Luận Văn Thạc Sĩ Công Nghệ Thông Tin Về Phát Hiện Tranh Chấp Trong Mạng Nội Bộ Không Dây

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ thông tin phát hiện tranh chấp trong mạng nội bộ không dây, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh

• 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 WLAN
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mạng LAN không dây – WLAN
• 1.1.1. Sự ra đời và ứng dụng
• 1.1.2. So sánh ưu nhược điểm so với mạng LAN có dây
• 1.1.3. Các thành phần của kiến trúc IEEE 802.11
• 1.2. Giao thức cho mạng WLAN – CSMA/CA
• 1.2.1. Giao thức CSMA/CD cho mạng có dây
• 1.2.1.1. Giao thức CSMA
• 1.2.1.2. Giao thức CSMA/CD
• 1.2.2. Các lý do không thể áp dụng giao thức CSMA/CD cho mạng WLAN
• 1.2.2.1. Hiện tượng trạm ẩn (Hidden Terminal problem)
• 1.2.2.2. Hiện tượng trạm lộ (Exposed Terminal problem)
• 1.2.3. Giao thức cho mạng WLAN – CSMA/CA
• 1.3. Giao thức MAC cho mạng WLAN theo chuẩn 802.11
• 1.3.1. Giao thức CSMA/CA có bổ sung việc sử dụng gói tin ACK
• 1.3.2. Cơ chế điều khiển truy cập môi trường truyền DCF
• 1.3.2.1. Cảm nhận sóng mang
• 1.3.2.2. Các phương thức truyền trong DCF
• 1.3.3. Cơ chế điều khiển truy cập môi trường truyền PCF
• 1.3.4. Giao thức MAC theo chuẩn 802.11
• 1.3.5. Các kiểu tấn công mạng WLAN theo chuẩn 802.11
• 1.4. Các mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn
• 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

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Phát Hiện Tranh Chấp Trong Mạng WLAN

Mạng WLAN (Wireless Local Area Network) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin đã tạo ra nhu cầu kết nối không dây ngày càng cao. Tuy nhiên, việc phát hiện và xử lý các tranh chấp trong mạng WLAN vẫn là một thách thức lớn. Luận văn này sẽ đi sâu vào các vấn đề liên quan đến phát hiện tranh chấp trong mạng WLAN, từ đó đề xuất các giải pháp hiệu quả.

1.1. Tổng quan về Mạng WLAN và Ứng dụng

Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ để kết nối các thiết bị mà không cần dây cáp. Công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giáo dục, y tế và doanh nghiệp. Sự tiện lợi và linh hoạt của mạng WLAN đã giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến cho người dùng.

1.2. Lịch sử Phát Triển Mạng WLAN

Mạng WLAN đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1980. Các tiêu chuẩn như IEEE 802.11 đã được thiết lập để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất của mạng không dây. Sự ra đời của các phiên bản mới như 802.11ac đã nâng cao tốc độ và khả năng kết nối.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Phát Hiện Tranh Chấp Mạng WLAN

Mặc dù mạng WLAN mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều vấn đề nghiêm trọng. Các hiện tượng như trạm ẩn và trạm lộ gây ra xung đột trong quá trình truyền dữ liệu. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất mạng mà còn ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng.

2.1. Hiện Tượng Trạm Ẩn Trong Mạng WLAN

Hiện tượng trạm ẩn xảy ra khi một trạm không thể nhận tín hiệu từ một trạm khác, dẫn đến việc cả hai trạm cùng truyền dữ liệu đến một trạm trung gian, gây ra xung đột. Điều này làm giảm hiệu suất truyền tải và gây lãng phí tài nguyên mạng.

2.2. Hiện Tượng Trạm Lộ Trong Mạng WLAN

Trạm lộ xảy ra khi một trạm ngừng truyền dữ liệu vì nghĩ rằng đường truyền đang bận, trong khi thực tế không phải như vậy. Điều này dẫn đến việc sử dụng tài nguyên không hiệu quả và làm giảm tốc độ truyền tải dữ liệu.

III. Phương Pháp Phát Hiện Tranh Chấp Trong Mạng WLAN

Để giải quyết các vấn đề tranh chấp trong mạng WLAN, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Các giải pháp này không chỉ giúp phát hiện mà còn ngăn chặn các xung đột xảy ra trong quá trình truyền tải dữ liệu.

3.1. Giao Thức CSMA CA Trong Mạng WLAN

Giao thức CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) là một phương pháp quản lý truy cập giúp giảm thiểu xung đột trong mạng WLAN. Giao thức này yêu cầu các trạm phải lắng nghe kênh truyền trước khi gửi dữ liệu, từ đó giảm thiểu khả năng xảy ra xung đột.

3.2. Sử Dụng Gói Tin ACK Để Phát Hiện Xung Đột

Việc sử dụng gói tin ACK (Acknowledgement) giúp các trạm xác nhận việc nhận dữ liệu. Nếu không nhận được ACK, trạm gửi sẽ biết rằng có xung đột xảy ra và sẽ thực hiện lại việc truyền dữ liệu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Về Mạng WLAN

Nghiên cứu về phát hiện tranh chấp trong mạng WLAN đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các phương pháp được áp dụng không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mạng mà còn nâng cao trải nghiệm người dùng.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Trong Nghiên Cứu

Các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng giao thức CSMA/CA và gói tin ACK đã giúp giảm thiểu đáng kể tỷ lệ xung đột trong mạng WLAN. Điều này dẫn đến việc tăng tốc độ truyền tải và cải thiện hiệu suất tổng thể của mạng.

4.2. Ứng Dụng Trong Thực Tế

Các giải pháp phát hiện tranh chấp đã được áp dụng thành công trong nhiều môi trường thực tế, từ văn phòng đến các khu vực công cộng. Điều này chứng tỏ tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp nghiên cứu.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Phát Hiện Tranh Chấp Trong Mạng WLAN

Phát hiện tranh chấp trong mạng WLAN là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Các giải pháp hiện tại đã cho thấy hiệu quả, nhưng vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hơn nữa. Tương lai của mạng WLAN hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ.

5.1. Hướng Phát Triển Trong Nghiên Cứu

Nghiên cứu trong lĩnh vực này cần tập trung vào việc phát triển các giao thức mới và cải tiến các phương pháp hiện tại để nâng cao hiệu suất mạng. Việc áp dụng trí tuệ nhân tạo có thể là một hướng đi tiềm năng.

5.2. Tương Lai Của Mạng WLAN

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, mạng WLAN sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng. Các giải pháp phát hiện tranh chấp sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của mạng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của truyền thông không dây đã thúc đẩy các chuẩn mạng cục bộ phát triển vượt bậc, từ các thế hệ mạng 802.11 sơ khai năm 1997 với tốc độ chỉ đạt 1 Mbps đến 2 Mbps lên tới chuẩn 802.11ac với tốc độ băng thông vượt mức 1730 Mbps. Tuy nhiên, trong môi trường truyền thông vô tuyến chia sẻ tài nguyên sóng mang, hiệu suất mạng thực tế thường bị suy giảm nghiêm trọng do các hiện tượng tranh chấp và tấn công cố ý. Đặc biệt, các cuộc tấn công gây nghẽn thông minh (Reactive Jamming) nhắm vào tầng liên kết dữ liệu (MAC) có thể triệt tiêu hoàn toàn khả năng truyền tin, khiến thông lượng thực tế giảm từ mức tối đa về xấp xỉ 0 Mbps dù chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) đo được tại máy trạm vẫn ở mức cao.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự hạn chế của cơ chế điều khiển truy cập phân tán (DCF) truyền thống trong việc phân biệt giữa xung đột gói tin tự nhiên và hành vi phá hoại có chủ đích. Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán phát hiện sớm sự hiện diện của thiết bị gây nghẽn (Jammer) và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm vô hiệu hóa cuộc tấn công. Mục tiêu cụ thể là xây dựng khung mô hình toán học giải tích dựa trên chuỗi Markov để đánh giá thông lượng và mức tiêu hao năng lượng, đồng thời phát triển thuật toán kiểm định tỷ số khả dĩ tổng quát (GLRT) giúp nhận diện tác nhân gây nghẽn.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện đối với mạng nội bộ không dây chuẩn IEEE 802.11 trên dải tần 2,4 GHz, trong điều kiện tải bão hòa tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2019. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm xác suất cảnh báo giả (PFA) xuống dưới ngưỡng 0,05 và tăng tốc độ tiêu hao năng lượng của kẻ tấn công lên hơn 150% so với cơ chế chuẩn, bảo vệ tính liên tục của hệ thống mạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển truy cập môi trường đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA) kết hợp cơ chế lùi thời gian ngẫu nhiên theo hàm mũ nhị phân (Binary Exponential Backoff - BEB). Các tham số chuẩn hóa bao gồm khoảng thời gian liên khung ngắn SIFS bằng 10 µs, khe thời gian aSlotTime bằng 20 µs và khoảng thời gian liên khung DCF (DIFS) có độ dài 50 µs. Cơ chế truyền sử dụng thêm gói tin biên nhận ACK và cặp gói tin điều khiển RTS/CTS để khắc phục sự cố trạm ẩn và trạm lộ.

Khung phân tích toán học dựa trên mô hình chuỗi Markov hai chiều rời rạc thời gian của tác giả Giuseppe Bianchi. Mô hình này thiết lập mối tương quan giữa trạng thái lùi thời gian backoff và số lần truyền lại gói tin, qua đó xác định xác suất phát sóng của một nút mạng và xác suất xảy ra xung đột khi có sự xuất hiện của kẻ gây nghẽn với xác suất tấn công.

Bên cạnh đó, lý thuyết phát hiện tín hiệu thông qua kiểm định tỷ số khả dĩ tổng quát (GLRT) được vận dụng để phân tách các giả thuyết thống kê giữa trạng thái mạng bình thường và trạng thái bị can thiệp bởi tín hiệu gây nhiễu. Bốn khái niệm trọng tâm bao gồm: hàm mật độ xác suất trạng thái mạng, tỷ lệ phân phối gói tin (PDR), tỷ lệ gửi gói tin (PSR) và đường cong đặc trưng hoạt động của máy thu (ROC).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập thông qua quá trình mô phỏng thực nghiệm trên công cụ Network Simulator 2 (NS2 phiên bản 2.35). Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 500 gói tin được truyền liên tục trên mỗi trạm phát trong điều kiện bão hòa lưu lượng hàng đợi, với cấu hình mạng thử nghiệm từ 3 trạm phát, 1 trạm nhận và 1 trạm gây nghẽn, mở rộng khảo sát lên quy mô 10, 20 và 50 nút mạng. Kích thước khung dữ liệu MAC được cố định ở mức 512 bytes với tốc độ truyền 11 Mbps, tiêu đề lớp vật lý kéo dài 192 µs và gói tin gây nghẽn có kích thước 128 bytes với tốc độ 1 Mbps.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu ngẫu nhiên toàn diện đối với toàn bộ các chuỗi sự kiện truyền thành công và truyền thất bại trên kênh truyền vô tuyến trong vùng phủ sóng. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình giải tích Markov kết hợp mô phỏng hướng đối tượng (C++ và OTcl trong NS2) là vì giải tích toán học cho phép lượng hóa chính xác giới hạn lý thuyết của thông lượng hệ thống, trong khi NS2 cung cấp môi trường kiểm chứng chân thực các tương tác phức tạp ở tầng vật lý và tầng MAC mà các thử nghiệm trên thiết bị phần cứng thông thường không thể kiểm soát riêng rẽ từng tham số nhiễu. Toàn bộ quy trình tính toán và mô phỏng được thực hiện xuyên suốt trong khung thời gian từ năm 2018 đến năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích giải tích và thử nghiệm mô phỏng đã mang lại những phát hiện quan trọng về hành vi của mạng không dây dưới tác động của kẻ gây nghẽn:

Thứ nhất, trong cơ chế DCF tiêu chuẩn, khi xác suất tấn công của thiết bị gây nghẽn tăng từ 0,0 lên 1,0, thông lượng của hệ thống giảm đơn điệu từ mức bão hòa lý thuyết xuống gần 0 Mbps. Đồng thời, xác suất gói tin truyền thất bại tăng vọt từ mức đụng độ thông thường khoảng 15% lên xấp xỉ 100%.

Thứ hai, mức năng lượng tiêu thụ trung bình của kẻ tấn công dạng phản ứng (Reactive Jammer) biểu hiện quy luật phi tuyến tính: tăng mạnh trong giai đoạn đầu khi bắt đầu gây nhiễu nhưng sau đó giảm dần khi xác suất tắc nghẽn đạt mức tuyệt đối 1,0. Nguyên nhân là do cơ chế DCF chuẩn liên tục nhân đôi cửa sổ tranh chấp khi gặp lỗi, khiến các trạm hợp pháp phải chờ đợi thời gian lùi lâu hơn, làm giảm tần số phát sóng của toàn mạng và vô tình giúp kẻ tấn công tiết kiệm năng lượng.

Thứ ba, bộ dò phát hiện tắc nghẽn ứng dụng kiểm định GLRT thể hiện độ tin cậy vượt trội. Khi thiết lập xác suất tấn công tối thiểu cần phát hiện là 0,25, hệ thống đạt xác suất phát hiện thành công trên 95% trong khi xác suất báo động giả duy trì ở mức cực kỳ thấp, tiệm cận 0.

Thứ tư, cơ chế cải tiến M-DCF đã đảo ngược lợi thế năng lượng của kẻ tấn công. Trong mạng có quy mô nhỏ từ 3 đến 10 trạm phát, M-DCF làm tiêu hao năng lượng của thiết bị Jammer cao hơn từ 1,5 đến 2 lần so với cơ chế DCF gốc, buộc nút gây nghẽn nhanh chóng cạn kiệt nguồn pin cục bộ.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng suy giảm hiệu năng nghiêm trọng trong mạng DCF bắt nguồn từ tính chất bất đối xứng thông tin: giao thức mạng coi mọi gói tin bị mất đều là hệ quả của xung đột kênh truyền tự nhiên, từ đó kích hoạt thuật toán lùi thời gian về trạng thái thụ động. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho kẻ tấn công kiểm soát hoàn toàn kênh vô tuyến với mức năng lượng tối thiểu.

Khi so sánh với các nghiên cứu nhận diện dựa trên ngưỡng cường độ tín hiệu RSSI, phương pháp tiếp cận thông qua không gian trạng thái chuỗi Markov và kiểm định GLRT cho độ chính xác cao hơn rõ rệt. Giải pháp này loại bỏ hoàn toàn các sai số do biến động môi trường hoặc hiện tượng che khuất sóng gây ra.

Toàn bộ các dữ liệu phân tích này có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ giữa thông lượng và xác suất gây nghẽn, kết hợp cùng bảng so sánh năng lượng tiêu thụ của Jammer giữa hai cơ chế DCF chuẩn và M-DCF tại các kịch bản 3, 10, 20 và 50 trạm. Biểu đồ đường cong ROC cũng là công cụ trực quan hiệu quả để minh họa sự đánh đổi tối ưu giữa xác suất phát hiện và xác suất báo động sai của bộ dò.

Đề xuất và khuyến nghị

Tích hợp thuật toán M-DCF vào phần mềm điều khiển của các thiết bị phát sóng không dây (Access Point) và trạm đầu cuối, nhằm duy trì thông lượng hệ thống trên 40% công suất danh định ngay cả khi bị can thiệp sóng mang, thực hiện bởi các nhóm phát triển giao thức mạng viễn thông theo lộ trình thử nghiệm 6 tháng.

Thiết lập module giám sát xác suất lỗi gói tin và triển khai bộ kiểm định tỷ số khả dĩ GLRT trực tiếp trên tầng liên kết dữ liệu của router doanh nghiệp, hướng tới mục tiêu phát hiện các cuộc tấn công gây nghẽn trong vòng dưới 3 giây với tỷ lệ báo động giả dưới 0,05, do các chuyên viên an ninh mạng vận hành liên tục từ quý 3 năm 2026.

Cấu hình động ngưỡng kích hoạt cặp gói tin điều khiển RTS/CTS cho các khung dữ liệu có kích thước vượt quá 512 bytes, giúp kiểm soát tốt hiện tượng trạm ẩn và giảm xác suất xung đột kênh truyền xuống dưới mức 12% trong các vùng phủ sóng có mật độ trên 25 thiết bị kết nối, giao cho đội ngũ quản trị mạng nội bộ rà soát định kỳ hàng tháng.

Xây dựng chính sách chuyển đổi kênh truyền tự động khi phát hiện mức năng lượng tiêu thụ bất thường vượt quá 30% ngưỡng nền tiêu chuẩn, áp dụng giải pháp nhảy tần thích ứng nhằm khôi phục kết nối cho các dịch vụ thời gian thực, do các nhà cung cấp dịch vụ hạ tầng mạng triển khai trong giai đoạn 2026 - 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế và vận hành mạng không dây: Tài liệu cung cấp các phân tích định lượng chuyên sâu về thông số thời gian liên khung (DIFS 50 µs, SIFS 10 µs) và thuật toán lùi thời gian, hỗ trợ trực tiếp cho công tác tối ưu hóa cấu hình thiết bị mạng trong các doanh nghiệp và tòa nhà văn phòng.

Chuyên gia an toàn thông tin và an ninh mạng: Khung lý thuyết phát hiện tấn công từ chối dịch vụ tầng vật lý và tầng MAC cùng giải thuật kiểm định thống kê GLRT là nguồn tài liệu quý giá để phát triển các hệ thống ngăn ngừa xâm nhập không dây (WIPS).

Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ thông tin: Đề tài cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc ứng dụng chuỗi Markov hai chiều và công cụ NS2, tạo nền tảng mẫu mực cho các công trình nghiên cứu đánh giá hiệu năng giao thức mạng.

Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và mạng cảm biến IoT: Cơ chế phân tích mức tiêu thụ năng lượng và thuật toán M-DCF mang lại các giải pháp thiết thực để bảo vệ nguồn pin hạn chế của các nút cảm biến trước các hành vi tấn công phá hoại năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

Giao thức CSMA/CD trong mạng Ethernet có dây có thể ứng dụng trực tiếp cho mạng không dây WLAN được không?

Giao thức CSMA/CD hoàn toàn không khả thi trên mạng không dây do các thiết bị vô tuyến không thể vừa phát vừa nghe tín hiệu trên cùng một kênh truyền vì độ suy hao môi trường quá lớn. Ngoài ra, việc tồn tại hiện tượng trạm ẩn và trạm lộ khiến các nút mạng không thể nhận biết được xung đột tại phía máy nhận, buộc mạng WLAN phải chuyển sang sử dụng giao thức CSMA/CA kết hợp xác nhận ACK.

Tấn công gây nghẽn phản ứng (Reactive Jamming) khác biệt như thế nào so với các hình thức gây nghẽn truyền thống?

Khác với hình thức gây nghẽn liên tục (Constant Jamming) luôn phát sóng ngẫu nhiên làm tiêu tốn nhiều năng lượng, Reactive Jammer chỉ kích hoạt phát tín hiệu phá hoại khi cảm nhận có gói tin đang truyền trên môi trường, ví dụ như làm hỏng gói ACK hoặc CTS. Phương thức này giúp kẻ tấn công tiết kiệm hơn 50% năng lượng và cực kỳ khó phát hiện bằng các phép đo cường độ tín hiệu thông thường.

Tại sao cơ chế M-DCF cải tiến lại có thể chống lại các thiết bị gây nghẽn hiệu quả?

Khi phát hiện có tấn công, thay vì tăng thời gian chờ lùi lại theo hàm mũ như cơ chế DCF chuẩn, M-DCF chủ động tăng xác suất truyền gói tin của các nút mạng hợp pháp. Hành động này ép thiết bị Jammer phải liên tục phát sóng phản ứng ở cường độ cao, làm cạn kiệt nguồn năng lượng dự trữ của kẻ tấn công trong thời gian ngắn và giải phóng kênh truyền.

Kiểm định GLRT phân biệt xung đột tự nhiên và tấn công có chủ đích dựa trên nguyên lý nào?

Kiểm định GLRT theo dõi số lần trạm mạng rơi vào các trạng thái lùi thời gian trong chuỗi Markov để ước tính tỷ lệ gói tin lỗi cực đại. Hệ thống sau đó so sánh tỷ số khả dĩ này với một ngưỡng quyết định đã được chuẩn hóa thông qua đường cong ROC. Khi tỷ số vượt ngưỡng với độ tin cậy trên 95%, hệ thống sẽ khẳng định có sự hiện diện của thiết bị gây nghẽn.

Công cụ NS2 đóng vai trò gì trong quá trình kiểm chứng kết quả nghiên cứu của luận văn?

Công cụ NS2 cho phép xây dựng mô hình mạng chi tiết bằng sự kết hợp giữa ngôn ngữ C++ để xử lý giao thức tầng MAC và OTcl để cấu hình kịch bản mô phỏng. Môi trường này hỗ trợ tái lập chính xác các tham số như độ dài gói tin 512 bytes, tốc độ 11 Mbps và ghi nhận toàn diện các biến cố đụng độ, đóng vai trò là cầu nối thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình giải tích Markov.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa thành công cơ chế điều khiển truy cập môi trường DCF dưới tác động của kẻ gây nghẽn thông minh bằng công cụ giải tích chuỗi Markov hai chiều.
• Xây dựng và chứng minh tính hiệu quả của thuật toán kiểm định tỷ số khả dĩ tổng quát GLRT, đạt xác suất phát hiện tấn công trên 95% với tỷ lệ báo động giả duy trì dưới mức 0,05.
• Đề xuất giải pháp giao thức cải tiến M-DCF, chứng minh khả năng triệt tiêu năng lượng của thiết bị Jammer hiệu quả gấp 1,5 đến 2,0 lần so với chuẩn DCF truyền thống trong mạng quy mô nhỏ.
• Hoàn thiện hệ thống mô phỏng chuyên sâu trên nền tảng NS2, xác nhận sự tương đồng chặt chẽ giữa các kết quả giải tích lý thuyết và thực nghiệm đo đạc.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc phát triển các tiêu chuẩn giao thức MAC tự thích ứng và nâng cao năng lực an ninh cho mạng không dây thế hệ mới.

Các tổ chức và chuyên gia quan tâm có thể tiếp tục mở rộng mô hình M-DCF trên các nền tảng phần cứng thương mại và chuẩn mạng tiên tiến trong 12 tháng tới để tối ưu hóa an toàn mạng toàn diện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU Ngày nay với sự phát triển mạnh của các thiết bị di động cũng như những ứng dụng công nghệ thông tin và đặc biệt là mạng xã hội và các ứng dụng tương tác thời gian thực, do đó yêu cầu kết nối mạng không dây là rất mạnh mẽ. Ta dễ dàng bắt gặp mạng LAN không dây – WLAN (WLAN), thường được gọi là mạng Wi-Fi ở bất cứ đâu từ hộ gia đình, quán cafe, quán ăn, công sở, bến xe thậm chí là quán nước. Điều gì khiến mạng WLAN trở nên phổ biến như vậy. Ưu và khuyết điểm của nó là gì? Chương này sẽ giúp chúng ta trả lời các câu hỏi trên.1 Mạng LAN không dây – WLAN 1.1 Sự ra đời và ứng dụng Mạng không dây WLAN là một hệ thống các thiết bị nối mạng không thông qua hệ thống cáp kết nối mà thông qua các kênh truyền không dây, sử dụng sóng điện từ.

Mạng WLAN hoạt động dựa trên chuẩn IEEE 802.11 hay được gọi đơn giản là mạng Wi-Fi. Các mốc thời gian quan trọng của mạng không dây: 1985: Ủy ban liên lạc liên bang Mỹ FCC (là cơ quan quản lý viễn thông) cho phép sử dụng 3 băng tần không dây không cần xin phép của chính phủ. Ba dải sóng này còn được gọi là các “băng tần rác” (900 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz), được phân bổ cho các thiết bị sử dụng vào các mục đích ngoài liên lạc, chẳng hạn như lò nướng vi sóng sử dụng các sóng vô tuyến radio để đun nóng thức ăn. 1988: Công ty NCR vì muốn sử dụng dải tần “rác” để liên thông các máy rút tiền qua hệ thống không dây đã liên hệ với tổ chức IEEE, một tiểu ban mới - 802.11 được thiết lập nhằm xác định một tiêu chuẩn cho công nghệ không dây.

1997: Tiểu ban này đã phê chuẩn một bộ tiêu chí cơ bản, cho phép mức truyền dữ liệu 2Mbps, sử dụng một trong 2 công nghệ dải tần rộng là nhảy tần (frequency hopping), tránh nhiễu bằng cách chuyển đổi liên tục giữa các tần số radio; hoặc Direct Sequence Spread Spectrum (phát tín hiệu trên một dải gồm nhiều tần số - DSSS).11b hoạt động trên băng tần 2.4Ghz được phê duyệt. 1999: Do bộ tiêu chuẩn 802.11 quá dài và phức tạp và vấn đề tương thích còn nhiều khó khăn, 6 công ty bao gồm Intersil, 3Com, Nokia, 1 Aironet (về sau được Cisco sáp nhập), Symbol và Lucent liên kết với nhau để tạo ra Liên minh tương thích Ethernet không dây WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Để cho dễ gọi các thiết bị đạt chuẩn tương thích không dây về sau được gọi là Wi-Fi (Wireless Fidelity).11a hoạt động trên băng tần 5.8Ghz được phê duyệt vào tháng 1. Các chuẩn mạng được sử dụng rộng rãi đến nay [4]: 1997: 802.11 Wi-Fi thế hệ đầu tiên, có thể tốc độ 1 Mb/s và 2Mb/s, sử dụng băng tần 2.4Ghz của sóng radio hoặc hồng ngoại.11b Wi-Fi thế hệ thứ hai, tốc độ lên đến 11Mb/s trên băng tần 2.

Ra mắt đồng thời là 802.11a Wi-Fi thế hệ thứ ba, tốc độ đạt đến 54Mb/s hoạt động trên băng tần 5Ghz.11g Wi-Fi thế hệ thứ tư, tốc độ truyền tải 54Mb/s trên băng tần 5Ghz.11n Wi-Fi thế hệ thứ năm tốc độ tối đa 500Mb/s có thể hoạt động trên cả hai băng tần 2.4Ghz và 5Ghz. Nếu router hỗ trợ có thể phát sóng song song.11ac tốc độ tối đa hiện là 1730Mb/s (sẽ còn tiếp tục tăng) chỉ chạy trên băng tần 5Ghz.2 So sánh ưu nhược điểm so với mạng LAN có dây Ưu điểm của mạng không dây với mạng có dây: Ưu điểm đầu tiên cũng là đặc điểm nổi bật của mạng WLAN kết nối không ràng buộc dây nối vật lý. WLAN có tính mềm dẻo cao, khả năng thiết lập nhanh và dễ dàng, có thể đáp ứng tức thì việc gia tăng số lượng người dùng. Nhược điểm của mạng không dây với mạng có dây: Mạng không dây có phạm vi hoạt động nhỏ.

Dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường, của các thiết bị phát sóng khác. Tốc độ truyền dữ liệu vẫn thấp hơn mạng có dây. Mạng không dây dễ bị tổn thương về tính bảo mật.3 Các thành phần của kiến trúc IEEE 802.11 bao gồm 1 số thành phần tương tác với nhau nhằm giúp sự di chuyển của các trạm khác không dây là trong suốt không ảnh hưởng tới các lớp trên, một số các thành phần được đề cập đến trong luận văn là bacsic service set – BSS, independent basic service set – IBSS, extended service set – ESS, cụ thể như sau [3, tr184-187]: BSS: đây là khối cơ bản của kiến trúc 802.11, bao gồm 1 trạm phân phối thường là AP với các máy khách sử dụng chung môi trường truyền. Mỗi một BSS có một tên riêng gọi là SSID được quảng bá cho các máy khách để nhận biết được BSS và tham gia nếu có nhu cầu.

IBSS: đây là thánh phần cơ bản nhất trong kiến trúc 802. Các BSS không có kết nối với nhau thì được gọi là các IBSS. Trong IBSS các máy khách giao tiếp với nhau trực tiếp không qua trạm phân phối AP. Đây là mô hình mạng ad-hoc sử dụng.

ESS: đây là thành phần mở rộng từ các BSS kết nối với nhau thông qua hệ thống phân tán. Hình 1-1 Extended Serivce Set 3 1.2 Giao thức cho mạng WLAN – CSMA/CA 1.1 Giao thức CSMA/CD cho mạng có dây 1.1 Giao thức CSMA CSMA (Carrier-Sense Multiple Access) là một hệ thống quản lý đa truy cập được sử dụng trong mạng không dây đầu tiên ALOHA và rất phổ biến hiện nay với nhiều phiên bản cải tiến. CMSA có nhiều phiên bản giao thức, cụ thể như sau [1]: 1-persistent: thiết bị sẽ cảm nhận kênh truyền trước khi truyền. Nếu đường truyền rỗi thì truyền.

Nếu đường truyền bận thì sẽ tiếp tục nghe đường truyền, đến khi thấy rỗi là truyền ngay (xác suất truyền khi rỗi là bằng 1). P-persistent:Tương tự như 1-persistent, nhưng có điểm khác là khi thấy kênh truyền rỗi, thiết bị sẽ truyền với xác suất p < 1. Non-persistent: thiết bị sẽ cảm nhận kênh truyền trước khi truyền. Nếu đường truyền rỗi thì truyền; Nếu đường truyền bận thì sẽ đợi sau một thời gian ngẫu nhiên được quy định bởi thuật toán back-off và sẽ lặp lại việc nghe kênh truyền.2 Giao thức CSMA/CD Đây là giao thức được sử dụng trong mạng LAN.

Giao thức CSMA/CD được cải tiến từ giao thức CSMA bằng việc thêm vào tính năng phát hiện xung đột trong khi đang truyền, viết tắt là CD (Colission Detection). Khi các trạm có nhu cầu truyền cùng nhận thấy kênh truyền rảnh thì có thể đồng thời bắt đầu truyền, do đó có thể xảy ra xung đột, nếu không phát hiện được xung đột ngay khi xảy ra, các trạm vẫn phát tiếp gói tin cho đến hết và toàn bộ các gói tin đó sẽ phải phát lại, như vậy đường truyền bị sử dụng lãng phí một cách vô ích. Với CSMA/CD, trạm vừa truyền vừa tiếp tục theo dõi đường truyền, khi phát hiện xung đột trạm sẽ ngừng phát ngay và gửi quảng bá (broadcast) một gói tin báo hiệu (gọi là jamming signal) cho các máy trên mạng biết là có xung đột, để các trạm khác không gửi gói tin để tránh gia tăng tắc nghẽn đường truyền, và sẽ tiến hành gửi lại gói tin sau. Khi gói tin bị hỏng do đụng độ thì trạm sẽ truyền lại đến khi truyền thành công hoặc khi đạt đến số lần truyền lại tối đa thì hủy bỏ truyền tin.

Việc truyền lại được quyết định bởi thuật toán “truncated binary exponential backoff”, thuật toán này cho biết khoảng thời gian cần chờ để gửi lại gói tin 4 khi gặp đụng độ. Thời gian chờ được tính là r ngẫu nhiên có giá trị 0 < r < 2k – 1 được chọn sau mỗi lần đụng độ, k = min(n,10). Khi n đạt tới giá trị 16 tức là nỗ lực truyền lại 16 lần vẫn không được thì hủy việc truyền gói tin và bắt đầu một quá trình truyền mới [5]. Ưu điểm của CSMA/CD là đơn giản, mềm dẻo, hiệu quả truyền thông tin cao khi lưu lượng thông tin của mạng thấp.

Điểm bất lợi của CSMA/CD là hiệu suất của mạng sẽ giảm nhanh chóng khi tải đưa vào mạng tăng lên cao.2 Các lý do không thể áp dụng giao thức CSMA/CD cho mạng WLAN Khác với mạng có dây, việc phát hiện đụng độ là điều không khả thi vì trong mạng không dây trạm gửi chỉ có thể truyền và nhận gói tin trên môi trường truyền, nhưng không thể cảm nhận được gói tin truyền trong môi trường như thế nào, độ nhiễu của môi trường cũng ảnh hưởng đến quá trình lắng nghe. Bên cạnh đó muốn phát hiện đụng độ thì cần một bộ thu một bộ phát làm tăng giá thành của thiết bị lên quá cao. Cũng chính vì môi trường truyền dẫn không dây nên có một số vấn đề CSMA/CD không khả dụng như là hiện tượng trạm ẩn, hiện tượng trạm lộ [1].1 Hiện tượng trạm ẩn (Hidden Terminal problem) Đối với mạng không dây, đôi khi có những vị trí mà nút mạng tại đó không thể liên lạc trực tiếp với các nút khác trong mạng. Ta có thể quan sát theo hình 1-2, trạm B có thể liên với cả trạm A và C, nhưng trạm A và C không thể liên lạc trực tiếp với nhau (điều này có thể do khoảng cách giữa chúng quá xa so với khoảng cách từ nút B đến C hoặc đến A, do đó A nằm ngoài vùng thu/phát của C và ngược lại).

Như vậy nút A và C là ẩn đối với nhau. Khi A, C có gói tin cần truyền cho B, cả 2 nút cảm nhận đều thấy đường truyền rỗi. Do đó A và C cùng truyền gói tin đến B, lúc này đụng độ sẽ xảy ra tại B, việc truyền là thất bại mà do A và C không cảm nhận được thấy nhau. Vấn đề này được gọi là hiện tượng trạm ẩn.

5 Hình 1-2 Hiện tượng hidden terminal 1.2 Hiện tượng trạm lộ (Exposed Terminal problem) Hình 1-3 mô tả hiện tượng trạm lộ, đây là hiện tượng một nút tưởng đường truyền bận và dừng truyền tin mà thực tế thì không phải. Ví dụ trạm B đang gửi dữ liệu tới trạm A và trạm C muốn gửi dữ liệu cho trạm D. Nếu sử dụng giao thức CSMA/CD thì C phải đợi đến khi A và B hoàn thành truyền tin (để gửi gói tin cho D) nhưng trạm A và D không nằm trong vùng phủ sóng của nhau nên việc C đợi là không cần thiết, thực tế thì đường truyền giữa C và D là rỗi nên C có thể thực hiện truyền gói tin cho D mà không cần phải chở đợi. Như vậy nút C là exposed với nút B.

Hình 1-3 Hiện tượng exposed terminal 6 1.