MỞ ĐẦU • Cơ sở lý thuyết của phương pháp • Nguyên lý hoạt động của phương pháp • Mô phỏng phương pháp phòng chống tấn công trên phần mềm mô phỏng Cooja • Thu thập dữ liệu từ mô phỏng đến đánh giá phương pháp dựa trên một số tiêu chí như: tỉ lệ phát hiện chính xác, chu kỳ thức ngủ của các nút, năng lượng tiêu thụ, tỉ lệ nhận gói tin, độ trễ của gói tin. Cuối cùng, đưa ra các kết luận về các phương pháp, đề xuất giải pháp cải tiến phù hợp, tối ưu nhất với các vấn đề đã đặt ra.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận văn có những đóng góp về mặt ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn như sau: a Ý nghĩa khoa học Việc nghiên cứu các dạng tấn công vào mạng RPL là vô cùng cấp bách và cần thiết. Hiện nay đây là một trong những vấn đề quan tâm hàng đầu trong việc phát triển các ứng dụng IoT. Trong luận văn, từ việc tham khảo, tổng hợp nhiều nguồn tài liệu, các dạng tấn công trong mạng RPL đã được phân loại một cách có hệ thống.
Từng dạng tấn công đều đã được trình bày, phân tích kỹ lưỡng. Từ đó đem lại cái nhìn tổng quan, có hệ thống cho các nghiên cứu sau này. Các phương pháp phòng chống tấn công cũng được nghiên cứu, thực hiện và đánh giá một cách chi tiết, có tính hệ thống. Qua việc mô phỏng các phương pháp này trên phần mềm mô phỏng, luận văn này củng cố thêm tính chính xác, hiệu quả của các phương pháp trước đó.
Ngoài ra, với việc đánh giá chi tiết trên nhiều khía cạnh, luận văn có thể đưa ra nhiều kết luận, đề xuất cải tiến cho các phương pháp nêu trên. Đó là một tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp bảo mật hiệu quả hơn cho sau này. b Ý nghĩa thực tiễn Luận văn kiểm chứng được một phần tính chính xác, hiệu quả của các phương pháp phòng chống tấn công trong mạng cảm biến không dây. Từ đây làm tiền đề để các nhà phát triển chọn lựa phương pháp phù hợp.
Luận văn cũng tiến hành xây dựng nhiều kịch bản mô phỏng tấn công, xây dựng mô hình đánh giá phương pháp toàn diện, đưa ra nhiêu đáng giá, nhận xét và đề xuất hướng phát triển cho từng phương pháp. Điều này giúp cho các dự án thực tế có thể nâng cấp, phát triển các dự án riêng của mình. 3 Chương 2 Cơ sở lý thuyết Trong chương này, luận văn sẽ trình bày những khái niệm cơ bản về các thành phần trong mạng cảm biến không dây, mạng 6LoWPAN và giao thức định tuyến RPL. Trên cơ sở đó, chương 2 sẽ trình bày chi tiết về các dạng tấn công và các phương pháp phòng chống chúng trong mạng RPL.1 Mạng cảm biến không dây 2.1 Khái niệm Mạng cảm biến không dây là một hệ thống mạng gồm một số lượng lớn các nút mạng, liên kết với nhau thông qua các giao thức không dây.
Thông thường mỗi nút mạng sẽ được trang bị các cảm biến để phục vụ mục đích thu thập thông tin, ví dụ như cảm biến ánh sáng, cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm. Các thông tin này sau khi thu thập về có thể sử dụng cho mục đích thu thập thông tin để khảo sát, đánh giá và cải thiện độ hiệu quả của hệ thống. Mạng cảm biến không dây có thể sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, y tế [10, 11]. Các nút trong mạng này thường bao gồm 6 phần [10]: • Bộ vi xử lý: công suất thấp, chuyên xử lý những tác vụ nhẹ nhàng như thu thập dữ liệu, gửi thông tin điều khiển • Cảm biến: cảm biến thu thập những thông tin trong tự nhiên như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất.
Vì các dữ liệu từ các cảm biến rất nhỏ nên phù hợp với các bộ vi xử lý nhỏ, công suất thấp • Bộ nhớ: các bộ nhớ để thực hiện chương trình và lưu trữ thông tin. Tất nhiên là bộ nhớ của các thiết bị này cũng rất hạn chế 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Thiết bị thu phát: bao gồm ăng ten và các mô đun hỗ trợ cho việc truyền nhận thông tin qua sóng radio trên một phạm vi nhỏ • Nguồn năng lượng: thông thường sẽ là các loại pin nhỏ, dung lượng hạn chế. • Hệ điều hành nhúng: phổ biến với các hệ điều hành nhúng như Contiki OS, Tiny OS, FreeRTOS.
Đặc điểm nổi trội của hệ thống Wireless Sensor Network (WSN) là kết nối không dây, dễ dàng lắp đặt và rất thuận tiện cho các dự án quy mô lớn. Bên cạnh đó, WSN cũng gặp rất nhiều trở ngại trong việc đồng bộ một loạt rất nhiều giao thức kết nối trong IoT hiện nay.2 Protocol Stack Hình 2.1 mô tả cấu trúc 5 lớp [12] của WSN: Hình 2.1: Protocol Stack WSN [2] Physical Layer được thiết kế để xử lý việc lựa chọn tần số, mã hóa, phát hiện tín hiệu Data Link Layer Lớp liên kết dữ liệu quản lý việc truyền và nhận dữ liệu giữa các nút cảm biến trong mạng. Nó xử lý các vấn đề liên quan đến truyền dẫn tin cậy và phát hiện lỗi truyền thông. Lớp này sử dụng các giao thức như CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) để quản lý truyền thông trong mạng WS 5 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Network Layer Lớp mạng quản lý việc định tuyến dữ liệu trong mạng WSN. Nó quyết định các đường định tuyến tối ưu để truyền dữ liệu từ các nút cảm biến đến trạm cơ sở hoặc nút điều khiển. Transport Layer Lớp Transport quản lý việc đảm bảo truyền thông tin cậy và đúng thứ tự giữa các nút trong mạng WSN. Nó đảm bảo rằng dữ liệu được chia thành các gói tin, gửi đi và nhận lại một cách đáng tin cậy.
Lớp này có thể sử dụng các giao thức như UDP (User Datagram Protocol) hoặc TCP (Transmission Control Protocol) để quản lý truyền thông đáng tin cậy. Application layer Lớp ứng dụng chứa các ứng dụng cụ thể được triển khai trên mạng WSN, bao gồm các ứng dụng webserver, điều khiển các thiết bị. Ngoài ra, WSN còn được chia ra quản lý bởi 3 lớp: Power Management Plane Quản lý cách các nút cảm biến sử dụng nặng lượng của nó và quyết định năng lượng tiêu thụ của việc đo lường với cảm biến, giao tiếp và tính toán Mobility Management Plane Phát hiện sự chuyển động của các nút để liên tục cập nhật trạng thái của mạng. Từ đó, giao tiếp giữa các nút luôn được duy trì để đáp ứng những yêu cầu cần thiết Task Management Plane Quản lý việc thực hiện các nhiệm vụ của các nút, phân bổ các công việc một cách hợp lý cho các nút trong mạng.2 Giao thức định tuyến RPL 2.1 Low Power and Lossy Network (LLN) Một trong những loại mạng thường xuất hiện trong mạng cảm biến không dây là mạng mất mát công suất thấp - Low power and Lossy Network (LLN).
Đây là mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều thiết bị nhúng với đặc điểm của các thiết bị này là công suất thấp tiết kiệm năng lượng, hạn chế bộ nhớ phần cứng, khả năng xử lý dữ liệu thấp và dĩ nhiên là chúng kết nối với nhau thông qua giao thức không dây như IEEE 802.2 Mạng 6LoWPAN 6LoWPAN là một lý thuyết và một tiêu chuẩn mạng không dây cho các thiết bị mạng có tài nguyên hạn chế, như các cảm biến và thiết bị nhúng, sử dụng giao thức IPv6 (Internet Protocol version 6). Tên gọi "6LoWPAN"được viết tắt từ "IPv6 over 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Low-Power Wireless Personal Area Network", nghĩa là "IPv6 qua mạng không dây cá nhân tiết kiệm năng lượng". Đặc điểm chung của các thiết bị này là có khả năng tích hợp vi xử lý và giao tiếp mạng, nhưng có tài nguyên bộ nhớ, băng thông và năng lượng hạn chế.
6LoWPAN giải quyết các thách thức của việc triển khai IPv6 trong mạng không dây cá nhân (WPAN) với sự hạn chế về tài nguyên. Một số yếu tố quan trọng trong lý thuyết 6LoWPAN bao gồm: 1. Nén địa chỉ IPv6: 6LoWPAN sử dụng kỹ thuật nén địa chỉ để giảm kích thước gói tin IPv6. Việc nén này giúp tiết kiệm không gian địa chỉ, giảm băng thông và tiết kiệm năng lượng.
Header Compression: Giao thức 6LoWPAN áp dụng kỹ thuật nén header IPv6 để giảm kích thước gói tin. Thay vì truyền toàn bộ header IPv6, chỉ các trường quan trọng được truyền đi và các trường dư thừa được loại bỏ. Thực hiện Fragmentation và Reassembly: Do kích thước tối đa của một gói tin trong mạng WPAN có thể nhỏ hơn kích thước gói tin IPv6 tiêu chuẩn, 6LoWPAN sử dụng phương pháp tách và ghép gói tin (fragmentation và reassembly) để truyền dữ liệu qua mạng. Định dạng gói tin: 6LoWPAN định nghĩa các định dạng gói tin để chuyển đổi giữa định dạng gói tin 6LoWPAN và IPv6 tiêu chuẩn.
Các định dạng này cho phép các thiết bị nhúng và cảm biến tương tác với các 2.3 IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Net- works Giao thức định tuyến RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) là một giao thức định tuyến được thiết kế đặc biệt cho mạng cung cấp năng lượng thấp và dễ mất kết nối (Low-Power and Lossy Networks - LLNs). LLNs thường được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây, mạng truyền thông trong nhà thông minh và các ứng dụng Internet of Things (IoT), nơi các thiết bị có tài nguyên hạn chế và mạng có đặc tính mất kết nối thường xuyên. CƠ SỞ LÝ THUYẾT RPL là một giao thức định tuyến tiêu chuẩn được phát triển bởi IETF (Internet Engineering Task Force) để cung cấp việc định tuyến hiệu quả trong LLNs. Nó hướng tới việc tiết kiệm năng lượng, cải thiện hiệu suất mạng và đảm bảo tính linh hoạt.
[16] Một số đặc điểm quan trọng của RPL bao gồm: 1. Tiết kiệm năng lượng: RPL được thiết kế để làm việc trên các thiết bị có năng lượng hạn chế. Nó tối ưu hóa việc truyền thông và định tuyến để giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng. Định tuyến linh hoạt: RPL hỗ trợ nhiều phương pháp định tuyến như định tuyến theo vectơ đường (destination-oriented routing), định tuyến đơn hàng xóm (next- hop routing) và định tuyến trực tiếp (source routing).
Điều này cho phép RPL thích ứng với các mô hình mạng khác nhau và tối ưu hóa hiệu suất định tuyến. Điều chỉnh độ trễ và sự ổn định: RPL sử dụng cơ chế đánh giá độ trễ và sự ổn định của các liên kết để định tuyến thông qua các đường dẫn tốt nhất. Nó đáp ứng tự động với sự thay đổi trong môi trường mạng và đảm bảo việc truyền thông ổn định. Khả năng mở rộng: RPL có khả năng mở rộng tốt, cho phép mạng mở rộng lên hàng ngàn nút.