Chương 1 AN NINH TRÊN MẠNG MANET Chương này giới thiệu về mạng MANET và đặc điểm của một số loại giao thức định tuyến. Luận án tập trung phân tích cơ chế hoạt động của giao thức AODV, mô tả chi tiết một số hình thức tấn công mạng MANET. Ngoài ra, luận án thiết kế một số kịch bản mô phỏng trên NS2 để đánh giá tác hại của tấn công lỗ sâu và ngập lụt.1 Mạng tùy biến di động Mạng tùy biến di động (gọi tắt là MANET [36]) được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong khi di chuyển, hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định. Mỗi thiết bị (gọi là nút) đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, có chức năng định tuyến và có thể di chuyển độc lập theo mọi hướng.
Tất cả các nút kết nối với nhau sử dụng môi trường truyền thông không dây, nút nguồn có thể gửi gói tin đến nút đích bất kỳ trong mạng nhờ vào các nút trung gian. N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 Nút Vùng phát sóng Hình 1. Mô hình mạng MANET Hình 1.1 minh họa mạng MANET gồm 11 nút, hai nút N1 và N2 gọi là nút láng giềng vì cả hai nằm trong phạm vi phát sóng của nhau. Nút N1 có thể truyền dữ liệu đến N4 qua hai nút trung gian là N2 và N3.
Tiếp theo đây, luận án giới thiệu khả năng ứng dụng, một số thách thức và công nghệ truyền thông trên MANET.1 Ứng dụng của mạng MANET Đặc điểm ưu việc của mạng MANET là tính di động, khả năng tự tổ chức và hoạt động không phụ thuộc vào hạ tầng mạng cố định [53](pp. Đã có nhiều biến thể khác nhau của mạng MANET được phát triển, tiêu biểu gồm: WSN [11], BAN [16], VANET [33] và FANET [37]. Vì vậy, MANET được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của đời sống từ quân sự đến dân sự. a) Quân sự: Trong khu vực chiến đấu, đội hình tác chiến có thể được thiết lập để trao đổi thông tin dựa vào công nghệ mạng MANET như Hình 1.
Mỗi người lính hoặc phương tiện chiến đấu (xe tăng, máy bay, tàu chiến) có thể xem như một nút trong mạng. Chúng kết nối với nhau để trao đổi thông tin về trạm chỉ huy một cách linh động trong khi chiến đấu. Do tính độc lập của mỗi nút và cơ chế hoạt động ngang hàng nên việc truyền thông không bị ảnh hưởng khi một trong các nút không may bị tiêu diệt trong lúc chiến đấu [40][53](pp. Ngoài ra, FANET [37, 87] được phát triển từ mạng MANET nhằm ứng dụng trong quân sự (Hình 1.
Mỗi nút trong mạng FANET là một phương tiện bay không người lái (UAV). Mỗi UAV có thể trao đổi thông tin với nhau để phục vụ các nhiệm vụ như: thu thập thông tin tài nguyên rừng, tài nguyên nước, biến đổi khí hậu, thông tin tình báo và xây dựng bản đồ khu vực. Công nghệ mạng này rất phù hợp triển khai ở những nơi mà việc lưu thông bằng đường bộ gặp khó khăn. Ứng dụng của mạng MANET trong lĩnh vực quân sự b) Dân sự: Dựa trên những thành tựu trong lĩnh vực quân sự, MANET đã được triển khai ứng dụng trong lĩnh vực dân sự, bao gồm: Y tế và giao thông.
Về y tế, một biến thể của mạng MANET được ứng dụng với tên gọi là mạng BAN [16] như Hình 1. Mỗi nút trong mạng BAN là các cảm biến gắn trên cơ thể người nhằm thu thập thông tin tình trạng sức khỏe của người bệnh. Mạng BAN có thể được kết nối đến một mạng khác để trao đổi thông tin với cơ sở dữ liệu bệnh nhân tại cơ sở y tế [12]. Nhờ vậy mà bác sĩ có thể quản lý tình trạng sức khỏe của bệnh nhân để có những cảnh báo 8 phù hợp.
Về giao thông, một biến thể khác của MANET là VANET [33] đã được phát triển để ứng dụng trong lĩnh vực giao thông như Hình 1. Công nghệ mạng này hướng đến xây dựng các hệ thống giao thông tự động tại các đô thị thông minh trong tương lai. Mỗi nút trong mạng là một phương tiện giao thông, kết nối với nhau để trao đổi thông tin đến phương tiện ở xa. Mỗi phương tiện giao thông có thể quản lý thông tin về lưu lượng xe, những nguy hiểm cần tránh hoặc tai nạn giao thông.
Mục đích là giúp cho người sử dụng phương tiện thuận lợi và an toàn khi tham gia giao thông. INTERNET Cảm biến trung tâm Cảm biến xử lý thông tin Cảm biến xử lý thông tin (a) BAN [16] (b) VANET [33] Hình 1. Ứng dụng của mạng MANET trong lĩnh vực dân sự 1.2 Một số thách thức thường gặp Bên cạnh những ưu điểm, MANET phải đối mặt với nhiều thách thức khi ứng dụng vào thực tế [34, 36, 66]. Thách thức này xuất phát từ đặc điểm vốn có của mạng MANET là sử dụng môi trường không dây, môi trường mạng di động, bán kính phát sóng ngắn và tài nguyên hạn chế.
Cụ thể là: • Thứ nhất, các nút trong mạng sử dụng môi trường truyền thông không dây nên kém bảo mật kém hơn so với môi trường truyền có dây. Nút độc hại có thể ẩn mình trong phạm vi phát sóng của nút nguồn hoặc nút trung gian để thu thập thông tin và rất khó bị phát hiện. • Thứ hai, các nút mạng thường xuyên gia nhập và rời khỏi mạng nên tô-pô mạng MANET thay đổi thường xuyên. Điều này đòi hỏi các giao thức định tuyến phải liên tục cập nhật thông tin đường đi bằng cách phát quảng bá gói điều khiển tuyến, dẫn đến mất an toàn thông tin.
Ngoài ra, tài nguyên hạn chế và tô-pô mạng liên tục thay đổi nên gây khó khăn khi triển khai các giải pháp an ninh. • Thứ ba, bán kính phát sóng ngắn nên các nút trong mạng phải sử dụng cơ chế truyền thông đa chặng (multi-hop). Nút nguồn muốn giao tiếp với nút đích phải qua các nút trung gian trên tuyến có chi phí tốt nhất. Đây là lỗ hổng bị nút độc 9 hại khai thác để tấn công bằng cách đánh lừa nút nguồn rằng nó có tuyến đến đích với chi phí tốt.
• Thứ tư, tài nguyên của thiết bị hạn chế. Hầu hết các thiết bị di động có bộ nhớ nhỏ và sử dụng nguồn năng lượng là pin nên khả năng xử lý bị hạn chế. Điều này ảnh hưởng đến hiệu quả định tuyến và rất khó để triển khai các giải pháp an ninh yêu cầu về cấu hình thiết bị. Những thách thức trên đã thúc đẩy nhiều nhà khoa học nghiên cứu khắc phục.
Đầu tiên là nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) định tuyến tùy thuộc vào yêu cầu của các ứng dụng [13, 50, CT6]. Tiếp theo là nâng cao hiệu quả định tuyến nhằm thích nghi với tính di động của mạng [10, 55, 88], sử dụng năng lượng hiệu quả [56, 77, 83], ứng dụng công nghệ tác tử di động nhằm nâng cao hiệu quả định tuyến [1, 14]. Cuối cùng là đảm bảo an ninh truyền thông giữa các thiết bị trong môi trường kết nối mở [52, 57, 86]. Ngoài ra, công nghệ tác tử di động cũng được sử dụng để cải tiến giao thức định tuyến nhằm mục đích an ninh [CT7].
Mỗi tác tử có khả năng thu thập thông tin và cộng tác cùng nhau để thực hiện nhiệm vụ xác nhận lộ trình an toàn trước khi định tuyến, cảnh báo người dùng khi xuất hiện tấn công mạng.3 Công nghệ truyền thông Công nghệ giao tiếp không dây cung cấp khả năng kết nối một cách đơn giản và linh hoạt giữa các thiết bị. Đã có nhiều chuẩn giao tiếp không dây ra đời để đáp ứng nhu cầu truyền thông [34]. Tất cả công nghệ IEEE sử dụng sóng điện từ để truyền thông. Hai nút Ni và Nj nằm trong vùng phủ sóng của nhau thì chúng có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, gọi là truyền thông 1-chặng như mô tả trong Hình 1.
Ngoài ra, các chuẩn khác nhau có phạm vi phủ sóng khác nhau, nhưng cũng hạn chế. Do vậy, một nút muốn truyền thông với nút khác nằm ngoài vùng phủ sóng thì nút nguồn phải truyền dữ liệu qua một (hoặc nhiều) nút trung gian khác, gọi là truyền thông đa-chặng. Các nút trung gian đóng vai trò là bộ định tuyến, giúp định tuyến gói tin đến đích như mô tả trong Hình 1. Ni Nj Ni N1 N2 Nj RNi RNj RNi d(Ni , Nj ) d(Ni , N1 ) Khoảng cách Vùng phủ sóng (R) Khoảng cách Vùng phủ sóng (R) (a) Một chặng (1hop) (b) Đa chặng (multi-hop) Hình 1.
Mô tả truyền thông 1-chặng và đa-chặng giữa hai nút Ni và Nj 10 1.2 Định tuyến trên mạng MANET Trong mạng máy tính, việc kết nối các thiết bị tham gia truyền thông phải tuân thủ theo mô hình chuẩn là OSI. Mô hình này được thiết kế dựa vào nguyên lý phân tầng như Hình 1.5(a), mục đích để thuận lợi cho việc giải thích các kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các thiết bị và thiết kế giao thức trên mạng. Khi ứng dụng vào mạng MANET, OSI đã được tinh giản từ 7 tầng xuống 5 tầng nhờ sự kết hợp giữa 3 tầng trên cùng (phiên, trình bày và ứng dụng) thành tầng ứng dụng như Hình 1. Ngoài ra, tầng mạng được chuyển đổi thành tên mới là “định tuyến di động” để phù hợp môi trường mạng MANET, tầng này chịu trách nhiệm khám phá và định tuyến dữ liệu [7].
Luận án tập trung nghiên cứu vấn đề an ninh cho các giao thức định tuyến hoạt động tại tầng này nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ mạng MANET. ỨNG DỤNG TRÌNH BÀY ỨNG DỤNG PHIÊN VẬN CHUYỂN VẬN CHUYỂN MẠNG ĐỊNH TUYẾN DI ĐỘNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU LIÊN KẾT DỮ LIỆU VẬT LÝ VẬT LÝ (a) OSI (b) MANET Hình 1. Mô tả phân tầng trong mô hình kết nối hệ thống mở [7] 1.1 Một số vấn đề quan tâm về định tuyến Đặc điểm của MANET là tính tự trị và di động cao nên tài nguyên bị hạn chế, băng thông thấp và tỷ lệ lỗi cao. Vì vậy, theo [1, 8] khi thiết kế giao thức định tuyến, một số tiêu chí sau đây thường được các nhà nghiên cứu quan tâm: a) Tối thiểu phụ tải định tuyến: Tất cả giao thức đều phải sử dụng gói tin điều khiển để yêu cầu hoặc cung cấp thông tin về trạng thái của mạng.
Mục đích là để thiết lập lộ trình từ nguồn đến đích với chi phí tối thiểu. Do vậy, một lượng băng thông bị chiếm dụng. Phụ tải định tuyến là tiêu chí để đánh giá mức độ chiếm dụng băng thông. Phụ tải định tuyến được hiểu là số lượng gói tin điều khiển tuyến cần phải xử lý để định tuyến thành công một gói tin dữ liệu đến đích.