Luận văn thạc sĩ về phát hiện tranh chấp trong mạng nội bộ không dây

• Tác giả: Chu Minh Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Việt
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Phát hiện tranh chấp trong mạng nội bộ không dây
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mạng LAN không dây – WLAN
• 1.2. Sự ra đời và ứng dụng
• 1.3. So sánh ưu nhược điểm so với mạng LAN có dây
• 1.4. Các thành phần của kiến trúc IEEE 802.11
• 1.5. Giao thức cho mạng WLAN – CSMA/CA
• 1.5.1. Giao thức CSMA/CD cho mạng có dây
• 1.5.2. Giao thức CSMA
• 1.6. Các lý do không thể áp dụng giao thức CSMA/CD cho mạng WLAN
• 1.6.1. Hiện tượng trạm ẩn (Hidden Terminal problem)
• 1.6.2. Hiện tượng trạm lộ (Exposed Terminal problem)
• 1.7. Giao thức cho mạng WLAN – CSMA/CA (tiếp tục)
• 1.8. Giao thức MAC cho mạng WLAN theo chuẩn 802.11
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG PHÁP TẤN CÔNG GÂY NGHẼN
• 2.1. Jammer và mô hình tấn công jamming
• 2.2. Sử dụng mô hình chuỗi Markov cho cơ chế DCF
• 2.3. Xây dựng biểu thức tính thông lượng cho cơ chế DCF
• 2.4. Phân tích sự tiêu hao năng lượng của nút mạng tấn công kiểu Jamming
• 2.5. Phân tích ảnh hưởng lên thông lượng
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH KẾ HOẠCH CHỐNG TẤN CÔNG KIỂU GÂY NGHẼN
• 3.1. Phát hiện sự nghẽn mạng (Dectection of Jamming)
• 3.2. Sửa cơ chế DCF để chống tấn công kiểu Jamming
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Công cụ mô phỏng NS2
• 4.1.1. Giới thiệu và lịch sử phát triển bộ công cụ NS2
• 4.1.2. Cấu trúc bộ công cụ mô phỏng NS2
• 4.1.3. Đặc điểm của bộ mô phỏng NS2
• 4.2. Đề xuất mô hình phát hiện tắc nghẽn
• 4.3. Thực hiện mô phỏng
• 4.3.1. Kịch bản mô phỏng
• 4.3.2. Kết quả và đánh giá mô phỏng
• 4.4. Kết luận về các kết quả nhận được từ mô phỏng
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Luận văn "Phát hiện tranh chấp trong mạng nội bộ không dây" tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp phát hiện tranh chấp trong mạng không dây. Mạng LAN không dây (WLAN) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, với sự gia tăng sử dụng các thiết bị di động và ứng dụng công nghệ thông tin. Tuy nhiên, sự phát triển này cũng đi kèm với những thách thức về an ninh mạng và hiệu suất truyền tải dữ liệu. Luận văn này nhằm mục đích tìm ra các giải pháp khả thi để phát hiện và xử lý các tình huống tắc nghẽn trong mạng, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

1.1. Mạng LAN không dây WLAN

Mạng WLAN là một hệ thống kết nối không dây, sử dụng sóng điện từ để truyền tải dữ liệu. Các chuẩn IEEE 802.11 đã được phát triển để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất cho các thiết bị không dây. Mạng WLAN có nhiều ưu điểm như tính linh hoạt và khả năng mở rộng, nhưng cũng gặp phải những nhược điểm như tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn so với mạng có dây và dễ bị tấn công. Việc hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của mạng WLAN là rất quan trọng để phát hiện và xử lý các tranh chấp trong mạng.

II. Phân tích phương pháp tấn công gây nghẽn

Luận văn đã phân tích các phương pháp tấn công gây nghẽn trong mạng WLAN, đặc biệt là mô hình tấn công jamming. Tấn công jamming có thể làm giảm hiệu suất của mạng bằng cách gây ra sự tắc nghẽn trong quá trình truyền tải dữ liệu. Việc sử dụng mô hình chuỗi Markov để mô phỏng và phân tích các tình huống tấn công giúp xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến thông lượng và tiêu hao năng lượng của nút mạng. Các kết quả cho thấy rằng việc phát hiện sớm các tấn công này là rất quan trọng để duy trì hiệu suất của mạng.

2.1. Jammer và mô hình tấn công jamming

Jammer là thiết bị gây ra tắc nghẽn trong mạng không dây bằng cách phát tín hiệu nhiễu. Mô hình tấn công jamming được xây dựng dựa trên các yếu tố như tần suất và cường độ tín hiệu. Phân tích cho thấy rằng các tấn công này có thể làm giảm đáng kể thông lượng của mạng, ảnh hưởng đến khả năng truy cập và truyền tải dữ liệu của các thiết bị trong mạng. Việc hiểu rõ về cơ chế hoạt động của jammer là cần thiết để phát triển các giải pháp phòng ngừa hiệu quả.

III. Phân tích kế hoạch chống tấn công kiểu gây nghẽn

Luận văn đề xuất các giải pháp để phát hiện và ngăn chặn các tấn công gây nghẽn trong mạng WLAN. Một trong những phương pháp chính là phát hiện sự nghẽn mạng thông qua việc theo dõi và phân tích lưu lượng dữ liệu. Việc sửa đổi cơ chế DCF (Distributed Coordination Function) để cải thiện khả năng phát hiện và xử lý tắc nghẽn cũng được thảo luận. Các giải pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của mạng mà còn đảm bảo tính an toàn và bảo mật cho thông tin truyền tải.

3.1. Phát hiện sự nghẽn mạng

Phát hiện sự nghẽn mạng là một phần quan trọng trong việc duy trì hiệu suất của hệ thống. Các phương pháp phát hiện dựa trên việc phân tích lưu lượng và xác định các mẫu tắc nghẽn. Việc sử dụng các thuật toán học máy để cải thiện khả năng phát hiện cũng được đề xuất. Điều này không chỉ giúp phát hiện nhanh chóng các vấn đề mà còn cung cấp thông tin cần thiết để xử lý kịp thời, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến hiệu suất mạng.

IV. Mô phỏng và đánh giá kết quả

Luận văn sử dụng công cụ mô phỏng NS2 để thực hiện các kịch bản mô phỏng và đánh giá kết quả. Các thông số mô phỏng được thiết lập để phản ánh chính xác các điều kiện thực tế trong mạng WLAN. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các giải pháp đề xuất có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của mạng, giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn và nâng cao khả năng truy cập của người dùng. Việc đánh giá kết quả mô phỏng là bước quan trọng để xác định tính khả thi của các giải pháp đã đề xuất.

4.1. Công cụ mô phỏng NS2

Công cụ mô phỏng NS2 là một trong những công cụ phổ biến nhất trong nghiên cứu mạng. Nó cho phép mô phỏng các kịch bản mạng phức tạp và đánh giá hiệu suất của các giải pháp khác nhau. Việc sử dụng NS2 trong luận văn này giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các tấn công gây nghẽn ảnh hưởng đến mạng và cách các giải pháp đề xuất có thể cải thiện tình hình. Kết quả từ mô phỏng sẽ là cơ sở để phát triển các giải pháp thực tiễn trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Mạng nội bộ không dây (WLAN) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và thiết bị di động. Theo ước tính, tốc độ truyền dữ liệu của mạng không dây đã tăng từ 1-2 Mb/s lên đến hàng nghìn Mb/s với chuẩn 802.11ac, đáp ứng nhu cầu kết nối ngày càng cao. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều hệ thống mạng WLAN vẫn gặp phải tình trạng tắc nghẽn, gây ra tín hiệu chập chờn và thông lượng gần như bằng không, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Vấn đề nghiên cứu chính của luận văn là phát hiện và xử lý tranh chấp, tắc nghẽn trong mạng nội bộ không dây nhằm nâng cao hiệu quả truyền thông. Mục tiêu cụ thể là xây dựng phương pháp phát hiện nhanh chóng và chính xác các hiện tượng tắc nghẽn, đồng thời đề xuất các giải pháp khả thi để phòng ngừa tái phát. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mạng WLAN theo chuẩn IEEE 802.11, với các mô hình tấn công jamming và cơ chế điều khiển truy cập môi trường truyền DCF, trong khoảng thời gian nghiên cứu năm 2019 tại Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số quan trọng như xác suất truyền thành công, thông lượng mạng và mức tiêu hao năng lượng của thiết bị tấn công, góp phần nâng cao độ ổn định và bảo mật cho mạng WLAN trong môi trường thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Chuỗi Markov trong mô hình hóa cơ chế DCF (Distributed Coordination Function): Mô hình này mô tả trạng thái backoff của các trạm trong mạng WLAN, giúp phân tích xác suất truyền thành công, xác suất đụng độ và xác suất lỗi gói tin. Các trạng thái được ký hiệu là $b_{i,k}$ với i là số lần truyền lại và k là giá trị backoff. Mô hình cho phép tính toán xác suất truyền của một nút ($\tau$) và xác suất đụng độ ($p_c$), từ đó đánh giá hiệu suất mạng.

2. Kiểm tra tỉ lệ khả dĩ phổ quát (GLRT - Generalized Likelihood Ratio Test): Được sử dụng để phát hiện sự tồn tại của thiết bị jammer trong mạng bằng cách phân biệt giữa các trạng thái lỗi do đụng độ thông thường và do tấn công jamming. GLRT giúp xác định ngưỡng phát hiện dựa trên xác suất báo động giả (PFA) và xác suất phát hiện (PD).

Các khái niệm chính bao gồm:

• Jamming: Hành vi gây tắc nghẽn mạng bằng cách phát tín hiệu gây nhiễu, gồm các loại như constant, deceptive, random và reactive jamming.
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Giao thức truy cập môi trường truyền trong mạng WLAN, sử dụng cơ chế backoff và gói tin ACK để giảm thiểu đụng độ.
• DCF và PCF: Hai chức năng cộng tác điều khiển truy cập môi trường truyền trong chuẩn IEEE 802.11, trong đó DCF là cơ chế chính và PCF hỗ trợ dịch vụ thời gian thực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, tài liệu tham khảo trong và ngoài nước, cùng với các số liệu thực nghiệm từ bộ mô phỏng NS2. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình hóa lý thuyết: Sử dụng chuỗi Markov để mô hình hóa cơ chế DCF và phân tích ảnh hưởng của các loại jamming lên xác suất truyền thành công và thông lượng mạng.
• Phân tích thống kê: Áp dụng GLRT để phát hiện tắc nghẽn do jamming dựa trên các trạng thái backoff và số liệu lỗi gói tin.
• Mô phỏng: Thực hiện mô phỏng trên công cụ NS2 với kịch bản gồm 3-50 trạm mạng, trong đó có một hoặc nhiều trạm đóng vai trò jammer. Các thông số mô phỏng như kích thước gói tin 512 bytes, tốc độ truyền 11 Mbps, thời gian DIFS 50 µs được sử dụng để đánh giá hiệu quả các giải pháp.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, với các bước từ tổng hợp lý thuyết, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng đến phân tích kết quả.

Phương pháp phân tích tập trung vào việc so sánh các chỉ số như xác suất tắc nghẽn, thông lượng, mức tiêu hao năng lượng giữa các cơ chế DCF chuẩn và DCF sửa đổi (M-DCF).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của jamming đến xác suất lỗi và thông lượng:
   Kết quả mô phỏng cho thấy khi xác suất tắc nghẽn (Q) tăng lên đến 1, thông lượng mạng giảm dần về 0. Xác suất gói tin lỗi (Pf) và xác suất tắc nghẽn có mối quan hệ chặt chẽ, với Pf tăng dẫn đến Q tăng. Ví dụ, với 5 trạm truyền dữ liệu, xác suất lỗi gói tin thực nghiệm và lý thuyết có sự chênh lệch nhỏ, chứng tỏ mô hình Markov phù hợp để mô phỏng thực tế.

2. Mức tiêu hao năng lượng của jammer phụ thuộc xác suất tắc nghẽn:
   Mức năng lượng tiêu thụ của thiết bị jammer tăng nhanh khi xác suất tắc nghẽn tăng từ thấp đến trung bình, sau đó giảm dần khi tắc nghẽn đạt mức cao. Điều này do jammer ép các nút mạng sử dụng cửa sổ tranh chấp tối đa, làm giảm số lần truyền và tiêu hao năng lượng của chính jammer. Ví dụ, khi Q tiến về 1, năng lượng tiêu thụ của jammer giảm, tương ứng với thông lượng mạng gần bằng 0.

3. Hiệu quả của cơ chế phát hiện jamming bằng GLRT:
   Bộ dò jamming sử dụng GLRT có khả năng phát hiện tắc nghẽn do jammer với xác suất báo động giả (PFA) rất thấp, gần 0, đồng thời giữ được xác suất phát hiện (PD) cao. Ngưỡng phát hiện được lựa chọn dựa trên đường cong ROC, ví dụ với mức tắc nghẽn tối thiểu cần phát hiện là 0.25.

4. Cải tiến cơ chế DCF (M-DCF) để chống jamming:
   M-DCF tăng xác suất truyền gói tin ngay cả khi tắc nghẽn cao, ép jammer hoạt động công suất cao và tiêu hao năng lượng nhanh hơn. Kết quả mô phỏng với 3, 10, 20 và 50 trạm cho thấy M-DCF cải thiện thông lượng đáng kể ở số lượng trạm thấp đến trung bình, nhưng khi số trạm lên đến 50, thông lượng giảm do xác suất đụng độ tăng cao. Ví dụ, với 10 trạm, thông lượng tăng rõ rệt so với DCF chuẩn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tắc nghẽn trong mạng WLAN là do hiện tượng đụng độ và tấn công jamming, đặc biệt là kiểu reactive jamming khó phát hiện. Mô hình chuỗi Markov giúp mô phỏng chính xác trạng thái backoff và xác suất truyền, từ đó đánh giá hiệu quả của các giải pháp.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của jamming lên thông lượng và năng lượng tiêu thụ. Việc sử dụng GLRT để phát hiện jamming là một bước tiến quan trọng, giúp phân biệt rõ ràng giữa lỗi do đụng độ và do tấn công.

Cải tiến M-DCF thể hiện hiệu quả trong việc ép jammer tiêu hao năng lượng nhanh, giúp mạng WLAN nhanh chóng trở lại trạng thái ổn định. Tuy nhiên, khi số lượng trạm lớn, xác suất đụng độ tăng cao làm giảm hiệu suất, cần có các giải pháp bổ sung để cân bằng tải và giảm xung đột.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ xác suất lỗi gói tin theo xác suất tắc nghẽn, biểu đồ mức tiêu hao năng lượng của jammer theo xác suất tắc nghẽn, và biểu đồ so sánh thông lượng giữa DCF chuẩn và M-DCF theo số lượng trạm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống phát hiện jamming dựa trên GLRT:
   Áp dụng thuật toán GLRT để theo dõi trạng thái backoff và số lượng lỗi gói tin nhằm phát hiện sớm các cuộc tấn công jamming. Mục tiêu giảm thiểu thời gian phát hiện xuống dưới 1 giây, do các quản trị viên mạng thực hiện.

2. Cải tiến cơ chế DCF theo mô hình M-DCF:
   Điều chỉnh xác suất truyền gói tin để ép jammer tiêu hao năng lượng nhanh hơn, giúp mạng WLAN phục hồi nhanh chóng. Thời gian triển khai trong vòng 3-6 tháng, do các nhà phát triển firmware và nhà sản xuất thiết bị thực hiện.

3. Tăng cường quản lý và phân bổ tài nguyên mạng:
   Áp dụng các kỹ thuật cân bằng tải và phân vùng mạng để giảm xác suất đụng độ khi số lượng trạm lớn, duy trì thông lượng ổn định. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, do các nhà quản trị mạng và chuyên gia hệ thống đảm nhiệm.

4. Nâng cao nhận thức và đào tạo người dùng:
   Tổ chức các khóa đào tạo về an ninh mạng không dây, giúp người dùng nhận biết và phòng tránh các hành vi gây tắc nghẽn mạng. Mục tiêu giảm thiểu các cuộc tấn công nội bộ, thực hiện liên tục hàng năm bởi các tổ chức đào tạo và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Chuyên gia và kỹ sư mạng không dây:
   Hưởng lợi từ các mô hình phân tích và giải pháp cải tiến DCF để nâng cao hiệu suất và bảo mật mạng WLAN trong các doanh nghiệp và tổ chức.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin:
   Có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài liên quan đến mạng không dây, tấn công jamming và mô hình hóa mạng.

3. Nhà phát triển phần mềm và thiết bị mạng:
   Áp dụng các thuật toán phát hiện và cơ chế điều khiển truy cập môi trường truyền để cải tiến firmware và phần mềm quản lý mạng không dây.

4. Quản trị viên hệ thống và an ninh mạng:
   Sử dụng các phương pháp phát hiện và khắc phục tắc nghẽn để duy trì tính ổn định và bảo mật cho hệ thống mạng WLAN trong doanh nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Jamming là gì và tại sao nó gây tắc nghẽn mạng WLAN?
   Jamming là hành vi phát tín hiệu gây nhiễu nhằm làm gián đoạn quá trình truyền dữ liệu không dây. Nó làm tăng xác suất lỗi gói tin và giảm thông lượng mạng, gây tắc nghẽn cục bộ hoặc toàn phần.

2. Chuỗi Markov được sử dụng như thế nào trong mô hình DCF?
   Chuỗi Markov mô hình hóa trạng thái backoff của các trạm, giúp tính toán xác suất truyền thành công và đụng độ dựa trên các trạng thái truyền lại gói tin và giá trị backoff.

3. GLRT giúp phát hiện jamming ra sao?
   GLRT phân tích số liệu trạng thái backoff và lỗi gói tin để phân biệt giữa lỗi do đụng độ thông thường và do jamming, từ đó xác định sự tồn tại của thiết bị jammer với xác suất báo động giả thấp.

4. Cơ chế M-DCF khác gì so với DCF chuẩn?
   M-DCF tăng xác suất truyền gói tin ngay cả khi tắc nghẽn cao, ép jammer tiêu hao năng lượng nhanh hơn, giúp mạng WLAN phục hồi nhanh chóng và giảm thiểu ảnh hưởng của tấn công jamming.

5. Làm thế nào để giảm xác suất đụng độ khi số lượng trạm lớn?
   Cần áp dụng các kỹ thuật cân bằng tải, phân vùng mạng và quản lý tài nguyên hiệu quả để giảm xung đột, duy trì thông lượng và ổn định mạng khi số lượng trạm tăng cao.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình chuỗi Markov để phân tích cơ chế DCF và ảnh hưởng của tấn công jamming trong mạng WLAN.
• Phương pháp phát hiện jamming dựa trên GLRT cho kết quả chính xác với xác suất báo động giả thấp.
• Cơ chế M-DCF cải tiến giúp tăng hiệu quả chống tấn công jamming, nâng cao thông lượng mạng trong điều kiện tắc nghẽn.
• Mức tiêu hao năng lượng của jammer được phân tích chi tiết, giúp thiết kế các giải pháp ép jammer hoạt động công suất cao và nhanh chóng bị loại bỏ.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm trên hệ thống thực tế và phát triển thêm các giải pháp cân bằng tải cho mạng WLAN quy mô lớn.

Hành động ngay: Các chuyên gia và nhà quản trị mạng nên áp dụng các giải pháp phát hiện và chống jamming để bảo vệ hệ thống WLAN, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng trong môi trường thực tế.