Luận Án Tiến Sĩ: Đánh Giá Hiệu Năng Bảo Mật Tầng Vật Lý trong Mạng Không Dây

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

CÁC KÝ HIỆU

CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ SỞ VÀ TỔNG QUAN

1.1. Mô hình kênh truyền không dây

1.1.1. Mô hình Pathloss

1.1.2. Các mô hình thông kê cho kênh truyền đa đường

1.1.3. Nhiễu tạp âm và can nhiễu

1.2. Mạng vô tuyến nhận thức

1.2.1. Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức

1.2.2. Mạng vô tuyến nhận thức dạng dưới ngưỡng nhiễu

1.2.3. Mạng vô tuyến nhận thức hợp tác dạng dưới ngưỡng nhiễu

1.3. Bảo mật lớp vật lý cho mạng không dây

1.3.1. Mô hình mật mã Shannon

1.3.3. Kênh Gaussian wiretap

1.3.4. Kênh fading wiretap

1.3.5. Độ đo đánh giá hiệu năng bảo mật hệ thống

1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.4.1. Các hình thức tấn công của mạng CRN

1.4.2. Tấn công nghe trộm và công trình nghiên cứu liên quan

2. CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA TRUYỀN THÔNG TIN CẬY VÀ BẢO MẬT THÔNG TIN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

2.1. Hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng CRN

2.1.1. Mô hình hệ thống

2.1.2. Chính sách công suất và độ đo hiệu suất của hệ thống

2.1.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả

2.2. Hiệu năng truyền thông tin cậy và bảo mật của mạng CRN dựa trên chính sách công suất và chọn kênh truyền

2.2.1. Mô hình hệ thống

2.2.2. Phân bổ công suất và lựa chọn kênh của SU

2.2.3. Các độ đo hiệu suất hệ thống

2.2.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả

3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NÂNG CAO HIỆU NĂNG BẢO MẬT SỬ DỤNG KỸ THUẬT HỢP TÁC CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

3.1. Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới giới hạn dừng truyền thông và công suất phát mức đỉnh

3.1.1. Mô hình hệ thống

3.1.2. Điều kiện của công suất truyền tin và dung lượng bảo mật

3.1.3. Độ đo đánh giá hiệu suất bảo mật của hệ thống

3.1.4. Phân tích hiệu suất bảo mật của hệ thống

3.1.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả

3.2. Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới điều kiện dừng bảo mật và giới hạn can nhiễu

3.2.1. Mô hình hệ thống

3.2.2. Các điều kiện về bảo mật, công suất truyền tin và can nhiễu cho mạng SU

3.2.3. Độ đo đánh giá hiệu suất bảo mật cho truyền thông của SU

3.4. Phân tích hiệu suất bảo mật của hệ thống

3.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Luận Án Tiến Sĩ Tổng Quan Bảo Mật Tầng Vật Lý Mạng Không Dây

Sự phát triển nhanh chóng của mạng không dây mang lại nhiều ưu điểm như tính di động và tiện ích, nhưng cũng đặt ra thách thức lớn về an toàn thông tin. Bảo mật tầng vật lý (PLS) nổi lên như một giải pháp tiềm năng, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các giao thức bảo mật truyền thống dễ bị xâm nhập. Các hệ thống mật mã truyền thống gặp khó khăn trong việc quản lý khóa trên các mạng không dây hiện đại và các thiết bị IoT hạn chế về tài nguyên. Bảo mật tầng vật lý, với độ phức tạp thấp và khả năng tương thích với các cơ chế bảo mật khác, hứa hẹn nâng cao độ tin cậy và an toàn thông tin cho hệ thống. Nghiên cứu về PLS đã thu hút sự quan tâm lớn, đặc biệt với sự phát triển của các công nghệ như MIMO, truyền thông hợp tác và mạng vô tuyến nhận thức (CRN). Nghiên cứu này tập trung vào các giải pháp tăng cường hiệu năng tin cậy và bảo mật cho hệ thống, đặc biệt là trong mạng CRN.

1.1. Tầm quan trọng của bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây 5G

Trong bối cảnh mạng không dây 5G và các thế hệ mạng tiếp theo, bảo mật tầng vật lý đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ thông tin. Khác với các phương pháp bảo mật truyền thống dựa vào mã hóa phức tạp, PLS khai thác các đặc tính vật lý của kênh truyền để tạo ra một lớp bảo vệ tự nhiên. Điều này đặc biệt quan trọng trong môi trường IoT, nơi các thiết bị có tài nguyên hạn chế không thể xử lý các thuật toán mã hóa phức tạp. Các phương pháp bảo mật truyền thống đã được chứng minh là dễ bị tấn công, đặc biệt là bởi các đối tượng chuyên nghiệp [90, 101], làm nổi bật tầm quan trọng của việc bổ sung các lớp bảo vệ vật lý.

1.2. Các thách thức và hạn chế của bảo mật truyền thống

Các giải pháp bảo mật truyền thống như EAP, WEP/WAP, và các hệ thống mật mã dựa trên độ phức tạp thuật toán, đang đối mặt với nhiều thách thức. Việc quản lý và phân phối khóa trở nên phức tạp trên các mạng không dây thế hệ mới và các thiết bị IoT. Đồng thời, sự phát triển của công nghệ tính toán đe dọa tính bảo mật của các hệ thống mật mã dựa trên độ phức tạp tính toán. Như đã đề cập trong tài liệu gốc [90, 101], các giao thức này đã bị vượt qua. Bảo mật tầng vật lý giúp giảm thiểu sự phức tạp tính toán và tăng cường an toàn thông tin cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế.

II. Phương Pháp Đánh Giá Hiệu Năng Bảo Mật Tầng Vật Lý Mạng CRN

Luận án này tập trung vào việc đánh giá hiệu năng bảo mật của tầng vật lý trong mạng CRN. Mục tiêu chính là nghiên cứu các phương pháp ngăn chặn nghe trộm thông tin và đảm bảo truyền thông an toàn. Các phương pháp đánh giá bao gồm mô hình hóa các lớp mạng CRN khác nhau, phân tích các kỹ thuật mã hóa và điều chế, và đánh giá các giao thức bảo mật liên quan. Nghiên cứu cũng xem xét các loại tấn công khác nhau vào tầng vật lý và đề xuất các phương pháp phòng thủ hiệu quả. Bằng cách khai thác sự ngẫu nhiên trong môi trường không dây, PLS có thể cung cấp một phương pháp tiếp cận khác để thiết lập khóa bí mật, giảm gánh nặng tính toán cho mã hóa lớp ứng dụng [34, 75, 77, 107, 119].

2.1. Mô hình hóa các lớp mạng CRN để phân tích bảo mật

Mô hình hóa các lớp mạng CRN là bước quan trọng để phân tích và đánh giá hiệu năng bảo mật. Việc này bao gồm việc xác định các thành phần chính của mạng, như người dùng sơ cấp (PU), người dùng thứ cấp (SU), và các thiết bị nghe trộm (EAV). Các mô hình kênh truyền không dây cũng được xem xét, bao gồm các yếu tố như fading, nhiễu, và can nhiễu. Mục tiêu là tạo ra một mô hình chính xác và toàn diện để phân tích các rủi ro bảo mật và đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật bảo mật khác nhau.

2.2. Kỹ thuật mã hóa tầng vật lý dựa trên đặc tính kênh truyền

PLS khai thác các đặc tính của kênh truyền không dây để mã hóa thông tin và bảo vệ chống lại nghe trộm. Các kỹ thuật như artificial noise, beamforming, và cooperative jamming được sử dụng để tạo ra sự khác biệt về chất lượng kênh giữa người gửi và người nhận hợp pháp so với kẻ nghe trộm. Việc tối ưu hóa các tham số hệ thống, như công suất truyền và phân bổ tài nguyên, cũng được thực hiện để cải thiện hiệu năng bảo mật.

III. Giải Pháp Nâng Cao Hiệu Năng Bảo Mật Tầng Vật Lý Mạng Không Dây

Để nâng cao hiệu năng bảo mật của tầng vật lý trong mạng không dây, luận án đề xuất một số giải pháp dựa trên các kỹ thuật tiên tiến. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án tiến sĩ, nghiên cứu sinh tập trung chủ yếu vào nghiên cứu vấn đề ngăn chặn nghe trộm thông tin, nói cách khác là đảm bảo truyền thông bảo mật và an toàn. Các giải pháp này bao gồm việc sử dụng truyền thông hợp tác, thu hoạch năng lượng vô tuyến và các kỹ thuật đa ăng-ten. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống có khả năng chống lại các cuộc tấn công nghe trộm và đảm bảo truyền thông an toàn ngay cả trong môi trường không dây đầy thách thức. Việc nghiên cứu các tính chất bảo mật trong truyền thông ở lớp vật lý đã được đề cập đến từ những năm 70 với công trình tiêu biểu của Wyner [103].

3.1. Truyền thông hợp tác để tăng cường bảo mật và độ tin cậy

Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật hiệu quả để tăng cường bảo mật và độ tin cậy của mạng không dây. Trong truyền thông hợp tác, nhiều nút chuyển tiếp (relay) làm việc cùng nhau để truyền thông tin từ nguồn đến đích. Điều này tạo ra một kênh truyền đa dạng và giảm thiểu tác động của fading và nhiễu. Các kỹ thuật như decode-and-forward và amplify-and-forward được sử dụng để đảm bảo rằng thông tin được truyền đi một cách chính xác và an toàn.

3.2. Thu hoạch năng lượng vô tuyến để hỗ trợ bảo mật bền vững

Thu hoạch năng lượng vô tuyến (RFEH) là một kỹ thuật hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho các thiết bị mạng không dây, đặc biệt là trong môi trường IoT. Bằng cách thu thập năng lượng từ các tín hiệu vô tuyến xung quanh, các thiết bị có thể hoạt động một cách tự chủ và bền vững. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí và bảo trì, mà còn cải thiện bảo mật bằng cách giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Năng Bảo Mật

Kết quả nghiên cứu của luận án được áp dụng để đánh giá hiệu năng bảo mật trong các tình huống thực tế. Trong các mô hình mạng không dây đang được nghiên cứu và phát triển hiện nay, mô hình mạng CRN đang rất được quan tâm nghiên cứu bởi các ưu điểm và tiềm năng của nó trong việc giải quyết các giới hạn về khai thác và sử dụng phổ tần số. Các mô phỏng và thí nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật được đề xuất trong việc chống lại các cuộc tấn công nghe trộm. Kết quả cho thấy rằng các giải pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu năng bảo mật của mạng không dây, đặc biệt là trong môi trường mạng CRN với nhiều thách thức. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu cũng cung cấp thông tin chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật, như fading kênh, nhiễu và mật độ của các thiết bị nghe trộm.

4.1. Đánh giá hiệu năng trong môi trường mạng CRN thực tế

Việc đánh giá hiệu năng bảo mật trong môi trường mạng CRN thực tế đòi hỏi phải xem xét các yếu tố như sự can thiệp từ người dùng sơ cấp, sự biến động của kênh truyền, và sự hiện diện của các thiết bị nghe trộm. Các mô phỏng và thí nghiệm được thiết kế để mô phỏng các tình huống này và đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật bảo mật khác nhau. Kết quả cho thấy rằng các giải pháp được đề xuất có thể cải thiện đáng kể hiệu năng bảo mật trong môi trường mạng CRN.

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật tầng vật lý

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu năng bảo mật của tầng vật lý, bao gồm fading kênh, nhiễu, mật độ của các thiết bị nghe trộm và các tham số hệ thống. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để thiết kế các giải pháp bảo mật hiệu quả. Các kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin chi tiết về tác động của từng yếu tố và đề xuất các phương pháp để tối ưu hóa các tham số hệ thống để cải thiện hiệu năng bảo mật.

V. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Bảo Mật Mạng Không Dây

Luận án này đã trình bày một nghiên cứu toàn diện về hiệu năng bảo mật của tầng vật lý trong mạng không dây, đặc biệt là trong môi trường mạng CRN. Kết quả nghiên cứu cho thấy PLS là một giải pháp tiềm năng để tăng cường bảo mật và độ tin cậy của mạng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết trong tương lai. Với các tính chất của mạng CRN, nó được xem là một giải pháp hiệu quả và có thể ứng dụng cho các thế hệ mạng tiếp theo [35, 66, 67]. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển các kỹ thuật bảo mật tiên tiến hơn và giải quyết các vấn đề còn tồn đọng.

5.1. Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực bảo mật lượng tử

Bảo mật lượng tử là một lĩnh vực đầy hứa hẹn để phát triển các kỹ thuật bảo mật đột phá cho mạng không dây. Các kỹ thuật như phân phối khóa lượng tử (QKD) có thể cung cấp một phương pháp thiết lập khóa bí mật an toàn tuyệt đối, chống lại mọi cuộc tấn công, kể cả các cuộc tấn công bằng máy tính lượng tử. Nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể mở ra những khả năng mới để bảo vệ thông tin trong mạng không dây.

5.2. Thách thức và cơ hội trong việc triển khai bảo mật tầng vật lý

Việc triển khai bảo mật tầng vật lý trong thực tế vẫn còn nhiều thách thức, bao gồm sự phức tạp của các kỹ thuật, yêu cầu về phần cứng và phần mềm, và sự tương thích với các hệ thống hiện có. Tuy nhiên, cũng có nhiều cơ hội để phát triển các giải pháp PLS hiệu quả và dễ triển khai. Việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật mới, kết hợp với sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và nhà cung cấp dịch vụ, có thể giúp PLS trở thành một phần quan trọng của hệ thống bảo mật mạng không dây trong tương lai.

Đại Học Đánh Giá Hiệu Năng Bảo Mật Tầng Vật Lý Trong Mạng Không Dây: Luận Án Tiến Sĩ Công Nghệ Thông Tin