất [22] .. 38
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang xii
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
Hình 4-4: Tổng quan mơ hình đề xuất ....................................................... 39
Hình 4-5: Cấu trúc thuộc tính thiết lập ban đầu của node ......................... 42
Hình 4-6: Giải thuật di chuyển và kết bạn của các node ........................... 43
Hình 4-7: Nội dung gói tin chuyển tiếp ..................................................... 44
Hình 4-8: Cơ chế trao đổi khóa cho lần đầu giao dịch [22]....................... 45
Hình 4-9: Cơ chế trao đổi khóa cho các lần giao dịch tiếp theo [22] ........ 46
Hình 4-10:Lược đồ giao tiếp giữa các node trong zone ............................ 47
Hình 4-11: Lược đồ trao đổi khóa.............................................................. 48
Hình 5-1: Cấu trúc dữ liệu thơ của một node............................................. 50
Hình 5-2: Cấu trúc dữ liệu thơ ................................................................... 50
Hình 5-3: Cấu trúc json của các node dữ liệu đã qua xử lý ....................... 51
Hình 5-4: Cấu trúc json của các kịch bản đã qua xử lý ............................. 52
Hình 5-5: Cấu trúc hiện thực chương trình mơ phỏng............................... 53
Hình 6-1: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 1 ......................................................................................... 59
Hình 6-2: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 2 ......................................................................................... 60
Hình 6-3: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 3 ......................................................................................... 61
Hình 6-4: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành cơng và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 4 ......................................................................................... 62
Hình 6-5: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 5 ......................................................................................... 63
Hình 6-6: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 6 ......................................................................................... 64
Hình 6-7: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 7 ......................................................................................... 65
Hình 6-8: Biểu đồ tỉ lệ xác thực thành công và thất bại theo từng zone trong
lần thử nghiệm thứ 8 ......................................................................................... 66
Hình 6-9: Gói thơng điệp được gửi ............................................................ 66
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang xiii
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1: Kế hoạch thực hiện luận văn ............................................................ 6
Bảng 5-1: Cấu hình máy tính hiện thực mơ phỏng ......................................... 49
Bảng 6-1: Mơi trường thiết lập thí nghiệm ..................................................... 57
Bảng 6-2: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 1 ................................................ 58
Bảng 6-3: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 2 ................................................ 59
Bảng 6-4: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 3 ................................................ 60
Bảng 6-5: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 4 ................................................ 61
Bảng 6-6: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 5 ................................................ 62
Bảng 6-7: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 6 ................................................ 63
Bảng 6-8: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 7 ................................................ 64
Bảng 6-9: Kết quả lần chạy thử nghiệm thứ 8 ................................................ 65
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang xiv
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
TỔNG QUAN
1.1
Giới thiệu đề tài
Thế giới đã và đang đi vào kỷ nguyên khoa học công nghệ, cuộc sống con người
ngày càng được thay đổi một cách tích cực nhờ vào cơng nghệ thơng tin. Nhiều
cơng trình nghiên cứu và các thành tựu khoa học kỹ thuật đang đóng một vai
trị chủ đạo trong xã hội, các dịch vụ, máy móc ứng dụng cơng nghệ thông tin
đang hỗ trợ rất nhiều cho con người và khai thác được tối đa các tiềm năng vốn
có ở mọi khía cạnh đời sống. Hết thảy mọi hoạt động của con người dưới sự hỗ
trợ của khoa học công nghệ và đặc biệt là công nghệ thông tin đều được lưu trữ
dưới dạng những dữ liệu cơ bản, những dữ liệu đó có thể bao gồm các thơng
tin liên quan đến bí mật cá nhân hay các tổ chức. Do đó việc bảo mật các dữ
liệu tránh khỏi những kẻ tấn công là hết sức cần thiết.
Ngày nay, cùng với việc công nghệ cảm biến và truyền thông phát triển như
mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network), con người có thể
giám sát giao thơng, đo nhiệt độ, lượng mưa, sử dụng các dịch vụ thông minh
trong các thành phố thông minh (smart city),… Mạng cảm biến không dây
WSN là một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô
tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập
thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ
vùng địa lý nào.
Mạng cảm biến khơng dây có các đặc điểm:
Có khả năng tự tổ chức, u cầu ít hoặc không cần đến sự can thiệp của
con người.
-
Giao tiếp thông qua các kết nối không dây.
-
Tiêu thụ năng lượng thấp và giá thành thấp.
-
Khả năng tính tốn và dung lượng lưu trữ dữ liệu hạn chế.
-
Là mơ hình phân tán nên dễ bị tấn công và đánh cắp dữ liệu.
Vì những đặc tính đó, mạng cảm biến khơng dây rất cần một mơ hình bảo mật
đủ an tồn để tránh việc mất cắp thông tin cũng như việc quản lý tài nguyên
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 1
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
hạn chế của nó một cách tốt nhất, tránh việc xử lý quá nhiều làm tiêu hao năng
lượng.
Từ khi mạng cảm biến không dây ra đời, như một tất yếu, có rất nhiều cơng
trình nghiên cứu liên quan đến dữ liệu và mạng cảm biến khơng dây trong đó
nổi bật là các cơng trình nghiên cứu về tính an tồn và bảo mật của mạng cảm
biến không dây bao gồm: xác thực dựa vào việc chia sẻ khóa chung trong một
mạng cảm biến, sử dụng cặp khóa dùng chung giữa hai node bất kì trong mạng,
mã hóa dữ liệu,… Với đặc thù về tài nguyên hạn chế, nên mỗi phương pháp
cần phải cân bằng giữa mức độ bảo mật và khả năng tiêu tốn năng lượng và bộ
nhớ của các node trong mạng cảm biến là điều quan trọng nhất nhưng lại là
điều khó nhất.
Do đó, các mạng cảm biến khơng dây vẫn sẽ tồn tại những rủi ro bị tấn công
bằng nhiều cách khác nhau, vì vậy việc truy tìm các node khơng an tồn (có
nguy cơ bị tấn cơng, thỏa hiệp với kẻ gian) và loại bỏ chúng ra khỏi mạng là
một hướng nghiên cứu tuy không mới nhưng đầy hứa hẹn đối với các thiết bị
hạn chế về tài nguyên khi thế giới đang hịa mình vào thời kỳ cơng nghệ 4.0.
Với nhận định đó, tơi lựa chọn đề tài “Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật
trong việc thu hồi nút của mạng cảm biến không dây đối với các thiết bị hạn
chế về tài nguyên” để làm đề tài nghiên cứu.
1.2
Mục tiêu nghiên cứu
Mặc dù bài tốn về tìm và phát hiện node bị tấn công trong mạng cảm biến
không dây đã được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và đưa ra các mơ hình
cùng với các giải pháp nhưng mỗi giải pháp đưa ra đều có những mặt hạn chế
của nó: về thời gian tính tốn, dung lượng lưu trữ và năng lượng tiêu thụ của
các node trong mạng. Những hạn chế đó là đặc thù của mạng cảm biến không
dây trên các thiết bị hạn chế về tài ngun, do đó để cân bằng giữa tính bảo mật
và tài nguyên của mạng cảm biến không dây là một bài tốn hay và có nhiều
đáp án.
Vì vậy, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và đề xuất một mơ hình gia tăng tính
bảo mật cho mạng cảm biến khơng dây bằng cách tìm, phát hiện và loại bỏ các
node khơng hợp lệ có thể gây ảnh hưởng đến tính bảo mật của mạng trong mơi
trường của các thiết bị hạn chế về tài nguyên.
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 2
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
1.3
Phạm vi đề tài
Bài tốn về việc tìm và loại bỏ node là một bài toán lớn bao gồm rất nhiều bài
toán nhỏ như quản lý khóa, mã hóa gói tin truyền đi, cách tổ chức và quản lý
các node, lựa chọn node làm base station,… Tuy nhiên, đề tài này chỉ tập trung
nghiên cứu và đưa ra một mơ hình xác thực giữa các node trong mạng cảm biến
không dây thông qua việc kết hợp giữa mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối
xứng cùng với việc bầu chọn giữa các node trong mạng để đưa ra quyết định
loại bỏ node có dấu hiệu khả nghi ra khỏi mạng cảm biến không dây.
1.4
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4.1 Ý nghĩa khoa học
Về mặt khoa học, bài tốn tìm và loại bỏ node vi phạm trong mạng cảm biến
không dây đã được nghiên cứu từ rất lâu và đóng một vai trị quan trọng trong
ngành bảo mật, đặc biệt đối với các thiết bị không dây hạn chế về tài nguyên,
đây là một hướng nghiên cứu mới góp phần làm động lực cho nhiều nghiên cứu
liên quan đến mạng cảm biến không dây trong môi trường hạn chế tài nguyên.
Kết quả của đề tài nghiên cứu này mong đợi sẽ là một hướng đi mới mẻ để giải
quyết các bài toán nhỏ trong những bài toán lớn về bảo mật của mạng cảm biến
không dây.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài nghiên cứu này mang tính thực tiễn cao. Trong thế giới cơng nghệ 4.0
hiện nay, thiết bị đi động ngày càng phổ biến, các lĩnh vực phục vụ đời sống
con người đang dần được cơng nghệ hóa như nhà thơng minh (smart home),
thành phố thơng minh (smart city), chăm sóc sức khỏe (healthcare), quân sự
(military), các hệ thống đo đạc, …[1] Trong đó, một số dịch vụ sử dụng những
thơng tin cần bảo mật, thông tin cá nhân người dùng cực kỳ quan trọng, do đó
kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sẽ được áp dụng trong các hệ thống mạng
cảm biến không dây trong các khu vực của thành phố thông minh, các hệ thống
báo cháy,… nhằm nâng cao khả năng bảo mật cho mạng cảm biến cũng như
loại bỏ những phần tử có khả năng gây mất tính bảo mật cho mạng, qua đó góp
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 3
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
phần cho sự phát triển của các dịch vụ liên quan đến mạng cảm biến khơng dây
nói riêng cũng như ngành bảo mật nói chung.
1.5
Kế hoạch thực hiện
1.5.1 Hướng tiếp cận đề tài
Mơ hình bảo mật cho mạng cảm biến khơng dây đã có nhiều nghiên cứu về mặt
lý thuyết nhưng chưa được ứng dụng thực tế nhiều, chỉ một số thành phố trên
thế giới áp dụng mơ hình này, vì thế để có được những thực nghiệm trong thực
tế sẽ rất khó khăn và tốn kém
Do đó hướng đi của đề tài này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu về mặt lý thuyết
về các đặc trưng của mạng cảm biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về
tài nguyên, các cách thức và mơ hình tấn cơng cũng như việc quản lý năng
lượng của các sensor trong mạng sao cho tối ưu nhất có thể. Qua đó nghiên cứu
và tìm ra mơ hình thích hợp trong việc tìm và loại bỏ các node (sensor) vi phạm
ra khỏi mạng bằng cách xây dựng một mơ hình mơ phỏng của mạng cảm biến
không dây, đồng thời so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả của các nghiên
cứu khác để tìm ra ưu và nhược điểm của nghiên cứu này.
1.6
Phương pháp đánh giá
Thơng thường sẽ có 2 cách đánh giá cho kết quả đạt được: đánh giá bằng thực
nghiệm và đánh giá bằng lý thuyết. Ở nghiên cứu này, do hạn chế về thiết bị
nghiên cứu, nên cách đánh giá ở đây sẽ dựa trên lý thuyết của các nghiên cứu
đi trước, qua đó tổng hợp những phương pháp đã được nghiên cứu để đưa ra
một so sánh khách quan với phương pháp đề xuất.
Đề tài nghiên cứu này với mục tiêu là giải quyết bài tốn tìm và thu hồi node
trong mạng cảm biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên, đưa
ra một phương pháp hợp lý để giải quyết được bài tốn với chi phí tối thiểu
chấp nhận được. Đã có rất nhiều nghiên cứu đi trước với nhiều cách đánh giá
và ưu nhược điểm khác nhau, cách đánh giá của nghiên cứu này sẽ dựa vào việc
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 4
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
xây dựng một mô hình mơ phỏng hoạt động giao tiếp của một mạng cảm biến
không dây sử dụng giao thức đề xuất với những tài nguyên và chức năng cho
trước, sau đó sẽ đưa ra các so sánh với các kết quả của nghiên cứu trước để tìm
ra ưu nhược điểm của đề tài, đồng thời tìm cách đưa ra cơng thức tối ưu có thể
cho bài tốn về tài ngun hạn chế của các thiết bị trong mạng cảm biến không
dây.
1.6.1 Kế hoạch thực hiện đề tài
Kế hoạch thực hiện đề tài này sẽ trải qua 4 bước như sau:
Bước 1. Tìm hiểu các khái niệm, tính chất đặc trưng của mạng cảm biến không
dây WSN trong môi trường các thiết bị hạn chế về tài nguyên. Tìm hiểu các
cách thức tấn cơng mạng WSN cũng như các tác nhân có thể gây ảnh hưởng
đến khả năng bảo mật của mạng WSN. Qua cơ sở đó, tìm hiểu các nghiên cứu
về mơ hình bảo mật đối với các thiết bị có tài nguyên bị hạn chế, tìm hiểu các
phương pháp giao tiếp an toàn giữa các thiết bị trong mạng cảm biến khơng dây
WSN cũng như kiến trúc của các mơ hình mạng khơng dây phổ biến hiện nay
cùng mơ hình bảo mật tương ứng. Nghiên cứu về các giải thuật đã được xây
đựng trong mơ hình bảo mật của mạng cảm biến khơng dây, trong đó có những
nghiên cứu về các phương pháp tìm và thu hồi node đồng thời đưa ra những so
sánh đánh giá khách quan về các mặt ưu và nhược điểm của các phương pháp
đã tìm hiểu, qua đó rút ra những vấn đề chưa được giải quyết ở những nghiên
cứu trước trong bài tốn tìm và thu hồi node trong mạng cảm biến không dây
WSN.
Bước 2. Nghiên cứu, tổng hợp những kiến thức có được trong bài tốn tìm và
thu hồi node trong mạng cảm biến khơng dây, xây dựng mơ hình giả định về
kiến trúc mạng cảm biến không dây, cách thức truyền thông điệp giữa các node
trong mạng cũng như cách vận hành của mạng và đồng thời tìm dữ liệu để chạy
thực nghiệm cho mô phỏng. Hiện thực phương pháp đề xuất và các giải thuật
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 5
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
liên quan đề áp dụng vào kiến trúc mạng khơng dây giả định có được để tìm ra
kết quả cho những so sánh đánh giá ở bước sau.
Bước 3. Tổng hợp, phân tích đánh giá kết quả đạt được và đưa ra so sánh khách
quan với các kết quả từ nghiên cứu khác. Tìm ra những ưu điểm của phương
pháp đã đề xuất, đồng thời cũng tìm ra các mặt hạn chế, các vấn đề chưa giải
quyết được để tiếp tục đưa ra các bài toán cho những nghiên cứu khác trong
tương lai.
Bước 4. Hoàn thiện luận văn và viết báo cáo.
Kế hoạch thực hiện luận văn sẽ là 6 tháng (24 tuần) được thực hiện như
mô tả biểu đồ bên dưới
Bảng 1-1: Kế hoạch thực hiện luận văn
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 6
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1Mạng cảm biến không dây và các thiết bị hạn chế về tài nguyên
2.1.1 Định nghĩa
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor networks - WSNs) là một nhóm các
thiết bị cảm biến và truyền động không dây chuyên dụng với cơ sở hạ tầng
truyền thông không dây nhằm theo dõi và kiểm sốt các điều kiện vật lý hoặc
mơi trường tại các địa điểm khác nhau và truyền dữ liệu đến các trung tâm xử
lý hoặc máy tính thơng qua mạng. (Yang and Cao 2008) [2].
Đối với mạng cảm biến không dây sử dụng trong môi trường của các thiết bị
hạn chế về tài nguyên thì sẽ bị hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu, phạm vi giao
tiếp ngắn, năng lượng, bộ nhớ và chi phí thấp. Một WSN sẽ bao gồm nhiều
node, từ vài đến vài trăm thậm chí hàng nghìn, trong đó mỗi node được kết nối
với một hoặc nhiều những node khác. Các node có thể được thiết kế để thực
hiện một hoặc nhiều chức năng: cảm biến, truyền hoặc trao đổi dữ liệu với
mạng bên ngoài. Mỗi node cảm biến được trang bị bộ chuyển đổi, vi điều khiển,
bộ thu phát vô tuyến và năng lượng (thường là pin) [3].
2.1.2 Kiến trúc
Hầu hết kiến trúc thông thường của WSN tn theo mơ hình OSI (Open
Systems Interconnection Reference Model). Cơ bản trong WSN có 5 lớp: lớp
ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý. [4]
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 7
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
Hình 2-1: Kiến trúc WSN [5]
Mỗi lớp được chỉ định một nhóm cơng việc cụ thể và độc lập với các lớp khác.
Trong đó:
Lớp vật lý (physical layer): chịu trách nhiệm xác định và quản lý các kết nối
giữa các thiết bị và sự giao tiếp giữa chúng, lựa chọn tần số, tạo tần số song
mạng, mã hóa dữ liệu.
Lớp liên kết dữ liệu (data link layer): chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ
cho phép nhiều node cùng truy cập và giao tiếp với nhau, các dịch vụ này bao
gồm cả việc kiểm soát truy cập và phát hiện lỗi, sửa lỗi.
Lớp mạng (network layer): chịu trách nhiệm thiết lập đường dẫn truyền thơng
giữa các node trong mạng và định tuyến các gói dữ liệu được truyền giữa các
node.
Lớp vận chuyển (transport layer): cung cấp các giao thức vận chuyển khác nhau
(trong đó nổi bật là 2 giao thức TCP – cung cấp dịch vụ truyền thông tin cậy và
UDP – cung cấp dịch vụ truyền thông không đáng tin cậy nhưng kiểm soát lỗi
và luồng điều khiển tốt hơn).
Lớp ứng dụng (application layer): là lớp gần với người dùng nhất, là lớp được
cài đặt nhiều ứng dụng cho phép xử lý thông tin ghi nhận được, mã hóa, định
dạng và lưu trữ dữ liệu. Ngồi ra lớp ứng dụng cịn có chức năng kiểm tra các
lớp khác để phát hiện xem có đủ tài nguyên mạng và dịch vụ để đáp ứng u
cầu từ người dùng hay khơng. [6]
2.1.3 Các mơ hình liên kết mạng WSN
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 8
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài ngun
Có nhiều mơ hình liên kết mạng WSN với những ưu nhược điểm và mục đích
sử dụng khác nhau:
Mơ hình sao (star topology): cấu hình mạng gồm một điều phối viên mạng
(PAN Coordinator) và các điểm cuối (Full Function Device – FFD và Reduced
Function Device - RFD). Đây là mơ hình mạng tập trung, mọi giao dịch đều
phải thông qua điều phối viên mạng. Do đó điều phối viên mạng sẽ là node tiêu
tốn nhiều năng lượng nhất và mạng có tầm phủ sóng nhỏ, sử dụng cho các ứng
dụng có quy mơ nhỏ như nhà tự động hóa, thiết bị ngoại vi cho máy tính,…
Hình 2-2: Mơ hình sao của WSN [6]
Mơ hình mắt lưới (mesh topology): Mơ hình dạng mắt lưới cũng cần một điều
phối viên mạng (PAN Coordinator), tuy nhiên giao dịch trong mạng không nhất
thiết phải thông qua điều phối viên mạng mà theo mơ hình peer-to-peer, bất kì
một FFD nào cũng đều có thể giao tiếp được với FFD khác, mặt khác bất kỳ
một RFD nào cũng chỉ có thể giao tiếp trực tiếp với cha của nó. Như vậy với
mơ hình mắt lưới, mức độ phủ sóng sẽ mở rộng hơn.
Hình 2-3: Mơ hình mắt lưới [6]
Mơ hình mạng hình cây (cluster tree topology): có thể là mạng cây đơn cấp
hoặc mạng cây đa cấp, đầy là trường hợp đặc biệt của mạng mặt lưới, chỉ có
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 9
Ứng dụng các phương pháp kỹ thuật trong việc thu hồi nút của mạng cảm
biến không dây đối với các thiết bị hạn chế về tài nguyên
một đường nối giữa 2 node và có cơ chế đồng bộ riêng cho từng nhánh. Mạng
hình cây được kết hợp giữa ưu điểm của mạng hình sao và mạng mắt lưới về
khả năng đồng bộ và tầm phủ sóng rộng.
Hình 2-4: Mơ hình mạng hình cây [6]
2.1.4 Ứng dụng tiềm năng của mạng WSN
WSN ngày nay được ứng dụng nhiều trong cuộc sống, đặc biệt là ở các mơ hình
thành phố thơng minh (smart city) cũng như các dịch vụ đo đạc xử lý thơng tin
từ xa, ngồi ra WSN cịn được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực quản lý năng
lượng, dịch vụ chăm sóc sức khỏe hay các hoạt động quân sự,…
Tiêu biểu một số ứng dụng của WSN:
•
Quản lý hệ thống năng lượng.
•
Giám sát nhiệt độ mơi trường.
•
Giám sát vận động viên trong thể thao.
•
Giám sát giao thơng đơ thị.
•
Vận tải hàng hóa.
•
Chăm sóc sức khỏe.
•
Theo dõi mức độ ơ nhiễm môi trường...
Phạm Minh Khuê – 1570213
Trang 10
