Tài liệu Nghiên cứu tìm hiểu vấn đề bảo mật trong mạng không dây cấu hình lưới

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ và giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của mọi ngƣời xung quanh. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đƣờng đại học đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô, gia đình và bạn bè. Đầu tiên, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông đã tạo cho em môi trƣờng rèn luyện tốt để em có thể học tập và tiếp thu đƣợc những kiến thức quý báu trong những năm qua. Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô giáo, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Viễn thồn 1 đã tận tình chỉ dạy những kiến thức quý báu để em có thể hoàn thành đƣợc đồ án cũng nhƣ những hành trang cần thiết để em có thể bƣớc trên con đƣờng sự nghiệp sau này. Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô Nguyễn Thị Hồng Huệ, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn em thực hiện đồ án này. Cô đã luôn nhiệt tình, tâm huyết hƣớng dẫn em trong suốt quãng thời gian dài qua, từ trƣớc khi bắt đầu thực hiện đến khi hoàn thiện đồ án. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thành tốt hơn đồ án tốt nghiệp này. Cuối cùng em xin kính chúc quý Thầy, Cô, gia đình và bạn bè dồi dào sức khỏe, thành công trong sự nghiệp. Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực hiện Ngô Đức Anh Ngô Đức Anh – D11VT2 i Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT..............................................................................................v LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY MESH .................................2 1.1. Giới thiệu của mạng không dây mesh . ...............................................................3 1.1.1 Mesh Router ..................................................................................................3 1.1.2 Mesh Client ...................................................................................................4 1.2 Kiến trúc của mạng không dây mesh ...................................................................4 1.2.1 Mạng không dây mesh cơ sở hạ tầng (Infrastructural backbone) .................4 Mạng không dây mesh ngƣời dùng (Client WMNs) ..............................................5 Mạng không dây mesh Hybrid (Hybrid WMNs) ...................................................6 1.3 Đặc điểm của mạng không dây mesh ..................................................................7 1 . 3.1 Mạng không dây đa hop ..............................................................................7 1. 3.2 Tự định hình, tự hàn gắn và tự cấu hình .................................................7 1.3.3 Phụ thuộc vào việc hạn chế tiêu thụ năng lƣợng của các kiểu nút mạng ......8 1.3.4 Năng lực và khả năng liên kết với các mạng không dây hiện có ..................8 1.4 Các kịch bản ứng dụng của mạng không dây Mesh. ...........................................8 1.4.1 Mạng băng thông rộng cho gia đình..............................................................8 1.4.2 Mạng doanh nghiệp .......................................................................................9 1.4.3 Mạng đô thị .................................................................................................10 1.4.4 Các hệ thống giám sát và bảo mật ...............................................................10 1.5 So sánh mạng không dây mesh với một số công nghệ hiện tại. ............................11 1.5.1 Truy cập Internet băng thông rộng: .............................................................11 1.5.2 Mức độ phủ sóng WLAN ............................................................................11 1.5.3 Truy cập Internet di động .............................................................................11 1.5.4 So sánh với mạng Ad hoc: ...........................................................................12 1.5.6 So sánh với mạng Sensor ............................................................................12 1.6 Vấn đề về hiệu suất và an ninh trong mạng không dây mesh. ..........................12 1.6.1 Hiệu suất của mạng không dây mesh ..........................................................12 1.6.2 Vấn đề về an ninh trong mạng không dây mesh .........................................14 CHƢƠNG II. CẤU HÌNH VÀ ĐỊNH TUYẾN ...........................................................16 2.1. Các cấu hình cơ bản của mạng WMN ...............................................................16 2.2. Định tuyến trong mạng WMN ...........................................................................17 2.2.1 Giao thức DSR .............................................................................................18 2.2.2 Giao thức AODV .........................................................................................19 CHƢƠNG III BẢO MẬT TRONG MẠNG KHÔNG DÂY MESH............................23 3.1.Các dạng tấn công trong mạng không dây mesh. ..............................................23 3.1.1 Tấn công tầng vật lý ....................................................................................23 3.1.2 Tấn công tầng MAC ....................................................................................24 3.1.3 Tấn công tại tầng mạng ................................................................................26 3.2 Bảo mật trong mạng không dây mesh ..............................................................31 Ngô Đức Anh – D11VT2 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 3.2.1 Đặc điểm của các giải pháp bảo mật trong mạng không dây mesh......31 3.2.2 Các cơ chế bảo mật cho mạng không dây mesh ..........................................32 3.3. Chuẩn bảo mật IEEE 802.11i ........................................................................37 3.3.1. Giới thiệu chuẩn bảo mật IEEE 802.11i .....................................................37 3.3.2 Những lỗ hổng trong IEEE 802.11i và các tấn công bảo mật .....................40 3.4 Giao thức bảo mật trong mạng không dây mesh................................................42 3.4.1 Giới thiệu .....................................................................................................42 3.4.2 Một số thách thức về định tuyến trong mạng không dây mesh ...................43 3.4.3 Một số giao thức bảo mật cho mạng không dây mesh ................................44 KẾT LUẬN .................................................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................48 Ngô Đức Anh – D11VT2 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình của mạng không dây mesh ..............................................................3 Hình 1.2: WMN Cơ sở hạ tầng ......................................................................................4 Hình 1.3: WMN ngƣời dùng ..........................................................................................6 Hình 1.4: Hybrid WMNs ...............................................................................................6 Hình 1.5: Mô hình WMN mạng băng thông rộng cho gia đình.....................................9 Hình 1.6: Mô hình WMN cho mạng doanh nghiệp .......................................................9 Hình 1.7: Mô hình WMN cho mạng đô thị..................................................................10 Hình 2.1: Cấu hình mạng WMN kiểu điểm – điểm ....................................................16 Hình 2.2 : Cấu hình mạng WMN kiểu điểm – đa điểm ...............................................16 Hình 2.3. Cấu hình mạng WMN kiểu đa điểm – đa điểm ...........................................17 Hình 2.5 Tóm tắt xử lý nhận tại một nút .....................................................................22 Hình 3.1: Tấn công giả mạo tầng MAC và tấn công truyền lại ...................................25 Hình 3.2. Tấn công Wormhole đƣợc thực hiện bởi 2 nút M1 và M2 sử dụng đƣờng hầm ..............................................................................................................................27 Hình 3.3: Tấn công Blackhole .....................................................................................28 Hình 3.4: Tấn công ký sinh bên trong mạng (giả sử F nằm trong vùng giao thoa của G2) ...............................................................................................................................30 Hình 3.5: Tấn công ký sinh bên ngoài kênh (giả sử F nằm trong vùng giao thoa của G) .....................................................................................................................................31 Hình 3.6. Mô hình bảo mật cho mạng không dây mesh ..............................................33 Hình 3.7. Sự hợp tác sinh ra khoá riêng của các nút lân cận trong mạng WMN.........34 Hình 3.8. Quá trình bắt tay bốn bƣớc ..........................................................................39 Hình 3.9. Quá trình mã hoá CCMP .............................................................................40 Hình 3.10. Tấn công chiếm quyền đăng nhập .............................................................41 Hình 3.11 Tấn công man-in-the-midle trong cơ chế xác thực 802.1X ........................42 Ngô Đức Anh – D11VT2 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AAA Server Ủy quyền và tính toán AAD Additional Authentication Data AES Advanced Encryption Standard Anonce Authenticator nonce AODV Ad - Hoc On- Demand Distance Vector AP Access Point ARAN Authenticated Routing for ad hoc network CCMP Counter mode with CBC-MAC protocol CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã CMM Cipher Block Chaning Massage Authentication code CRT Counter Mode CSMA/CA Đa truy nhập phân tán DSR Định tuyến nguồn động EAP Giao thức xác thực mở rộng GTK Group temporal key ICV Intergrity Cheek value IV Intalization vector LAN Local Area Net work MAC Mediu m Access Control MIC Message intergrity MPDU MAC protocol data unit PMK Pair wise Master Key PN Packet Number PTK Pair wise transient Key Ngô Đức Anh – D11VT2 v Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt PRNG Psecido random nember genertor QoS Chất lượng dịch vụ RD Router Discovery RM Router maintenance RREQ Router Request RREP Router Reply RRER Router Error SAK Serect Authentication Key SAODV Secare AODV SNonce Supplicant nonce SRP Secure routing Protocol SSK Serect Key TDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian TK Temporal Key TKIP Temporal key Intergrity protocol WEP Wired Equivalent privacy WMN Wireless Mesh network WPA Wifi Protected Access Ngô Đức Anh – D11VT2 vi Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong một số năm gần đây, truyền thông không dây đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. Liên lạc không dây đã gần nhƣ tất yếu trong các thiết bị nhƣ: máy tính xách tay, điện thoại di động... WMNs là mạng multi-hop không dây trong đó các điểm truy cập giao tiếp với nhau thông qua kết nối không dây. Qua đó các khu vực rộng lớn có thể đƣợc che phủ bằng truy cập không dây với chi phí thấp. WMNs đang nhanh chóng đƣợc thƣơng mại hóa trong nhiều kịch bản ứng dụng khác nhau. Các nhà khai thác có thể dễ dàng cung cấp các dịch vụ không dây băng rộng với chi phí đầu tƣ và khai thác thấp, đồng thời có thể phủ sóng diên rộng ở những nơi công cộng, mạng cộng đồng, xây dựng tự động hóa, các mạng tốc độ cao đô thị, và mạng doanh nghiệp. Tuy nhiên, sự tiện lợi của mạng không dây cũng đặt ra một thử thách lớn về bảo mật đƣờng truyền cho các nhà quản trị mạng. Khả năng kết nối giữa các nút trong WMN là tự động thiết lập và duy trì giữa các nút tham gia vào mạng. Điều này làm cho WMN trở nên năng động, tự tổ chức và tự cấu hình. Đặc điểm này mạng lại rất nhiều lợi thế nhƣ chi phí lắp đặt thấp, chi phí bảo trì thấp, các dịch vụ chắc chắn và đáng tin cậy. Trong tất cả các dạng mạng thì bảo mật là một trong những nhân tố chính cho sự an toàn và tin cậy của việc truyền dữ liệu. WMN có nhiều lợi thế hơn so với các mạng không dây khác. Ví dụ nó có thể cung cấp những cài đặt hết sức đơn giản, năng lực của băng thông và khả năng kháng lỗi vốn có trong trƣờng hợp mạng bị lỗi. Triển khai WMN là rất đơn giản. Chúng tự cấu hình và tự tổ chức một cách tự động với các nút có sẵn trong mạng bởi việc tự động thiết lập và duy trì kết nối mạng dựa trên các nút vì vậy nó mang lại vùng dịch vụ tin cậy trong mạng. Tính năng này mang lại nhiều lợi thế cho WMNs nhƣ chi phí thấp, bảo trì mạng lƣới dễ dàng... Tuy nhiên, sự tiện lợi của mạng không dây cũng đặt ra thử thách lớn về bảo mật cho các nhà quản trị mạng. Với nhận thức ấy, em đã quyết định làm đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu tìm hiểu vấn đề bảo mật trong mạng không dây cấu hình lưới”. Nội dung đồ án gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Chƣơng 2: Chƣơng 3: Ngô Đức Anh – D11VT2 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY MESH Mạng không dây Mesh (Wireless mesh network – WMN) đang đƣợc coi là công nghệ chủ chốt cho thế hệ mạng không dây hiện tại về việc cung cấp nhanh chóng các dịch vụ miễn phí cho ngƣời dùng. Các nút trong WMN bao gồm các mesh router và các mesh client. Mỗi nút hoạt động không chỉ là một máy chủ mà còn là một router, chuyển tiếp các gói dữ liệu thay cho các nút khác có thể không trực tiếp nằm trong phạm vi truyền dữ liệu không dây. Khả năng kết nối giữa các nút trong WMN là tự động thiết lập và duy trì giữa các nút tham gia vào mạng. Điều này làm cho WMN trở nên năng động, tự tổ chức và tự cấu hình. Đặc điểm này mạng lại rất nhiều lợi thế nhƣ chi phí lắp đặt thấp, chi phí bảo trì thấp, các dịch vụ chắc chắn và đáng tin cậy. Công nghệ phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong cuộc sống hằng ngày nhƣ máy tính để bàn, máy tính xách tay, PDA, Pocket PC, điện thoại... đặt trên các nút thông thƣờng đƣợc trang bị các card mạng không dây (NIC's) lần lƣợt có thể kết nối với các router không dây. Các nút không có card mạng không dây vẫn có thể truy cập các mạng không dây mesh bằng cách kết nối đến các router không dây thông qua các phƣơng thức khác nhƣ Ethernet. Ngoài ra, các chức năng gateway và bridge trong WMN cho phép tích hợp WMN với các mạng không dây hiện có khác nhƣ mạng Cellular, wireless sensors, Wi-Fi, Wi-MAX. Có 3 kiểu mạng WMN, đó là: WMN hạ tầng, WMNs khách hàng, và WMN lai ghép. WMN hạ tầng bao gồm các thiết bị chuyên dụng của hạ tầng mạng, nhất là các điểm truy nhập hay chuyển tiếp. Các thiết bị khách hàng không tham gia vào việc định tuyến ở nút lƣới. Thay vào đó, chúng kết nối vào các điểm truy nhập bằng công nghệ truy nhập vô tuyến truyền thống. WMN khách hàng bao gồm các thiết bị khách hàng nhƣ máy tính xách tay. Các thiết bị khách hàng tham gia vào việc định tuyến ở nút lƣới. Hơn nữa chúng có thể thực hiện chức năng nhƣ một thiết bị hạ tầng. WMN lai ghép bao gồm cả hai loại thiết bị trên. Mạng không dây mesh là một dạng cao cấp của mạng không dây. Một WMN cung cấp cách giải quyết tốt hơn cho các vấn đề thƣờng xảy ra trên mạng cellular và WLAN. Vấn đề cơ bản của cả cellular và WLAN là cả hai đều bị giới hạn vùng truy nhập. Những công nghệ này khá đắt và tỷ lệ dữ liệu truyền đi cũng khá thấp. Ngƣợc lại, WMN tƣơng đối rẻ và tốc độ truyền dữ liệu cũng cao hơn. Thuật ngữ WMN miêu tả các mạng không dây mà các nút có thể liên lạc trực tiếp hoặc gián tiếp với một hoặc nhiều nút ngang hàng. Từ “mesh” diễn tả tất cả các nút đƣợc kết nối trực tiếp với tất các nút khác nhƣng trong đa số các mesh hiện đại nó chỉ kết nối với một tập con các nút đƣợc kết nối với nhau. Trong WMN có 2 loại nút. 1. Mesh router: Bộ định tuyến lƣới Ngô Đức Anh – D11VT2 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH 2. Mesh client: Ngƣời dùng lƣới 2 loại nút này cũng có thể hoạt động nhƣ một máy chủ hoặc một bộ định tuyến. Các gói tin đƣợc chuyển tiếp thay mặt cho các nút khác mà chúng không nằm trong vùng truyền không dây trực tiếp của các điểm đích. Dƣới đây là mô hình tổng quan mạng WNMs. Hình 1.1: Mô hình của mạng không dây mesh 1.1. Giới thiệu của mạng không dây mesh . 1.1.1 Mesh Router Mesh router chủ yếu là các thiết bị cố định. Thông qua công nghệ đa điểm chúng có thể đạt đƣợc vùng phủ sóng giống nhƣ một bộ định tuyến thông thƣờng nhƣng tốn ít năng lƣợng hơn rất nhiều. Chúng có thêm các chức năng định tuyến để hỗ trợ cho mạng mesh. Nó giúp rất nhiều cho ngƣời sử dụng bằng cách kết nối chúng với các bộ định tuyến không dây mesh thông qua Ethernet thậm chí chúng không có NIC không dây, vì vậy ngƣời sử dụng có thể online liên tục, ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào. Khác với khả năng định tuyến của các router thông thƣờng, mesh router không dây còn bao gồm chức năng định tuyến bổ sung (định tuyến phụ) để hỗ trợ mạng mesh. Một mesh router thƣờng đƣợc trang bị nhiều giao diện không dây và đƣợc xây dựng từ các công nghệ không dây giống hoặc khác nhau nhằm nâng cao tính linh hoạt của mạng không dây. Khi so sánh với một thiết bị định tuyến thông thƣờng, một mesh router có thể đạt đƣợc vùng phủ sóng giống nhƣ nhiều thiết bị truyền dẫn mạnh thông qua các truyền Ngô Đức Anh – D11VT2 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH thông multi-hop. 1.1.2 Mesh Client Các Mesh Client có thể di động hoặc cố định. Các mesh client có các chức năng mesh cần thiết và chúng có thể hoạt động nhƣ một bộ định tuyến nhƣng không có các chức năng gateway hoặc cầu nối. Chúng chỉ có một giao diện không dây. Có rất nhiều thiết bị có thể hoạt động nhƣ một mesh client nhƣ: Laptop, PDA, Wi- Fi IP Phone, WiFi RFID Reader... Mesh client có thể làm việc nhƣ một router vì chúng có các chức năng cần thiết của mesh networking. Phần cứng và phần mềm của mesh client cũng giống nhƣ mesh router. Tuy nhiên, mesh client thƣờng có một giao diện mạng không dây đơn. Hơn nữa, các thiết bị của mesh client đa dạng hơn so với mesh router. Chúng có thể là laptop/desktop, pocket PCs, PDAs, IP phones, RFID readers, BAC network, các thiết bị điều khiển, và rất nhiều thiết bị khác nữa. 1.2 Kiến trúc của mạng không dây mesh Mạng không dây mesh đƣợc chia làm 3 nhóm chính:  Mạng không dây mesh cơ sở hạ tầng (Infrastructural backbone)  Mạng không dây mesh ngƣời dùng (Client WMNs)  Mạng không dây mesh Hybrid ( Hybrid WMNs) 1.2.1 Mạng không dây mesh cơ sở hạ tầng (Infrastructural backbone) Hình 1.2: WMN Cơ sở hạ tầng Ngô Đức Anh – D11VT2 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH Kiểu cấu trúc này đƣợc tạo thành bằng cách kết nối các dạng nút khác nhau (cả các router và client). Mỗi nút trong một lớp giống nhau là một peer của lớp đó. Chúng bao gồm các mesh router do đó tạo ra một hạ tầng cho các client có thể nối vào chúng. Mạng cơ sở hạ tầng đƣợc tạo thành bằng cách áp dụng tự cấu hình, tự hàn gắn các liên kết giữa chúng. Mạng mesh có khả năng xây dựng và cấu hình chính nó. Cũng nhƣ bất kỳ một nút cuối nào đƣợc cấp năng lƣợng nó nghe và tìm các nút hàng xóm và gửi chúng yêu cầu kết nối vào mạng và khi đó các nút đƣợc nhận vào sau khi thực hiện các yêu cầu an ninh mạng. Các đƣờng dẫn tự động hoặc các định tuyến sẽ đƣợc tự động thiết lập bởi nút cuối cũng nhƣ là thông tin mà nó truyền sẽ đƣợc chuyển tiếp bởi các nút hàng xóm cho đến khi nó đến đƣợc nút trung tâm. Nếu một hoặc nhiều hơn một nút cuối bị dịch chuyển từ vùng này đến vùng khác thì chức năng tự hàn gắn cung cấp quá trình tổ chức lại cho các nút đó trong mạng mesh và duy trì chức năng của các nút đó trong mạng. Chức năng tự hàn gắn cung cấp độ dƣ thừa trong mạng mesh bởi vì nếu một nút bị rời đi hoặc bị lỗi trong mạng thì thông báo có thể gửi vòng quanh mạng qua các nút khác. Khả năng tự cấu hình cung cấp khả năng không cần con ngƣời trong việc định tuyến lại của các thông báo tới các nút đích. Thông qua chức năng gateway, các mesh router có thể đƣợc kết nối với Internet và cung cấp đƣờng truyền chính cho các client thông thƣờng trong mạng mesh. Ngƣời sử dụng có giao diện Ethernet có thể đƣợc kết nối với các mesh router thông qua các liên kết Ethernet. Các bộ định tuyến thiết lập một mạng lƣới bằng cách kết nối tới một mạng khác và chịu trách nhiệm trong việc định tuyến dữ liệu client. Dữ liệu có thể di chuyển qua nhiều hop định tuyến trƣớc khi đến đƣợc đích cuối cùng. Ƣu điểm chính của kiến trúc này là tính đơn giản của nó, và nhƣợc điểm bao gồm thiếu khả năng mở rộng mạng và ràng buộc tài nguyên cao. Nếu các client thông thƣờng có công nghệ vô tuyến không dây (radio) nhƣ các mesh router có thì chúng có thể liên lạc trực tiếp với các mesh router, nhƣng nếu chúng có các công nghệ vô tuyến không dây khác thì các client bắt buộc phải liên lạc với các trạm cơ sở từ đó có các kết nối Ethernet với các mesh router. Kiến trúc hạ tầng xƣơng sống WMN đƣợc coi là một cải tiến lớn. Các mesh router đƣợc kết nối vào các nóc nhà trong một vùng lân cận nhau (neighborhood), những thiết bị này sẽ hoạt động nhƣ một access point cho ngƣời sử dụng trong nhà và cả ngoài đƣờng. Tại kịch bản này, hai kiểu truyền dẫn không dây đƣợc sử dụng: một dùng cho các liên lạc xƣơng sống và một dùng cho ngƣời sử dụng liên lạc với nhau. Liên lạc xƣơng sống có thể đƣợc thiết lập bằng cách sử dụng các kỹ thuật kết nối tầm xa bao gồm các ăng ten định hƣớng. Mạng không dây mesh người dùng (Client WMNs) Sự kết nối giữa các client cung cấp các mạng ngang hàng giữa các thiết bị client. Các nút client kích hoạt các chức năng định tuyến và cấu hình cũng nhƣ cung cấp các Ngô Đức Anh – D11VT2 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH ứng dụng cho ngƣời dùng cuối. Vì thế các dạng mạng này không yêu cầu bất kỳ một mesh router cũng nhƣ chúng có thể hoạt động độc lập không cần theo nhóm. Hình 1.3: WMN ngƣời dùng Kiến trúc mạng WMN ngƣời dùng đƣợc thể hiện trong hình 1.3. Hình này cho biết các gói đƣợc ấn định đến các nút thông qua nhiều nút để tới đích. WMN đƣợc xây dựng với một dạng của công nghệ kết nối không dây. Tuy vậy, tại các thiết bị ngƣời dùng cuối, nhu cầu này là nhiều hơn so với mạng WMN xƣơng sống khi chúng sử dụng các chức năng bổ sung nhƣ định tuyến và tự cấu hình. Mạng không dây mesh Hybrid (Hybrid WMNs) Hình 1.4: Hybrid WMNs Ngô Đức Anh – D11VT2 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH Kiến trúc của mạng WMNs đƣợc thể hiện trên Hình 1.4. Kiến trúc này về cơ bản là sự kết hợp của WMN cơ sở hạ tầng và WMN khách hàng. Nó có những đặc trƣng hơn khi so sánh với riêng mạng kiến trúc hạ tầng và client. Các mesh client có thể truy cập vào mạng thông qua các mesh router cũng nhƣ có thể kết nối trực tiếp với các client khác. Trong khi kết cấu hạ tầng cung cấp việc kết nối với các mạng khác thông nhƣ Wi-Fi, Wi- MAX, mạng tế bào hay mạng sensor, khả năng định tuyến của các client tăng cƣờng khả năng liên kết và vùng hoạt động trong WMN. Kể từ khi sự phát triển WMN phụ thuộc rất nhiều vào phƣơng thức hoạt động với các giải pháp mạng không dây sẵn có, kiến trúc này trở nên rất quan trọng và đƣợc áp dụng nhiều nhất trong các mạng không dây mesh. 1.3 Đặc điểm của mạng không dây mesh Các mạng không dây mesh là một mạng đa hop và cung cấp phạm vi phủ sóng nhiều. Cũng giống nhƣ nếu một nút bị lỗi hoặc tắt thì thông qua các nút khác thông báo đƣợc truyền đến nút đích chức năng đó cung cấp khả năng dƣ thừa trong mạng mesh. Chúng có khả năng tự hàn gắn và tự định hình và tự tổ chức và cung cấp sự hỗ trợ cho mạng Ad hoc. Do là mạng đa hop nên chúng đạt đƣợc thông lƣợng cao hơn và tái sử dụng tần số hiệu quả hơn. Chi phí cài đặt của chúng là thấp vì việc giảm số lƣợng các điểm truy cập Internet do vậy ƣu điểm chính của các mạng không dây mesh là dễ dàng triển khai. Nhiều loại hình truy cập mạng nhƣ hỗ trợ cho Internet cũng nhƣ các giao tiếp truyền thông ngang hàng. Việc cung cấp khả năng tƣơng thích đến các mạng không dây sẵn có nhƣ WiMAX, Wi-Fi, các mạng cellular. Kiến trúc của mạng không dây mesh là khá linh hoạt. Các đặc điểm chính của mạng không dây mesh là: 1 . 3.1 Mạng không dây đa hop Mục tiêu chính để phát triển WMN là mở rộng phạm vi phủ sóng cho mạng không dây mà không bị tốn dung lƣợng kênh. Ngoài ra cũng cung cấp các kết nối không theo tầm nhìn thẳng (non-line-of-sight - NLOS) giữa ngƣời dùng mà không cần các đƣờng kết nối thẳng (line-of-sight - LOS). Để đạt đƣợc những mục tiêu và yêu cầu trên, dạng lƣới, đa hope là không thể thiếu. Thuận lợi là nó có thể đạt đƣợc thông lƣợng cao mà không bị tốn nhiều vùng radio hiệu quả thông qua các kiên kết ngắn và sử dụng hiệu quả tần số hơn nữa. 1. 3.2 Tự định hình, tự hàn gắn và tự cấu hình Vì kiến trúc mạng linh hoạt, dễ dàng phát triển và cấu hình, khả năng kháng lỗi và khả năng kết nối mạng lƣới thông qua truyền thông đa điểm (multipoint-tomultipoint), WMN nâng cao hiệu suất mạng. Những tính năng này làm cho WMN có yêu cầu chi phí đầu tƣ ban đầu thấp, đồng thời có thể phát triển dần khi cần thiết. Ngô Đức Anh – D11VT2 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH 1.3.3 Phụ thuộc vào việc hạn chế tiêu thụ năng lượng của các kiểu nút mạng Việc hạn chế tiêu thụ năng lƣợng đƣợc coi là một đặc tính quan trọng của các mesh client. Không giống nhƣ các mesh router, mesh client yêu cầu các giao thức năng lƣợng hiệu quả. Ví dụ các lƣới sensor yêu cầu các giao thức giao tiếp hiệu quả về năng lƣợng. Khi xem xét tình huống này, MAC hoặc giao thức tối ƣu định tuyến cho các mesh router có thể không thích hợp với các client nhƣ sensor, hiệu quả của năng lƣợng là vấn đề chính cho các mạng sensor không dây. 1.3.4 Năng lực và khả năng liên kết với các mạng không dây hiện có Thực tế là WMN dựa trên công nghệ IEEE 802.11 phải đƣợc so sánh với các chuẩn IEEE 802.11. Do đó, WMN cũng cần phải liên kết với các mạng không dây khác nhƣ Wi-MAX và các mạng di động khác. Dựa vào những đặc điểm này, WMN đƣợc coi là một dạng của mạng ad hoc vì thiếu cơ sở hạ tầng vững chắc mà tồn tại trong các mạng tế bào hoặc mạng Wi-Fi thông qua việc triển khai các trạm cơ sở hoặc các điểm truy cập. Nếu mạng WMN yêu cầu công nghệ mạng ad hoc, bắt buộc phải bao gồm các thuật toán tinh vi hơn và thiết kế các nguyên tắc sử dụng WMN. Đi sâu hơn, WMN có khả năng đa dạng hoá khả năng của các mạng ad hoc hơn là trở thành một dạng của mạng ad hoc. Do đó các mạng ad hoc thực sự chỉ đƣợc coi là một tập nhỏ của WMN. 1.4 Các kịch bản ứng dụng của mạng không dây Mesh. 1.4.1 Mạng băng thông rộng cho gia đình Hiện tại mạng băng thông rộng cho gia đình thƣờng đƣợc thực hiện theo chuẩn IEEE 802.11 WLANs. Vì phân phối trong các khu vực nội địa, vấn đề lớn nhất là tìm ra các điểm tru cập và vị trí của chúng. Hơn nữa, việc sử dụng nhiều điểm truy cập là rất tốn kém và không thuận tiện. Bởi vì nó đòi hỏi phải sử dụng Ethernet có dây dừ các điểm truy cập đến truy cập mạng backhaul. Do đó, cách tốt hơn để giải quyết vấn đề này là mạng mesh. Khi sử dụng mạng mesh tại nhà, các điểm truy cập đƣợc thay thế bằng mesh router không dây với mạng mesh đƣợc xây dựng trong đó. Bằng cách này liên lạc giữa các nút trở nên mềm dẻo và mạnh mẽ hơn chống lại các lỗi mạng và lỗi liên kết. Vì vậy, những nhƣợc điểm đƣợc nêu ở trên có thể đƣợc sửa chữa thông qua các kết nối lƣới linh hoạt giữa các gia đình. Điều này giúp cho việc lƣu trữ file phân tán, truy cập file và các video streaming phân tán. Ngô Đức Anh – D11VT2 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH Hình 1.5: Mô hình WMN mạng băng thông rộng cho gia đình 1.4.2 Mạng doanh nghiệp Mạng doanh nghiệp cơ bản đƣợc coi là mạng thƣơng mại, giải pháp này chủ yếu đƣợc sử dụng trong các văn phòng, giữa các văn phòng và giữa các toà nhà với nhau. Đây có thể là một mạng nhỏ trong một văn phòng, một mạng cỡ vừa cho tất cả các văn phòng trong một toà nhà hoặc một mạng cỡ lớn trong nhiều toà nhà. Hiện nay, một mạng nhƣ vậy đƣợc thực hiện theo chuẩn IEEE 802.11 và các kết nối tạo ra sử dụng Ethernet, làm cho chi phí của các mạng doanh nghiệp rất cao. Mặc dù thêm nhiều truy cập backhaul và modem cũng không cải thiện nhiều các lỗi liên kết, cấu hình mạng hoặc các lỗi tƣơng tự khác trong toàn mạng doanh nghiệp, chỉ có thể tăng cƣờng khả năng cục bộ. Vấn đề trên có thể đƣợc giải quyết bằng cách sử dụng mạng mesh nhƣ Hình 1.6 dƣới đây. Hình 1.6: Mô hình WMN cho mạng doanh nghiệp Ngô Đức Anh – D11VT2 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH Bằng cách này chúng ta giảm thiểu hoặc loại trừ các kết nối Ethernet. Nhiều modem truy cập nhánh có thể đƣợc chia sẻ bởi các nút trong mạng và điều này cải thiện sức mạnh và tài nguyên sử dụng của toàn bộ mạng. Do đó, WMN có thể đƣợc sử dụng và dễ dàng cho phép phát triển khi quy mô doanh nghiệp đƣợc mở rộng. Từ khi mạng doanh nghiệp đƣợc cho là cần thiết cho các tổ chức tƣơng đối lớn, hiển nhiên là mạng mesh là phức tạp hơn khi có nhiều hơn các nút và các topo mạng liên kết với nhau. Mạng doanh nghiệp có thể đƣợc sử dụng một cách rộng rãi trong việc cho phép tự phục vụ tại các sân bay, trung tâm mua sắm, khách sạn và các trung tâm thể thao. 1.4.3 Mạng đô thị Trƣờng hợp mạng đô thị, WMN mang lại nhiều lợi thế so với các mạng khác. Tốc độ truyền của lớp vật lý tại các nút trong mạng WMN là cao hơn rất nhiều so với bất kỳ mạng cellular nào. Thông tin giữa các nút trong mạng WMN không phải dựa vào mạng xƣơng sống có dây. Hình 1.7: Mô hình WMN cho mạng đô thị Các mạng mesh MAN là một sự lựa chọn kinh tế cho mạng băng thông rộng khi so sánh với mạng dùng cáp hoặc dùng dây. Từ Hình 1.7 ta có thể thấy rằng mạng MAN không dây bao phủ một khu vực rộng lớn hơn các doanh nghiệp tƣ nhân, toà nhà hoặc mạng công cộng. Vì vậy trong các lựa chọn thay thế, lợi thế lớn của MAN là khả năng mở rộng. 1.4.4 Các hệ thống giám sát và bảo mật An ninh thƣơng mại ngày nay đóng một vai trò to lớn nhƣ trong các toà nhà, trung tâm thƣơng mại, các cửa hàng... Để có đƣợc an ninh tốt hơn cho các hệ thống này, WMN là rất tốt khi so sánh với các mạng có dây. Trong các hệ thống giám sát an ninh, vẫn còn nhƣng mình ảnh, video và các chức năng chính khác, do vậy nó yêu cầu dung lƣợng của mạng đƣợc cung cấp bởi WMN. Ngô Đức Anh – D11VT2 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH WMN cũng đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp khẩn cấp và các giao tiếp ngang hàng. Trong trƣờng hợp khẩn cấp, ví dụ nhƣ các nhân viên cứu hoả ngăn chặn một đám cháy, đôi khi họ không truy cập đƣợc vào thông tin cần tìm. Trong trƣờng hợp này, nếu WMN có sẵn tại các vị trí mong muốn, nó sễ trở nên dễ dàng hơn trong việc xác định vị trí những khu vực cần quan tâm. Tƣơng tự nhƣ vậy, các thiết bị với mạng không dây nhƣ laptop, PDA có thể truyền thông ngang hàng tạo ra một giải pháp hiệu quả cho việc chia sẻ thông tin. WMN thích hợp để thực hiện những việc này. 1.5 So sánh mạng không dây mesh với một số công nghệ hiện tại. 1.5.1 Truy cập Internet băng thông rộng: Cable DSL Các yếu tố WMAN (802.16) Cellular WMN (2.5-3G) Băng thông Rất tốt Rất tốt Giới hạn Tốt Đầu tƣ ban đầu Rất cao Cao Cao Thấp Tổng đầu tƣ Rất cao Cao Cao Vừa phải Vừa phải Tốt Tốt Phạm vi bao quát Tốt thị trƣờng 1.5.2 Mức độ phủ sóng WLAN Các yếu tố Chi phí lắp đặt đƣờng dây Băng thông Số lƣợng điểm truy cập 802.11 WMN Cao Thấp Rất tốt Tốt Theo nhu cầu Gấp đôi Giá điểm truy cập Thấp 1.5.3 Truy cập Internet di động Các yếu Cao Cellular WMN tố Chi phí ban đầu 2.5 – 3G Cao Thấp Băng thông Giới hạn Tốt Phạm vi địa lý Giới hạn Tốt Chi phí nâng cấp Cao Thấp Ngô Đức Anh – D11VT2 11 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH 1.5.4 So sánh với mạng Ad hoc: Ad hoc Networks Wireless Mesh Networks Đa hop Đa hop Nút không dây, có thể di chuyển Có thể dựa vào cơ sở hạ tầng Các nút không dây, một số di động, một số cố định Dựa vào cơ sở hạ tầng Hầu hết lƣu lƣợng là từ ngƣời dùng đến Hầu hết lƣu lƣợng là từ ngƣời dùng đến ngƣời dùng gateway 1.5.6 So sánh với mạng Sensor dụng Wireless Sensor Networks Wireless Mesh Networks Băng thông giới hạn (~10kbps) Băng thông rộng (>1Mbps) Các nút cố định trong hầu hết các ứng Một số nút di động, một số cố định Hiệu suất năng lƣợng là vấn đề Thƣờng không giới hạn năng lƣợng Ràng buộc về tài nguyên Tài nguyên không thành vấn đề Hầu hết lƣu lƣợng từ ngƣời dùng đến Hầu hết lƣu lƣợng từ ngƣời dùng đến gateway gateway 1.6 Vấn đề về hiệu suất và an ninh trong mạng không dây mesh. 1.6.1 Hiệu suất của mạng không dây mesh Hiệu suất của WMN đƣợc thiết lập cho dù hệ thống đó có an toàn hay không. Hiệu quả của một hệ thống cũng dựa vào hiệu suất của nó. Vì vậy điều quan trọng là một hệ thống không bao giờ “down” và các gói dữ liệu không bị mất giữa các nút khác nhau.. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất của mạng không dây Mesh bao gồm: - Thông lƣợng - Khả năng kết nối - Khả năng mở rộng - Các kỹ thuật vô tuyến không dây - Khả năng tƣơng thích - Bảo mật - Cách sử dụng linh hoạt. Ngô Đức Anh – D11VT2 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH 1.6.1.1. Thông lƣợng Thông lƣợng đƣợc định nghĩa là số lƣợng các gói dữ liệu đƣợc truyền bằng cách gửi và nhận bởi ngƣời nhận trong thời gian cho trƣớc. Nhƣ vậy, đến một mức độ đủ lớn, hiệu suất của mạng phụ thuộc vào thông lƣợng cũng nhƣ ta cần mỗi gói dữ liệu đƣợc truyền thành công. Thông lƣợng có thể giảm sút nếu mạng thiết kế không thích hợp, định tuyến không rõ ràng, một lỗi liên kết hiện diện hoặc có sự chật chội trên đƣờng truyền. Cách tốt nhất để có đƣợc thông lƣợng tốt hơn là có một giao thức định tuyến tốt để các liên lạc diễn ra một cách hiệu quả. 1.6.1.2. Khả năng kết nối Một yếu tố quan trọng của hiệu suất mạng là khả năng kết nối lƣới. Khả năng kết nối lƣới nên đƣợc thực hiện theo cách mà có thể tự tổ chức trong trƣờng hợp xảy ra vấn đề hoặc xuất hiện lỗi. Để đạt đƣợc điều này cần phải phát triển thuật toán điều khiển cấu hình và tự tổ chức. MAC và giao thức định tuyến cần phải có kiến thức về topo mạng nhƣ chúng có dữ liệu định tuyến từ một điểm tới một điểm khác. 1.6.1.3. Khả năng mở rộng Khả năng mở rộng là hoàn toàn cần thiết cho mỗi mạng. Định nghĩa cơ bản cho việc này là khi mạng phát triển và có thêm nhiều nút kèm theo hiệu suất của mạng không nến giảm. Một số vấn đề có thể xảy ra nếu mạng không có khả năng mở rộng là giao thức định tuyến có thể không có khả năng tìm thấy đƣờng đi đáng tin cậy cho việc truyền dữ liệu. Thêm vào đó, giao thức giao vận có thể bị lỗi với kết quả là thông lƣợng quan trọng có thể bị giảm sút. Vì vậy, cần phải có các kỹ thuật để mở rộng các giao thức từ tầng MAC đến tầng ứng dụng. 1.6.1.4. Các kỹ thuật vô tuyến không dây Các mạng không dây mesh có một quy mô rất rộng lớn dựa trên các tín hiệu radio đƣợc gửi đến hoặc từ các nút tham gia vào mạng. Vì vậy nó rất quan trọng và có tính quyết định khi mà các kỹ thuật radio đƣợc sử dụng một cách hợp lý. Nếu kỹ thuật radilo có hiệu quả thì việc mất dữ liệu đƣợc giảm xuống đến một mức độ lớn. Hầu hết các vấn đề xảy ra khi radio bị hỏng không bắt đƣợc tín hiệu hoặc tìm kiếm ở một số hƣớng khác. Điều này xảy ra với ăng ten đa hƣớng khi tín hiệu truyền xảy ra tình trang tin tƣởng vào các ăng ten cùng loại và chúng thay đổi tiêu cự liên tục. Hiệu ứng này đƣợc gọi là “điếc” có nghĩa là ngƣời nhận đang tìm hƣớng phía ngoài vùng phát của ngƣời gửi. Vấn đề này có thể đƣợc giải quyết nếu ta sử dụng ăng ten định hƣớng thông minh. Một giải pháp khác là lựa chọn các hệ thống Multi Input Multi Output hoặc ăng ten Multi-Radio. Ngoài các lựa chọn thay thế này, thực chất là các mạng có khả năng sử dụng hầu Ngô Đức Anh – D11VT2 13 Đồ án tốt nghiệp đại học Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây MESH hết các tần số sẵn có từ quang phổ radio. Điều này đƣa ra cơ hội thực hiện truyền dẫn ở tốc độ cao mà không làm tắc nghẽn. Điều này có thể đạt đƣợc với sự trợ giúp của các ăng ten nhận biết (cognitive antena) hoặc radio tần số mỏng (frequency fragile radios). Khác với điều này, ta có thể sử dụng radio tái cấu hình hoặc phần mềm radio. Chúng sẽ giúp ngăn chặn độ lệch trễ và mất kênh. 1.6.1.5. Khả năng tƣơng thích Các mạng không dây mesh có khả năng tƣơng thích với cả mesh client và client thông thƣờng. Điều này có thể đƣợc thực hiện bởi các mesh router với sự tích hợp của nhiều loại mạng không dây không đồng nhất. Ngoài ra các công cụ quản lý mạng này cần phải đƣợc thiết kế theo cách mà chúng thuận tiện cho các hoạt động, giám sát hiệu năng và các thông số thiết kế của mạng để làm cho hiệu suất cao hơn và tin cậy hơn. 1.6.1.6. Bảo mật Topo của mạng không dây mesh là dạng phân tán. Khi kiến trúc mạng trở nên phân tán hơn thì vấn đề về bảo mật trên mạng càng gia tăng. Cho đến nay vẫn chƣa có nhiều đề án liên quan đến an ninh trên mạng không dây mesh. Lý do cho việc này là không cần phải đƣa ra khoá công khai cho các nút. Điều này mang lại nhiều hơn sự liên hệ khi quan sát đặc tính bảo mật của mạng không dây mesh. 1.6.1.7. Cách sử dụng linh hoạt Các thiết kế của giao thức phải quan tâm nhiều hơn đến quyền tự chủ của các mạng nhƣ quản lý năng lƣợng, tự tổ chức, tự hàn gắn, và thủ tục chứng thực ngƣời sử dụng đăng ký mạng nhanh chóng. Ngoài ra các công cụ quản lý mạng yêu cầu phải đƣợc phát triển để duy trì có hiệu quả hoạt động, giám sát hiệu suất, cũng nhƣ cấu hình các thông số của các mạng không dây mesh. Cơ chế tự chủ trong các giao thức bên cạnh những công cụ này sẽ cho phép triển khai các mạng không dây mesh một cách nhanh chóng. 1.6.2 Vấn đề về an ninh trong mạng không dây mesh Nhƣ chúng ta đã biết mạng không dây sử sóng điện từ để thu và phát tín hiệu, môi trƣờng truyền sóng là môi trƣờng không khí. Do vậy vấn đề an ninh trong mạng không dây sẽ trở lên phức tạp hơn mạng có dây rất nhiều. Ngày nay khi công nghệ càng phát triển thì khả năng và kỹ thuật tấn công cũng trở lên tinh vi hơn, nguy cơ bị tấn công mạng ngày càng tăng. Bởi vì tấn công, phá hoại là do con ngƣời thực hiện, kỹ thuật càng phát triển, càng thêm khả năng đối phó, ngăn chặn thì kẻ tấn công cũng ngày càng tìm ra nhiều các kỹ thuật tấn công khác cũng nhƣ những lỗi kỹ thuật khác của hệ thống. Các giải pháp bảo mật thông tin trên đƣờng truyền đã bộc lộ nhiều lỗ hổng, vì thế an toàn thông tin ngày càng trở lên mong manh hơn bao giờ hết. Sở dĩ nguy cơ bị tấn công của mạng không dây lớn hơn của mạng có dây là do những yếu tố sau: Ngô Đức Anh – D11VT2 14