Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giao thức định tuyến bảo mật theo vùng (szrp) trong mạng xe cộ bất định vanet...

Tài liệu Giao thức định tuyến bảo mật theo vùng (szrp) trong mạng xe cộ bất định vanet

.PDF
61
227
78

Mô tả:

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................................iv DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... vii LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: MẠNG XE CỘ BẤT ĐỊNH VANET .......................................................3 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD-HOC ....................................................................3 1.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................3 1.1.2 Phân loại mạng không dây............................................................................4 1.1.3 Mạng di động tùy biến MANET .......................................................................7 1.2 MẠNG XE CỘ BẤT ĐỊNH VANET ....................................................................9 1.2.1 Giới thiệu .........................................................................................................9 1.2.2 Khái niệm .......................................................................................................10 1.2.4 Đặc điểm của mạng VANET ..........................................................................13 1.2.5 Các thách thức đối với mạng VANET ............................................................ 15 1.2.6 Ứng dụng của mạng VANET .........................................................................16 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................19 CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ BẢO MẬT VÀ ĐỊNH TUYẾN BẢO MẬT TRONG MẠNG VANET ..........................................................................................................................20 2.1 MỤC TIÊU BẢO MẬT .......................................................................................20 2.2 TẤN CÔNG TRONG VANET ............................................................................21 2.2.1 Phân loại tấn công .........................................................................................21 2.2.2 Các cuộc tấn công vào giao thức định tuyến.................................................22 2.2.3 Các tấn công nâng cao khác ..........................................................................24 2.3 CÁC KỸ THUẬT BẢO MẬT .............................................................................25 2.3.1 Mã hóa khóa đối xứng ...................................................................................25 2.3.2 Mã hoá khóa bất đối xứng .............................................................................26 2.3.4 Chữ kí số ........................................................................................................27 2.4 PHÂN LOẠI CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET.........28 Tạ Thị Thủy D13VT8 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.4.1 Giao thức định tuyến chủ động ......................................................................29 2.4.2 Giao thức định tuyến theo yêu cầu ................................................................ 30 2.4.3 Giao thức định tuyến lai ghép .......................................................................31 2.5 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AN TOÀN ..................................................33 2.5.1 Định tuyến xác thực (ARAN) .........................................................................34 2.5.2 Giao thức định tuyến an toàn theo yêu cầu (ARIADNE) ............................... 34 2.5.3 Định tuyến vector khoảng cách đảo đảm hiệu quả bảo mật (SEAD) ............35 2.5.4 Định tuyến bảo mật vector khoảng cách theo yêu cầu (SAODV)..................35 2.5.5 Các giao thức bảo mật chống lại các cuộc tấn công cụ thể ..........................36 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................36 CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN BẢO MẬT THEO VÙNG SZRP TRONG MẠNG VANET ..........................................................................................................................38 3.1 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN BẢO MẬT THEO VÙNG (SZRP) .....................38 3.1.1 Thiết kế giao thức định tuyến bảo mật theo vùng (SZRP) ............................. 38 3.1.2 Cơ chế quản lý khóa ......................................................................................39 3.1.3 Phát hiện hàng xóm an toàn ..........................................................................41 3.1.4 Bảo vệ các gói tin định tuyến .........................................................................42 3.1.5 Phát hiện các nút độc hại ..............................................................................45 3.2 THAM KHẢO ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĐỊNH TUYẾN BẢO MẬT TRONG MẠNG VANET ..........................................................................................45 3.2.1 Môi trường mô phỏng ....................................................................................45 3.2.2 Mô hình chuyển động.....................................................................................46 3.2.3 Các mô hình truyền thông..............................................................................46 3.2.4 Các chỉ số hiệu suất .......................................................................................47 3.2.5 Kết quả mô phỏng và đánh giá dựa trên tham khảo .....................................48 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................53 KẾT LUẬN ...................................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 55 Tạ Thị Thủy D13VT8 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục thuật ngữ viết tắt DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Từ tiếng anh Ad-hoc On-demand Distance Định tuyến Ad-hoc vector khoảng Vector Routing cách theo yêu cầu Authenticated Routing for Ad-hoc Định tuyến xác thực cho mạng Networks Ad-hoc Application Unit Đơn vị ứng dụng BAN Body Area Network Mạng khu vực cá nhân BRP Bordercast Resolution Protocol Giao thức phân giải biên CA Certification Authority Thẩm quyền chứng nhận CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi DoS Denial of Service Từ chối dịch vụ DSA Digital Signature Algorithm Thuật toán chữ kí số Destination Sequenced Distance Định tuyến vector khoảng cách Vector Routing trình tự đích DSN Destination Sequence Number Số trình tự đích DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động Distance Table Bảng khoảng cách ECA Elliptic Curve Algorithm Thuật toán đường cong elip GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu GW Gateway Cổng giao tiếp HS Hot spot Điểm nóng không dây IARP IntrA-zone Routing Protocol Giao thức định tuyến nội vùng IERP IntEr-zone Routing Protocol Giao thức định tuyến giữa các AODV ARAN AU DSDV DT vùng ITS Intelligent Transportation Systems Hệ thống giao thông thông minh Tạ Thị Thủy D13VT8 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục thuật ngữ viết tắt IVC Intervehicle Communication Truyền thông liên xe KDC Key Distribution Center Trung tâm phân phối khóa LAN Local Area Network Mạng vùng cục bộ LCT Link Cost Table Bảng chi phí liên kết MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường Mobile Ad-hoc NETwork Mạng tùy biến di động MRL Message Retransmission List Danh sách bản tin truyền lại M2M Machine-to-Machiner Giao tiếp phương tiện với phương Communication tiện NDP Neighbor Discovery Protocol Giao thức khám phá hàng xóm OBU On Board Unit Đơn vị trên bảng PKC Public-Key Cryptography Mật mã khóa công khai RERR Route Error Packet Gói tin lỗi tuyến RREP Route Response Packet Gói tin phản hồi tuyến RREQ Route Request Packet Gói tin yêu cầu tuyến RSU Road Side Unit Đơn vị bên lề lường RT Routing Table Bảng định tuyến Secure Ad-hoc On-demand Định tuyến bảo mật vector Distance Vector Routing khoảng cách theo yêu cầu Secure Efficient Distance Vector Định tuyến vector khoảng cách Routing đảm bảo hiệu quả bảo mật SKC Symmetric-Key Cryptography Mật mã khóa đối xứng SZRP Secure Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến bảo mật MANETs SAODV SEAD theo vùng TTL Time To Live Tạ Thị Thủy D13VT8 Thời gian sống v Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục thuật ngữ viết tắt UI Unique Identifier Định danh duy nhất V2I Vehicle to Road Intrastructure Giao tiếp xe với cơ sở hạ tầng Communication V2R Vehicle to Roadside Giao tiếp xe với lề đường Communication V2V Vehicle to Vehicle Giao tiếp xe với xe Communication WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục bộ WMAN Wireless Metropolitan Area Mạng không dây đô thị Network WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân WRP Wireless Routing Protocol Giao thức định tuyến không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Wireless Wide Area Network Mạng không dây diện rộng Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến theo vùng WWAN ZRP Tạ Thị Thủy D13VT8 vi Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tổng quan về mạng không dây ....................................................................... 4 Hình 1.2: Hai mô hình mạng không dây: mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc ...................... 5 Hình 1.3: Mô hình mạng VANET ................................................................................. 10 Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống mạng VANET .................................................................. 11 Hình 1.5: RSU mở rộng khoảng giao tiếp ..................................................................... 12 Hình 1.6: RSU như một nguồn thông tin ...................................................................... 13 Hình 2.1: Một ví dụ của tấn công sửa đổi ..................................................................... 23 Hình 2.2: Một ví dụ về tấn công mạo danh ................................................................... 23 Hình 2.3: Một ví dụ về tấn công sử dụng thông tin sai ................................................. 24 Hình 2.4: Ý tưởng chung của mật mã khóa đối xứng ................................................... 25 Hình 2.5: Ý tưởng chung của mật mã khóa bất đối xứng ............................................. 26 Hình 2.6: Lược đồ chữ kí số RSA ................................................................................. 28 Hình 2.7: Phân chia vùng trong ZRP ............................................................................ 31 Hình 2.8: Kiến trúc của ZRP ......................................................................................... 32 Hình 3.1: Kiến trúc của SZRP ....................................................................................... 39 Hình 3.2: Định dạng của gói tin IARP .......................................................................... 42 Hình 3.3: Kịch bản bảo vệ gói tin định tuyến IARP ..................................................... 43 Hình 3.4: Định dạng của gói tin IERP........................................................................... 43 Hình 3.5: Kịch bản bảo vệ gói tin IERP ........................................................................ 44 Hình 3.6: Tỷ lệ phân phối gói của SZRP và ZRP khi kích cỡ mạng thay đổi .............. 49 Hình 3.7: Chi phí định tuyến của SZRP và ZRP khi kích cỡ mạng thay đổi ................ 50 Hình 3.8: Trễ đầu cuối trung bình của SZRP và ZRP khi kích cỡ mạng thay đổi ........ 50 Hình 3.9: Tỷ lệ phân phối gói của SZRP và ZRP khi bán kính khu vực thay đổi ........ 51 Hình 3.10: Chi phí định tuyến của SZRP và ZRP khi bán kính khu vực thay đổi ........ 52 Hình 3.11: Trễ đầu cuối trung bình của SZRP và ZRP khi bán kính khu vực thay đổi 52 Tạ Thị Thủy D13VT8 vii Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới. Những thiết bị đi động tiên tiến ra đời tương thích với các thế hệ di động tiên tiến. Mạng di động tùy biến VANET hay còn gọi là mạng xe cộ bất định VANET đã ra đời với khả năng hình thành các kết nối giữa các xe chuyển động tự do trên đường, giúp chúng có thể trao đổi thông tin một cách nhanh chóng và dễ dàng mà không cần triển khai cơ sở hạ tầng phức tạp. Trong mạng xe cộ bất định VANET, mỗi chiếc xe chuyển động trên đường được coi như một nút mạng. Các nút này đều có khả năng di chuyển nên sẽ không có một nút mạng nào cố định để thực hiện chức năng điều khiển trung tâm và chúng trao đổi thông tin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc nói chung và của mạng VANET nói riêng. Để đơn giản, các giao thức đều xây dựng để giải quyết một số hạn chế đặc biệt của mạng này, đó là vấn đề băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán của thiết bị thấp… Trong những năm gần đây, vấn đề bảo mật và an toàn thông tin trở thành một mối quan tâm đặc biệt khi mà rất nhiều các cuộc tấn công mạng xảy ra liên tiếp. Với đặc thù môi trường trao đổi thông tin là môi trường không dây nên mạng VANET cũng không nằm ngoài số đó. Một số các yêu cầu bảo mật trong mạng VANET đã được đặt ra và nghiên cứu như: xác thực thông tin và tính toàn vẹn, xác thực nút, kiểm soát truy cập, bảo mật thông tin, bảo vệ sự riêng tư, thiết bị mã hóa và giải mã đáng tin cậy… Các yêu cầu bảo mật đặt ra đòi hỏi các giao thức định tuyến bảo mật phải được nghiên cứu và phát triển. Đồ án tốt nghiệp đại học “Giao thức định tuyến bảo mật theo vùng (SZRP) trong mạng xe cộ bất định VANET” của em nhằm cung cấp cái nhìn về các đặc trưng bảo mật trong mạng VANET và đánh giá ảnh hưởng của giao thức định tuyến bảo mật theo vùng SZRP đối với hiệu năng trong mạng VANET. Nội dung đồ án gồm có 3 chương:  CHƯƠNG I: MẠNG XE CỘ BẤT ĐỊNH VANET trình bày tổng quan về mạng không dây và một phần rất quan trọng là mạng VANET. Các đặc điểm, cấu trúc, thách thức và ứng dụng của mạng VANET cũng được trình bày trong chương. Tạ Thị Thủy D13VT8 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu  CHƯƠNG II: VẤN ĐỀ BẢO MẬT VÀ ĐỊNH TUYẾN BẢO MẬT TRONG MẠNG VANET đề cập đến mục đích bảo mật, tấn công và các kĩ thuật bảo mật trong mạng VANET. Sau đó, đồ án đi vào phân loại một số giao thức định tuyến cơ bản và trình bày một số loại định tuyến bảo mật sử dụng trong mạng VANET.  CHƯƠNG III: ĐỊNH TUYẾN BẢO MẬT THEO VÙNG SZRP TRONG MẠNG VANET trình bày về giao thức định tuyến bảo mật theo vùng SZRP: mục tiêu thiết kế, kiến trúc và các cơ chế bảo mật được sử dụng trong giao thức SZRP. Phần tiếp theo là đánh giá hiệu năng của giao thức bảo mật SZRP dựa trên tham khảo, sử dụng hai kịch bản mô phỏng khác nhau. Với điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn chế, đồ án không thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình. Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2017 Sinh viên thực hiện Tạ Thị Thủy Tạ Thị Thủy D13VT8 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 CHƯƠNG 1: MẠNG XE CỘ BẤT ĐỊNH VANET Các mô hình, kiến trúc mạng không có cơ sở hạ tầng được đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn và mạng cơ sở hạ tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Ad-hoc. Gần đây một số các dự án trên toàn thế giới đã bắt đầu nghiên cứu với mục tiêu sử dụng mạng Adhoc làm công nghệ truyền thông cho các ứng dụng vào phương tiện cụ thể trong khái niệm rộng lớn hơn là hệ thống giao thông thông minh (ITS – Intelligent Transportation Systems). Mạng di động tùy biến xe cộ (VANET – Vehicular Ad-hoc Network) là lớp con của mạng di động tùy biến (MANET – Mobile Ad-hoc Network). Các ứng dụng mạng VANET có thể hỗ trợ lái xe trong việc tránh va chạm hoặc điều kiện đường xá nguy hiểm. Các ứng dụng đó bao gồm điều khiển hành trình, thông tin tắc nghẽn thời gian thực và định tuyến, thông tin giải trí di động… Chương 1 tập trung trình bày tổng quan về mạng VANET, kiến trúc mạng và đặc điểm cũng như một số ứng dụng của mạng. 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD-HOC 1.1.1 Giới thiệu chung Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin đang ngày càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống xã hội như kinh tế, giáo dục, xây dựng, y học… Trong việc ứng dụng công nghệ thông tin vào giải quyết các công việc thì Internet ngày càng khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong cuộc sống xã hội thời hiện đại. Khi cuộc sống con người ngày càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng cao. Con người muốn mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu mà không cần phải có đường nối. Đó chính là lý do mà mạng không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh viện, trường học hay thậm chí là các quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền thống, mạng không dây cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất. Tạ Thị Thủy D13VT8 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều hết sức thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là pin… Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong mạng vô tuyến Ad-hoc cũng là vấn đề vô cùng quan trọng. Nó quyết định rất lớn đến hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống mạng. Hình 1.1: Tổng quan về mạng không dây 1.1.2 Phân loại mạng không dây i. Theo kiến trúc và thông tin mạng  Mạng có cơ sở hạ tầng: Là một mạng có các cổng kết nối hữu tuyến và cố định thường được gọi là các điểm truy cập. Các thiết bị chuyển động trong mạng kết nối và liên lạc với điểm truy cập gần nhất nằm trong bán kính truyền thông của nó. Thông thường, dịch vụ mạng cung cấp qua cơ sở hạ tầng có sẵn. Ví dụ, các mạng di dộng dựa trên mạng lưới cơ sở hạ tầng được xây dựng dựa trên chuyển mạch backbone PSTN, MSCs, trạm gốc và thiết bị di dộng.  Mạng không có cơ sở hạ tầng (Ad-hoc): Là một tập hợp các nút mạng chuyển động không dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự quản lý tập trung nào. Ví dụ, hai máy tính được trang bị thẻ adapter không dây có Tạ Thị Thủy D13VT8 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 thể thiết lập một mạng lưới độc lập bất cứ khi nào chúng trong phạm vi vùng phủ của nhau. Trong mạng Ad-hoc di động, các nút được dự kiến hoạt động như các bộ định tuyến, tham gia phát hiện và duy trì các tuyến đường. Hình 1.2: Hai mô hình mạng không dây: mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc ii. Theo quy mô triển khai mạng Dựa trên quy mô triển khai mạng, mạng không dây có thể được phân thành bốn loại: mạng vô tuyến cá nhân WPAN (Wireless Personal Area Network), mạng không dây cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network), mạng không dây diện rộng WWAN (Wireless Wide Area Network), mạng không dây đô thị WMAN (Wireless Metropolitan Area Network).  Mạng vô tuyến cá nhân WPAN: Mạng WPAN hay còn gọi là Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau bằng radio qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2.4 GHz. Năm 1994, hãng Ericsson đề xuất việc nghiên cứu và phát triển giao diện vô tuyến công suất nhỏ, chi phí thấp, sử dụng sóng vô tuyến để kết nối không dây giữa các thiết bị di động với nhau và các thiết bị điện tử khác, tổ chức SIG (Special Interest Group) đã chính thức giới thiệu phiên bản 1.0 của Bluetooth vào tháng 7 năm 1999. Mạng WPAN cho phép các thiết bị kết nối tạm thời khi cần thiết với khoảng cách giữa các thiết bị tối đa là 10m. Hỗ trợ tối đa 8 kết nối Tạ Thị Thủy D13VT8 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 đồng thời với các thiết bị khác. Băng thông tối đa 1 Mbps được chia sẻ cho tất cả kết nối trên cùng một thiết bị.  Mạng không dây cục bộ WLAN: Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900 MHz, sử dụng sóng điện từ (thường là sóng radio hay tia hồng ngoại) để liên lạc giữa các thiết bị trong phạm vi trung bình. So với Bluetooth, Wireless LAN có khả năng kết nối phạm vi rộng hơn với nhiều vùng phủ sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có thể tự do di chuyển giữa các vùng với nhau. Phạm vi hoạt động từ 100m đến 500m với tốc độ truyền dữ liệu trong khoảng 11Mbps-54Mbps. Sự ra đời của các cầu nối WLAN đã đem lại nhiều lợi ích về khả năng di động và khai thác mạng linh hoạt. Với mạng WLAN, người dùng có thể truy cập các thông tin dùng chung mà không cần tìm chỗ cắm thiết bị và các nhà quản lý mạng có thể thiết lập hoặc làm tăng thêm mạng lưới mà không cần lắp đặt hoặc di chuyển hệ thống dây. WLAN còn cho năng suất lưu lượng tăng, thuận tiện, lợi thế về chi phí so với các hệ thống mạng hữu tuyến truyền thống. Mạng WLAN hoạt động khá linh hoạt với các ưu điểm như: dễ cấu hình và cài đặt, tiết kiệm chi phí mở rộng mạng. Tuy nhiên, tốc độ còn chậm hơn so với LAN và dễ bị nhiễu.  Mạng không dây diện rộng WWLAN: Hệ thống WWLAN được triển khai bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băng tần đã đăng kí trước với cơ quan chức năng và sử dụng các chuẩn mở như: AMPS, GSM, TDMA và CDMA. Phạm vi hoạt động có thể lên đến hàng trăm km với tốc độ truyền từ 5Kbps đến 20Kbps. Ưu điểm nổi trội của WWLAN như: dễ dàng mở rộng hệ thống mạng, tránh được giới hạn của việc sử dụng cáp và các thiết bị phần cứng khác, các thiết bị di động có khả năng di chuyển trong phạm vi rộng. Bên cạnh đó, WWLAN cũng có những nhược điểm cơ bản như: dễ bị ảnh hưởng của tác động môi trường, không an toàn, chất lượng mạng chưa cao, chi phí cao trong việc thiết lập cơ sở hạ tầng.  Mạng không dây đô thị WMAN: Còn được gọi là mạng không dây cố định. Đây cũng là mạng dựa trên cơ sở hạ tầng cho phép người dùng thiết lập kết nối Tạ Thị Thủy D13VT8 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 không dây băng rộng giữa nhiều điểm trong một khu vực đô thị, ví dụ trong nhiều cao ốc văn phòng của một thành phố lớn hoặc trên một khuôn viên trường đại học, không cần cáp chi phí cao hoặc cáp đồng và đường dây cho thuê. Ngoài ra, WWLAN có thể phục vụ sao lưu cho mạng có dây. Cả sóng vô tuyến và ánh sáng hồng ngoại có thể được sử dụng trong mạng MAN không dây để truyền dữ liệu. Công nghệ chủ yếu bao gồm dịch vụ phân phối đa phương tiện và phân phối đa kênh dịch vụ. 1.1.3 Mạng di động tùy biến MANET Song song với sự phát triển của mạng có dây, mạng WLAN được chia ra thành hai mô hình chính đó là mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng và mô hình mạng không dây không có cơ sở hạ tầng Ad-hoc. Các mô hình, kiến trúc mạng này được đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất chính là mạng Ad-hoc thường được viết tắt là MANET. i. Khái niệm Một mạng di động tùy biến MANET (Mobile Ad-hoc Networks) bao gồm các hệ thống di động (ví dụ một bộ định tuyến với nhiều đầu cuối và các thiết bị truyền thông vô tuyến), được gọi là các nút đang di chuyển tự do. Các nút có thể được nằm trong hoặc trên máy bay, tàu, xe tải, xe hơi, thậm chí trên người hoặc các thiết bị rất nhỏ và có thể có nhiều đầu cuối trên mỗi bộ định tuyến. Một mạng MANET là một hệ thống các nút di động tự trị. Hệ thống có thể hoạt động độc lập hoặc có thể có cổng để giao tiếp với mạng cố định. Trong chế độ hoạt động này, mạng MANET hoạt động như một mạng “đuôi” liên kết với một mạng Internet cố định. Các mạng đuôi truy nhập lưu lượng xuất phát hoặc đến các nút trong mạng, nhưng không cho phép truy nhập lưu lượng ngoài chuyển tiếp qua mạng. Các mạng MANET bao gồm các bộ phát và bộ thu sử dụng anten omni để phát quảng bá hoặc anten đơn hướng để phát đơn hướng điểm - điểm, có thể điều chỉnh được hoặc kết hợp các loại anten này. Tới một thời điểm nào đó, tùy thuộc vào vị trí của các nút và vùng phủ sóng bộ thu và bộ phát của chúng, mức công suất phát và mức nhiễu đồng kênh, một kết nối di động ngẫu nhiên, đồ thị nhiều chặng hay mạng Adhoc tồn tại giữa các nút. Cấu hình Ad-hoc này có thể thay đổi theo thời gian khi các nút di chuyển hoặc điều chỉnh thông qua sự thu phát của chúng. Tạ Thị Thủy D13VT8 7 Đồ án tốt nghiệp đại học ii. Chương 1 Đặc điểm của mạng MANET  Cấu hình động: Các nút di chuyển tự do, do vậy cấu hình mạng gồm nhiều chặng có thể thay đổi ngẫu nhiên và liên tục tại bất kì thời điểm nào và có thể bao gồm cả liên kết song hướng và đơn hướng.  Dung lượng thấp, băng tần hạn chế: Các liên kết vô tuyến có dung lượng thấp hơn nhiều so với các liên kết hữu tuyến tương ứng. Ngoài ra, thông lượng thực của các liên kết vô tuyến sau khi tính toán ảnh hưởng đa truy nhập, pha đinh, tạp âm và nhiễu thường nhỏ hơn nhiều so với tốc độ truyền dẫn tối đa.  Hoạt động tiết kiệm năng lượng: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng MANET có thể dùng pin hoặc các phương tiện khác làm nguồn năng lượng. Đối với các nút này, tiêu chí thiết kế hệ thống quan trọng nhất là việc tối ưu hóa để có thể tiết kiệm năng lượng.  Bảo mật vật lý hạn chế: Các mạng di động vô tuyến thường ít bảo mật lớp vật lý hơn so với các mạng hữu tuyến. Khả năng bị nghe trộm, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ DoS (Denial of Service) cần được xem xét một cách cẩn thận. Các kĩ thuật bảo mật liên kết thường được áp dụng cho các mạng vô tuyến để giảm các nguy cơ tấn công bảo mật. Ngoài ra, một số mạng (như mạng dùng trong quân đội) có thể khá lớn (bao gồm hàng chục hay hàng trăm nút trong một vùng). Nhu cầu về khả năng mở rộng không đặc biệt với mạng MANET. Tuy nhiên, cùng với các đặc điểm đã nêu trên, các cơ chế để đạt được khả năng mở rộng mạng cũng cần thiết đối với mạng MANET. Trong môi trường này, một tuyến đường giữa hai máy chủ có thể bao gồm các bước nhảy qua một hoặc nhiều nút mạng MANET. Một vấn đề quan trọng trong MANET là tìm kiếm và duy trì các tuyến đường khi mà máy chủ di động có thể gây ra thay đổi cấu trúc mạng. MANET được thực hiện trong các mạng khác nhau như mạng khu vực cá nhân BAN (Body Area Network), mạng tùy biến xe cộ VANET (Vehicular Ad-hoc Network), mạng không dây (thay đổi từ mạng khu vực cá nhân đến mạng diện rộng), và mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network). MANET cũng được thực hiện bằng công nghệ truyền thông không dây chẳng hạn như Bluetooth, IEEE 802.1 và UWB (Ultra-Wide Band). Tuy nhiên, mỗi một mạng kết hợp với các công nghệ truyền thông đặt ra những thách thức khác nhau trong việc thiết kế thuật toán. Tạ Thị Thủy D13VT8 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 1.2 MẠNG XE CỘ BẤT ĐỊNH VANET 1.2.1 Giới thiệu Các nghiên cứu về mạng Ad-hoc di động trong suốt một thập kỉ qua chủ yếu tập trung vào mạng, nơi các nút được giả định là thiết bị di động được thực hiện bởi người lái xe với một loạt các ứng dụng trong quân đội và thương mại điện tử. Gần đây, một số các dự án trên toàn thế giới đã bắt đầu nghiên cứu với mục tiêu sử dụng mạng Adhoc làm công nghệ truyền thông cho các ứng dụng vào phương tiện cụ thể trong khái niệm rộng lớn hơn là hệ thống giao thông thông minh (ITS – Intelligent Transportation Systems). ITS tích hợp các ứng dụng trên máy tính, truyền thông, cảm biến, các công nghệ điều khiển, các chiến lược quản lý để cải thiện chức năng của các hệ thống giao thông vận tải. Các hệ thống này cung cấp thông tin thời gian thực cho người tham gia giao thông để tăng tính an toàn và hiệu quả của mạng lưới giao thông trên mặt đất. ITS và các hoạt động tương tự đã được bắt đầu ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản từ những năm 1970. ITS là đại diện cho một sự thay đổi xu hướng. Từ xu hướng đầu tư nhiều cho xây dựng và đường cao tốc lớn hơn như là giải pháp cho tình trạng tắc nghẽn giao thông, nhưng tỷ lệ tai nạn vẫn tăng lên và gây hậu quả cho đời sống con người. Xu hướng này không còn được xem là sự lựa chọn khả thi do chi phí tài chính, xã hội và môi trường cao. Xu hướng mới là sử dụng hiệu quả cơ sở hạ tầng hiện có thông qua các công nghệ cho phép hệ thống truyền dẫn đáp ứng động với tình trạng tắc nghẽn và cải thiện tính an toàn. Truyền thông liên xe (IVC – Intervehicle Communication) thường được xem như là một yếu tố quan trọng của kiến trúc ITS. Nhiều dự án ITS sử dụng công nghệ không dây tầm trung ngắn hạn để xây dựng mạng truyền thông V2V (Vehicle – to – Vehicle) và V2R (Vehicle – to – Roadside). Các mạng này thu thập và quảng bá thông tin thời gian thực quan trọng giúp cải thiện sự an toàn và nâng cao hiệu quả trên cơ sở hạ tầng giao thông hiện có. Các ứng dụng mạng VANET bao gồm các hệ thống an toàn chủ động tận dụng mạng V2V hoặc V2R, những hệ thống có thể hỗ trợ các lái xe trong việc tránh va chạm hoặc điều kiện đường xa nguy hiểm. Các ứng dụng đó bao gồm điều khiển hành trình, thông tin tắc nghẽn thời gian thực và định tuyến, thông tin giải trí di động... Tạ Thị Thủy D13VT8 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Việc xây dựng mạng VANET đáng tin cậy, có khả năng mở rộng và an toàn đặt ra thách thức lớn về kĩ thuật. Tuy nhiên truyền thông xe trực tiếp dựa trên VANET là công nghệ hứa hẹn nhất để hỗ trợ tính an toàn cho các hệ thống on-board do tính sẵn sàng cao, tính kết nối linh hoạt cao, tốc độ dữ liệu cao, độ trễ chuyển giao thông tin giữa các xe thấp. Hơn nữa, IVC trực tiếp có thể khai thác dữ liệu địa lý phù hợp và có thể triển khai với chi phí thấp. 1.2.2 Khái niệm Mạng xe cộ bất định VANET là lớp con của MANET. VANET là một công nghệ sử dụng các xe di chuyển như các nút mạng để tạo nên một mạng di động. Mạng VANET biến mỗi xe tham gia giao thông thành một router hay một nút không dây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100 đến 300 mét, từ đó tạo nên một vùng phủ sóng rộng. Các xe có thể đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể tham gia kết nối với các xe khác trong mạng đó. Do đó một mạng Internet di động được tạo ra. Trong thực tế hệ thống đầu tiên tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu hỏa nhằm giao tiếp với nhau phục vụ công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự. VANET hỗ trợ lái xe giao tiếp và phối hợp với nhau để tránh bất kỳ tình huống giao thông quan trọng thông qua truyền thông V2V. Ví dụ: tai nạn giao thông, ùn tắc giao thông, kiểm soát tốc độ, quyền tự do đi lại của xe cấp cứu và những trở ngại vô hình… Hình 1.3: Mô hình mạng VANET Tạ Thị Thủy D13VT8 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Bên cạnh các ứng dụng an toàn, VANET cũng cung cấp các ứng dụng tiện ích cho người lái xe. Ví dụ, thông tin thời tiết, thương mại điện tử, truy cập Internet và các ứng dụng đa phương tiện khác. Các ứng dụng phổ biến nhất bao gồm: “Advance Driver Assistance Systems (ADASE2), Crash Avoidance Matrices Partnership (CAMP), CARTALK2000 and Fleet Net” đã được triển khai dưới sự phối hợp của các chính phủ và các nhà sản xuất ô tô lớn. 1.2.3 Kiến trúc, chức năng và các thành phần trong mạng VANET Kiến trúc một hệ thống mạng VANET bao gồm các Domain và nhiều thành phần riêng rẽ như Hình 1.4. Hình 1.4 cho thấy 3 Domain (gồm trong xe, Ad-hoc, cơ sở hạ tầng) và các thành phần riêng rẽ (đơn vị ứng dụng, đơn vị trên xe và đơn vị bên đường).  Trong xe: Bao gồm một OBU và nhiều AU bên trong một chiếc xe. AU thực hiện một tập hợp các ứng dụng sử dụng khả năng giao tiếp của OBU. Một OBU được trang bị một thiết bị truyền thông (tầm ngắn) cho an toàn, có khả năng lựa chọn các thiết bị liên lạc (giao tiếp an toàn và không an toàn). Sự khác biệt giữa AU và OBU là logic, chúng cũng có thể trong cùng một đơn vị vật lý. Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống mạng VANET  Adhoc: Miền Adhoc bao gồm các loại xe được trang bị OBU và trên đường có các RSU để hình thành mạng VANET. OBU hình thành một mạng lưới cho phép giao tiếp giữa các nút. Nếu tồn tại kết nối không dây OBU trực tiếp giao tiếp, sử dụng đa hop để chuyển tiếp dữ liệu. Tạ Thị Thủy D13VT8 11 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1  Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng bao gồm RSU và các điểm nóng không dây (HS), các xe có thể truy cập cho các ứng dụng an toàn và không an toàn. RSU truy cập Internet thường được thiết lập bởi các quản trị viên và các cơ quan khác. Hai loại truy nhập cơ sở hạ tầng, RSU và HS, tương ứng với các loại ứng dụng khác nhau. Không phải RSU, cũng không phải HS truy cập Internet, mà OBU có thể giao tiếp với mạng chuyển động (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) được tích hợp ở OBU, đặc biệt là các ứng dụng an toàn. On – Board Unit (OBU) OBU được đặt trên xe để đáp ứng giao tiếp V2V và V2I. Nó cũng cung cấp dịch vụ truyền thông AU và chuyển tiếp dữ liệu thay cho OBU khác trong mạng Ad-hoc. Một OBU được trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên công nghệ 802.11p. Thiết bị mạng được sử dụng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ liệu liên quan trong mạng Ad-hoc. Một OBU có thể trang bị nhiều thiết bị mạng, ví dụ: truyền không an toàn, dựa trên công nghệ vô tuyến khác theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n. Các chức năng OBU và thủ tục bao gồm truy cập vô tuyến không dây, định tuyến dựa vào vị trí địa lý, điều khiển tắc nghẽn mạng, chuyển dữ liệu an ninh quan trọng… Road – Side Unit (RSU) RSU là một thiết bị vật lý có các vị trí cố định trên đường hoặc các vị trí chuyên dụng như trạm xăng, bãi đỗ xe, nhà hàng. Một RSU được trang bị ít nhất một thiết bị mạng giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên IEEE 802.11p. Một RSU cũng có thể được trang bị các thiết bị mạng khác để cho phép liên lạc với một mạng lưới cơ sở hạ tầng. Hình 1.5: RSU mở rộng khoảng giao tiếp Tạ Thị Thủy D13VT8 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Các chức năng của RSU như sau: o Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng Ad-hoc có nghĩa là phân phối lại thông tin để các OBU cùng với RSU có thể chuyển tiếp, phân phối thông tin an toàn. o Chạy các ứng dụng an toàn, chẳng hạn như cảnh báo cho V2I (cảnh báo cầu thấp, công trường thi công,…) và hoạt động như nguồn và nhận. o Cung cấp kết nối Internet cho OBU. Hình 1.6: RSU như một nguồn thông tin 1.2.4 Đặc điểm của mạng VANET Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của mạng MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và sử dụng đường truyền vô tuyến. Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở chỗ: các nút mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu cho nhau. VANET có những đặc tính riêng của mình khi so sánh với các loại MANETs, những đặc tính riêng của VANET bao gồm:  Khả năng dự đoán chuyển động: VANET khác với các loại mạng tùy biến di động. Trong đó, các nút di chuyển một cách ngẫu nhiên bị hạn chế bởi cấu trúc liên kết, bố trí đường bộ và yêu cầu phải tuân theo vạch dấu hiệu và đèn giao thông và để tương ứng với xe khác. Dẫn đến việc dự báo nằm trong khả năng thực hiện. Tạ Thị Thủy D13VT8 13 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1  Khả năng tính toán cao: Bởi vì các nút trong VANET là xe, chúng có thể được trang bị đủ số lượng cảm biến và các tài nguyên tính toán; như bộ vi xử lý tốc độ cao, dung lượng bộ nhớ lớn, công nghệ tiên tiến và ăng-ten hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Những tài nguyên này tăng khả năng tính toán của các nút, giúp đạt được truyền thông không dây đáng tin cậy và có được thông tin chính xác liên quan đến vị trí hiện tại, tốc độ và hướng của phương tiện.  Cung cấp lái xe an toàn, cải thiện sự tiện nghi và nâng cao hiệu quả giao thông: VANET cung cấp thông tin liên lạc trực tiếp giữa các phương tiện di chuyển, do đó cho phép một tập hợp các ứng dụng, yêu cầu liên lạc trực tiếp giữa các nút được áp dụng qua mạng. Ứng dụng này có thể cung cấp cho lái xe những chỉ dẫn với thông điệp cảnh báo về tai nạn, hoặc về sự cố đột ngột. Hơn nữa, có thể bổ sung các ứng dụng để cải thiện sự thoải mái của hành khách và hiệu quả giao thông bằng cách phổ biến thông tin về thời tiết, lưu lượng giao thông và các điểm thông tin quan tâm (trạm xăng dầu, trung tâm mua sắm và thức ăn nhanh).  Không hạn chế năng lượng: Năng lượng trong VANET không phải là một thách thức quan trọng như trong MANETs, vì xe có khả năng cung cấp điện liên tục cho tuổi thọ pin dài.  Mật độ mạng khác biệt: Mật độ mạng trong VANET khác nhau tùy thuộc vào mật độ giao thông, có thể rất cao trong trường hợp có ách tắc giao thông, hoặc rất thấp, như trong giao thông ngoại thành, nông thôn.  Mạng quy mô lớn: Quy mô mạng lưới có thể là lớn ở các khu vực đô thị đông đúc như trung tâm thành phố, đường cao tốc và ở lối vào của các thành phố lớn.  Thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng: tốc độ di chuyển của phương tiện là cao, đặc biệt là đường cao tốc dẫn đến những thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng. Hơn nữa, hành vi lái xe bị ảnh hưởng bởi các dữ liệu nhận được từ mạng, gây ra những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng. Thời gian sử dụng liên kết giữa các xe bị ảnh hưởng bởi đặc điểm của thông tin vô tuyến và sự chuyển động của phương tiện. Thời gian sử dụng liên kết giữa các phương tiện di chuyển theo hướng ngược nhau là rất ngắn so với trường hợp các phương tiện di chuyển theo cùng một hướng. Những Tạ Thị Thủy D13VT8 14
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan