Tóm tắt Luận văn Xác minh vị trí cho định tuyến địa lý an toàn trong các mạng cảm biến không dây
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN LAN HƢƠNG
XÁC MINH VỊ TRÍ CHO ĐỊNH TUYẾN ĐỊA LÝ AN TOÀN
TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Ngành
: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành
Mã số
: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ NGUYỄN ĐẠI THỌ
Hà Nội – Năm 2016
MỞ ĐẦU
Việc biết vị trí của các nút cảm biến là rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng
như giám sát môi trường, mục tiêu tấn công, và định tuyến địa lý. Vì mạng cảm biến
không dây có thể được triển khai trong môi trường thù địch, vị trí của cảm biến phải
chịu các cuộc tấn công độc hại. Ví dụ, kẻ tấn công và nút cảm biến có thể thỏa hiệp
để đưa thông tin vị trí sai; chúng cũng có thể làm gián đoạn tín hiệu truyền tải về
khoảng cách giữa các bộ cảm biến gây nhiễu cho các phép đo đạc. Do đó, các vị trí
ước tính trong quá trình định vị không phải luôn luôn đúng.
Theo những nghiên cứu trước đây đã phân loại các thuật toán xác minh vị trí
vào hai loại, cụ thể là xác minh tại chỗ và xác minh khu vực. Xác minh tại chỗ là để
kiểm tra xem vị trí thực sự của một cảm biến tương tự như vị trí dự kiến của nó
(hoặc có lỗi rất nhỏ). Để có được kết quả mong muốn, các thuật toán xác minh tại
chỗ sử dụng kiến thức triển khai các cảm biến trong khu vực hoặc sử dụng một số
phần cứng chuyên dụng để xác định khoảng cách. Vì hiện tại các thuật toán xác
minh thường phụ thuộc vào phần cứng khá là tốn kém, và không có sẵn trong các hệ
thống cảm biến không dây chi phí thấp, nên rất cần có một thuật toán xác minh gọn
nhẹ được thiết kế sao cho hiệu quả có thể thực hiện việc xác minh tại chỗ.
Bên cạnh việc xác minh tại chỗ, một số nỗ lực nghiên cứu cũng được dành cho
việc thiết kế trong các thuật toán xác minh vị trí vùng. Sastry, xác định các khái
niệm về xác minh trong khu vực đầu tiên [1]. Họ cũng đề xuất một giao thức được
đặt tên là “Echo” để xác minh, nếu một bộ cảm biến bên trong một khu vực vật lý
chẳng hạn như một căn phòng, một tòa nhà, hoặc thậm chí là một sân vận động thể
thao. Dựa vào kết quả xác minh, nó có thể quyết định liệu phân công các cảm biến
có truy cập đến một số tài nguyên trong khu vực vật lý đó không. Tuy nhiên, nó
không thể được sử dụng trực tiếp cho các ứng dụng dựa trên sự xác minh khác, bởi
vì vùng xác minh có thể không rõ ràng và cần phải được xác định một cách cẩn thận
bằng cách phân tích chức năng của các ứng dụng. Việc xác minh như vậy làm tăng
chi phí và đòi hỏi thêm những nỗ lực khi triển khai. Trong hệ thống có sử dụng một
Anchor tin cậy có trang bị GPS để xử lý dữ liệu một cách tập trung, nên khi mật độ
mạng dày hơn sẽ xảy ra tình trạng quá tải do dữ liệu xử lý vượt khả năng của
Anchor. Vì vậy, luận văn nghiên cứu và bổ sung thêm các kịch bản tấn công để đánh
1
giá khả năng của các Anchor và VC. Phần trọng tâm của luận văn là áp dụng cơ chế
xác minh an toàn này vào trong xác minh node bị tấn công trong thuật toán vượt
biên Perimeter Forwarding và tránh đường thông qua k-đường dự phòng. Về bố cục,
các phần của luận văn được tổ chức như sau:
Chương 1: Chúng tôi trình bày Tổng quan về cơ sở của đề tài: lý do chúng tôi
chọn đề tài, mục tiêu cụ thể của đề tài, những vấn đề của bài toán xác minh thông tin
vị trí, định tuyến an toàn và đưa ra định hướng nghiên cứu sẽ chọn.
Chương 2: Chúng tôi trình bày về các nghiên cứu Xác minh thông tin vị trí trong
mạng cảm biến không dây, các giải pháp hiện có, ưu nhược điểm của các giải pháp.
Chương 3: Chúng tôi nghiên cứu các giải pháp định tuyến phục hồi dựa trên
thông tin vị trí.
Chương 4: Chúng tôi trình bày phương pháp giải pháp định tuyến k đường
phục hồi đưa ra các hạn chế gặp phải trong quá trình xây dựng và đánh giá kết quả
đạt được khi mô phỏng lại các kịch bản tấn công cho định tuyến phục hồi an toàn
với sự thay đổi các chỉ số độ tin cậy, phân tích khía cạnh an ninh của giải pháp.
Phần cuối: Tổng kết và đưa ra kết luận, những hướng nghiên cứu cần thực hiện
thêm trong tương lai.
2
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI
1.1 Mạng cảm biến không dây (WSN)
Mạng cảm biến không dây (WSN) là một công nghệ mới chỉ một tập hợp số
lượng lớn các thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây phân phối trong không
gian tự trị nhỏ và hợp tác với nhau để giám sát, phản ứng với điều kiện môi trường.
Sau đó gửi các dữ liệu thu thập được tới một trung tâm chỉ huy sử dụng các kênh
không dây. Mạng cảm biến không dây thường được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
bao gồm cả quân sự, thương mại, dân sự, công nghiệp và khoa học. Ví dụ, giám sát
cảnh báo thiên tai, hỗ trợ kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học của côn trùng
hoặc các loài sinh vật nhỏ, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch,
ứng dụng trong ngôi nhà thông minh …
1.1.1 Những thách thức trong WSN
WSNs không giống như các mạng khác, do thường được triển khai hoạt động
để giám sát và trong môi trường thù địch hay gặp phải vì mưa, tuyết, độ ẩm và nhiệt
độ cao. Khi thì sử dụng cho các ứng dụng quân sự như phát hiện bom mìn, giám sát
chiến trường, hoặc theo dõi mục tiêu, điều kiện tiếp tục xấu đi. Trong môi trường
hoạt động độc đáo như vậy, WSNs phải hoạt động tự chủ và do đó nó phải đối mặt
với những thách thức. Một kẻ thù có thể nắm bắt và thỏa hiệp với một hay nhiều bộ
cảm biến.
1.1.2 Vấn đề an ninh trong WSN
Các dạng tấn công
Nhiều cuộc tấn công có thể được đưa ra trong hệ thống định vị và hệ thống xác minh
thông tin vị trí.
Tấn công thay đổi phạm vi: Trong cuộc tấn công này, kẻ tấn công có thể làm
giảm hoặc tăng số đo phạm vi giữa các nút bất kỳ.
Sự mạo danh: Trong cuộc tấn công này, kẻ tấn công đóng vai các nút khác
trong mạng.
Tấn công lỗ sâu: Trong cuộc tấn công này kẻ tấn công tạo ra các gói dữ liệu
tại một vị trí trong mạng và thỏa hiệp với một nút khác sau đó chúng chuyển
thông tin cho nhau thông qua một đường hầm và phát lại thông tin [2].
3
Tấn công Sybil: Trong cuộc tấn công này, kẻ tấn công đã thu nhiều nút, và
sau đó nó có thể là nút thỏa hiệp để giả dạng như một số các nút khác tại
cùng thời gian. Ví dụ, trong hệ thống định vị, một nút thỏa hiệp có thể giả
dạng như một số các cảnh báo (danh tính của họ là tổn hại bởi những kẻ tấn
công), và gửi thông tin sai lệch.
Tấn công tham chiếu vị trí: Trong cuộc tấn công này, kẻ tấn công có thể làm
cho các đèn hiệu phát sóng các địa điểm giả, và/ hoặc có thể bóp méo khoảng
cách giữa các cảnh báo và các nút thông thường (nghĩa là, có thể chứa các
cuộc tấn công thay đổi phạm vi).
Hình 1. Ba kiểu của tấn công tham chiếu vị trí: (1) uncoordinated, (2) collusion, và
(3) pollution attacks. Trong hình chỉ P là vị trí thực.
1.1.3 Những khái niệm cơ bản trong xác minh thông tin vị trí trong WSN
Sự định vị
Thông thường các mạng cảm biến có chứa hai loại nút: các nút thông thường
và các nút Anchor. Các nút thông thường không biết vị trí của họ, và các nút Anchor
biết vị trí của chúng (ví dụ, bằng GPS). Sau đó, quá trình định vị để ước tính các vị
trí của các nút thông thường. Bình thường quá trình định vị có thể được chia thành
hai bước (với một bước lọc tùy chọn), như trình bày trong hình 2:
4
Hình 2 Sự định vị của các nút cảm biến
Định vị an toàn
Định vị an toàn là làm cho quá trình định vị vẫn đúng khi có các cuộc tấn
công. Nó có thể yêu cầu thêm phần cứng để làm thất bại các cuộc tấn công. Việc
phân loại các hệ thống định vị an toàn cũng có thể thực hiện theo phân loại các hệ
thống định vị chung như trên.
Xác minh vị trí
Khi các cơ sở hạ tầng đang quản lý mạng dựa trên sự báo cáo vị trí của cảm
biến, ví dụ, xử lý dữ liệu ràng buộc với các địa điểm hoặc chứng thực dựa trên vị trí
của chúng, cảm biến có thể không tin tưởng những vị trí báo cáo. Chúng ta hãy xem
xét các trường hợp trong hai loại hệ thống định vị.
1.1.4 Định tuyến vị trí trong mạng cảm biến không dây
Định tuyến vị trí truyền thống (Geographic routing - GR)
GR thường bao gồm hai phần: chuyển tiếp địa lý và định tuyến bổ sung cho
việc tránh khoảng trống, còn được gọi là định tuyến bề mặt hay định tuyến vành đai.
Chuyển tiếp địa lý là một thuật toán định tuyến tham lam dựa trên vị trí địa lý. Đối
với một nút đã cho, tất cả hàng xóm của một bước nhảy (one-Hop) gần với đích
thuộc tập chuyển tiếp (FS) cho đích đó. Như đã được hiển thị trong hình 3(a), các
nút chuyển tiếp một gói dữ liệu đến hàng xóm trong FS và gần đích nhất. GR là hấp
dẫn vì nó chỉ đòi hỏi các nút để duy trì vị trí của các hàng xóm của chúng trong một
bước nhảy. Ngoài ra, các quyết định định tuyến có thể được thực hiện một cách địa
phương và tự động như đã nói trước đó.
5
Hình 3: Ví dụ về định tuyến địa lý: (a) X là hàng xóm gần nguồn với sink; (b) các
khoảng trống: X là vị trí ngắn nhất.
1.2 Định hƣớng và mục tiêu của đề tài
Những nghiên cứu về vấn đề an ninh định tuyến trong WSN đã được nhiều
các bài báo tập trung khai thác như chúng tôi cũng đã nói ở phần 1.1. Phần cốt lõi
trong an ninh định tuyến là phải “xác minh được vị trí” có an toàn không trước khi
chuyển sang phần “định tuyến”. Khái niệm xác minh thông tin vị trí của chúng tôi
được định nghĩa là xác định thông tin vị trí mà một node trong mạng WSN gửi đi
đến các node khác có thực sự đúng nằm ở vị trí đó hay không. Việc này rất quan
trọng để xác định được các node bị tấn công Wormhole, mạo danh làm sai lệch vị trí
hay không…và từ đó quyết định gửi hoặc không gửi thêm thông tin đến các node
này. Nghiên cứu về lĩnh vực xác minh này cũng đã có những bài báo [3] [1] [2] đề
xuất, tuy nhiên khi áp dụng vào trong giải thuật GPSR thì chỉ có [4] đề cập qua và
cũng trên quan điểm dựa theo nguyên tắc triangulation [5] cho một mạng Ad-hoc
nói chung. Hơn nữa, hầu hết các bài báo nghiên cứu về xác minh thông tin vị trí chỉ
là các phương pháp tập trung vào xác minh mà không gắn với quá trình định tuyến.
Điều này vô tình làm quá trình định tuyến vẫn tồn tại các lỗ hổng dẫn đến tấn công
làm mạng WSN không thể chuyển được dữ liệu ra ngoài. Dựa trên cách vận dụng sử
dụng phương pháp áp dụng các thuật toán xác minh làm đầu vào trong quá trình
định tuyến, chúng tôi đã tiếp cận theo hướng này. Ngoài ra, chúng tôi vận dụng
phương pháp xác minh vị trí để tìm k đường dự phòng trong thuật toán định tuyến
tìm đường biên khi mạng WSN xuất hiện các vùng void – một trường hợp mà công
6
trình [4] còn bỏ ngỏ. Nói cách khác, trong thuật toán định tuyến GPSR mà [4]
nghiên cứu có hai pha riêng biệt, phần Greedy Forwarding đã được đảm bảo an toàn
thông qua cơ chế RGR, nhưng phần xác minh thông tin vị trí và đảm bảo an toàn
cho định tuyến vòng Perimeter Forwarding khi mạng bị tấn công thì chưa thực hiện
được. Chúng tôi tập trung giải quyết vấn đề này. Như vậy có hai vấn đề chính cần
thực hiện trong nghiên cứu đề tài:
- Xác định phương pháp xác minh thông tin vị trí của node khi quá trình định
tuyến chuyển sang chế độ void: Đánh giá tính hiệu quả của phương pháp cũ và tiến
hành thay bởi phương pháp xác minh mới phù hợp với điều kiện của bài toán.
- Đảm bảo an toàn cho quá trình định tuyến theo đường biên Perimeter
Forwarding.
1.3 Phạm vi của đề tài
Chúng tôi lựa chọn định hướng giải quyết một trường hợp đặc biệt của định
tuyến trong mạng WSN là xác minh thông tin vị trí để định tuyến an toàn trong
mạng WSN khi có xuất hiện void nên chỉ tập trung trình bày những vấn đề liên quan
đến trường hợp này, những vấn đề liên quan đến định tuyến an toàn sẽ được nhắc
đến nhưng không phải là trọng tâm. Do hạn chế về sử dụng thiết bị cũng như một
mô hình mạng toàn diện có đầy đủ các dạng tấn công mới nhất nên chúng tôi chỉ
chọn mô phỏng qua NS2 và đánh giá với những kịch bản tấn công có xuất hiện void
điển hình.
7
CHƢƠNG II: XÁC MINH THÔNG TIN VỊ TRÍ
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Xác minh thông tin vị trí
Xác minh thông tin vị trí là việc xác định thông tin vị trí mà một node trong
mạng WSN gửi đi đến các node khác có thực sự đúng nằm ở vị trí đó hay không.
2.2 Các cuộc tấn công có thể xảy ra và biện pháp đối phó
Thao tác truyền sự định vị
Trong khi một nút không liên quan tới vị trí riêng của nó trong kế hoạch được
đề xuất, nó có thể cố gắng làm ảnh hưởng đến sự định vị bằng cách khai thác các cơ
chế định vị cơ bản.
Tấn công dạng gói Unicast
Một cuộc tấn công có thể cố gắng để ngăn chặn sự đồng thuận giữa các
Anchor bằng cách lừa chúng với truyền tin Unicast khác nhau. Ví dụ, một nút độc
hại có thể gửi các yêu cầu trực tiếp tới các nút Anchor khác nhau bằng việc sử dụng
một mức năng lượng khác nhau cho việc truyền mỗi yêu cầu.
Tấn công di động
Trong tấn công này, một nút độc hại có thể được chứng nhận vị trí hợp lệ và
sau đó chúng di chuyển đến vị trí mới. Do đó, thông tin vị trí được xác nhận không
còn đúng nữa. Tấn công này có thể không dễ dàng ngăn chặn, bởi vì vị trí là chính
xác tại thời điểm xác minh.
Phá hoại các nút định vị
Kế hoạch được mô tả với nhiều giả định rằng sự định vị các nút Anchor là
được tin cậy và không bị làm tổn hại. Đầu tiên, một cuộc tấn công thao tác truyền tin
quảng bá được thử. Thứ hai, ít nhất một nút Anchor có một lỗi hoặc nó đã bị xâm
nhập.
2.3 Các giả sử và mô hình hệ thống
Trong hệ thống của chúng tôi, tất cả các nút cảm biến có thể ước lượng vị trí
của chúng bằng cách sử dụng bất kỳ các chương trình định vị hiện có. Những vị trí
này được gọi là vị trí ước tính của cảm biến hoặc vị trí tuyên bố, và khoảng cách
giữa các vị trí ước tính của cảm biến và vị trí thực sự của nó được gọi là sai số định
8
vị. Phạm vi giao tiếp của một cảm biến được một vòng tròn có tâm tại đúng vị trí
của bộ cảm biến và có một bán kính nhất định.
2.4 Các phƣơng pháp xác minh thông tin vị trí mới
Dựa trên những mục tiêu xác minh, chúng tôi phân loại các giải pháp xác minh
vị trí thành hai loại: xác minh trong khu vực [6] [1] [7] và xác minh vị trí đơn [7]
[8]. Loại 1 là để xác minh rằng cho dù các nút nhân chứng đang ở trong một khu
vực nhất định. Loại 2 là để xác minh rằng cho dù các nút nhân chứng nằm tại các vị
trí nhất định.
2. 4.1 Xác minh tại chỗ
Một số giải pháp được đề xuất dựa trên kỹ thuật biên khoảng cách. Brands và
Chaum đã đề xuất đầu tiên về khoảng cách biên để làm cho các nhân chứng không
thể làm giảm khoảng cách của nó tới người xác minh.
2.4.2 Sự xác minh vị trí đơn
Căn cứ vào số lượng các nút xác nhận tại một thời gian, chúng ta có thể tiếp
tục phân loại các thuật toán xác minh thành hai loại: xác minh hàng loạt [5], [6], [8]
và xác minh nút đơn [9], [10]. Loại xác minh thứ nhất là để xác minh một lô các nút
tại một thời điểm, và sau này là để xác minh từng nút một.
Xác minh hàng loạt: Trong [18] Wei đề xuất hai thuật toán chạy ở một Trung
tâm xác nhận (VC) để xác minh các vị trí của các nút: GFM và TI. GFM là để phát
hiện vị trí cảm biến bất thường dựa trên sự không thống nhất trong bốn ma trận
nguồn
2.4.3 Xác minh vùng In-Region
Trong phần này, Wei đề xuất một thuật toán đơn giản mà VC có thể sử dụng
để thực hiện trong khu vực xác minh. Thuật toán này cũng sử dụng quan sát lân cận
của cảm biến. Về cơ bản, nếu hai cảm biến quan sát nhau, và các VC coi họ là một
cặp "xác nhận" hàng xóm. Sau đó, VC xuất phát một phân phối xác suất mỗi cảm
biến, mà chỉ ra làm thế nào để cảm biến là mỗi điểm trong khu vực này. Chức năng
phân phối có thể là liên tục hay rời rạc. Ở các phiên bản liên tục, trong khu vực tin
cậy được tính bằng cách lấy tích phân của chức năng phân phối trong khu vực xác
minh. Ở phiên bản rời rạc, trong vùng tin tưởng là tổng của các xác suất của tất cả
các điểm trong việc xác minh khu vực.
9
Hình 10 Một hình ảnh về khu vực của nút cảm biến s1 có 3 hàng xóm s2, s3, và s4
2.5 So sánh các giải pháp xác minh vị trí
Chúng tôi liệt kê phân loại các giải pháp hiện có trong hình 4. Một số thuật
toán xác minh đơn vị không cần bất kỳ phần cứng bổ sung. Tuy nhiên, trong khu
vực các thuật toán xác minh thường cần thêm phần cứng để đại diện cho các khu
vực được bảo vệ hoặc xác nhận.
2.6 Lựa chọn phƣơng pháp xác minh thông tin vị trí
Trong số nhiều phương pháp xác minh thông tin vị trí, chúng tôi chọn thiết kế
một hệ thống xác minh sử dụng VC để xác định xem ước tính vị trí của cảm biến có
đáng tin cậy hay không.
2.7 Kết luận
Phương pháp mà chúng tôi chọn đã được phát triển nhưng là một phương
pháp độc lập không được tích hợp vào để giải quyết bài toán định tuyến an toàn.
Chúng tôi kế thừa những ý tưởng này vào giải quyết bài toán xác minh thông tin
trước khi định tuyến và truyền tin để đảm bảo an toàn. Đóng góp chủ yếu của chúng
tôi tại phần này là cố gắng tích hợp phương pháp xác minh vùng cải tiến mới để tìm
cách giảm thiều thời gian phải xác minh, từ đó tăng tốc hoặc tăng tỉ lệ chuyển phát
gói tin của quá trình định tuyến an toàn.
10
CHƢƠNG III: ĐỊNH TUYẾN PHỤC HỒI THEO THÔNG TIN VỊ TRÍ
3.1 GPSR
Dựa trên kết quả của phương pháp xác minh thông tin vị trí bên trên, chúng tôi
tiến hành bước tiếp theo là sử dụng nó phục vụ quá trình định tuyến an toàn. Bây giờ
chúng ta sẽ thảo luận các thuật toán định tuyến tham lam theo các trạng thái biên
GPSR. Đây là thuật toán khởi nguồn được [11] đề xuất, được sử dụng rộng rãi trong
WSN. Thuật toán bao gồm hai phương pháp cho việc chuyển tiếp các gói tin:
chuyển tiếp tham lam, được sử dụng bất cứ nơi nào có thể, và chuyển tiếp chu vi,
được sử dụng trong các khu vực chuyển tiếp tham lam không thể được.
3.1.1 Chuyển tiếp tham lam
Trong GPSR, một nút chuyển tiếp có thể làm cho một tối ưu vị trí, lựa chọn
tham lam trong việc chọn một bước nhảy tiếp theo của gói tin. Cụ thể, nếu một nút
biết vị trí hàng xóm của nó, sự lựa chọn vị trí tối ưu cho bước nhảy tiếp theo là hàng
xóm gần nhất với đính đến của gói. Chuyển tiếp trong chế độ này lặp lại sao cho các
bước nhảy địa lý gần hơn cho đến khi tới vị trí đích. Một ví dụ về sự lựa chọn bước
nhảy tham lam tiếp theo được chỉ ra trong hình 16.
Hình 16. Ví dụ chuyển tiếp tham lam
3.1.2 Quy tắc bàn tay phải
Quy tắc bàn tay phải từ lâu được biết để vượt qua void như hình vẽ được mô tả
trong hình 19. Quy luật này nói rằng khi đến nút x từ nút y, các cạnh tiếp theo đi qua
là một tuần tự tiếp theo ngược chiều kim đồng về x từ mép (x; y). Biết rằng, quy tắc
bàn tay phải đi qua phần bên trong của một khu vực đa giác khép kín theo thứ tự
11
cạnh chiều kim đồng hồ trong trường hợp này, các tam giác được giới hạn bởi các
(
)
cạnh giữa các nút x, y, z, theo thứ tự . Quy tắc đi qua một khu vực
bên ngoài, trong trường hợp này, các khu vực bên ngoài của cùng tam giác, theo thứ
tự cạnh ngược chiều kim đồng hồ.
Hình 19. Quy tắc bàn tay phải
3.1.3 Đồ thị phẳng
Trong các mạng được tạo ra một cách ngẫu nhiên, nó là không thể chấp nhận
cho một thuật toán định tuyến liên tục thất bại nếu chẳng may mô hình mạng rơi vào
trường hợp đặc biệt – điều hoàn toàn có thể xảy ra trong thực tế - là các liên kết trên
đường đi theo quy tắc bàn tay phải có sự đan chéo dẫn đến định tuyến lặp. Bởi sự
bất cập của liên kết dạng đan chéo, Karp trình bày các phương pháp thay thế để loại
bỏ các liên kết chéo trong mạng thông qua đồ thị phẳng.
3.1.4 Kết hợp tham lam và vành đai đồ thị phẳng
Bây giờ chúng ta trình bày đầy đủ về thuật toán định tuyến tham lam theo chu
vi trạng thái, cái mà kết hợp cả chuyển tiếp tham lam (Phần 2.1) trên đồ thị mạng
đầy đủ với chuyển tiếp theo vành đai dựa trên đồ thị mạng được làm phẳng nơi mà
chuyển tiếp tham lam là không thể thực hiện. Nhớ lại rằng tất cả các nút duy trì một
bảng láng giềng, trong đó lưu trữ các địa chỉ và vị trí của các hàng xóm trong phạm
vi phủ sóng 1 bước nhảy.
3.2. Định tuyến an toàn
3.2.1 Khả năng hồi phục GR (Resilient GR)
Mặc dù việc xác minh vị trí có thể ngăn chặn một cuộc tấn công xác định dựa
trên việc làm sai lệch thông tin vị trí một nút bị tổn hại hoặc nguy hiểm có thể vẫn
còn có các gói tin chuyển tiếp một cách có lựa chọn làm gián đoạn việc định tuyến.
12
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đề xuất một giao thức định tuyến đa đường theo
xác suất mà được phục hồi với gói tin bị mất do lỗi hoặc do một âm mưu tấn công.
3.2.2 Quản lý độ tin cậy
Ý tưởng cơ bản của kế hoạch quản lý độ tin cậy của chúng tôi là để ưu tiên
những hành vi của các nút trung thực bằng việc cho chúng sự công nhận với mỗi gói
tin chuyển tiếp thành công, trong khi phạt các nút đáng ngờ được cho là nói dối hoặc
phóng đại sự góp sức vào việc định tuyến. Khi một nút nằm ở vị trí của nó, nó sẽ bị
loại khỏi FS ngay lập tức.
3.2.3. Phân tích và điều chỉnh an ninh (Security analysis and trade-offs)
Bằng các thông điệp chứng thực và mã hóa, chúng ta có thể ngăn chặn một kẻ
thù bên ngoài mà không dùng khóa mật để mạo danh một nút hợp lệ hoặc giải mã
bản mã. Hơn nữa, các đối thủ không thể thay đổi dữ liệu trong quá trình vận chuyển
mà không bị phát hiện.
3.3 Kết luận
Trong nghiên cứu này, ngay từ đầu chúng tôi luôn mong muốn đưa ra được
một giải pháp định tuyến an toàn hoàn chỉnh. Dựa trên bài báo của K.Liu [4] chúng
tôi xác định được phần xác minh thông tin vị trí tác giả có sử dụng ý tưởng xác minh
dựa trên phương pháp Triangulation, phương pháp xác minh tại chỗ này cũng có
nhiều nhược điểm về tốc độ. Do đó chúng tôi tiến hành thay thế bằng thuật toán xác
minh vùng để xác minh độ tin cậy của các node láng giềng trước khi chuyển tin.
Phương pháp này sẽ được kiểm nghiệm tỉ lệ chuyển gói thành công tin cậy trong
phần mô phỏng. Thêm nữa, trong quá trình thực hiện chúng tôi đã cố gắng giải
quyết tình huống Perimeter Forwarding trong định tuyến an toàn bằng cách gửi
broadcast đến k-láng giềng đã xác minh tin cậy sẽ trình bày chi tiết hơn bên dưới.
Chúng tôi cố gằng bổ sung những phần còn hạn chế mà tác giả K.Liu [4] chưa giải
quyết triệt để.Trong phần mã nguồn mô phỏng vì thế mà chúng tôi kế thừa từ mã
nguồn của bài báo này để tiến hành cải tiến.
13
CHƢƠNG IV: GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM
4.1 Bài toán k-đƣờng dự phòng trong Perimeter Forwarding
Việc xác định được thông tin vị trí đảm bảo an toàn là phần cốt lõi chính của
bài toán chúng tôi đánh giá. Bài toán xác minh này chủ yếu được sử dụng để đảm
bảo cho quá trình tiếp theo là định tuyến được thực hiện an toàn. Trong quá trình
nghiên cứu chúng tôi phát hiện ra rằng, khi trong mạng xuất hiện hiện tượng void (
từng một số node nằm trong vùng không thể chuyển được gói tin đến đích theo thuật
toán GPSR thông thường) thì quá trình xác minh và định tuyến gặp trục trặc. B.Karp
đã đưa ra giải pháp dùng Perimeter Forwarding để vượt void. Tức là khi gặp trạng
thái void, thuật toán GPSR sẽ tắt trạng thái chuyển tiếp gói tin tham lam mà chuyển
sang trạng thái dùng thuật toán vượt biên ( xác định đường dựa trên quy tắc bàn tay
phải và planar graph). Nhưng vấn đề lớn nhất với Perimeter Forwarding là định
tuyến an toàn. Không giống như thuật toán tham lam, nó chuyển tin theo dạng
broadcast và gói tin có nhiều đường để tìm đến đích, thuật toán Perimeter
Forwarding chỉ chọn các điểm nằm bên trái nhất theo quy tắc bàn tay phải làm
đường đi định tuyến của mình như hình bên dưới
Hình 24. Đường đi của Perimeter Forwarding bị tấn công
Như vậy nếu chẳng may một node trên đường đi này bị tấn công thì nguy cơ
thông tin không chuyển được đến đích là rất cao. Giải pháp đơn giản của chúng tôi
14
là sử dụng nguyên tắc, khi xác minh nút theo chương 2 ở trên, node không đảm bảo
tin cậy, thì chúng tôi tiến hành bật trạng thái forward đến k-đường dự phòng giúp tối
đa hóa số đường đi mà gói tin có thể đi đến đích. Việc này dĩ nhiên cũng làm tăng
chi phí về băng thông và năng lượng do nhiều node cùng phải làm nhiệm vụ nhưng
mục tiêu vẫn đạt được là gói tin đến được đích. Việc thay đổi này khá đơn giản,
trong mã nguồn của thuật toán Perimeter Forwarding, tiến hành forward đến k láng
giềng đã xác thực của nó. Giá trị k có thể thay đổi tùy theo tỉ lệ gửi thành công của
một vài phiên kiểm nghiệm. Giải pháp có thể minh họa theo hình bên dưới:
Hình 25: Ví dụ cho giải pháp K đường vượt void
4.2 Ý tƣởng và giải thuật
Hầu hết các voids sinh ra do có các nút cực tiểu địa phương (nút cực tiểu địa
phương- local minima là những nút không thể chọn được láng giềng để chuyển tiếp
gói tin)[9]. Mặt khác để tránh được các Voids thì cần tránh các nút cực tiểu địa
phương. Một trong các kỹ thuật để phát hiện khoảng trống là một kỹ thuật
Boundhole. Bằng cách sử dụng một gói tin chuyển dọc theo biên của Voids cho đến
khi quay về nút ban đầu. Như vậy Boundhole sẽ cho ta tập các nút nằm trên biên của
Void.
Hiện tại giải thuật RGR do Kliu đề xuất xác định FS – tập các nút hàng xóm có
khả năng chuyển tiếp gói tin. Tuy nhiên một số nút vẫn có khả năng chuyển tiếp gói
tin, nhưng nằm trên đường biên của Void thì không nên thuộc tuyến. Vì các lý do
như sau:
- Khả năng an toàn của Nút này có thể là thấp.
15
- Giả sử trong trường hợp nút đủ tin cậy để sử dụng trong quá trình định tuyến.
Một khi quá nhiều tuyến cùng lựa chọn nút này để chuyển tiếp gói tin thì sẽ gây đến
tắc nghẽn cho nút biên như thầy Thanh có đưa ra trong Luận văn Phd.
Dựa trên giải thuật định tuyến an toàn kháng lỗi RGR đã được Kliu đề xuất
như vậy để tránh việc tắc nghẽn trên đường biên và có thể vượt qua được các voids
một cách an toàn thì “ Các nút nằm trên biên của Void nên được loại bỏ trước khi
tính xác suất chuyển tiếp một gói tin tới một hàng xóm trong tập FS”.
Sơ đồ giả thuật cho k- path
1: S thiết lập một kênh giao tiếp a
2: S phát gói tin RTS (chứ
3: Các hàng xóm của S nhận được gói ti
thành công thì các hàng xóm sẽ thêm th
đồng thời trả về gói tin C
4: S nhận được gói tin CTS từ hàng xóm
xác minh thành công thì S sẽ thêm th
5: S loại bỏ hết các nút cực tiểu địa phươ
퐹푆′ = 퐹푆 − 푀푆
Trong đó MS – là tập các nút nằm trên b
6: S tiến hành tính xác suất Pi chuyển tiế
nút FS’(푖 ∈ 퐹푆, 푖 = 1 … 푁) và có đủ đ
hàng xóm theo kỹ thuật bá
7. S gửi flood các gói tin tới k hàng xó
8: nút hàng xóm I nhận được gói
4.3 Yêu cầu thiết bị và cấu hình
Tất cả các nghiên cứu thực nghiệm chúng tôi đều tiến hành trên máy tính với
các chương trình mô phỏng bằng phần mềm. Thông số cơ bản của máy tính chúng
tôi dùng là:
16
CPU: Intel Core i5-3210M 2.5 Ghz
RAM: 4 GB
Hệ điều hành: Ubuntu 12.04 LTS Precis Pangolin
Video Card onboard
Để có thể mô phỏng được tất cả các tham số về độ trễ, thời gian gửi tin, độ lớn
mỗi gói, … phải có phần cứng hỗ trợ. Điều mà không khả thi nếu triển khai toàn bộ
các thành phần thiết bị cần thiết như trong nghiên cứu. Vì vậy chúng tôi chọn sử
dụng phần mềm mô phỏng, trong số đó NS-2.35 là công cụ mô phỏng chính. Do đây
là phần mềm miễn phí, hỗ trợ tất cả các chuẩn giao thức cơ bản, hỗ trợ cache, nhiều
thư viện mở rộng và có khả năng tùy biến cách thức gửi tin rất tốt.
4.4 Kịch bản mô phỏng
Chương trình mô phỏng được thực hiện trên NS2, là sự mở rộng của giao thức
GPSR gọi là RGR (resilient geographic routing) cho mạng cảm biến không dây.
Đồng thời thời cũng có một số thay đổi giao thức trong cài đặt IEEE 802.11 để phù
hợp với thí nghiệm. Trong thí nghiệm này 100 cảm biến được triển khai theo lưới 10
× 10 bao phủ một diện tích 200 × 200 m2, trong đó mỗi nút được đặt tại mắt lưới
(đánh số bắt đầu từ 0 đến 99, từ trái sang phải và dưới lên trên). Nút thu nhận dữ liệu
cố định (hoặc đích) nằm ở phía dưới (nút 13). Bảng bên cạnh tóm tắt các tham số
mô phỏng chính. Để so sánh tỉ lệ gói tin đến đích, thí nghiệm sử dụng mô hình kịch
bản ở hình 25.1 gồm 10 nút tấn công (70 đến 74 và 55 đến 59) với nút phát tín hiệu
ở trên cùng (nút 99)
Các thông số sử dụng khi mô phỏng theo bảng dưới đây
Phạm vi phủ sóng R
Băng thông
30m
2Mbps
64B
Gói dữ liệu
Kích thước gói tin
Tốc độ gửi tin
158B
2packets/s
100packets
5s
Độ dài hàng đợi
Chu kỳ gửi gói Hello
Thời gian hoạt động
Giá trị khởi tạo Ti
Công suất gửi
200s
0.5
0.5w
Công suất nhận
0.2w
17
Để xem xét mô hình tấn công khác nhau, chúng tôi sử dụng 5 kịch bản khác
nhau được thể hiện trong hình 26. Trong kịch bản thứ 1, chỉ có một kẻ tấn công nằm
trên con đường ngắn nhất từ nguồn đến đích được xây dựng bởi GPSR. Trong kịch
bản thứ 2, tất cả các nút tạo nên đường ngắn nhất đều là kẻ tấn công. Trong kịch bản
thứ 3, 9 kẻ tấn công tạo thành một bức tường trên mạng và cố gắng chia cắt nguồn
và đích. Với các kịch bản 1-3, chúng tôi cố định ngưỡng là 1.
Kịch bản 4 và 5 có cùng cấu trúc mạng. Kịch bản 4 và 5 sử dụng các giá trị
ngưỡng khác nhau, tương ứng là 0.01 và 0.02. Kịch bản 5 thay đổi thêm trong điều
kiện của ngưỡng. Chúng tôi cũng thay đổi tốc độ dữ liệu và số lượng của các nguồn
thông tin để đánh giá kỹ lưỡng hiệu quả các tác động của quản lý độ tin cậy trong
các thiết lập truyền thông khác nhau.
Hình 26 Mô hình các kịch bản mô phỏng; (a) kịch bản 1, (b) kịch bản 2, (c) kịch bản
3, (d) kịch bản 4 và 5.
4. 5 Kết quả mô phỏng
Tham số đo đạc
Với từng kịch bản sẽ tiến hành đo những tham số thể hiện đặc tính bản chất
của kết quả hướng đến.
18
Với kịch bản xác định tính hiệu quả của phương pháp cũ với mô hình dữ liệu
mới, chúng ta cần xác định được: Tỉ lệ phát hiện sai truy cập hợp pháp là tấn công
trong các trường hợp truy cập thông thường = tỉ lệ truy cập thành công của người
dùng bình thường khi không có tấn công. Phát hiện sai ở đây nghĩa là khi sinh ra dữ
liệu của người dùng bình thường rồi tiến hành thử kết nối đến máy chủ Web thì
phiên truy cập không thành công – do bị bộ lọc ngăn lại.
Với kịch bản xác định tính hiệu quả của phương pháp mới với mô hình dữ liệu
mới chúng tôi tiến hành đo đạc:
Tỉ lệ chuyển tiếp các gói tin đến đích thành công trong các trường hợp có tấn
công
Tỉ lệ chuyển tiếp các gói tin đến đích thành công trong khi thay đổi chỉ số độ
tin cậy.
Tỉ lệ chuyển tiếp các gói tin đến đích thành công trong thay đổi chỉ số độ tin
cậy và tăng số lượng nút nguồn
Hình 27. Kết quả chạy thuật toán định tuyến phục hồi
Bằng cách thay đổi các ngưỡng và số lượng nút nguồn gửi tin đi trên nhiều
tốc độ truyền tin khác nhau chúng tôi có được kết quả như hai đồ thị dưới đây khi
19
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
19420
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Xác minh vị trí cho định tuyến địa lý an toàn trong các mạng cảm biến không dây", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_xac_minh_vi_tri_cho_dinh_tuyen_dia_ly_an_to.pdf
