58_4908

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bảo mật cho mạng cảm biến khơng dây thuật tốn DES Applying DES encryption based on multi-hop transmission for security on wireless sensor network Nguyễn Hữu Phát1, Lê Thị Hải Thanh1, Nguyễn Trọng Các2 Email: phat.nguyenhuu@hust.edu.vn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 5/12/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/3/2019 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2019 Tóm tắt Mạng cảm biến khơng dây (WSNs) hệ thống cảm biến có kết nối không dây phát tán ngẫu nhiên môi trường mà không cần tham gia người để thu thập thông tin khu vực khoảng thời gian xác định Bài báo đề xuất lược đồ khóa tạo hiệu cho việc áp dụng thuật tốn DES mơ hình phân cấp mạng cảm biến khơng dây mã hóa liệu Trong mơ hình phân cấp, q trình mã hóa chia thành nhiều nhiệm vụ phân phối cho nhiều nút dọc theo đường dẫn từ nút nguồn đến trạm gốc Chúng tơi thực mơ tính tốn để so sánh mơ hình phân cấp mơ hình tập trung Kết cho thấy mơ hình phân cấp cân lượng tiêu thụ mơ hình tập trung Việc quản lý khóa đề xuất cải thiện mức độ bảo mật liệu mạng WSN cách tăng số lượng khóa với thuật tốn đơn giản Từ khóa: Mạng cảm biến khơng dây; bảo mật; thuật toán DES; xử lý phân tán; mã hóa Abstract Wireless sensor network (WSNs) is a system of wireless connected sensors that are randomly distributed in the environment without human involvement to collect information of an area in a defined time The paper proposes a key scheme to effectively apply DES algorithms in the hierarchical model of wireless sensor networks for encoding data In the hierarchical model, the encryption process is divided into several tasks and distributed to multiple nodes along a path from the source node to the base station We performed simulations to compare decentralized and centralized models The results show that the decentralized model balances energy consumption more than the centralized model The proposed key management also improves the security of data in the WSN network by increasing the number of keys with a simple algorithm Keywords: Wireless sensor network; security; DES algorithm; hand processing; encoding ĐẶT VẤN ĐỀ Mạng cảm biến không dây (WSNs) hệ thống cảm biến có kết nối không dây phát tán ngẫu nhiên môi trường mà không cần tham gia người để thu thập thông tin khu vực khoảng thời gian xác định Các nút mạng mạng cảm biến không dây bị Người phản biện: PGS.TS Hà Duyên Trung TS Trần Hoàng Vũ giới hạn nguồn lượng để tồn tại, nhiên chúng lại có ưu giá thành rẻ nên phát triển mạng với số lượng nút lớn khu vực rộng Do đó, mạng cảm biến khơng dây có nhiều ứng dụng lĩnh vực quân sự, giám sát, an ninh quốc gia, giám sát môi trường Tuy nhiên, việc bị giới hạn lượng ban đầu khả xử lý nút mạng nên áp dụng chế bảo mật hệ thống mạng máy tính vào mạng cảm biến khơng dây [1÷3] Có nhiều thuật toán đưa để thực bảo 14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA mật WSN [4÷13] Trong [8], tác giả đánh giá hiệu suất lượng mật mã dòng mật mã khối Như kết quả, sử dụng thuật toán mã hóa khối nhẹ gọi byte theo định hướng mạng thay - hoán vị (BSPN), để đạt hiệu lượng với mức độ an ninh phù hợp cho WSNs Trong [5], tác giả giới thiệu nghiên cứu chi tiết việc áp dụng mã hóa dựa ghép nối WSN Kết cho thấy việc thực hệ thống mật mã Identity-Based (IBC) đẩy nhanh tiến độ thời gian xử lý nâng cao yêu cầu nhớ tảng công tác tương lai Trong [9], tác giả trình bày hai khóa cơng khai, RSA Elliptic Curve Cryptography (ECC) Kết cho thấy ECC giảm thời gian tính toán lượng liệu truyền lưu trữ Trong [11], tác giả sử dụng phương pháp mã hóa nhẹ để giảm thời gian tính tốn để tăng tuổi thọ tổng thể mạng cảm biến Kết là, thuật tốn cải thiện khơng tiêu thụ lượng mà cịn cải thiện tính phức tạp Các tác giả [12] giới thiệu tổng quan khung mật mã Các tác giả trình bày khuôn khổ khác cho thông số khác mã hóa, thỏa thuận quan trọng, yêu cầu mã, xác thực, chi phí có mote hỗ trợ khn khổ Các tác giả [13] gán số cho nút liệu cảm nhận mã hóa giải mã dựa số đặc biệt Kết là, tiêu thụ lượng thời gian sống mạng cải thiện Trong báo này, chúng tơi đề xuất sử dụng thuật tốn mã hóa thơng tin chế quản lý khóa vừa đảm bảo tính bảo mật thơng tin mạng, vừa đảm bảo tiêu tốn lượng nút mạng GIẢI PHÁP THỰC HIỆN Trong báo, chúng tơi tính tốn mức tiêu thụ lượng WSN thuật tốn mã hóa DES mà khơng xem xét chậm trễ tắc nghẽn gói mạng Trong mạng TCP/IP truyền thống, bảo mật mạng xây dựng để đảm bảo tính bảo mật, tồn vẹn tính khả dụng liệu mạng Điều làm cho mạng lưới an toàn bảo vệ mạng khỏi cơng dẫn đến thất bại hệ thống thông tin Do tính chất nút mạng mơi trường mạng, bảo mật WSN không yêu cầu bảo mật truyền thống, mà đòi hỏi độ tin cậy, bảo mật quyền riêng tư WSSP WSSP WSN phụ thuộc vào việc sử dụng, yêu cầu bảo mật cho tính tồn vẹn, tính liên tục, bảo mật không từ chối quyền riêng tư người dùng Điều giúp hệ thống tránh công từ bên ngồi Bên cạnh đó, TSP WSN cần bảo vệ nút mạng khỏi hoạt động không hợp lệ, bảo vệ kênh truyền thông định tuyến tuyến đường lớp mạng Công nghệ TSP bao gồm xác thực gói, mã hóa, kiểm sốt truy cập xác thực danh tính TSP WSN phân loại thành phần: bảo mật nút mạng, thuật tốn mã hóa liệu, quản lý khóa, bảo mật định tuyến tính tồn vẹn liệu Mã hóa liệu việc sử dụng thuật tốn đặc biệt để thay đổi liệu ban đầu nút cảm biến, làm cho biết thơng tin ban đầu nút cảm biến Một số phương pháp sử dụng để mã hóa liệu WSN, chẳng hạn mã hóa gói mã hóa, mã hóa khóa đối xứng mật mã khóa cơng khai Quản lý khóa tập trung vào việc đảm bảo tính bảo mật WSN, bao gồm nhiệm vụ cụ thể, tạo khóa, phân phối khóa, xác thực, cập nhật, lưu trữ thu hồi Một hệ thống quản lý khóa hiệu sở cho chế bảo mật khác bảo mật định tuyến mạng, bảo mật vị trí tính tồn vẹn liệu Một số chế quản lý khóa WSN, ví dụ quản lý khóa cục bộ, quản lý khóa ngẫu nhiên, quản lý khóa cục bộ, quản lý cụm quản lý khóa công khai WSNs sử dụng truyền liệu đa luồng kiến trúc mạng tự tổ chức Mỗi nút cần thiết lập định tuyến, định tuyến công khai trì định tuyến Bảo mật định tuyến yêu cầu để đảm bảo tính tồn vẹn liệu mạng tránh lỗi gửi liệu từ nút nguồn đến nút chìm Có ba kiểu định hình lưu lượng cho WSN, cụ thể định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp định tuyến dựa vị trí Tính tồn vẹn liệu đảm bảo để đảm bảo liệu nút bảo vệ Quy trình bảo mật tồn vẹn chung thực sau: Các nút phải có khả cung cấp thơng tin đáng tin cậy cho nút có mức tập hợp liệu cao Nút có mức tập hợp liệu cao đánh giá độ tin cậy thông tin nhận gửi thông tin đến nút trung tâm Nút trung tâm đánh giá độ tin cậy thơng tin thực tính tốn tập liệu cuối Thuật toán DES áp dụng vào mạng WSN gồm bước: Bước 1: Sinh khóa mã hóa DES; Bước 2: Áp dụng thuật tốn DES vào mạng WSN dựa số “hops” Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 15 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.1 Thuật toán sinh khóa mã hóa DES DES mật mã khối có dạng sau: Nó xử lý khối thông tin chiều dài định biến đổi thành quy trình phức tạp để trở thành khối thơng tin mã có độ dài không đổi Trong trường hợp DES, chiều dài khối 64 bit DES sử dụng khóa để cá nhân hóa q trình chuyển đổi Do đó, chúng tơi mã hóa chúng tơi biết khóa Khóa sử dụng DES có tổng chiều dài 64 bit Tuy nhiên, 56 bit thực sử dụng bit lại dành cho mục đích thử nghiệm Do đó, độ dài thực tế khóa 56 bit Giống thuật tốn mã hóa khối khác, áp dụng cho tài liệu dài 64 bit, DES phải sử dụng theo cách định Trong FIPS-81, số phương pháp xác định, bao gồm phương pháp xác thực [14] Thuật toán mã hóa DES thuật tốn mã hóa khóa đối xứng sử dụng khóa 64 bit để mã hóa gói liệu 64 bit thành gói liệu 64 bit Quá trình mã hóa liệu DES gồm: Initial Permutation, 16 Round mã hóa, Final Permutation Khóa 64 bit ban đầu sử dụng để sinh khóa cho 16 round Trước mã hóa, liệu qua khối hốn vị Inittial Permutation, sau round liệu đưa vào hàm Freistel để biến đổi, cuối liệu qua khối hốn vị Final Permuation hình Ta khởi tạo 64 khóa, khóa có độ dài 64 bit k0,k1,…,k63 Trong mạng cảm biến khơng dây, gói tin truyền đa chặng từ nút nguồn đến nút đích Thuật tốn sinh khóa quản lý khóa chúng tơi đề xuất phụ thuộc vào số chặng gói tin cần qua để đến nút đích Xét gói tin (package) truyền từ nút nguồn tới nút đích Nếu gói tin truyền thẳng từ nút nguồn đến nút đích, không truyên qua chặng trung gian nào, ta mặc định sử dụng khóa k0 để mã hóa gói tin trước gửi Nếu gói tin truyền qua chặng để từ nút nguồn đến nút đích, truyền qua chặng trung gian, ta sử dụng khóa k1 để mã hóa gói tin trước gửi Nếu gói tin truyền qua n chặng (n>2), ta sử dụng khóa k (64 mod n) với (64 mod n) số dư 64 chia cho n Với n = 5, (64 mod 5) = 4, ta sử dụng khóa k4 để mã hóa gói tin Chi tiết thuật tốn Thuật toán: Áp dụng mã DES cho mạng WSNs Input: Thiết lập liệu đầu vào Step 1: Nút nguồn (S) quảng bá thông tin đến hàng xóm Các nút gửi thơng tin đến nút cluster head H Step 2: Nút H tính số “hop” từ nút nguồn đến nút sink If Nhop < then { If Nhop=1 then Mã hóa liệu thuật tốn DES sử dụng khóa k_1 trước gửi tới nút H Else Mã hóa liệu thuật tốn DES sử dụng khóa k_0 trước gửi tới nút H Hình Sơ đồ khối mã hóa DES [14, 15] 2.2 Áp dụng DES cho mạng WSNS Để mã hóa gói tin thuật tốn DES, ta cần sử dụng khóa có độ dài 64 bit, tức ta sử dụng 264 khóa cho việc mã hóa Tuy nhiên, để tiết kiệm nhớ ta khơng thể sử dụng tất 264 khóa cho việc mã hóa, chúng tơi đề xuất thuật tốn sinh khóa quản lý khóa cho việc mã hóa gói tin mạng cảm biến khơng dây thuật tốn DES sau: } Else { Tính khóa k_i theo biểu thức i = 64 mod nhop Mã hóa liệu thuật tốn DES sử dụng khóa k_i trước gửi tới nút H } Step 3: Lặp lại bước nút nguồn hết lượng 16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Output: Dữ liệu mã hóa sử dụng thuật tốn DES Theo [3], lượng cần cho mã hóa bytes liệu DES là: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Eencrypt = 1, 664 ⋅10−5 ( J ) 3.1 Thiết lập ban đầu Ở chúng tơi chọn kích thước gói tin cần mã hóa 500 bytes, nên lượng cho việc mã hóa là: Thiết lập mơ mạng cảm biến không dây 100 nodes mạng, vị trí nút ngẫu nhiên vùng có kích thước 500 m × 500 m Năng lượng ban đầu nodes mạng 2J, số lượng node nguồn 15 hình Giải pháp chúng tơi đề xuất truyền đa chặng xử lí phân tán node mạng Trong viết này, thực mô hai trường hợp truyền đa chặng, mã hóa phân tán má hóa tập trung nút nguồn để đánh giá hiệu bảo mật lượng giải pháp đề xuất Eencrypt = 500 ⋅1, 664 ⋅10−5 = 0, 00104 ( J ) (3) (4) 3.2 Kết Mã hóa gói tin 64 bit thuật tốn DES với khóa 64 bit Matlab hình Hình Mơ hình mạng cảm biến khơng dây Để tính lượng sử dụng cho truyền liệu, sử dụng mô hình tính tốn lượng trình bày [1, 2]  ε + ε fx d , d < d etx =  elec ε elec + ε mp d , d ≥ d erx = ε elec (1) (2) Với: etx: lượng truyền bit liệu erx lượng nhận bit liệu; d0: khoảng cách ngưỡng xác định nhờ đo khoảng cách truyền lớn nhất; d: khoảng cách thiết bị truyền nhận; εelec: lượng tiêu tốn mạch điện cho bit; εfsd2, εmpd4: lượng phụ thuộc vào phương thức truyền Năng lượng cho việc bảo mật mạng theo phương pháp đề xuất gồm lượng cho việc quản lý khóa, lượng mã hóa theo thuật tốn DES Tuy nhiên, lượng tiêu tốn cho quản lý khóa không đáng kể, nên ta xét lượng tiêu tốn cho việc mã hóa gói tin Hình Mã hóa DES bytes 3.3 Năng lượng tiêu thụ Để so sánh lượng tiêu thụ hai mô hình xử lí phân tán xử lí tập trung, chúng tơi thực mơ tính tốn lượng tiêu thụ mạng q trình mã hóa, gửi gói tin Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 17 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC phần mềm Matlab có 15 nodes mạng có lượng nhỏ 0,5 J hai mơ hình tập trung phân tán Kết thể hình 3.4 Cân lượng Ở mô mức tiêu thụ lượng mạng cảm biến không dây với quy mơ 1000 nút diện tích 5000 m× 5000 m a) a) b) b) Hình So sánh lượng cịn lại hai mơ hình: a) phân tán; b) tập trung Hình bảng thể mức cân lượng mạng cảm biến không dây lần mô Dựa kết mơ thấy mơ hình phân tán tiêu thụ lượng phân chia cơng việc cho nút mạng cân Bảng Tổng hợp kết mô lượng tiêu tốn cho hai mơ hình tập trung phân tán Lần Mơ hình phân tán (J) Mơ hình tập trung (J) 163,6558 163,6637 158,4704 164,6441 159,1818 163,9587 156,8239 163,3451 164,4311 165,5166 Hình Mức cân lượng mơ hình tập trung với 1000 nút Kết hình mơ hình phân tán lượng cân với số nút hết lượng giảm sau thời gian mơ giống 3.5 Bàn luận Thuật tốn quản lý khóa đề xuất báo dựa số lượng nút trung gian cần truyền mạng đảm bảo tính bảo mật cao cho mạng Để dị 64 khóa, hacker phải thử 64 × 264 lần, dù dị 64 khóa hacker số lượng nút trung gian cần truyền mạng để giải mã gói tin Thuật tốn DES - Ưu điểm: Thuật tốn DES có ưu điểm gọn nhẹ, tính tốn so với thuật tốn bảo mật khác nên tiêu tốn lượng - Nhược điểm: Thuật toán DES đời từ lâu khơng phải thuật tốn q mạng để mã hóa liệu Mức tiêu thụ lượng Hình So sánh tổng lượng lại mạng mơ hình phân tán mơ hình tập trung Dựa vào kết mô phần 3.3 3.4 thấy với mơ hình xử lý phân tán, lượng toàn hệ thống giảm xuống mạng tồn lâu Mơ hình truyền đa chặng xử lý 18 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA phân tán mang lại cân lượng cho mạng cảm biến không dây [4] H Jin, W Jiang (2010), Handbook of research on Development and Trends in Wireless Sensor Networks: From principle to practice, New York [5] R Rosil, Y M Yosoff, H Hashim (2011), A review on Pairing Based Cryptography in Wireless Sensor Networks, IEEE Symposium on Wireless Technology and Application [6] N.H Phat, T.Q Vinh, T Miyoshi (2012), Multihop Reed Solomon Encoding Scheme for Image Transmission on Wireless Sensor Networks, ICCE [7] M Simek, P Moravek, J sa Silva (2017), Wireless Sensor Networking in Matlab: Step by - Step, pages [8] X Zhang, H.M Heys, and C Li (2010) Energy efficiency of symmetric key cryptographic algorithms in wireless sensor networks, 25th Biennial Symp, on Comm., pp, 168-172 [9] M Panda (2014), Security in wireless sensor networks using cryptographic techniques American Journal of Engineering Research (AJER), vol 3, no 1, pp 50-56 [10] A J Menezes, P.C Oorschot and S.A.Vanstone (1996), Handbook of applied cryptography, ISBN: - 8493-8523-7 [11] N Bisht, J Thomas, and Thanikaiselvan V (2016) Implementation of security algorithm for wireless sensor networks over multimedia images, International Conf, on Comm and Elect Syst (ICCES), pp 1-6 [12] G Sharma, S Bala, and A K Verma (2012), Security frameworks for wireless sensor networks-review, 2nd International Conf, on Comm., Computing & Security (ICCCS), vol 6, pp 978-987 [13] A Rani and S Kumar (2017), A low complexity security algorithm for wireless sensor networks, International Conf, on Innovations in Power and Advanced Computing Technol, (i-PACT2017), pp 1-5 [14] E Biham and A Biryukov (1997), An Improvement of Davies' Attack on DES J Cryptology, vol 10, no 3, pp 195-206 Đánh giá tính bảo mật Với chế quản lý khóa đề xuất, gói tin bị bắt lại đường truyền kẻ xấu dò khóa gói tin có khả giải mã gói tin mà khơng thể giải mã tồn gói tin gửi mạng - Mơ hình phân tán: Trong q trình truyền, gói tin bị bắt lại dù kẻ xấu có dị khóa khơng biết gói tin bước q trình mã hóa để giải mã gói tin gốc cần truyền - Mơ hình tập trung: Trong q trình truyền tin, gói tin bị bắt lại, dị khóa sử dụng để mã hóa kẻ xấu giải mã gói tin gốc cần truyền KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu việc áp dụng thuật tốn mã hóa thơng tin DES bảo mật mạng cảm biến không dây với thuật tốn quản lý khóa dựa vào số lượng nút trung gian gói tin cần truyền Ở chúng tơi mơ q trình tập hợp liệu cho nút nguồn, hướng chúng tơi thực hiện: - Mơ q trình tập hợp liệu cho toàn mạng thời điểm - Đánh giá mức tiêu thụ lượng thuật tốn quản lý khóa với số lượng khóa ban đầu nhiều TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] W.B Heinzelman, A.P Chandrakasan, and H Balakrishnan (2002), An application-specific protocol architecture for wireless microsensor net-works IEEE Trans Wireless Commun., vol 1, no 4, pp 660-670 Q Lu, W Luo, J Wang, and B Chen (2008), Low-complexity and Energy efficient image compression scheme for wireless sensor networks, Elsevier Comput Netw , vol 52, no 13, pp 2594-2603 A B Patnam, R.R Dalvi, and D.M Thakkar (2015), Overview of energy consumption in wireless sensor network ASEE Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 19 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC THÔNG TIN TÁC GIẢ Ngyễn Hữu Phát - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2012: Tốt nghiệp Tiến sĩ Viện Công nghệ Shibaura, Nhật Bản - Tên quan: C9-409, Bộ môn Mạch XLTH, Viện ĐTVT, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Lĩnh vực quan tầm: Xử lý ảnh video; Mạng cảm biến không dây; Mã sửa lỗi trước; Mạng M2M (machine-to-machine); Mạng di động; Bảo mật hệ thống - Email: phat.nguyenhuu@hust.edu.vn; m709506@shibaura-it.ac.jp - Điện thoại: +84-916525426 Lê Thị Hải Thanh - Tóm tắt trình đào tạo, nghiên cứu: (thời điểm tốt nghiệp chương trinh đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2000: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý lý thuyết, Trường Đại học Khoa học tự nhiên + Năm 2002: Tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt công việc tại: Giảng viên Bộ môn Vật lý Đại cương, Viện VLKTTrường Đại học Bách khoa Hà Nội - Lĩnh vực quan tâm: Vật lý lý thuyết, vật lý tin học, vật liệu điện tử - Email: thanh.lethihai@hust.edu.vn - Điện thoại: 02438682322 Nguyễn Trọng Các - Tóm tắt trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2002: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện, chuyên ngành Điện nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội + Năm 2005: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật tự động hóa, chuyên ngành Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Kỹ thuật điện tử, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt cơng việc tại: Giảng viên khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: DCS, SCADA, NCS - Email: cacdhsd@gmail.com - Điện thoại: 0904369421 20 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019