Tài liệu Chống tấn công gây nghẽn mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ QUANG DŨNG CHỐNG TẤN CÔNG GÂY NGHẼN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ QUANG DŨNG CHỐNG TẤN CÔNG GÂY NGHẼN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Đình Việt Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn “Chống tấn công gây nghẽn mạng cảm biến không dây” là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Đình Việt. Các số liệu đƣợc trình bày trong luận văn do tôi tự thực hiện mô phỏng, đo đạc. Tác giả luận văn Lê Quang Dũng 4 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đình Việt, thầy đã gợi ý đề tài, tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo đồng thời cung cấp các tài liệu quý liên quan trong quá trình tác giả thực hiện luận văn. Đồng thời, tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô đã chỉ dạy kiến thức, phƣơng pháp và truyền cảm hứng nghiên cứu khoa học cho tác giả trong quá trình học tập tại trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận văn Lê Quang Dũng 5 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 4 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 5 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................................... 9 Danh mục các bảng ..................................................................................................... 10 Danh mục các hình vẽ ................................................................................................. 11 LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 12 CHƢƠNG 1 –TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ AN NINH TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........................................................... 14 1.1. GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY........................................................... 14 1.1.1. Khái niệm mạng cảm biến không dây.......................................................................... 14 1.1.2. Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây ................................................................... 15 1.1.2.1. Khả năng chống chịu lỗi ........................................................................ 15 1.1.2.2. Khả năng mở rộng ................................................................................. 15 1.1.2.3. Giá thành sản xuất ................................................................................. 16 1.1.2.4. Môi trƣờng hoạt động ............................................................................ 16 1.1.2.5. Kiến trúc mạng ...................................................................................... 16 1.1.2.6. Giới hạn về phần cứng........................................................................... 17 1.1.2.7. Phƣơng tiện truyền thông ...................................................................... 18 1.1.2.8. Năng lƣợng tiêu thụ ............................................................................... 19 1.1.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng của mạng cảm biến không dây ................................ 19 1.2. AN NINH TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................................... 21 1.2.1. Khó khăn đối với việc đảm bảo an ninh cho mạng cảm biến không dây ................. 21 1.2.1.1. Tài nguyên hạn chế ............................................................................... 21 1.2.1.2. Truyền thông không tin cậy................................................................... 22 1.2.1.3. Không thể giám sát hoạt động ............................................................... 23 1.2.2. Yêu cầu đối với an ninh mạng cảm biến không dây................................................... 24 1.2.2.1. Bí mật dữ liệu ........................................................................................ 24 1.2.2.2. Toàn vẹn dữ liệu .................................................................................... 24 1.2.2.3. Tính cập nhật ......................................................................................... 25 6 1.2.2.4. Tính sẵn sàng ......................................................................................... 25 1.2.2.5. Tính tự tổ chức ...................................................................................... 25 1.2.2.6. Đồng bộ thời gian .................................................................................. 26 1.2.2.7. Bảo mật vị trí ......................................................................................... 26 1.2.2.8. Xác thực................................................................................................. 26 1.2.3. Một số nguy cơ đối với an ninh mạng cảm biến không dây ...................................... 26 1.2.3.1. Tấn công từ chối dịch vụ ....................................................................... 27 a. Tấn công ở lớp vật lý ...................................................................................... 27 b. Tấn công ở lớp liên kết dữ liệu ....................................................................... 27 c. Tấn công ở lớp mạng ...................................................................................... 27 d. Tấn công ở lớp giao vận ................................................................................. 28 1.2.3.2. Tấn công kiểu phù thủy - Sybil ............................................................. 28 1.2.3.3.Tấn công phân tích lƣu lƣợng................................................................. 28 1.2.3.4. Tấn công nhân bản nút .......................................................................... 29 1.2.3.5. Tấn công chống lại dữ liệu riêng tƣ ...................................................... 29 1.2.3.6. Tấn công vật lý ...................................................................................... 30 1.3. TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGUY CƠ TẤN CÔNG GÂY NGHẼN ........................................................................................................ 30 1.3.1. Chồng giao thức.............................................................................................................. 31 1.3.2. Nguy cơ tấn công gây nghẽn ......................................................................................... 32 CHƢƠNG II - TẤN CÔNG GÂY NGHẼN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..... 34 2.1. MỘT SỐ NÉT VỀ LỊCH SỬ TẤN CÔNG GÂY NGHẼN............................................. 34 2.2. MỘT SỐ KỸ THUẬT TẤN CÔNG GÂY NGHẼN ........................................................ 34 2.2.1. Gây nghẽn điểm - Spot Jamming ................................................................................. 35 2.2.2. Gây nghẽn quét - Sweep Jamming ............................................................................... 35 2.2.3. Gây nghẽn chặn - Barrage Jamming ............................................................................ 35 2.2.4. Gây nghẽn lừa đảo - Deceptive Jamming .................................................................... 35 2.3. MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ GÂY NGHẼN ...................................................................... 36 2.3.1. Thiết bị gây nghẽn liên tục............................................................................................. 37 2.3.2. Thiết bị gây nghẽn lừa đảo............................................................................................. 37 2.3.3. Thiết bị gây nghẽn ngẫu nhiên ...................................................................................... 37 2.3.4. Thiết bị gây nghẽn phản ứng ......................................................................................... 38 7 CHƢƠNG III–CHỐNG TẤN CÔNG GÂY NGHẼN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .............................................................................................................. 39 3.1. BIỆN PHÁP ĐỐI PHÓ TẤN CÔNG GÂY NGHẼN....................................................... 39 3.1.1. Điều chỉnh năng lƣợng truyền ....................................................................................... 39 3.1.2. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần - FHSS ................................................................................ 39 3.1.3. Kỹ thuật trải phổ trực tiếp - DSSS ................................................................................ 40 3.1.4. Phƣơng pháp lai FHSS/DSSS ....................................................................................... 41 3.1.5. Ultra Wide Band Technology ....................................................................................... 42 3.1.6. Phân cực Antena - Antenna Polarization ..................................................................... 42 3.1.7. Truyền tải định hƣớng - Directional Transmission ..................................................... 43 3.2. MỘT SỐ PHƢƠNG ÁN AN NINH CHỐNG TẤN CÔNG GÂY NGHẼN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................................................................................... 43 3.2.1. Các kỹ thuật phát hiện tấn công .................................................................................... 44 3.2.1.1. Tính khả thi của khởi động và phát hiện tấn công gây nghẽn trong mạng cảm biến không dây................................................................................................................................... 44 3.2.1.2. Phát hiện nhiễu vô tuyến trong mạng cảm biến không dây .................................... 48 a. Phƣơng pháp phát hiện nhiễu vô tuyến RID .................................................. 48 b. Phƣơng pháp phát hiện nhiễu vô tuyến đơn giản RID-B ............................... 53 3.2.2. Biện pháp đối phó chủ động.......................................................................................... 55 3.2.2.1. Biện pháp đối phó chủ động sử dụng phần mềm ..................................................... 56 a.Tấn công gây nghẽn ở lớp liên kết có hiệu quả năng lƣợng chống lại giao thức MAC của mạng WSN (Energy-Efficient Link-Layer Jamming Attacks against WSN MAC Protocols) ........................................................................................ 56 b. Chống tấn công gây nghẽn hiệu quả năng lƣợng – DEEJAM (Defeating Energy-Efficient Jamming) ................................................................................ 57 3.2.2.2. Biện pháp đối phó chủ động phối hợp phần cứng và phần mềm ........................... 60 3.2.3. Các biện pháp đối phó phản ứng................................................................................... 62 3.2.3.1. Biện pháp đối phó phản ứng sử dụng phần mềm .................................................... 62 3.2.3.2. Biện pháp đối phó phản ứng kết hợp phần cứng-phần mềm.................................. 63 a. Lƣớt kênh và rút lui không gian - Channel Surfing and Spatial Retreat ........ 63 b. Các kỹ thuật chống làm nghẽn dựa trên lỗ sâu cho mạng WSN (WormholeBased Anti-Jamming Techniques in Sensor Networks) ..................................... 64 8 3.2.3.3.Các giải pháp dựa trên tác tử di động........................................................................ 65 a. Phát hiện và chống tấn công làm nghẽn trong mạng WSN sử dụng hệ thống kiến65 b. JAID: Thuật toán dùng cho tổng hợp dữ liệu và tránh làm nghẽn cho mạng WSN ................................................................................................................... 66 3.3. SO SÁNH CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỐNG TẤN CÔNG GÂY NGHẼN .................. 67 CHƢƠNG IV – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..................................... 69 4.1. CÔNG CỤ MÔ PHỎNG NS2 .............................................................................................. 69 4.1.1. Giới thiệu và lịch sử phát triển bộ công cụ NS2 ......................................................... 69 4.1.2. Cấu trúc bộ công cụ mô phỏng NS2............................................................................. 70 4.1.3. Đặc điểm của bộ công cụ mô phỏng NS2 ................................................................... 70 4.2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH PHÁT HIỆN VÀ CÔ LẬP KHU VỰC BỊ TẤN CÔNG GÂY NGHẼN........................................................................................................................................... 71 4.3. THỰC HIỆN MÔ PHỎNG................................................................................................... 72 4.3.1. Kịch bản mô phỏng ........................................................................................................ 72 4.3.2. Kết quả mô phỏng .......................................................................................................... 73 4.3.2.1. Thông lượng mạng ...................................................................................................... 73 4.3.2.2. Năng lượng tiêu thụ trung bình cho 1 gói tin đến đích............................................ 74 4.3.3. Đánh giá kết quả ............................................................................................................. 74 4.3.4. Kết luận............................................................................................................................ 75 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO ........................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 79 9 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Thuật ngữ,chữ viết tắt Tiếng Anh Giải thích tiếng việt RF Radio Frequency Sóng vô tuyến FHSS Frequency-hopping spread spectrum Kỹ thuật trải phổ nhảy tần DSSS Direct-sequence spread spectrum Kỹ thuật trải phổ trực tiếp WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây WMSN Wireless Multimedia Sensor Network Mạng cảm biến không dây đa phƣơng tiện WINS Wireless Intergrated Network Sensor Mạng cảm biến không dây tích hợp RFI Radio-Frequency Interference Nhiễu tần số vô tuyến 10 Danh mục các bảng Bảng 3.1: Các kịch bản phát hiện tấn công gây nghẽn dựa vào tỷ lệ phân phối gói tin kết hợp với phép đo cƣờng độ tín hiệu. .........................................................................45 Bảng 4.1: Một số thông số mô phỏng............................................................................73 Bảng 4.2: Năng lƣợng tiêu thụ trung bình của mạng trong 3 trƣờng hợp mô phỏng ....74 11 Danh mục các hình vẽ Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây ............................................................................14 Hình 1.2: Thành phần cấu tạo của nút cảm biến ...........................................................17 Hình 1.3: Nút cảm biến TelosB .....................................................................................22 Hình 1.4: Chồng giao thức của mạng cảm biến không dây ..........................................31 Hình 3.1: Trình tự thời gian của giai đoạn phát hiện HD-ND ......................................49 Hình 3.2: Năng lƣợng cảm nhận biến đối trong khoảng thời gian T1. .........................50 Hình 3.3: Năng lƣợng trong khoảng thời gian T2 cao hơn nhiễu môi trƣờng ..............51 Hình 3.4: Trƣờng hợp không thể phát hiện sự chồng chéo ...........................................51 Hình 3.5: Gây nghẽn gián đoạn, khởi động khi nhận đƣợc tín hiệu SFD .....................58 Hình 3.6: Gây nghẽn tích cực ........................................................................................58 Hình 3.7: Quét kênh để xác định hoạt động, gây nghẽn tiếp theo đƣợc xác định trên kênh Cj+1 ........................................................................................................................59 Hình 3.8: Phát hiện và lập bản đồ khu vực bị tấn công gây nghẽn ...............................63 Hình 4.1: Mức độ phổ biến của bộ công cụ mô phỏng NS2 .........................................69 Hình 4.2: Kiến trúc hai ngôn ngữ của bộ công cụ mô phỏng NS2 ...............................70 Hình 4.3: Sơ đồ mạng mô phỏng ...................................................................................72 Hình 4.4: Biểu đồ thông lƣợng mạng trong các trƣờng hợp mô phỏng ........................73 Hình 4.5: Biểu đồ năng lƣợng tiêu thụ của mạng trong các trƣờng hợp mô phỏng ......74 12 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, mạng không dây và mạng cảm biến không dây đang đƣợc nghiên cứu, ứng dụng nhiều công nghệ mới, nâng cao hiệu năng hoạt động, có khả năng cảm biến, thu thập và xử lý thông tin phục vụ cho nhiều nhiệm vụ phức tạp trong các lĩnh vực của đời sống nhƣ cảm biến cháy rừng, cảm biến sức khỏe,… Tuy nhiên, các công nghệ, kỹ thuật mới chủ yếu đƣợc nghiên cứu với mục đích nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng cảm biến không dây, tiết kiệm năng lƣợng, nâng cao hiệu quả cảm biến,… mà chƣa có nhiều nghiên cứu về việc đảm bảo an toàn thông tin cho mạng cảm biến không dây. Điểm yếu của mạng không dây nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng là vấn đề đảm bảo an toàn thông tin. Do đặc tính truyền dữ liệu trong không gian, không giới hạn về mặt không gian (mọi thiết bị thu nằm trong vùng phủ sóng đều có thể bắt đƣợc tín hiệu) nên vấn đề đảm bảo an toàn thông tin cho mạng cảm biến không dây trở nên khó khăn hơn, trong đó tấn công gây nghẽn là mối đe dọa lớn nhất đối với mạng cảm biến không dây, nó sẽ phá hoại hoạt động bình thƣờng của các nút cảm biến, gây sai lệch các kết quả cảm biến hoặc có thể làm tê liệt hoàn toàn mạng cảm biến không dây. Đề tài “Chống tấn công gây nghẽn mạng cảm biến không dây” nhằm mục tiêu cung cấp nền tảng kiến thức cơ bản về mạng cảm biến không dây (WSN), một số giao thức đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến không dây, một số kỹ thuật tấn công gây nghẽn và dạng thiết bị gây nghẽn, nguyên lý hoạt động và kết quả mô phỏng một số phƣơng pháp bảo vệ mạng cảm biến không dây chống lại tấn công gây nghẽn. Phân tích, đánh giá và đề xuất mô hình kỹ thuật chống tấn công gây nghẽn, nâng cao hiệu quả bảo vệ mạng cảm biến không dây. Luận văn đƣợc xây dựng theo khuôn mẫu quy định của trƣờng Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN; Luận văn gồm 4 chƣơng chính, ngoài ra còn có các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các chƣơng, đánh giá các kết quả đã đạt đƣợc, đồng thời đƣa ra các định hƣớng nghiên cứu, phát triển tiếp theo. Nội dung các chƣơng đƣợc tóm tắt nhƣ sau: Chƣơng I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và an toàn thông tin trong mạng cảm biến không dây Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc và ứng dụng của mạng cảm biến không dây, vấn đề đảm bảo an toàn thông tin trong mạng 13 cảm biến không dây; Trình bày về một số vấn đề truyền thông trong mạng cảm biến không dây và các đặc điểm làm cho chúng dễ bị tấn công gây nghẽn. Chƣơng II: Tấn công gây nghẽn trong mạng cảm biến không dây Trình bày một số vấn đề tổng quan về tấn công gây nghẽn trong mạng cảm biến không dây, một số kỹ thuật gây nghẽn, các dạng thiết bị gây nghẽn và một số phƣơng pháp tấn công gây nghẽn chống lại mạng cảm biến không dây. Chƣơng III: Chống tấn công gây nghẽn mạng cảm biến không dây Trình bày một số phƣơng pháp, kỹ thuật đã đƣợc nghiên cứu, triển khai để chống lại tác động của các loại tấn công gây nghẽn. Phân tích, đánh giá các ƣu nhƣợc điểm chính của các phƣơng pháp chống tấn công gây nghẽn. Chƣơng IV: Mô phỏng và đánh giá kết quả Trình bày tổng quan về công cụ mô phỏng mạng NS2, mô hình mô phỏng và phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng tấn công gây nghẽn liên tục mạng cảm biến không dây. Đề xuất ứng dụng ý tƣởng của phƣơng pháp phát hiện tấn công gây nghẽn và lập bản đồ vùng bị tấn công để đối phó. Đánh giá hiệu quả bằng các số liệu định lƣợng. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã cố gắng hết sức để hoàn thiện các nội dung kiến thức và số liệu trong luận văn, song luận văn chắc chắn vẫn còn những hạn chế nhất định, tác giả mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp để vấn đề nghiên cứu này có thể phát triển hoàn thiện hơn. Tác giả: Lê Quang Dũng 14 CHƢƠNG 1 –TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ AN NINH TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1.1. Khái niệm mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây - WSN (Wireless Sensor Network) là mạng bao gồm các thiết bị cảm biến liên kết với nhau qua kết nối không dây (vô tuyến, hồng ngoại, quang học,…) đƣợc triển khai bên trong hoặc rất gần với đối tƣợng để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin phân tán về đối tƣợng mục tiêu. Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây Số lƣợng nút cảm biến thƣờng rất lớn, đƣợc triển khai trong một khu vực nhất định, vị trí của các nút cảm biến không cần phải đƣợc thiết kế hoặc đƣợc xác định trƣớc. Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các khu vực địa hình không thể tiếp cận đƣợc hoặc các hoạt động cứu trợ thiên tai. Mặt khác, điều này cũng đòi hỏi giao thức mạng cảm biến và thuật toán phải có khả năng tự tổ chức. Một tính năng độc đáo của mạng cảm biến là các nút cảm biến nỗ lực hợp tác với nhau trong quá trình thu thập và truyền dữ liệu. Các nút cảm biến đƣợc trang bị một bộ xử lý riêng. Thay vì gửi các dữ liệu thô đến các nút tổng hợp dữ liệu, các nút cảm biến sử dụng khả năng xử lý của mình để thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền đi các dữ liệu cần thiết đã đƣợc xử lý một phần. 15 Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc sử dụng trong các ứng dụng thực hiện giám sát và ghi nhận các thông tin nhạy cảm (ví dụ nhƣ thu thập thông tin chiến trƣờng, giám sát khu vực an toàn và phát hiện mục tiêu). Ngày nay, với sự phổ biến và giảm giá thành của các thiết bị cảm biến hình ảnh và âm thanh đã hình thành một thế hệ mạng cảm biến không dây mới là mạng cảm biến không dây đa phƣơng tiện (WMSNs). WMSNs cho phép thu thập các dữ liệu âm thanh và hình ảnh và dữ liệu cảm biến vô hƣớng từ các nút đƣợc triển khai. Do đó, chúng đƣợc sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng bảo vệ và an ninh nhƣ hệ thống giám sát theo dõi các khu vực an toàn, giám sát bệnh nhân, giám sát trẻ em... . Các ứng dụng này yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cao vì ngay cả một sự gián đoạn về thời gian của luồng dữ liệu tích hợp cũng có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Do đó, rõ ràng là tầm quan trọng của WSN làm tăng các mối quan tâm an ninh, đặc biệt là an ninh đối với các hoạt động gây nghẽn. 1.1.2. Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây [1] Do những đặc điểm về kiến trúc và môi trƣờng hoạt động nên thiết kế mạng cảm biến không dây cần phải quan tâm đến nhiều yếu tố nhƣ: khả năng chống chịu lỗi, khả năng mở rộng, giá thành sản xuất, môi trƣờng hoạt động, kiến trúc mạng, ràng buộc phần cứng, giao thức truyền thông và điện năng tiêu thụ. 1.1.2.1. Khả năng chống chịu lỗi Trong quá trình hoạt động của mạng, một vài nút cảm biến hoàn toàn có thể ngừng hoạt động do hỏng hóc bất ngờ, do hết năng lƣợng hoặc do cản trở của môi trƣờng. Việc ngừng hoạt động của một hoặc một vài nút cảm biến không đƣợc làm ảnh hƣởng đến hoạt động chung của toàn bộ mạng cảm biến. Đây chính là tính tin cậy hay còn gọi là tính chống chịu lỗi của mạng cảm biến không dây. Chống chịu lỗi là khả năng đảm bảo các chức năng hoạt động bình thƣờng của mạng khi có những hƣ hỏng ở các nút cảm biến. 1.1.2.2. Khả năng mở rộng Số lƣợng các nút cảm biến đƣợc triển khai trong nghiên cứu một sự kiện có thể lên đến hàng trăm hay hàng nghìn nút. Tùy theo ứng dụng, số lƣợng các cảm biến có thể lên tới hàng triệu nút. Mô hình mới phải có khả năng làm việc với số lƣợng nút này. Chúng cũng phải làm việc đƣợc với mật độ lớn của mạng cảm biến. Mật độ nút có thể từ vài nút tới vài trăm nút trong một khu vực có đƣờng kính nhỏ hơn 10m. Mật độ của mạng cảm biến có thể đƣợc tính theo công thức: µ(R) = (N*πR2)/A 16 Trong đó: N là số nút cảm biến trong khu vực có diện tích là A R là bán kính phạm vi truyền dẫn của nút. Nhƣ vậy, µ(R) có thể đƣợc hiểu là số nút cảm biến nằm trong phạm vi truyền dẫn của mỗi nút khác trong khu vực A. 1.1.2.3. Giá thành sản xuất Do mạng cảm biến đƣợc triển khai với số lƣợng nút cảm biến thƣờng là rất lớn, giá thành của mỗi nút là một yếu tố rất quan trọng để quyết định giá thành triển khai của toàn bộ mạng. Nếu giá thành triển khai của mạng cao hơn giá thành triển khai bằng các nút mạng truyền thống, mạng cảm biến là không có chi phí hợp lý. Do đó, giá thành của mỗi nút cảm biến phải đƣợc giữ ở mức càng thấp càng tốt. Công nghệ mới nhất cho phép một hệ thống thu phát Bluetooth với giá thấp hơn 10 đô la. Ngoài ra, giá của một piconode (nút cảm biến đƣợc xây dựng trên nền tảng CMOS sử dụng công nghệ truyền thông không dây năng lƣợng siêu thấp với các thành phần đƣợc hoán đổi cho nhau tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng) có mục tiêu là nhỏ hơn 1 đô la. Giá của một nút cảm biến cần phải thấp hơn 1 đô la để mạng cảm biến trở nên khả thi. Bộ thu phát Bluetooth đƣợc biết đến nhƣ là thiết bị có giá thành thấp nhƣng vẫn đắt hơn 10 lần so với giá mục tiêu của nút cảm biến. 1.1.2.4. Môi trường hoạt động Nút cảm biến đƣợc triển khai dày đặc rất gần hoặc ngay bên trong đối tƣợng quan sát. Thêm vào đó, chúng cũng phải làm việc trong các khu vực mà con ngƣời không thể trực tiếp quản lý, kiểm soát và vận hành. Chúng có thể làm việc bên trong các máy móc, thiết bị lớn, ở dƣới đáy biển, trong đối tƣợng sinh học hoặc vùng bị ô nhiễm hóa học, trong khu vực chiến sự bị kiểm soát bởi đối phƣơng và trong tòa nhà lớn. 1.1.2.5. Kiến trúc mạng Từ vài trăm đến vài nghìn nút cảm biến có thể đƣợc đƣợc triển khai trong các khu vực cảm biến. Chúng có thể đƣợc triển khai với mỗi nút trong phạm vi tới 3,048m (10 feet). Mật độ nút cảm biến cũng có thể cao tới 10 nút/m3. Triển khai mật độ nút lớn đòi hỏi sự vận hành chặt chẽ trong bảo trì kiến trúc mạng. Chúng ta xem xét vấn đề bảo trì và thay đổi kiến trúc mạng theo ba giai đoạn: - Giai đoạn trƣớc và trong khi triển khai: Các nút cảm biến có thể đƣợc triển khai theo từng cụm hoặc từng nút trong khu vực cảm biến. Chúng có thể 17 đƣợc triển khai bằng cách thả từ máy bay, bắn nhƣ đạn pháo, hỏa tiễn hoặc tên lửa và có thể do con ngƣời hay robot triển khai từng cái một. - Giai đoạn sau khi triển khai: Sau khi triển khai, kiến trúc mạng thay đổi do thay đổi vị trí nút, khả năng tiếp cận (do bị gây nghẽn, nhiễu, do cản trở di chuyển,…), năng lƣợng còn lại, sự trục trặc và đặc điểm nhiệm vụ. - Giai đoạn tái triển khai hoặc bổ sung nút: Bổ sung thêm các nút cảm biến có thể đƣợc triển khai bất kỳ lúc nào để thay thế các nút bị hỏng hoặc do sự thay đổi của nhiệm vụ. 1.1.2.6. Giới hạn về phần cứng Hình 1.2: Thành phần cấu tạo của nút cảm biến Một nút cảm biến cơ bản bao gồm 4 thành phần chính đƣợc thể hiện trong hình 2 gồm: khối cảm biến (Sensing unit), khối xử lý (Processing unit), khối truyền nhận (Transceiver) và khối năng lƣợng (Power unit). Ngoài ra, một số dạng ứng dụng cũng đòi hỏi các cảm biến có thêm các thành phần nhƣ hệ thống định vị (Location finding system), bộ phát điện (Power generator) và bộ phận di chuyển (Mobilizer). Bộ phận cảm biến thƣờng đƣợc cấu tạo từ 2 thành phần gồm: cảm biến và bộ biến đổi tƣơng tự - số (ADCs). Tín hiệu tƣơng tự đƣợc thu thập từ cảm biến dựa trên các hiện tƣợng quan sát đƣợc sẽ đƣợc biến đổi sang tín hiệu số sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thƣờng đƣợc liên kết với bộ lƣu trữ nhỏ, quản lý các thủ tục phối hợp giữa các nút cảm biến để thực hiện nhiệm vụ quan sát. Một bộ truyền nhận làm nhiệm vụ kết nối nút với mạng. 18 Một thành phần quan trọng nhất của nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể đƣợc hỗ trợ bởi các bộ thu thập năng lƣợng từ môi trƣờng xung quanh, nhƣ các tế bào năng lƣợng mặt trời. Ngoài ra cũng có thể có các bộ phận hỗ trợ phụ thuộc vào ứng dụng. Nhiều mạng cảm biến sử dụng công nghệ định tuyến và nhiệm vụ cảm biến đòi hỏi các thông tin về vị trí của nút với độ chính xác cao. Vì vậy, đó là lý do một số nút cảm biến có hệ thống xác định vị trí. Bộ phận di chuyển đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến do yêu cầu thực hiện nhiệm vụ. Tất cả các thành phần này phải đƣợc đặt trong một module càng nhỏ càng tốt, có thể nhỏ nhƣ một bao diêm hoặc nhỏ hơn nữa. Nói chung, kích thƣớc một nút phải nhỏ hơn 1 cm3, với trọng lƣợng càng nhẹ càng tốt, thậm chí nhẹ đến mức đủ để “lơ lửng trong không khí”. Ngoài yêu cầu về kích thƣớc, còn có một số giới hạn nghiêm ngặt cho nút cảm biến. Nút cần phải tiêu hao ít năng lƣợng, hoạt động trong khu vực với mật độ dày, có giá thành thấp, hoạt động độc lập, tự vận hành và thích nghi với môi trƣờng. 1.1.2.7. Phương tiện truyền thông Trong mạng cảm biến đa chặng, truyền thông giữa các nút kết nối thông qua phƣơng tiện không dây. Kết nối này có thể qua sóng điện từ, hồng ngoại hay tín hiệu quang học. Để mạng cảm biến có thể đƣợc triển khai rộng rãi, các lựa chọn phƣơng tiện truyền dẫn phải là các dạng phƣơng tiện thông dụng. Nhiều phần cứng hiện nay của nút cảm biến sử dụng thiết kế mạch RF. Nút cảm biến µAMPS (micro-Adaptive Multi-domain Power-aware Sensor) [2], một loại cảm biến không dây tiêu biểu cho các tham số thiết kế phần cứng cơ bản, sử dụng bộ truyền dẫn Bluetooth 2.4GHz với bộ tổng hợp tần số tích hợp. Mẫu thiết bị cảm biến năng lƣợng thấp trong tài liệu [3] sử dụng bộ truyền nhận RF đơn kênh hoạt động trên băng tần 916MHz và có khả năng truyền tải 10kbps sử dụng mã hóa on-off-keying. Kiến trúc mạng cảm biến không dây tích hợp (WINS) [4] cũng sử dụng kết nối vô tuyến cho truyền thông. Một dạng phƣơng tiện truyền thông khác là sử dụng sóng hồng ngoại. Sóng hồng ngoại đƣợc sử dụng miễn phí và rộng rãi trong các thiết bị điện tử. Thiết bị truyền nhận hồng ngoại có giá thành thấp và dễ dàng xây dựng, triển khai. Một công nghệ thú vị khác là thiết bị cảm biến Smart Dust [5], là một cảm biến, bộ tính toán và hệ thống truyền thông sử dụng bộ truyền nhận quang học, có kích thƣớc cực nhỏ, tiêu thụ rất ít năng lƣợng. Cả công nghệ hồng ngoại và công nghệ quang học đều đòi hỏi bộ phát và bộ thu phải nằm trên cùng một đƣờng thẳng. 19 1.1.2.8. Năng lượng tiêu thụ Nút cảm biến không dây là một thiết bị điện rất nhỏ, nó có thể đƣợc trang bị một bộ nguồn năng lƣợng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2V). Trong một số kịch bản ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lƣợng là không thể. Do đó, thời gian sống của nút cảm biến phụ thuộc rất lớn vào thời lƣợng pin và mức năng lƣợng tiêu thụ của nút. Trong mạng cảm biến đa chặng ad-hoc, mỗi nút đều vừa đóng vai trò nút nguồn gửi dữ liệu, vừa đóng vai trò nút trung gian chuyển dữ liệu. Sự hỏng hóc ở một vài nút có thể là nguyên nhân làm cho cấu trúc mạng bị thay đổi và có thể phải định tuyến lại gói tin cũng nhƣ tổ chức lại mạng. Do đó, việc bảo tồn và quản lý nguồn năng lƣợng là rất quan trọng. Đó là lý do rất nhiều nghiên cứu hiện nay thƣờng tập trung vào thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng cảm biến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lƣợng trong mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các cảm biến là cảm biến để phát hiện các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu đơn giản và truyền chúng đi. Năng lƣợng tiêu thụ do đó thƣờng đƣợc chia thành ba miền gồm: cảm biến, truyền thông và xử lý dữ liệu. 1.1.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng của mạng cảm biến không dây Tƣơng tự nhƣ các công nghệ hiện đại khác, sự phát triển của các mạng cảm biến ban đầu nhắm vào thực hiện các mục tiêu quân sự. Các ứng dụng mạng cảm biến đầu tiên đƣợc biết đến là hệ thống giám sát âm thanh (Sound Surveillance System - SOSUS) [6]. Mạng lƣới này đã đƣợc sử dụng vào đầu những năm 50, trong Chiến tranh Lạnh, để phát hiện và theo dõi các tàu ngầm của Liên Xô với sự giúp đỡ của các bộ cảm biến âm thanh (hydrophone). SOSUS thậm chí vẫn còn hoạt động và chủ yếu đƣợc sử dụng để theo dõi các sự kiện khác nhau, chẳng hạn nhƣ hoạt động địa chấn và động vật trong các đại dƣơng [7]. Các ứng dụng mạng cảm biến tiếp theo cũng đã đƣợc phát triển cho mục đích quân sự. Khoảng năm 1980, dự án Distributed Sensor Networks (DSNs) đã đƣợc khởi xƣớng bởi DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency), một cơ quan trực thuộc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, phát triển các công nghệ mới phục vụ cho quân đội [8]. Tên ban đầu của DARPA là Advanced Research Projects Agency (ARPA). ARPANET là một mạng lƣới đƣợc tạo ra vào năm 1969 đã dẫn đến sự phát triển của Internet hiện đại. Khả năng mở rộng mạng ARPANET thành mạng cảm biến đã đƣợc xem xét bởi R. Kahn, ngƣời đồng phát minh ra giao thức TCP/IP và tích cực tham gia 20 vào sự phát triển của Internet, cùng với một số nghiên cứu về hỗ trợ các thành phần nhƣ hệ điều hành và kỹ thuật xử lý tín hiệu dựa trên tri thức [8]. Những tiến bộ trong thời gian gần đây về mặt phần cứng và các công nghệ truyền thông đã có tác động đáng kể vào nghiên cứu mạng cảm biến. Các cảm biến nhỏ và rẻ tiền dựa trên công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) [9], mạng không dây và bộ vi xử lý điện năng thấp không tốn kém cho phép triển khai các WSN cho nhiều ứng dụng khác nhau. Một vài ví dụ về các ứng dụng WSNs nhƣ sau: • An ninh, quốc phòng: WSNs có thể đƣợc sử dụng cho các ứng dụng an ninh nhƣ giám sát các khu vực quan trọng và nhạy cảm và phát hiện các cuộc tấn công sinh học - hóa học có thể xảy ra. Nhóm các nhà nghiên cứu kiểm soát vũ khí không phổ biến và an ninh quốc tế NAI (Nonproliferation, Arms Control, and International Security) thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (cơ quan nghiên cứu phát triển công nghệ hỗ trợ các hoạt động quốc phòng, an ninh và chống khủng bố của Hoa Kỳ) đã thiết kế các hệ thống cảm biến có khả năng phát hiện và theo dõi các mối nguy hiểm, sử dụng kết nối không dây để trao đổi, tổng hợp dữ liệu nhằm đƣa ra các cảnh báo phù hợp. Mạng lƣới cảm biến này cho phép phát hiện các cuộc tấn công khủng bố hạt nhân, theo dõi sự lan và đặc điểm của một vụ cháy rừng, hỗ trợ hoạt động quân sự trong việc thực hiện nhiệm vụ, xác định thiệt hại của trận động đất đối với các công trình xây dựng và cả hoạt động bảo vệ tổng thống [10]. • Giám sát môi trƣờng: WSNs có thể giúp cải thiện tính linh hoạt trong lĩnh vực này bởi vì nó cho phép giám sát các khu vực không đƣợc triển khai cơ sở hạ tầng và thu thập đƣợc các dữ liệu phù hợp hơn. Một dự án dân sự (và một vài ứng dụng phục vụ thực thi pháp luật) mang tên SIVAM của chính phủ Brazil đã thực hiện triển khai mạng lƣới các radar giám sát, các cảm biến môi trƣờng, hệ thống thông tin liên lạc, một trung tâm kiểm soát không lƣu và một số các trạm phối hợp thông tin nằm rải rác trong khu vực rừng Amazon rộng lớn. Hệ thống cung cấp dữ liệu cho ba trung tâm điều hành khu vực, một trung tâm điều hành quốc gia và một trung tâm kiểm soát không lƣu. Các dữ liệu quan sát môi trƣờng trong khu vực rừng rậm Amazon đƣợc cung cấp để phục vụ các hoạt động khác nhau của các cơ quan chính phủ Brazil [11]. • Giám sát y tế: Các bác sĩ có thể dễ dàng theo dõi tình trạng của bệnh nhân thông qua ứng dụng WSNs. Các thông tin về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân đƣợc thu thập và khai thác cho các thử nghiệm lâm sàng thế hệ mới. Các