CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU - Trình bày được các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các đặc điểm, cấu trúc của mạng cảm biến không dây. - Luận văn trình bày được tổng quan về cơ chế tấn công và bảo mật mạng. - Luận văn trình bày chi tiết các cơ chế tấn công và cơ chế bảo mật trong mạng cảm biến không dây. - Luận văn trình bày được khái quát các phương pháp đảm bảo an toàn các lớp trong mạng cảm biến không dây.
Đặc biệt là các thuật toán đảm bảo an toàn tại lớp liên kết dữ liệu. - Luận văn trình bày được tổng quan về hệ điều hành ContikiOS được sử dụng để tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm kiểm tra mức độ an toàn trong mạng cảm biến không dây.2 Thực tiễn - Hệ thống bảo mật có khả năng xác thực các nút mạng và bảo mật dữ liệu trên các liên kết không dây cho độ bảo mật cao hơn. - Đánh giá các kết quả mô phỏng về bộ nhớ chiếm dụng, tỷ lệ nhận gói tin, Radio Duty Cycle, mức tiêu hao năng lượng khi so sánh trường hợp có và không có thực hiện bảo mật trên lớp liên kết dữ liệu. - Cài đặt, mô phỏng được các thuật toán mã hóa, xác thực trên mạng cảm biến không dây với bộ giả lập Cooja trong hệ điều hành Conitiki OS để bảo mật dữ liệu lớp liên kết dữ liệu trong mạng cảm biến không dây nhằm đạt được tính bảo mật, tính xác thực và tính toàn vẹn dữ liệu trên lớp liên kết dữ liệu.
- Phân tích đánh giá mức độ bảo mật của các thuật toán sử dụng để đảm bảo bảo mật dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. 5 CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2 CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Mạng cảm biến không dây là một thành tựu vượt bậc của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin. Với tính năng ứng dụng cao, giá thành thấp, khả năng hoạt động mạnh, linh động và tính chính xác cao, vì thế mạng cảm biến không dây đã được phát triển nhanh chóng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội như điều khiển quá trình công nghiệp, điều khiển giao thông, giám sát môi trường, công nghệ cảm biến môi trường, xử lý tín hiệu, kiểm tra sức khỏe, … Vì vậy, trong chương 2 luận văn sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây với những ứng dụng, đặc điểm, nguyên tắc hoạt động, cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến cùng với những thách thức trong mạng cảm biến không dây.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) [8, 7] là một mạng cảm biến, bao gồm một tập hợp các nút mạng, 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, thu thập dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào để đưa ra các thông số về môi trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với một nút giám sát thông qua một điểm thu phát “Sink” và môi trường mạng toàn cầu như môi trường mạng Internet hoặc vệ tinh.
Các thiết bị cảm biến trong hệ thống WSN có đầu đo với bộ vi xử lý và thiết bị vô tuyến rất nhỏ, vì vậy tạo nên một thiết bị cảm biến có kích thước rất nhỏ, giúp chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc có thể lên đến hàng trăm hay hàng nghìn thiết bị, đôi khi có thể lên tới hàng triệu thiết bị. Các thiết bị cảm biến có thể trao đổi thông tin với các thiết bị xung quanh trong cùng một hệ thống WSN. Bên cạnh đó, thiết bị này còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các thiết bị cảm biến khác. Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng được thiết kế dành riêng cho một ứng dụng cụ thể.
Ngày nay, mạng WSN được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như điều khiển giám sát an ninh, kiểm tra môi trường, … Nhưng lợi thế chính của mạng cảm biến không dây đó là khả năng có thể triển khai hầu hết trong bất kỳ loại hình địa lý nào. 6 CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.2 ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đã đạt được những bước phát triển mạnh mẽ, đây là nền tảng cho mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh, chăm sóc sức khỏe, môi trường, … Mạng cảm ứng không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống như [1]: - Giám sát và điều khiển công nghiệp: Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng dữ liệu truyền tải lớn, nhưng yêu cầu cao về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực. Mạng WSN được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống như trạng thái các thiết bị, nhiệt độ, áp suất của nguyên liệu, … - Các ứng dụng về môi trường: Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt, phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng, … - Các ứng dụng trong y học: Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa. - Ứng dụng trong gia đình: Các nút cảm ứng được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ.
Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà. - Trong công nghiệp: + Quản lý kinh doanh, theo dõi bảo quản và lưu giữ hàng hóa. + Những nút cảm ứng này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các thùng hàng ở cảng. + Quản lý dây chuyền sản xuất, theo dõi sản phẩm.
- Trong nông nghiệp: Các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp. - Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát. 7 CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - Trong quân sự: Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giám sát quân đội, giám sát trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, quân địch, dò tấn công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch. - Trong giao thông: Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và tương tác với đường và các biển báo để giúp các phương tiện đi được an toàn, tránh tai nạn giao thông và giúp việc điều khiển luồng tốt hơn.3 ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Một số các đặc trưng của mạng cảm biến không dây thường thấy như sau [4]: 2.1 Hoạt động tin cậy Trong quá trình hoạt động của WSN, một vài nút cảm biến có thể ngừng hoạt động do cạn kiệt nguồn năng lượng pin, hoặc do một lý do nào đó.
Việc ngừng hoạt động của một hoặc một vài nút sẽ không làm ảnh hưởng đến hoạt động chung của toàn bộ hệ thống mạng, đảm bảo các chức năng của mạng hoạt động bình thường.2 Kích thước nút cảm biến nhỏ gọn Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều thiết bị cảm biến được thiết kế với kích thước rất nhỏ với công suất tiêu thụ thấp. Tuy nhiên, kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, khả năng lưu trữ và khả năng tương tác. Vì vậy, các thiết bị cảm biến ngoài việc được chú trọng giảm kích thước và công suất tiêu thụ, nó còn phải được thiết kế phù hợp với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động.3 Hoạt động đồng thời Các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây được thiết kế nhỏ gọn, công suất tiêu thụ thấp, nó có chức năng chính đó là đo lường và trao đổi các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, bao gồm các hoạt động nhận lệnh, phân tích, đáp ứng và dừng lệnh. Với kích thước các nút cảm biến được thiết kế nhỏ, nên dung lượng bộ nhớ trong hạn chế, do đó việc xử lý các hoạt động với tính toán phức tạp, khối lượng xử lý cao sẽ mất khá nhiều thời gian và khó đáp được do các nút sẽ bị cạn kiệt nguồn năng lượng.
Vì vậy, các nút cảm biến được thiết kế có thể thực hiện nhiều công việc đồng thời, đan xen xử lý giữa các hoạt động. 8 CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.4 Môi trường hoạt động rộng Các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây có thể được triển khai dày đặc rất gần hoặc ngay bên trong đối tượng quan sát. Thêm vào đó, chúng cũng phải làm việc trong các khu vực mà con người không thể trực tiếp quản lý, kiểm soát và vận hành như bên trong các máy móc, thiết bị lớn, bên duới đáy biển, trong đối tượng sinh học hoặc vùng bị ô nhiễm hóa học, trong khu vực chiến sự bị kiểm soát bởi đối phương và trong tòa nhà lớn.5 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng được thiết kế dành riêng cho một ứng dụng cụ thể, đáp ứng yêu cầu đa dạng trong xử lý. Vị trí các nút cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng cần thu thập dữ liệu.
Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các nút cảm biến là đặc trưng cơ bản của mạng WSN. Vì vậy, mạng cảm biến không dây khá đa dạng và phong phú trong thiết kế và sử dụng.4 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây [Hình 2.1] [9] bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến (Sensor Node) được triển khai dày đặc, nằm gần nhau bên trong môi trường cảm biến (Sensor Field) để thu thập thông tin.