1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Báo Cáo Bài Tập Lớn Nhóm 10 Thông Tin Di Động ĐỀ TÀI Thiết kế phần mềm thu thập, xử lý, đóng gói dữ liệu để truyền qua module SIM về server[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG Báo Cáo Bài Tập Lớn Nhóm 10 Thơng Tin Di Động ĐỀ TÀI: Thiết kế phần mềm thu thập, xử lý, đóng gói liệu để truyền qua module SIM server SVTH: GVHD: Nguyễn Sĩ Anh ĐT1-K56 20111124 Nguyễn Việt Đức CNĐT1-K56 20115524 Nguyễn Tuấn Anh CNĐT1-K56 20115445 Giang Quang Đạt 20111371 Trịnh Văn Minh 20101899 TS.Trần Quang Vinh Hà Nội 12/2015 Table of Contents TỔNG QUAN ĐỀ TÀI I 1.1 Lời nói đầu 1.2 Giới thiệu hệ thống YÊU CẦU HỆ THỐNG VÀ KẾ HOẠCH THỰC HIỆN II 2.1 Yêu cầu chức .4 2.2 Yêu cầu phi chức 2.3 Sơ đồ khối 2.4 Phân công nhiệm vụ thực đề tài III SƠ LƯỢC VỀ LẬP TRÌNH SOCKET TRÊN LINUX .7 3.1 Mơ hình client – server .7 3.2 Các bước thiết lập socket 3.2.1 Phía Client 3.2.2 Phía Server IV PHÂN TÍCH CHI TIẾT CÁC KHỐI .8 4.1 Định dạng tin giao tiếp thiết bị Server 4.2 Thuật toán mã hoá bảo mật DES 11 4.2.1 Giới thiệu 11 4.2.2 Mơ tả thuật tốn 11 4.2.3 Ưu nhược điểm 15 THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 16 V VI KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Lời nói đầu Hệ thống thơng tin di động trọng hệ thống viễn thông phát triển nhanh mạnh Qua hệ mạng di động, phát triển sở hạ tầng mạng, đại thiết bị di động, số lượng người dùng phát triển nhanh chóng Chất lượng hệ thống mạng di động ngày nâng cao Thông tin di động môn học cung cấp cho sinh viên kiến thức tảng hệ thống thông tin di động hiểu biết quan trọng việc tìm hiểu nghiên cứu cơng nghệ mạng thơng tin di động tiên tiến Hiện nay, ứng dụng khai thác hạ tầng mạng thông tin di động mạng Internet sẵn có phát triển mạnh mẽ Một số ứng dụng thực tế kể như: Hệ thống thu thập liệu từ môi trường, hệ thống điều khiển thiết bị, hệ thống giám sát, cảnh báo từ xa,… Trong ứng dụng thường sử dụng modul SIM để truyền liệu (SMS/DATA) qua hạ tầng mạng thông tin di động Bài tập lớn môn Thơng tin di động u cầu sinh viên tìm hiểu, thiết kế thực phần công việc hệ thống nêu trên, nhằm củng cố nắm kiến thức chung hệ thống thông tin di động, áp dụng kiến thức học vào giải tốn cụ thể thực tế Nhóm xin cảm ơn TS Trần Quang Vinh hướng dẫn chúng em hồn thành tập lớn mơn học này! 1.2 Giới thiệu hệ thống Bài toán thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, thu thập, xử lí thơng tin sử dụng modul SIM Hình Bài tốn thơng tin di động thực tế Hình vẽ mơ tả hệ thống thơng tin di động có tính ứng dụng điển hình thực tế Trọng tâm toán giao tiếp cảm biến – Server – người dùng thông qua hệ thống thông di động Nội dung toán bao gồm nhiều mảng kiến thức, từ thu thập đóng gói liệu, thiết kế phần cứng, lập trình server, android, bảo mật thơng tin… Dựa gợi ý đề tài giảng viên, nhóm chọn đề tài 1: (Protocol) Thiết kế phần mềm thu thập, xử lý, đóng gói liệu để truyền qua module SIM server Nhóm có kết hợp sử dụng server nhóm làm Thiết kế phần mềm nhận xử lý gói liệu từ module SIM server để hoàn thành đề tài II YÊU CẦU HỆ THỐNG VÀ KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu chức • Thiết kế phần mềm thu thập xử lý định dạng liệu • Phát triển giao thức truyền thông phù hợp với thiết bị định vị giám sát cơng suất thấp • Viết phần mềm gửi liệu (client), giả lập server sử dụng server đề tài 2.2 Yêu cầu phi chức • Đảm bảo khn dạng gói tin theo chuẩn GPRS • Hệ thống đảm bảo chuẩn xác tính xác thực thiết bị (Client) Server việc kiểm tra mã xác thực thiết bị Server • Sử dụng lập trình C Socket tảng Linux (Ubuntu) để mơ q trình đóng gói gửi giữ liệu từ module SIM server • Hệ thống đảm bảo tính an tồn bảo mật thông tin truyền nhận liệu thiết bị server • Trong đề tài, nhóm sử dụng thuật toán mã hoá DES cho việc mã hoá bảo mật liệu 2.3 Sơ đồ khối Hình Sơ đồ khối hệ thống • Trước gửi Server, liệu đóng gói theo chuẩn gói tin GPRS mã hố thuật tốn mã hố bảo mật DES • Dữ liệu sau mã hoá gửi Server, tin xác thực Server xác thực thiết bị gửi lại tin xác thực Server cho thiết bị • Thiết bị gửi tin liệu Server, Server nhận xử lí tin 2.4 Phân cơng nhiệm vụ thực đề tài Bảng Kế hoạch thực đề tài Nội dung Thành viên Cài đặt hệ điều hành Linux (Ubuntu), tìm hiểu lập trình C Socket GNU Linux Sĩ Anh, Đức, Tuấn Anh, Minh , Đạt Xây dựng sơ đồ khối, phân chia công việc,ghép nối Sĩ Anh Tìm hiểu thuật tốn mã hố liệu thuật toán mã hoá bảo mật DES Sĩ Anh, Việt, Tuấn Anh Tìm hiểu xây dựng định dạng cấu trúc gói tin theo chuẩn GPSR Minh , Đạt III SƠ LƯỢC VỀ LẬP TRÌNH SOCKET TRÊN LINUX 3.1 Mơ hình client – server 3.2 Các bước thiết lập socket 3.2.1 Phía Client • Tạo socket hàm socket() • Kết nối socket đến địa server hàm connect() • Gửi nhận liệu: Có số cách khác nhau, đơn giản sử dụng hàm read() write() • Đóng kết nối hàm close() 3.2.2 Phía Server • Tạo socket hàm socket() • Gắn (bind) socket đến địa server sử dụng hàm bind() Đối với server internet địa bao gồm địa ip máy host + số hiệu cổng dịch vụ (port number) • Lắng nghe (listen) kết nối đến từ clients sử dụng hàm listen() • Chấp nhận kết nối sử dụng hàm accept() Hàm dừng (block) nhận client kết nối đến • Gửi nhận liệu với client (hàm read(), write()) • Đóng kết nối hàm close() IV PHÂN TÍCH CHI TIẾT CÁC KHỐI 4.1 Định dạng tin giao tiếp thiết bị Server Center MS trao đổi thông tin với gói tin Các gói tin gói TCP/UDP SMS Các gói tin trao đổi Center MSID Text Kích thước tồn gói tin khơng lớn 1KB Với gói tin SMS, kích thước tối đa gói tin SMS 160 byte Mỗi gói tin có hai phần, gồm HEADER phần MESSAGE: HEADER MESSAGE (Text Only-AES Encode) n Bytes Bytes Tranmistion Packet Header bao gồm: SIGN: 4bytes kí hiệu bắt đầu gói tin, có giá trị “TTDD” SIZE: 3bytes: Tổng kích thước gói tin, kích thước HEADER cộng với kích thước phần liệu Bảng Cấu trúc gói tin trao đổi thiết bị Server STT Tên trường Độ dài Mô tả SIGN Đánh dấu bắt đầu gói tin SIZE Tổng kích thước gói tin, thể dạng kí tự HEXA 3 MESSAGE Phụ thuộc vào loại liệu Tổng cộng Giá trị mặc định “TTDD” Thay đổi Nội dung MESSAGE 7+Kích Encrypt DES Sau mã thước hóa xong dạng text MESSAGE Sơ đồ xử lí gói tin Mơ tả: • Secure_encrypt (option): Mã hoá khối DES liệu cần gửi với khoá “01234567”, khoá mã hoá Client khoá giải mã Server phải Mã tuỳ thuộc vào đối tượng sử dụng Trong đề tài, nhóm sử dụng tin cho việc truyền nhận liệu: tin xác thực tin mang liệu cần gửi Về cấu trúc, tin có trường tương tự nội dung trường khác nhau, độ dài tối đa 1000 bytes • Bản tin xác thực có SIGN “REQT” (request) phần liệu chứa “KEY” đại diện cho thiết bị thông tin xác thực thiết bị bytes “REQT” bytes hexa length of packet KEY • Bản tin liệu có SIGN “TTDD” phần liệu chứa thông tin cần gửi bytes “TTDD” bytes hexa length of packet DATA Sơ đồ thuật toán giao tiếp Socket Client Server Hình Sơ đồ thuật tốn giao tiếp Socket đề tài 10 • Trong đề tài, lâp trình Socket sử dụng giao thức TCP hỗ trợ bảo giao thức mạng, ngôn ngữ lập trình C Linux(Ubuntu) hỗ trợ sẵn giai đoạn bắt tay ba bước kết nối Client Server • Để xác thực thiết bị Server, nhóm gửi tin xác thực (sau mã hoá với thuật toán DES) Server kiểm tra ID thiết bị gửi lại tin xác thực Server cho thiết bị • Sau tính xác thực Client Server đảm bảo, bên tiến hành truyền nhận liệu 4.2 Thuật toán mã hoá bảo mật DES 4.2.1 Giới thiệu DES (Data Encryption Standard- Chuẩn mã hoá liệu) phương pháp mật mã hóa FIPS (Chuẩn Xử lý thông tin Liên bang Hoa Kỳ) chọn làm tiêu chuẩn thức vào năm 1976 Sau tiêu chuẩn sử dụng rộng rãi phạm vi toàn giới • Đây chuẩn mã hóa đầu tiên, sử dụng rộng rãi phạm vi toàn giới, làm tảng cho thuật tốn mã hóa sau Triple DES, AES … • Nhóm đánh giá giá trị thông tin đề tài phù hợp với thuật tốn 4.2.2 Mơ tả thuật tốn DES thuật tốn mã hóa khối: xử lý khối thơng tin rõ có độ dài xác định – 64 bit biến đổi theo trình phức tạp để trở thành khối thơng tin mã có độ dài khơng thay đổi DES sử dụng khóa để cá biệt hóa q trình chuyển đổi Nhờ vậy, biết khóa giải mã văn mã Khóa dùng DES có độ dài 64 bit có 56 bit sử dụng để thực tính tốn giá trị khóa vịng Khóa chia làm byte Các bit vị trí 8, 16, 32, 40, 48, 56 64 sử dụng để kiểm tra độ xác khóa theo byte khóa phân phối đường truyền đến mã hóa giải mã xảy lỗi 11 a) Sơ đồ khối Sơ đồ khối tổng quát thuật toán thể Hình 4: có 16 chu trình giống q trình xử lý Ngồi cịn có hai lần hoán vị đầu cuối (Initial and Final Permutation – IP & FP) Hai q trình có tính chất đối nhau, q trình mã hóa IP trước FP, giải mã ngược lại IP FP khơng có vai trị xét mật mã học việc sử dụng chúng có ý nghĩa đáp ứng cho q trình đưa thơng tin vào lấy thông tin từ khối phần cứng Trước vào 16 chu trình chính, khối thơng tin 64 bit chia làm hai phần 32 bit phần xử lý ( trình gọi mạng Feistel) 12 Hình Sơ đồ khối thuật toán mã hoá DES Thuật toán đảm bảo q trình mã hóa giải mã diễn tương tự Điểmkhác chỗ khóa sử dụng theo trình tự ngược Điều giúp cho việc thực thuật toán trở nên đơn giản, đặc biệt thiết kế phần cứng Ký hiệu thể phép toán XOR Hàm F làm biến đổi nửa khối xử lý với khóa Đầu sau hàm F kết hợp với nửa lại khối hai phần tráo đổi để xử lý chu trình Sau chu trình cuối nửa khơng bị tráo đổi; đặc điểm cấu trúc Feistel khiến cho q trình mã hóa giải mã trở nên giống b) Hàm Feistel (F): Hình Hàm F dùng DES Hàm F, miêu tả tron hình 2, hoạt động khối 32 bit bao gồm giai đoạn: 13 Mở rộng: 32 bit đầu vào mở rộng thành 48 bit sử dụng thuật toán hoán vị mở rộng với việc nhân đơi số bit Giai đoạn kí hiệu la E sơ đồ Trộn khóa: 48 bit thu sau trình mở rộng XOR với khóa 16 khóa 48 bit tạo từ khóa 56 bit theo chu trình tạo khóa Thay thế: 48 bit sau trộn chia làm khối bit xử lý qua hộp thay S-box Đầu khối bit khối bit theo chuyển đổi phi tuyến thực bảng tra Khối S-box đảm bảo phần quan trọng cho độ an tồn DES Nếu khơng có S-box q trình tuyến tính việc thám mã đơn giản Hoán vị: Cuối cùng, 32 bit thu sau S-box xếp lại theo thứ tự cho trước( gọi P-box) Q trình ln phiên sử dụng S-box hốn vị bit trình mở rộng thực tính chất gọi xáo trộn khuếch tán Đây yêu cầu cần có thuật tốn mã hóa c) Q trình tạo khố Hình mơ tả thuật tốn tạo khóa cho chu trình Đầu tiên, từ 64 bit ban đầu khóa, 56 bit chọn (Permuted Choice 1, PC-1), bit lại bị loại bỏ 56 bit thu được chia làm hai phần nhau, phần xử lý độc lập Sau chu trình, phần dịch bit( tùy thuộc chu trình, chu trình 1,2,9,16 dịch bit, cịn lại dịch bit) Các khóa 48 bit tạo thành thuật toán lựa chọn ( Permuted Choice 2, PC-2), gồm 24 bit từ phần cho qua bảng hốn vị Q trình dịch bit ( kí hiệu “