GIỚI THIỆU
Kỹ thuật mã mạng
Trong các mạng truyền thông hiện nay, phương thức truyền tin dựa trên định tuyến cho phép các nút mạng chỉ thực hiện chức năng lưu giữ và chuyển tiếp thông tin, trong khi việc xử lý thông tin chỉ diễn ra tại các nút đầu cuối Tuy nhiên, phương thức truyền thống này có nhược điểm là khi nhiều nút nguồn gửi thông tin đồng thời, tài nguyên mạng sẽ bị chia sẻ, dẫn đến giảm tốc độ truyền tin của mỗi nút nguồn.
Mã mạng, được đề xuất vào năm 2000 bởi Ahslwede và các đồng nghiệp, ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu nhờ vào những lợi ích tiềm năng như tăng thông lượng, nâng cao tính bảo mật và tiết kiệm tài nguyên mạng không dây Hiện nay, mã mạng đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong lý thuyết thông tin, được coi là có khả năng cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về mạng truyền thông và cách thức quản lý mạng Trong đó, mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên (RLNC) do Tracy Ho và đồng nghiệp giới thiệu, là một phương pháp mã hóa đơn giản, cho phép duy trì một véc tơ các hệ số cho các gói tin khác nhau từ nguồn, được cập nhật bởi mỗi nút mã hóa RLNC yêu cầu các gói tin truyền qua mạng phải đi kèm với thông tin bổ sung, thường được đặt trong tiêu đề gói tin, như số thứ tự để theo dõi đơn đặt hàng, đặc biệt hữu ích trong các mạng gói hiện nay.
Kỹ thuật lấy mẫu nén
Chúng ta đang sống trong một thế giới kỹ thuật số, nơi viễn thông, giải trí, thiết bị y tế, tiện ích và kinh doanh đều phụ thuộc vào phương tiện truyền thông kỹ thuật số Các thiết bị chuyển đổi tương tự - số biến đổi thông tin vật lý thành chuỗi số, tuân theo định lý lấy mẫu Shannon-Nyquist, yêu cầu tỷ lệ lấy mẫu ít nhất gấp đôi băng thông của tín hiệu Nguyên lý này là nền tảng cho các ứng dụng xử lý tín hiệu số như âm thanh, video, và thiết bị y tế Tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ và nhu cầu dữ liệu ngày càng tăng, thiết bị chuyển đổi, xử lý tín hiệu và lưu trữ thông tin đang phải đối mặt với nhiều thách thức lớn liên quan đến tỷ lệ lấy mẫu theo định lý Shannon-Nyquist.
Lấy mẫu nén (compressed sensing) được đề xuất bởi Candes và Dohono năm
Kỹ thuật lấy mẫu nén, được phát triển vào năm 2004, cho phép thu thập tín hiệu thưa hoặc có thể nén với số mẫu ít hơn nhiều so với phương pháp truyền thống Nyquist Lợi ích của lấy mẫu nén bao gồm giảm dung lượng bộ nhớ, giảm tốc độ lấy mẫu của các bộ chuyển đổi tương tự - số, và tiết kiệm năng lượng cho các bộ cảm biến Nhờ vào những ưu điểm này, kỹ thuật lấy mẫu nén đang được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật mã mạng nhằm cải thiện hiệu quả truyền thông trong mạng không dây.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này nhằm nghiên cứu kỹ thuật mã mạng và mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên, đồng thời tìm hiểu ứng dụng của kỹ thuật lấy mẫu nén trong mã mạng Để đánh giá hiệu năng của việc áp dụng kỹ thuật này, cần có công cụ mô phỏng, trong đó phần mềm NECO được giới thiệu như một giải pháp mới, hiệu năng cao để đánh giá kỹ thuật mã mạng dựa trên các giao thức NECO, sử dụng ngôn ngữ lập trình Python, đã trở thành công cụ phổ biến trong nhiều nghiên cứu về NC, mặc dù tài liệu tham khảo về phần mềm này vẫn còn hạn chế.
Cấu trúc của luận văn
Luận văn được cấu trúc như sau: Chương 2 trình bày kỹ thuật mã mạng, so sánh các tính năng của nó với kỹ thuật định tuyến truyền thống và giới thiệu kỹ thuật mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên, nền tảng cho nghiên cứu ứng dụng trong mạng cảm biến không dây Chương 3 khám phá ứng dụng của kỹ thuật lấy mẫu nén trong mạng cảm biến không dây dựa trên mã mạng tuyến tính ngẫu nhiên Chương 4 giới thiệu phần mềm mô phỏng NECO, được phát triển đặc biệt cho nghiên cứu kỹ thuật mã mạng Cuối cùng, chương 5 tổng kết các kết luận của luận văn.
MÃ MẠNG
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, mã mạng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng, có khả năng cách mạng hóa cách thức điều hành và quản lý mạng truyền thông Với mã mạng, các nút không chỉ chuyển tiếp mà còn có thể xử lý thông tin độc lập, cho phép các nút trung gian thực hiện các phép toán như cộng nhị phân chuỗi bít tại lớp mạng hoặc xếp chồng tín hiệu quang tại lớp vật lý Điều này có nghĩa là các luồng dữ liệu có thể được tạo ra và truyền đi mà không cần lưu giữ riêng biệt Việc kết hợp và tách thông tin độc lập giúp cải thiện khả năng điều khiển luồng thông tin trong mạng, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của các mô hình lưu lượng cụ thể Sự thay đổi trong mô hình truyền dữ liệu ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều lĩnh vực như truyền dữ liệu tin cậy, chia sẻ tài nguyên, điều khiển luồng dữ liệu hiệu quả, giám sát mạng và bảo mật.
Mô hình truyền dữ liệu mới xuất hiện vào thời điểm chuyển giao thiên niên kỷ, thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng kỹ thuật điện tử và nghiên cứu khoa học máy tính Mã mạng tận dụng sức mạnh tính toán giá rẻ để tăng cường đáng kể thông lượng mạng Sự quan tâm trong lĩnh vực này tiếp tục gia tăng với sự phát triển của các ứng dụng mới, áp dụng các ý tưởng này trong lý thuyết và thực tiễn của mạng, đồng thời khám phá các kết nối mới với nhiều lĩnh vực khác nhau.
Hình 2.1: Kết nối mã mạng với những lĩnh vực khác [5].
Mã mạng là gì?
Trong bài báo "Network information flow" [1], Ahlswede, Cai, Li, và Yeung đã giới thiệu khái niệm mã mạng thông qua việc mã hóa, tức là thiết lập một ánh xạ nhân quả từ đầu vào của một nút trung gian trong mạng đến đầu ra Định nghĩa này được coi là tổng quát nhất về mã mạng.
Mã mạng được định nghĩa là quá trình mã hóa tại một nút trong mạng với các liên kết không có lỗi, khác với mã hóa kênh cho các liên kết ồn Định nghĩa này thường được sử dụng trong lĩnh vực mạng Thêm vào đó, mã mạng cũng có thể được hiểu là mã hóa trong một mạng gói, trong đó dữ liệu được chia thành các gói và mã mạng áp dụng cho nội dung của các gói tin, hoặc mã hóa ở lớp vật lý Điều này khác với lý thuyết thông tin mạng, thường liên quan đến mã hóa ở lớp vật lý.
Các lợi ích của mã mạng
Mã mạng mang lại lợi ích lớn nhất là tăng thông lượng thông qua việc truyền tải gói dữ liệu hiệu quả hơn, cho phép truyền nhiều thông tin với ít gói tin hơn Một ví dụ điển hình là mạng cánh bướm, nơi một nguồn phát đa điểm đến hai đích, cả hai đều cần thông tin đầy đủ từ nguồn Kỹ thuật mã mạng, thông qua việc mã hóa tại các nút trung gian, có tác động mạnh mẽ đến sự phát triển của mạng truyền thông mới, mang lại nhiều lợi ích tiềm năng như tiết kiệm tài nguyên mạng không dây và tăng cường độ bảo mật Chúng tôi sẽ tiếp tục giải thích chi tiết hơn về những lợi ích này của kỹ thuật mã mạng.
Hình 2.2 mô tả một mạng truyền thông dưới dạng đồ thị có hướng, trong đó các đỉnh đại diện cho thiết bị đầu cuối và các cạnh là các kênh truyền Trong mạng kết nối đa điểm, các nút trung gian phá vỡ mô hình định tuyến truyền thống bằng cách chỉ sao chép các gói dữ liệu và thực hiện mã hóa hai gói tin nhận được Cụ thể, chúng tạo ra một gói tin mới bằng cách thực hiện phép tổng nhị phân (XOR) giữa hai gói tin, với gói tin đầu ra là x 1 x 2 Đích R 1 có thể khôi phục gói tin x 2 bằng cách lấy tổng XOR của x 1.
1 2 x x Tương tự như vậy đích R 2 khôi phục x 1 bằng cách lấy tổng XOR x 2 với
Mạng phát đa điểm từ hai nguồn đến hai điểm đích được mô tả trong hình 2.3 Trong cấu trúc mạng này, mỗi cạnh thể hiện một liên kết trực tiếp có khả năng truyền một gói dữ liệu đơn Gói dữ liệu x1 được gửi từ nguồn S1 đến nút đích R1, trong khi gói dữ liệu x1 cũng được biểu diễn tại nút nguồn.
Trong hệ thống truyền thông, tín hiệu S 2 được gửi đến nút đích R 2 Qua cạnh CE, chỉ có thể truyền 1 bít trong mỗi khe thời gian Để đồng thời gửi bít x 1 đến R 2 và bít x 2, cần có phương pháp truyền tải hiệu quả hơn.
Theo truyền thống, thông tin được xử lý như dòng chảy chất lỏng qua ống dẫn, với các luồng thông tin độc lập được giữ riêng biệt Khi áp dụng phương pháp này, quyết định phải được đưa ra cho cạnh CE để gửi bit x1 hoặc x2 Nếu quyết định gửi bit x1, R1 chỉ nhận được x1, trong khi R2 sẽ nhận cả hai bit x1 và x2.
Mã mạng, theo ý tưởng của Ahlswede và đồng nghiệp, cho phép các nút trung gian trong mạng xử lý thông tin thay vì chỉ chuyển tiếp Cụ thể, nút C có thể XOR hai bít x1 và x2 để tạo ra bít x3 = x1 ⊕ x2, sau đó truyền x3 qua cạnh CE Nút nhận R1 nhận được {x1, x1 ⊕ x2} và giải mã để thu được x2, trong khi R2 nhận được {x2, x1 ⊕ x2} và giải mã để thu được x1 Như vậy, thay vì sử dụng 2 khe thời gian để truyền tin x1 và x2 như trong mạng truyền thống, C chỉ cần một khe thời gian để truyền x3, cho thấy rằng mã mạng có khả năng tăng thông lượng đáng kể.
Hình 2.3: Mạng cánh bướm với 2 nguồn và 2 đích [30]
Mạng không dây có thể mở rộng mã mạng, như thể hiện trong hình 2.4 với bản sao không dây của mạng cánh bướm và hình 2.5 là mạng cánh bướm đã được sửa đổi Trong các hình ảnh này, các gói tin bắt nguồn từ một nút duy nhất và được gửi đến nhiều nút khác nhau.
Hình 2.4: Mạng cánh bướm không dây [30]
Hình 2.5: Mạng cánh bướm không dây sửa đổi [30]
Trong hình 2.4, các cạnh thể hiện liên kết trực tiếp có khả năng truyền gói dữ liệu tới nhiều nút Chúng ta muốn chuyển hai gói tin x1 và x2 từ nút nguồn S tới hai nút đích R1 và R2 Hình 2.5 mô tả một gói x1 tại nút nguồn S1 muốn truyền tới nút S2, trong khi gói x2 tại nút S2 muốn gửi về S1 Mã mạng giúp tăng cường thông lượng khi gói được truyền từ một nút duy nhất tới một nút khác (mạng hữu tuyến) và từ một nút đến nhiều nút khác (mạng không dây).
2.3.2 Ti ế t ki ệ m tài nguyên m ạ ng không dây
Trong môi trường không dây, việc sử dụng mã mạng mang lại lợi ích về tuổi thọ pin, băng thông và độ trễ truyền Trong một mạng ad-hoc không dây, thiết bị A và C có thể trao đổi các tập tin nhị phân x1 và x2 thông qua thiết bị.
B là một relay trong hệ thống truyền thông, nơi thời gian sử dụng đường truyền được chia thành nhiều khung, mỗi khung lại được phân chia thành các khe thời gian (Ts time slot) Một thiết bị có thể phát hoặc thu một tập tin trong một khe thời gian, cho phép truyền thông bán song công Hình 2.6 bên trái minh họa phương pháp truyền thống, trong đó các nút A và C gửi tập tin đến B, và B sẽ lần lượt chuyển tiếp từng tập tin đến các đích tương ứng.
Hình 2.6: Nút A và C chuyển tiếp thông tin thông qua relay
B (a) Không sử dụng mã mạng, (b) sử dụng mã mạng Phương pháp mã mạng sử dụng một đường phát đa điểm [5]
Phương pháp mã mạng khai thác lợi ích tự nhiên của các kênh phát sóng không dây bằng cách sử dụng phát đa điểm, giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên Như minh họa trong hình 2.6, nút C nhận đồng thời hai tập tin x1 và x2, sau đó thực hiện phép toán xor giữa chúng để tạo ra tập tin x1 x2 Tập tin này sau đó được phát đa điểm tới cả hai nút nhận.
Nút A đã có x 1 và do đó, có thể giải mã để thu được x 2 Nút C đã có x 2 và có thể giải mã để thu được x 1
Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn khi nút B chỉ cần truyền một lần thay vì hai lần Nó cũng giảm thiểu độ trễ truyền bằng cách thực hiện trong ba khe thời gian thay vì bốn Thêm vào đó, băng thông không dây được tối ưu hóa nhờ thời gian sử dụng kênh không dây ngắn hơn, và giảm thiểu nhiễu khi có các nút không dây khác cố gắng truyền tin trong khu vực lân cận.
Truyền tải sự kết hợp tuyến tính của các gói tin thay vì dữ liệu chưa được mã hóa mang lại nhiều lợi ích bảo mật, giúp chống lại các cuộc tấn công nghe lén Do đó, với những hệ thống chỉ cần bảo vệ trước các cuộc tấn công đơn giản, không cần thiết phải áp dụng thêm cơ chế bảo mật phức tạp.
Khi nút A gửi thông tin tới nút D qua hai đường truyền ABD và ACD, một người nghe trộm (N) có thể chặn thông tin trên một trong hai đường nhưng không thể truy cập vào đường còn lại Nếu các ký hiệu x1 và x2 được gửi mà không mã hóa, N có khả năng chặn một trong số chúng Tuy nhiên, bằng cách gửi sự kết hợp tuyến tính của các ký hiệu qua các trường hữu hạn trên các đường truyền khác nhau, N sẽ không thể giải mã được bất kỳ phần nào của dữ liệu Ví dụ, nếu N nhận được gói tin mã hóa x1 ⊕ x2, xác suất để N đoán chính xác x1 hoặc x2 chỉ là 50%, tương đương với việc đoán ngẫu nhiên.
Hình 2.7: Trộn thông tin để tạo ra cách bảo vệ tự nhiên chống lại nghe trộm [5]
Kỹ thuật mã mạng có khả năng bền vững, cho phép phục hồi thông tin ngay cả khi cấu trúc mạng thay đổi hoặc một số liên kết không hoạt động Điều này xảy ra nhờ vào việc mỗi gói tin mã hóa chứa thông tin từ nhiều gói tin khác, do đó, khi nhận được một số lượng lớn gói tin mã hóa, người dùng có thể khôi phục lại thông tin đã được gửi đi.
Mã mạng gặp phải những thách thức gì?
Mặc dù mã mạng mang lại nhiều lợi ích, việc triển khai nó cũng đối mặt với một số thách thức đáng kể Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá những thách thức chính liên quan đến việc áp dụng mã mạng.
Việc sử dụng mã mạng yêu cầu các nút trong mạng phải được trang bị thêm chức năng bổ sung Cụ thể, nút B cần có bộ nhớ bổ sung để lưu trữ một tập tin, thay vì phát quảng bá ngay lập tức và thực hiện các phép toán qua các trường hữu hạn, như là phép toán XOR giữa x1 và x2 Ngoài ra, các nút A và C cũng cần lưu trữ thông tin của mình để giải quyết một hệ phương trình tuyến tính.
Trong môi trường truyền thông mạng, bảo mật đóng vai trò thiết yếu trong việc ngăn chặn các cuộc tấn công tinh vi Vì vậy, việc triển khai mã mạng cần tích hợp các cơ chế cho phép mã hóa mà không làm giảm tính xác thực của dữ liệu.
Mã mạng mang lại cả lợi ích và bất lợi về mặt bảo mật Ví dụ, trong mạng cánh bướm, nếu kẻ thù (N) chỉ nhận được gói x1 ⊕ x2, họ sẽ không thể xác định được x1 hay x2, tạo ra một cơ chế truyền thông bảo mật hiệu quả Tuy nhiên, nếu nút 3 là một nút độc hại và gửi gói tin giả mạo tương tự như x1 ⊕ x2, việc phát hiện gói tin giả mạo sẽ rất khó khăn do các gói tin được mã hóa thay vì định tuyến Điều này cho thấy mã mạng có thể dẫn đến những hạn chế về bảo mật trong một số tình huống nhất định.
Với sự phát triển của mạng truyền thông thành những cơ sở hạ tầng toàn cầu, việc tích hợp các công nghệ mới nổi như mã mạng vào kiến trúc mạng hiện có trở thành một thách thức lớn Mục tiêu là tận dụng lợi ích của mã mạng mà không cần thay đổi đáng kể thiết bị và phần mềm hiện tại Một câu hỏi quan trọng đặt ra là cách thức mã mạng có thể được kết hợp vào các giao thức mạng hiện tại, điều này hiện đang là một lĩnh vực nghiên cứu cần được khám phá thêm.
2.5 Kết quả lý thuyết chính của kỹ thuật mã mạng cho mạng phát đa điểm
2.5.1 Đị nh lý Lu ồ ng c ự c đạ i lát c ắ t c ự c ti ể u (Min – Cut Max – Flow)
Cho G = (V, E) là một đồ thị với tập đỉnh V và tập cạnh E⊂V×V Các cạnh trong đồ thị có khả năng thông qua (capacity) là đơn vị và được coi là tương đương nhau Khi xem xét một nút S ⊂ V muốn truyền thông tin đến nút R ⊂ V, một lát cắt giữa S và R được định nghĩa là một tập hợp các cạnh của đồ thị, phân tách S và R thành hai tập rời nhau.
Giá trị của lát cắt được xác định bởi tổng các khả năng thông qua của các cạnh trong lát cắt đó Lát cắt có giá trị nhỏ nhất được gọi là lát cắt cực tiểu (min-cut).
Giả sử dung năng của các cạnh là 1, giá trị của một lát cắt sẽ tương đương với số lượng các cạnh trong lát cắt, do đó thuật ngữ min-cut phản ánh tổng số các cạnh này Trong mạng cấu hình như hình 2.8, có ba đường đi phân tách giữa S và R, được ký hiệu là x1, x2 và x3.
Hình 2.8: Một kết nối phát đơn đường có khả năng thông qua của các cạnh bằng
Trong một đồ thị G = (V, E) với các cạnh có khả năng thông qua đơn vị, định lý 1 chỉ ra rằng nếu lát cắt nhỏ nhất giữa đỉnh phát S và đỉnh thu R là h, thì thông tin có thể được truyền từ S tới R với tốc độ tối đa là h Điều này tương đương với việc tồn tại chính xác h đường đi phân tách giữa đỉnh phát và đỉnh thu.
2.5.2 Đị nh lý chính c ủ a mã m ạ ng
Xét một mạng phát đa điểm G = (V, E) trong đó có h nguồn có tốc độ đơn vị
Trong một mạng lưới, nút S (nguồn) truyền thông tin đến N nút nhận R1, , RN Giả sử G là một đồ thị có hướng không tuần hoàn với khả năng thông qua của các cạnh bằng đơn vị, và giá trị min-cut giữa nút nguồn và nút nhận là h Tại mỗi thời điểm, không có độ trễ truyền, có nghĩa là trong mỗi khe thời gian, tất cả các nút nhận đều nhận được toàn bộ đầu vào và gửi kết quả đầu ra đồng thời.
Dung năng của các cạnh trong mô hình được định nghĩa bằng đơn vị, cho phép truyền tin cậy một ký hiệu từ trường hữu hạn F q với kích thước q trong mỗi khe thời gian Mỗi nguồn phát ra với tốc độ đơn vị S i, 1