(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây WSN và ỨNG DỤNG TRONG NGN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÔN HỌC MẠNG THẾ HỆ MỚI -o0o - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGN Sinh viên thực hiện: Trương Việt Hoàng (MSV: 191410457) Đỗ Xuân Bách (MSV: 191400113) Nguyễn Anh Minh (MSV: Giảng viên hướng dẫn : Đỗ Việt Hà Hà Nội, ngày 19 tháng 09 năm 2022 MỤC LỤC Khái niệm mạng cảm biến không dây WSN Phần cứng WSN 2.1 Các vấn đề chung thiết kế 2.2 Các tính nút cảm biến 2.2.1 Hiệu suất lượng ( tự phát ) 2.2.2 Tính linh hoạt tảng 2.2.3 Độ tin cậy 2.2.4 Hiệu suất thu phát 2.2.5 Khả tính tốn 2.2.6 Kích thước chi phí Cấu trúc nút cảm biến không dây Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây 10 4.1 Cấu trúc hình – STAR 10 4.2 Cấu trúc – TREE 11 4.3 Cấu trúc liên kết lưới - MESH 11 Các loại mạng cảm biến không dây 11 5.1 WSN cạn (Terrestrial wireless sensor networks) 11 5.2 WSN ngầm (Underground wireless sensor networks) 11 5.3 WSN nước (Under Water wireless sensor networks) 12 5.4 WSN đa phương tiện (Multimedia wireless sensor networks) 13 5.5 Mạng cảm biến không dây di động (Mobile Wireless Sensor Networks) 13 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 13 6.1 Ứng dụng môi trường ngành nông nghiệp 13 6.2 Ứng dụng y tế giám sát sức khỏe 14 6.3 Ứng dụng quân 14 6.4 Giám sát điều khiển công nghiệp 14 Sử dụng WSN cho nhiệm vụ quan trọng 14 7.1 Các vấn đề cố 14 7.1.1 Tổng quan 14 7.1.2 Bảo mật quyền riêng tư 15 7.1.3 Khả chịu lỗi 15 7.1.4 Nhận thức bối cảnh 16 7.1.5 Chất lượng dịch vụ 16 Loạt khuyến nghị bảo mật mạng cảm biến phổ biến 16 8.1 Bảo mật WSN 16 8.2 Nguồn gốc 17 8.3 Các mối đe dọa mạng cảm biến 18 Khái niệm mạng cảm biến không dây WSN Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSNs) mạng tập hợp thiết bị giao tiếp thông tin thu thập từ trường giám sát thơng qua liên kết khơng dây, sóng vơ tuyến WSN bao gồm trạm gốc nút Các nút thường cảm biến không dây (wireless sensors), có thiết kế nhỏ gọn, phân bố với số lượng lớn phạm vị rộng Các nút sử dụng để theo dõi điều kiện vật lý môi trường nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động chất ô nhiễm hợp tác truyền liệu chúng qua mạng tới trạm thu phát (Sink) trạm gốc nơi liệu quan sát phân tích Một Sink trạm gốc hoạt động giống giao diện người dùng mạng Có thể lấy thơng tin cần thiết từ mạng cách đưa vào truy vấn thu thập kết từ Sink Phần cứng WSN 2.1 Các vấn đề chung thiết kế Một nhiệm vụ quan trọng phải giải phát triển WSN cho ứng dụng cụ thể lựa chọn tảng phần cứng làm sở để tạo nút cảm biến Có nhiều triển khai nút cảm biến từ nhà cung cấp khác nhau, tất tảng có yếu tố chung Việc chọn tảng có khác phát triển tảng từ đầu phải thực để đáp ứng yêu cầu chức WSN Bất kỳ tảng phần cứng cung cấp tập hợp thơng số nút cảm biến riêng Sự đa dạng tảng có sẵn loạt ứng dụng WSN gây tảng có có tính riêng tùy theo nhóm nhiệm vụ mà dành cho Ngồi ra, phải hiểu trình độ cơng nghệ khiến nhà nghiên cứu phải liên tục tìm cân thơng số kích thước, suất, thời lượng pin, phạm vi giao tiếp, phạm vi phủ sóng, độ tin cậy, chức năng, chi phí, v.v Hình minh họa mối tương quan thơng số nút cảm biến 2.2 Các tính nút cảm biến Trước bắt đầu xem xét cấu trúc nút cảm biến cách chi tiết hơn, nên ý đến tính nút cảm biến Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến khả toàn WSN Đó lý yêu cầu WSN ứng dụng cụ thể chuyển đổi thành yêu cầu nút cảm biến 2.2.1 Hiệu suất lượng ( tự phát ) Không giống thiết bị di động chạy pin thông thường khác, nút cảm biến giải yêu cầu nghiêm ngặt nhiều hiệu lượng áp đặt hạn chế tất thành phần nút cảm biến Ví dụ: điện thoại di động, chấp nhận hoạt động tự động vài ngày người dùng thường có khả sạc pin cần Nhưng với nút cảm biến, có tình khác Các phần WSN phân phối theo không gian khu vực dài nhiều km, đặc biệt người dùng WSN quản lý qua Internet Đồng thời, nút cảm biến đặt nơi khơng thể tiếp cận vị trí cụ thể nút cảm biến khơng xác định Ngồi ra, WSN bao gồm hàng chục, hàng trăm chí hàng nghìn nút cảm biến Trong điều kiện này, việc sạc nút cảm biến người dùng điều khơng cần bàn cãi Đó lý nút cảm biến phải có hiệu suất lượng cao để tiếp tục hoạt động loại pin nhỏ rẻ tiền vài tháng chí vài năm Chỉ đạt hoạt động tiêu thụ điện cực thấp cách sử dụng thành phần phần cứng công suất thấp Chắc chắn, nhà phát triển nhà sản xuất WSN quan tâm đến việc giảm chi phí nút cảm biến WSN có số lượng lớn nút cảm biến Tuy nhiên, nút cảm biến bê tông phải đáng tin cậy đến mức hoạt động mà khơng bị hỏng từ thời điểm bật sử dụng hoàn toàn nguồn cung cấp pin Ngoài việc tăng độ tin cậy nút cảm biến, để cung cấp toàn độ tin cậy WSN, người ta sử dụng giao thức quản lý truyền liệu thích ứng (định tuyến thích ứng) Chúng nhằm mục đích cung cấp mạnh mẽ chung WSN số nút cảm biến định bị lỗi Ví dụ: lưu lượng truy cập từ nút cảm biến qua nút cảm biến khác đột ngột bị lỗi, WSN thay đổi cấu trúc kết nối lại nút “bị mất” thông qua nút khác gần với Điều đáng nói tảng WSN đại hỗ trợ chức Tham số xác định tỷ số thời gian hoạt động tích cực nút cảm biến thời gian chế độ lượng thấp (chế độ nghỉ) Trong WSN với nút cảm biến có tuổi thọ dài, hầu hết thời gian chế độ nghỉ, mức tiêu thụ điện nút cảm biến giảm 3-4 lần tắt tất thành phần ngoại trừ phận chịu trách nhiệm quay trở lại từ chế độ nghỉ cần thiết Sau quay trở lại từ chế độ ngủ, nút cảm biến trao đổi liệu với nút cảm biến xung quanh, lấy kết đọc từ phần tử cảm biến sau bật lại chế độ ngủ Ngoài ra, kỹ thuật quan trọng kéo dài tuổi thọ pin nút cảm biến giảm chu kỳ nhiệm vụ Tham số xác định tỷ số thời gian hoạt động tích cực nút cảm biến thời gian chế độ lượng thấp (chế độ nghỉ) Trong WSN với nút cảm biến có tuổi thọ dài, hầu hết thời gian chế độ nghỉ, mức tiêu thụ điện nút cảm biến giảm 3-4 lần tắt tất thành phần ngoại trừ phận chịu trách nhiệm quay trở lại từ chế độ nghỉ cần thiết Sau quay trở lại từ chế độ ngủ, nút cảm biến trao đổi liệu với nút cảm biến xung quanh, lấy kết đọc từ phần tử cảm biến sau bật lại chế độ ngủ 2.2.2 Tính linh hoạt tảng Phần lớn ứng dụng thực tế yêu cầu tính linh hoạt khả thích ứng tảng WSN Trong ứng dụng, người dùng cần WSN để tiếp tục hoạt động vài năm tốc độ cập nhật liệu độ trễ truyền liệu khơng đóng vai trị quan trọng Ví dụ, để theo dõi nhiệt độ độ ẩm đất, bạn không cần cập nhật số thường xuyên truyền liệu nhanh (vì nhiệt độ đất khơng thể thay đổi nhanh chóng), điều quan trọng WSN thực chức phải hoạt động lâu tốt Trong ứng dụng khác giám sát lây lan cháy rừng, việc phát nhanh truyền liệu nhanh quan trọng hơn, thời gian tồn WSN thơng số quan trọng Vì vậy, tảng nút cảm biến phải có khả điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể 2.2.3 Độ tin cậy Chắc chắn, nhà phát triển nhà sản xuất WSN quan tâm đến việc giảm chi phí nút cảm biến WSN có số lượng lớn nút cảm biến Tuy nhiên, nút cảm biến phải đáng tin cậy đến mức hoạt động mà không bị hỏng từ thời điểm bật sử dụng hoàn toàn nguồn cung cấp pin Ngoài việc tăng độ tin cậy nút cảm biến, để cung cấp toàn độ tin cậy WSN, người ta sử dụng giao thức quản lý truyền liệu thích ứng (định tuyến thích ứng) Chúng nhằm mục đích cung cấp mạnh mẽ chung WSN số nút cảm biến định bị lỗi Ví dụ: lưu lượng truy cập từ nút cảm biến qua nút cảm biến khác đột ngột bị lỗi, minh họa WSN thay đổi cấu trúc kết nối lại nút “bị mất” thông qua nút khác gần với Điều đáng nói tảng WSN đại hỗ trợ chức Một số ứng dụng WSN đưa yêu cầu nghiêm ngặt bảo mật thông tin Và yêu cầu ngày trở nên quan trọng, gia tăng mối đe dọa điều khiển học WSN kết nối với Internet Để đáp ứng yêu cầu bảo mật, nút cảm biến phải có khả thực thuật tốn mã hóa xác thực phức tạp Trên thực tế, kênh liên lạc vơ tuyến dễ dàng bị khai thác trở nên sẵn sàng cho kẻ xâm nhập Cách để tránh mã hóa tất liệu truyền WSN Nhiều nút cảm biến đại giúp bạn thiết lập mã hóa lưu lượng mạng cách linh hoạt Trong số tảng, thực phần mềm, số nút cảm biến bao gồm khối mã hóa phần cứng đặc biệt Nhưng trường hợp, mã hóa địi hỏi phải tiêu tốn thêm lượng có tác động tiêu cực đến thời gian tồn WSN Một khía cạnh khác bảo mật thông tin WSN bảo vệ nhớ nút cảm biến Bộ nhớ nút cảm biến không bao gồm thông tin truyền WSN, mà cịn có khóa riêng để mã hóa lưu lượng Vì phải bảo vệ cách đáng tin cậy khỏi can thiệp từ bên ngồi Các khía cạnh bảo mật thơng tin phải tính đến đồng thời Mặt khác, nhớ bảo vệ yếu làm cho khóa riêng WSN có sẵn, khiến “bẻ khóa” WSN cho dù thuật tốn mã hóa phức tạp đến đâu Mặt khác, mã hóa lưu lượng yếu làm cho liệu truyền mạng bị kẻ xâm nhập dị tìm thay đổi, nhớ nút cảm biến bảo vệ tốt 2.2.4 Hiệu suất thu phát Một đặc điểm nút cảm biến hiệu suất thu phát Các thơng số hiệu suất thu phát ảnh hưởng đến đặc tính nút cảm biến tốc độ truyền liệu tối đa, dải tần, phương pháp điều chế, độ nhạy máy thu công suất máy phát Tất thông số kỹ thuật nút cảm biến ảnh hưởng đến đặc tính WSN độ tin cậy, mật độ không gian tối thiểu nút cảm biến, tốc độ cập nhật số đọc tối đa tuổi thọ Vì vậy, thơng số thu phát nút cảm biến đặc điểm tảng WSN Ở xem xét mức độ ảnh hưởng nhiễu ảnh hưởng đến độ tin cậy WSN mức độ định tính Có thể ước tính định lượng mức độ ảnh hưởng nhiễu ảnh hưởng đến liên kết không dây nút cảm biến với trợ giúp đặc tính thu phát đề cập Để ước tính tác động nhiễu đến chất lượng thu tín hiệu, lý thuyết thơng tin, tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) sử dụng Tỷ lệ cho thấy số lần tín hiệu mong muốn (tín hiệu từ nút cảm biến khác) mà thu nút cảm biến nhận vượt mức công suất nhiễu SNR cao tín hiệu hữu ích mạnh so với nhiễu xác suất nhận tín hiệu xác cao Tốc độ truyền nhận liệu tối đa thu phát nút cảm biến hạn chế tốc độ tối đa việc thu thập liệu WSN Ngoài ra, tốc độ truyền liệu tối đa cao mức tiêu thụ lượng thu phát trình truyền nhận cao Đối với phương pháp điều chế tín hiệu, có giá trị SNR đặc biệt mà cao giao tiếp thu thu phát Ngồi ra, lý thuyết thơng tin có nguyên tắc [29], diễn đạt (dưới dạng đơn giản hóa) phát biểu sau: SNR cao tốc độ truyền liệu tối đa cao Độ nhạy thu nút cảm biến thể khả nhận tín hiệu yếu, ví dụ, khoảng cách xa so với nút cảm biến khác, cơng suất máy phát, ảnh hưởng đến khoảng cách tối đa nút cảm biến Điều đáng nói việc tăng công suất độ nhạy phát thu nút cảm biến dẫn đến mức tiêu thụ lượng chi phí nút cảm biến cao Nhưng phụ thuộc khơng tuyến tính lợi ích việc tăng phạm vi nút cảm biến khơng q lớn Đó lý đặc điểm chung thu phát đo với cơng suất mW, chấp nhận mức tiêu thụ lượng cung cấp kết nối không dây đáng tin cậy nút cảm biến khoảng cách khoảng 10 mét Dải tần số thu phát ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi liệu tối đa khoảng cách lớn nút cảm biến Trung tâm phụ thuộc quy luật vật lý tín hiệu vơ tuyến Theo định luật này, tần số sử dụng làm sóng mang cao suy giảm tín hiệu theo khoảng cách mạnh Đó lý tảng nút cảm biến hoạt động dải tần số thấp cho phép có giá trị cao khoảng cách tối đa nút cảm biến WSN Nhưng quy luật vật lý không cho phép sử dụng tần số thấp để kết nối nút cảm biến phần lớn WSN, kích thước ăng-ten thu phát phải lớn hơn, tần số thấp ảnh hưởng đến kích thước nút cảm biến Tốc độ truyền nhận liệu tối đa thu phát nút cảm biến hạn chế tốc độ tối đa việc thu thập liệu WSN Ngoài ra, tốc độ truyền liệu tối đa cao mức tiêu thụ lượng thu phát trình truyền nhận cao Mặt khác, tốc độ truyền cao thời gian cần thiết để truyền liệu ít; đó, thu phát bật thời gian ngắn Nhưng tốc độ truyền tải cao đòi hỏi nhiều sức mạnh lượng tính tốn cho việc tính tốn này, điều khơng phải lúc chấp nhận Vì vậy, hiệu suất thu phát nút cảm biến ảnh hưởng đến đặc điểm WSN sử dụng nút cảm biến 2.2.5 Khả tính toán Bộ vi điều khiển nút cảm biến (và đó, tiêu thụ lượng pin) sử dụng sức mạnh tính tốn cho hai loại tác vụ Loại nhiệm vụ đề cập đến việc hỗ trợ chức WSN, nhiệm vụ thứ hai đọc xử lý phép đo phần tử cảm biến Cả hai loại tác vụ u cầu khả tính tốn định tốn nhiều thời gian vi điều khiển Khi điều khiển vi mô bận, mức tiêu thụ lượng trở nên đáng kể Nhiệm vụ hỗ trợ WSN hoạt động, trước tiên, tiếp nhận liệu thực thi thuật toán truyền tải xa phần giao thức truyền thông WSN Mọi nút cảm biến nhận liệu vĩnh viễn từ nút cảm biến xung quanh khác Vi điều khiển xác định liệu tùy thuộc vào nội dung truyền đến nút cảm biến gần nhất, bỏ qua chúng lưu vào nhớ để xử lý tiếp Tất điều xảy phù hợp với giao thức truyền thông WSN Công suất tính tốn vi điều khiển nút cảm biến phải cao, tốc độ trao đổi liệu tối đa cao có thời gian giải mã liệu Chúng ta thấy tình trạng tương tự với khả tính tốn cần thiết để đọc xử lý phép đo cảm biến Các yếu tố nhạy cảm tạo nhiều liệu phải xử lý kịp thời Và loại xử lý cần thiết khác nhiều, từ tính trung bình đơn giản, lọc kỹ thuật số, theo dõi số vượt ngưỡng tính tốn tự tương quan phân tích phổ Hai hoạt động cuối ví dụ hoạt động đặc biệt tiêu tốn tài nguyên 2.2.6 Kích thước chi phí Thu nhỏ, giảm giá cải thiện thông số khác ưu tiên quan trọng từ nghiên cứu WSN Ví dụ điển hình dự án SmartDust diễn vào cuối năm 1990 đầu năm 2000 Việc thu nhỏ giảm giá cảm biến không ngừng mở rộng khả ứng dụng WSN tương lai chúng dẫn đến việc sử dụng rộng rãi WSN dậy WSN phổ biến trên, xem xét phụ thuộc đặc tính WSN khác nhau, bây giờ, sau xem xét đặc điểm bổ sung, hình dung khó khăn để tìm cân chúng phát triển nút cảm biến Cấu trúc nút cảm biến không dây Vi điều khiển thực chức điều khiển tất thành phần xử lý liệu nhận từ phần tử cảm biến nút cảm biến này, liệu nhận từ nút cảm biến khác Vi điều khiển sử dụng rộng rãi phần tử điều khiển nút cảm biến, giá thành rẻ, tiêu thụ lượng thấp, kích thước nhỏ Một lý quan trọng mà vi điều khiển lấy làm sở nút cảm biến loạt vi điều khiển sản xuất Các nhà nghiên cứu dễ dàng tìm thấy vi điều khiển với mơđun bổ sung (ví dụ: chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC), mô-đun mã hóa), với giao diện kỹ thuật số chí khơng dây khác nhau, với hiệu suất cần thiết Tất điều cung cấp linh hoạt cần thiết cho phát triển Thêm vào đó, vi điều khiển thiết bị chủ đạo nên dễ sử dụng Trong hầu hết trường hợp, vi điều khiển, đóng vai trị sở nút cảm biến, bao gồm tất mơ-đun cần thiết để hoạt động xác Các mơ-đun mơ-đun sau, tùy thuộc vào ứng dụng: • Đơn vị xử lý trung tâm (CPU), • Bộ nhớ, • ADC, • Giao diện kỹ thuật số (i2c, UART, 1-wire, SPI, USB, GPIO, v.v.), • Mơ-đun mã hóa, • Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC), • Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP), v.v Nhưng số mô-đun thiết kế khơng tinh thể với vi điều khiển, kết nối bên Nhưng trường hợp, vi điều khiển kiểm sốt chúng Trên hình, mơ-đun tùy chọn đánh dấu đường chấm Để giảm chi phí tiêu thụ lượng nút cảm biến, vi điều khiển chế tạo nghiêm ngặt hạn chế suất Phổ biến vi điều khiển bit 16 bit với xung nhịp đến 16 MHz Do hạn chế suất vi điều khiển, chúng thường chạy hệ điều hành nhúng dựa thành phần chuyên biệt, chẳng hạn TinyOS Ngồi ra, vi điều khiển hoạt động chế độ tiết kiệm lượng (hoặc chế độ nghỉ) Nó hét xuống hầu hết khối bên sau bật lại chúng Mức tiêu thụ điện giảm tới 1000 lần chế độ Ngoài vi điều khiển, loại xử lý nhúng khác sử dụng nút cảm biến làm phần tử điều khiển, bao gồm DSP Mảng cổng lập trình trường (FPGA) Những loại vi xử lý nhúng có suất cao vi điều khiển việc giải tác vụ chun biệt Việc chun mơn hóa định mang lại lợi ích đáng kể cho suất, chi phí lượng tiêu thụ Đồng thời, chun mơn hóa ngăn cản chúng phổ biến Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây Cấu trúc Mạng cảm biến không dây bao gồm cấu trúc liên kết khác cho mạng truyền thông vô tuyến Dưới thảo luận ngắn cấu trúc liên kết mạng áp dụng cho mạng cảm biến khơng dây 4.1 Cấu trúc hình – STAR Topology hình sử dụng rộng rãi mạng máy tính, WSN xuất hiện, bắt đầu đượccũng sử dụng để tổ chức tương tác nút cảm biến Đặc điểm ngơi saocấu trúc liên kết kết nối tất nút cảm biến để chìm trực tiếp Hình 2.7 biểu diễn sơ đồcấu trúc liên kết Trong trường hợp vậy, nút cảm biến không kết nối với tất tương tácgiữa nút cảm biến diễn thông qua bồn rửa Nhược điểm cấu trúc liên kết hạn chếsố lượng nút cảm biến WSN Hạn chế xuất tất nút cảm biến phảiđược đặt vùng lân cận bồn rửa, để kết nối trực tiếp với Một yếu tố hạn chế khác làhiệu suất, i e số lượng kết nối hỗ trợ tối đa 4.2 Cấu trúc – TREE Cấu trúc liên kết cây, trái ngược với cấu trúc liên kết hình sao, phù hợp nhiều với WSN với số lượng lớn nút cảm biến Nó có cấu trúc phân cấp, minh họa Hình 2.8 cảm biến nút gần với bồn rửa tương tác trực tiếp với bồn rửa Và nhiều nút cảm biến từ xa tương tác với nút gần theo quy tắc cấu trúc liên kết hình Cấu trúc liên kết không cung cấp trao đổi liệu trực tiếp tất nút cảm biến Chỉ cho phép truyền liệu từ nút cảm biến đến bồn rửa theo hướng ngược lại Ngoài ra, cấu trúc liên kết này, luồng liệu từ cấp có số lượng lớn (i E "Lá") phân phối qua cấp có số lượng nhỏ (i E."Root" "cành") Vì vậy, cấp có hai nút cảm biến tồn WSN bao gồm mười nút cảm biến, lưu lượng truy cập phân phối qua hai nút cảm biến lâu hơn, liệu truyền lại từ chín nút cảm biến cấp thấp Mạng bị lỗi nhanh chóng, tiêu thụ lượng cảm biến chìm gần nhấtđiểm giao 4.3 Cấu trúc liên kết lưới - MESH Cấu trúc liên kết lưới cấu trúc khó thực nhất, cung cấp nhiều hội để trao đổi liệu nút cảm biến Trong WSN với cấu trúc liên kết lưới tương tác nút cảm biến diễn theo nguyên tắc “với nút gần nhất”, thể Hình 2.9 Điều có nghĩa nút cảm biến hợp tác với nút cảm biến khác, nút gần thu phát Trong trình trao đổi liệu WSN nút cảm biến qua đường ngắn với số lần truyền lại nhỏ nhất, điều có ảnh hưởng tích cực đến mức tiêu thụ lượng nút cảm biến 5 Các loại mạng cảm biến không dây Tùy thuộc vào môi trường, loại mạng định để chúng triển khai nước, lòng đất, cạn,… Các loại WSN khác bao gồm: 5.1 WSN cạn (Terrestrial wireless sensor networks) Các WSN mặt đất có khả giao tiếp trạm gốc cách hiệu bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến khơng dây triển khai theo cách phi cấu trúc có cấu trúc (được lên kế hoạch trước) Trong WSN này, nguồn pin bị hạn chế; nhiên, pin trang bị pin mặt trời nguồn lượng thứ cấp 5.2 WSN ngầm (Underground wireless sensor networks) Mạng cảm biến không dây ngầm đắt mạng WSN mặt đất mặt triển khai, bảo trì Mạng WSNs bao gồm số nút cảm biến ẩn lòng đất để theo dõi điều kiện lịng đất Để chuyển tiếp thơng tin từ nút cảm biến đến trạm gốc, nút chìm bổ sung đặt mặt đất Các mạng cảm biến không dây ngầm triển khai lịng đất khó để sạc pin lại Thêm vào đó, mơi trường ngầm khiến giao tiếp khơng dây trở thành thách thức mức độ suy giảm tín hiệu cao 5.3 WSN nước (Under Water wireless sensor networks) Hơn 70% diện tích trái đất nước Các mạng bao gồm số nút cảm biến phương tiện triển khai nước Các phương tiện tự hành nước sử dụng để thu thập liệu từ nút cảm biến Một thách thức liên lạc nước độ trễ truyền dài, băng thông cảm biến bị lỗi Ở nước, WSN trang bị loại pin hạn chế sạc lại thay Vấn đề bảo tồn lượng cho WSN nước liên quan đến phát triển kỹ thuật mạng truyền thông nước 5.4 WSN đa phương tiện (Multimedia wireless sensor networks) Mạng cảm biến không dây đa phương tiện đề xuất phép theo dõi giám sát kiện dạng đa phương tiện, chẳng hạn hình ảnh, video âm Các mạng bao gồm nút cảm biến chi phí thấp trang bị micrơ máy ảnh Các nút kết nối với qua kết nối không dây để nén liệu, truy xuất liệu tương quan Những thách thức với WSN đa phương tiện tiêu thụ lượng cao, yêu cầu băng thông cao, xử lý liệu kỹ thuật nén Ngoài ra, nội dung đa phương tiện yêu cầu băng thông cao để nội dung truyền tải cách dễ dàng 5.5 Mạng cảm biến không dây di động (Mobile Wireless Sensor Networks) Các mạng bao gồm tập hợp nút cảm biến tự di chuyển tương tác với môi trường vật lý MWSN linh hoạt nhiều so với WSN tĩnh nút cảm biến triển khai tình đối phó với thay đổi cấu trúc liên kết nhanh chóng Ưu điểm MWSN so với mạng cảm biến không dây tĩnh bao gồm phạm vi phủ sóng tốt cải thiện, hiệu lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội, v.v Ứng dụng mạng cảm biến không dây 6.1 Ứng dụng môi trường ngành nông nghiệp Kiểm tra điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng vật ni, tình trạng nước tưới, kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường 6.2 Ứng dụng y tế giám sát sức khỏe Kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm bệnh viện; kiểm tra di chuyển chế sinh học bên côn trùng loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa số liệu sinh lý người; giám sát, kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bên bệnh viện 6.3 Ứng dụng quân Một số ứng dụng mạng cảm biến quân kể đến: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát phát vũ khí hóa học – sinh học – hạt nhân 6.4 Giám sát điều khiển công nghiệp Mạng cảm biến không dây ứng dụng linh vực chủ yêu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống trạng thái van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ áp suất,… Sử dụng WSN cho nhiệm vụ quan trọng Sự quán định, thảo luận chương trước, mục tiêu thiết kế mong muốn cho trường hợp sử dụng WSN Tuy nhiên, có số nhiệm vụ mà định yêu cầu phải có sở xác thực, chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến sống, sức khỏe an ninh người Các nhiệm vụ xem xét riêng biệt, chúng có vấn đề vấn đề cách tiếp cận thiết kế không phù hợp với nhiệm vụ chung 7.1 Các vấn đề cố 7.1.1 Tổng quan Các khả hạn chế nút cảm biến, chẳng hạn khả xử lý hạn chế lượng lượng hạn chế, có tác động đến tất tham số WSN Có tính đến đặc tính lượng máy phát nút cảm biến khả bị nhiễu cao chúng, chất lượng giao tiếp nút cảm biến thay đổi đáng kể theo thời gian Đó lý việc thông tin chậm trễ đáng kể thường xảy WSN Và tác động chúng gắn liền với kích thước WSN Ngồi ra, để tiết kiệm lượng, nút cảm biến hầu hết WSN trạng thái lượng thấp (chế độ nghỉ) hầu hết thời gian, đề cập Phần 2.2 Ở trạng thái công suất thấp, tất thành phần nút cảm biến ngoại trừ vi điều khiển tắt bên vi điều khiển phần nhỏ khối bên bật Hơn nữa, hầu hết ứng dụng, số lượng tính tốn thực vi điều khiển nút cảm biến, giảm xuống mức tối thiểu Kỹ thuật cho phép kéo dài thời gian tồn WSN lên đến vài tháng chí vài năm Đối với ứng dụng giám sát điển hình, việc thơng tin thiếu khả xử lý yếu tố quan trọng, việc giảm phép đo khơng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến kết xử lý liệu từ toàn WSN Khả chịu đựng phần thông tin chất lượng truyền thơng thấp khác biệt ứng dụng WSN thông thường ứng dụng WSN cho tác vụ quan trọng Các nhiệm vụ quan trọng sau đề cập đến ứng dụng liệu nhận từ WSN sử dụng làm sở cho việc định có trách nhiệm Tiêu chí xác để xác định xem nhiệm vụ có quan trọng hay khơng nằm ngồi phạm vi báo kỹ thuật Điều mô tả đặc điểm đưa vài ví dụ nhiệm vụ quan trọng Các ứng dụng WSN cho tác vụ quan trọng so với ứng dụng cho tác vụ thơng thường có yêu cầu độ tin cậy, bảo mật thông tin chất lượng dịch vụ (QoS) cao Điều 7.2, 7.3 7.4 mô tả số ứng dụng liên quan WSN cho nhiệm vụ quan trọng 7.1.2 Bảo mật quyền riêng tư Phương tiện không dây dễ bị công nhiều so với phương tiện có dây kẻ cơng Trong nhiệm vụ quan trọng, vấn đề bảo mật thông tin đặc biệt quan trọng vi phạm bảo mật dẫn đến nhiều tác động tiêu cực Các ứng dụng WSN cho tác vụ quan trọng u cầu để hỗ trợ tính tồn vẹn tính bảo mật liệu trao đổi trình vận hành ứng dụng Các ứng dụng yêu cầu cung cấp bảo mật cho liệu trao đổi trước công độc hại Bạn nên cung cấp kênh an toàn để bảo vệ luồng liệu Mã hóa xác thực liệu kỹ thuật bảo mật thông tin phổ biến sử dụng WSN Hạn chế quyền truy cập vào cài đặt WSN thông tin thu thập biện pháp bảo vệ cần thiết Các kỹ thuật kết hợp với tổ chức tương tác thích hợp nút cảm biến WSN cho phép đạt mức độ bảo mật quyền riêng tư cần thiết 7.1.3 Khả chịu lỗi Lỗi WSN xảy lý sau: cố nhiều nút cảm biến, thay đổi điều kiện môi trường, hành động kẻ công Theo hầu hết thông lệ phổ biến, nút cảm biến coi thất bại gửi phép đo sai lệch đáng kể so với kết nút cảm biến lân cận [51] Một nút cảm biến bị lỗi WSN xác định hoạt động cung cấp kết đo không tốt ột WSN dành cho nhiệm vụ quan trọng phải hoạt động tốt số nút bị lỗi Để đảm bảo mức độ chịu lỗi định, phải cung cấp chế sửa lỗi thích hợp Bên cạnh đó, WSN yêu cầu để đảm bảo độ tin cậy tính sẵn sàng sở hạ tầng WSN để xử lý lỗi nút cảm biến Trong trường hợp xảy lỗi vậy, khả nút cảm biến bị lỗi ủy quyền động cho nút cảm biến để cung cấp chức quán ngăn chặn thất bại nhiệm vụ quan trọng 7.1.4 Nhận thức bối cảnh Bối cảnh liên quan đến thơng tin sử dụng để mơ tả trạng thái số đối tượng vật lý Thông tin phải xem xét đưa định có trách nhiệm dựa phép đo WSN Ví dụ, nhiều q trình bị ảnh hưởng nhiệt độ thời gian ngày (đặc biệt ứng dụng y tế điện tử) Nếu không xem xét phụ thuộc vậy, liệu thu từ WSN diễn giải khơng xác Các hệ thống định xử lý liệu WSN phải tính đến nhiễu tự nhiên nút cảm biến, lỗi nút xảy nguồn thơng tin ngữ cảnh khác Vì mục đích này, thơng tin ngữ cảnh yêu cầu phải thu thập, lưu trữ sử dụng cho việc định 7.1.5 Chất lượng dịch vụ Các yêu cầu nghiêm ngặt độ tin cậy thường thách thức việc sử dụng WSN cho nhiệm vụ quan trọng Một số ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp việc cập nhật số cảm biến, ứng dụng khác u cầu độ xác cao phép đo Các đặc tính phản hồi thời gian độ xác WSN ảnh hưởng đến độ xác kịp thời việc định Các tác vụ quan trọng thông thường cần mức độ cao hai thông số Cơ chế QoS phù hợp phải thực để đảm bảo yêu cầu QoS thoả mãn Loạt khuyến nghị bảo mật mạng cảm biến phổ biến 8.1 Bảo mật WSN Cung cấp bảo mật khỏi kẻ công nhiệm vụ quan trọng lĩnh vực WSN, mạng máy tính Giải vấn đề bảo mật thành công xác định liệu công nghệ khác sử dụng cho nhiệm vụ quan trọng (chẳng hạn y học, quản lý khẩn cấp, ứng dụng quân sự) ứng dụng sử dụng nghiên cứu phịng thí nghiệm giải trí cơng nghệ cao Một số đặc thù WSN làm phức tạp thêm nhiệm vụ cung cấp bảo mật Một phần đặc thù liên quan đến cấp độ vật lý WSN Truyền liệu qua radio khiến kẻ cơng nắm bắt thơng tin truyền (nghe trộm), xuyên tạc thông tin (tấn cơng man-in-the middle), vơ hiệu hóa tồn mạng phần (tấn cơng từ chối dịch vụ, DoS ) Do đó, nhiều cơng nghệ bảo vệ thơng tin (ví dụ, kế hoạch phân phối khóa phức tạp) khơng thể sử dụng lý chi phí tiêu thụ lượng nút cảm biến Một phần khác đặc thù WSN ảnh hưởng đến giao dịch bảo mật với ứng dụng dịch vụ Các ứng dụng giám sát môi trường dự định lắp đặt nút cảm biến khu vực rộng lớn Nó làm cho việc bảo vệ vật lý nút không thể, đó, có nguy bị thủ phạm ủ rũ Những điều kiện mâu thuẫn với giả định nhiều nhiệm vụ bảo mật thông tin “cổ điển” dựa thực tế thủ phạm khơng có quyền truy cập vào đối tượng mạng Cuối cùng, việc cung cấp bảo mật trở nên khó khăn Mạng cảm biến phổ biến (USN) Internet vạn vật (IoT) tạo Cả hai quan niệm dự định có sẵn lượng lớn nút cảm biến đó, lượng nguồn đe dọa tiềm ẩn Trong USN, tất số lượng đối tượng phân phối toàn giới Ngoài ra, IoT, số nút kết nối khơng với đối tượng có tính chất thống mà cịn với quan người Kết là, bất kỳ, điểm yếu quan trọng hơn, dẫn đến hậu thảm khốc toàn cầu Trong mối liên hệ này, nhiệm vụ bảo mật thông tin WSN chưa giải quyết, đó, nhà nghiên cứu lĩnh vực phải thực lượng lớn công việc 8.2 Nguồn gốc Một sở nghiên cứu giải vấn đề bảo mật mạng cảm biến Đại học Carnegie Melon (Pittsburgh, Hoa Kỳ) Ngay từ đầu năm 2000, trường đại học tiến hành nghiên cứu xem xét vấn đề quyền riêng tư dạng cơng xảy WSN [70, 71] Khi vấn đề thảo luận rộng rãi, đề xuất cách đảm bảo mã hóa liệu, xác thực, phân phối khóa triển khai phần mềm phần cứng bắt đầu xuất Cần có tiêu chuẩn cấp cao hình thành yêu cầu bảo mật WSN đặc biệt USN Đó lý năm 2007 TSAG ITU-T đề xuất bắt đầu công việc chủ đề Nhóm Nghiên cứu 17 ủng hộ đề xuất tạo ba hạng mục công việc bao gồm bảo mật USN: X.1311: Công nghệ thông tin - Khung bảo mật cho Mạng cảm biến phổ biến [72], X.1312: Nguyên tắc bảo mật phần mềm trung gian Mạng cảm biến phổ biến [73], X.1313: Yêu cầu bảo mật định tuyến mạng cảm biến không dây [74] X.1311 tài liệu loạt Khuyến nghị xem xét tính bảo mật WSN trước đây, cơng việc bắt đầu trước tiên Văn gốc đại diện Cơ quan An tồn Thơng tin Hàn Quốc đề xuất dựa nghiên cứu thực Đại học Carnegie Melon (xem [71]) Phiên đề xuất ban đầu văn xem xét mơ hình cơng phân loại kế hoạch quản lý Theo kết cơng việc SG 17, vào năm 2011, tài liệu bao gồm tất vấn đề bảo mật cấp độ cao đồng thời phê duyệt thành Tiêu chuẩn ISO / IEC Khuyến nghị ITU-T Khuyến nghị X.1312 thông qua lúc, X.1313 - năm rưỡi sau 8.3 Các mối đe dọa mạng cảm biến Các mối đe dọa chung mạng máy tính / viễn thơng mơ tả Rec ITU-T X.800 Ngồi ra, ITU-T X.1311 cịn liệt kê mối đe dọa dành riêng cho nút cảm biến Lỗ hổng nút cảm biến: Mạng cảm biến dự kiến bao gồm hàng trăm hàng nghìn nút cảm biến Mỗi nút đại diện cho điểm công tiềm năng, khiến cho việc giám sát bảo vệ cảm biến riêng lẻ khỏi công vật lý logic khơng thực tế Các mạng bị phân tán khu vực rộng lớn, khiến chúng tiếp tục khiến kẻ công nắm bắt lập trình lại nút cảm biến riêng lẻ Những kẻ cơng có nút cảm biến hàng hóa riêng họ khiến mạng chấp nhận chúng nút hợp pháp chúng u cầu nhiều danh tính cho nút thay đổi Khi kiểm soát vài nút bên mạng, kẻ công sau thực nhiều cơng khác làm sai lệch liệu cảm biến, trích xuất thông tin riêng tư cảm nhận từ kết đọc mạng cảm biến từ chối dịch vụ • Nghe trộm: Trong truyền thơng mạng cảm biến khơng dây, kẻ thù truy cập thơng tin cá nhân cách giám sát việc truyền nút Ví dụ, vài thu khơng dây đặt bên ngồi ngơi nhà theo dõi số ánh sáng nhiệt độ mạng cảm biến bên ngơi nhà, tiết lộ thông tin chi tiết hoạt động cá nhân hàng ngày người cư ngụ Khuyến nghị X.1312 thông qua lúc, X.1313 - năm rưỡi sau X.1312: Nguyên tắc bảo mật phần mềm trung gian mạng cảm biến phổ biến • Bảo mật liệu cảm biến: Mạng cảm biến cơng cụ thu thập thơng tin; kẻ thù truy cập vào thông tin nhạy cảm cách truy cập liệu cảm biến lưu trữ cách truy vấn nghe trộm mạng Kẻ thù sử dụng liệu chí vô hại để lấy thông tin nhạy cảm chúng biết cách tương quan với nhiều đầu vào cảm biến Ví dụ, kẻ thù có quyền truy cập vào cảm biến nhà trời ngơi nhà cách ly tiếng ồn bên khỏi tiếng ồn bên ngồi trích xuất chi tiết hoạt động riêng tư cư dân Tuy nhiên, thực tế mạng cảm biến cho phép thu thập thông tin mà không khơng thể thu thập khơng phải vấn đề quyền riêng tư Trên thực tế, nhiều thơng tin từ mạng cảm biến thu thập thông qua giám sát trực tiếp địa điểm • Mạng cảm biến làm trầm trọng thêm vấn đề bảo mật chúng làm cho khối lượng lớn thơng tin dễ dàng có thơng qua truy cập từ xa Do đó, kẻ cơng khơng cần phải có mặt để trì hoạt động giám sát Họ thu thập thơng tin theo cách ẩn danh, rủi ro thấp Truy cập từ xa cho phép đối thủ giám sát nhiều địa điểm đồng thời • Tấn cơng DoS: Khi ứng dụng quan trọng an toàn sử dụng nhiều mạng cảm biến hơn, thiệt hại tiềm tàng gián đoạn hoạt động trở nên đáng kể Bảo vệ chống lại công từ chối dịch vụ - nhằm mục đích phá hủy chức mạng phá hủy sử dụng thơng tin cảm nhận - điều khó khăn Các cơng DoS xảy lớp vật lý, ví dụ: qua radio gây nhiễu Chúng liên quan đến việc truyền mã độc vào mạng để can thiệp vào giao thức mạng cảm biến phá hủy vật lý nút mạng trung tâm Những kẻ cơng gây tượng xả pin nút cảm biến - ví dụ: cách gửi chuỗi liên lạc vơ ích liên tục khiến nút nhắm mục tiêu tiêu tốn lượng việc xử lý chúng chuyển tiếp chúng đến nút khác Các công ngấm ngầm xảy từ bên mạng cảm biến kẻ cơng xâm phạm nút cảm biến Ví dụ, họ tạo vòng lặp định tuyến mà cuối làm cạn kiệt tất nút vịng lặp • Sử dụng độc hại mạng hàng hóa: Sự gia tăng mạng cảm biến chắn mở rộng tên tội phạm sử dụng chúng cho mục đích bất hợp pháp Ví dụ, tên trộm hack cảm biến tự động hóa gia đình chí đơn giản nghe trộm hoạt động họ để lấy thơng tin cá nhân diện, vị trí, v.v chủ sở hữu hành động theo Nếu cảm biến đủ nhỏ, chúng cấy vào máy tính điện thoại di động để lấy thông tin cá nhân mật Việc sử dụng rộng rãi làm giảm rào cản chi phí tính khả dụng cho để ngăn cản công • Các mối đe dọa định tuyến cụ thể: Rec X.1311 định bảy loại công cụ thể giao thức định tuyến mạng cảm biến: thông tin định tuyến giả mạo, thay đổi phát lại; chuyển tiếp có chọn lọc; cơng hố sụt; công sybil; hố sâu; HELLO lũ lụt công; giả mạo thừa nhận Các công mô tả báo cung cấp miễn phí mạng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Edgar H.Callaway Jr., Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRC Press Company, 2004 [2] Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, 2003 [3] “Applications of Wireless Sensor Networks in Next Generation Networks”, ITU-T Technical Paper, 2014  ... biến không dây WSN Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSNs) mạng tập hợp thiết bị giao tiếp thông tin thu thập từ trường giám sát thông qua liên kết không dây, sóng vơ tuyến WSN. .. phổ biến Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây Cấu trúc Mạng cảm biến không dây bao gồm cấu trúc liên kết khác cho mạng truyền thông vô tuyến Dưới thảo luận ngắn cấu trúc liên kết mạng áp dụng. .. gian mạng cảm biến phổ biến • Bảo mật liệu cảm biến: Mạng cảm biến công cụ thu thập thông tin; kẻ thù truy cập vào thơng tin nhạy cảm cách truy cập liệu cảm biến lưu trữ cách truy vấn nghe trộm mạng