Đề xuất giải pháp tăng cường khả năng bảo mật của mạng không dây thế hệ tiếp theo

1. Lý do chọn đề tài. Trong những năm gầy đây, mạng không dây ngày càng phổ biến với nhiều ưu điểm như giá thành hợp lý, tính di động cao, tiện lợi trong việc sử dụng. Tuy nhiên, với tính chất truyền thông quảng bá tự nhiên của các mạng này, bất kỳ người nhận nào trong phạm vi của một truyền dẫn không dây có khả năng nghe được thông tin truyền đi. Do đó, bảo mật là mối quan tâm then chốt trong các mạng không dây. Do độ phức tạp và độ trễ thấp, cũng như tính khả thi ở lớp vật lý (PHY) và khả năng cùng tồn tại với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có mà nó có thể nâng cao mức độ tổng thể về an toàn thông tin. Vì vậy, bảo mật ở lớp PHY dựa trên thuyết thông tin đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các học giả trên khắp thế giới. Mạng không dây thế hệ tiếp theo (là mạng sau mạng di động 5G) sẽ bao gồm nhiều công nghệ mới, trong đó có các công nghệ như mạng điện toán biên di động MEC (Mobile edge computing networks), mạng truyền năng lượng vô tuyến RF (Radio Frequency Power Transfer Networks) và đa truy cập phi trực giao NOMA. Việc tìm hiểu, khảo sát và đề xuất các giao thức nhằm nâng cao khả năng bảo mật cho mạng không dây thế hệ tiếp theo là rất cần thiết, Luận văn nghiên cứu các cơ chế lựa chọn điểm truy cập (máy chủ biên), từ đó đi đánh giá và so sánh khả năng bảo mật ở tầng vật lý trong mạng điện toán biên di động truyền năng lượng không dây này nhằm tìm ra một giao thức lựa chọn máy máy chủ có khả năng bảo mật tốt nhất. Chính vì những lý do trên, dưới sự hướng dẫn của TS. Hà Đắc Bình, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài “Đề xuất giải pháp tăng cường khả năng bảo mật của mạng không dây thế hệ tiếp theo”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất cơ chế giải tải cho mạng điện toán biên di động có xem xét đến truyền năng lượng vô tuyến RF và sử dụng cơ chế đa truy cập phi trực giao NOMA. Phân tích và dùng phương pháp mô phỏng để đi đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống thông qua đại lượng xác suất dừng bảo mật. Phân tích và đưa ra các biểu thức dạng tường minh để đánh giá hiệu năng của hệ thống NOMAMEC sử dụng đại lượng xác suất tính toán thành công. Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống trên theo các tham số chính như tỉ số tín hiệu trên nhiễu truyền trung bình, công suất phát, hệ số phân bổ công suất, hệ số phân bổ tác vụ. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu. Thực hiện nghiên cứu lý thuyết về lĩnh vực điện toán biên di động; một số vấn đề về truyền thông không dây, tổng quan về kỹ thuật truyền năng lượng qua sóng vô tuyến, kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA, lý thuyết thông tin và bảo mật lớp vật lý. Nghiên cứu mô tả giả thuyết quá trình giảm tải của một mạng điện toán biên di động thu năng lượng RF. Đồng thời trình bày lưu đồ của quá trình giảm tải. Thông qua đó đề xuất và phân tích các giao thức hoạt động cho các hệ thống NOMAMEC đề xuất; Cũng như phân tích hiệu năng của hệ thống. Đồng thời cũng đi tính toán xác suất dừng bảo mật của các hệ thống NOMAMEC đề xuất. Căn cứ vào các kết quả phân tích toán học xây dựng chương trình và mô phỏng nhằm đánh giá trực quan về hiệu năng của hệ thống như đã khảo sát. 4. Đối tượng, phạm vi, cách tiếp cận. 4.1 Đối tượng nghiên cứu. Kênh truyền vô tuyến: Rayleigh. Điện toán biên Edge Computing. Các thông số hiệu năng: Xác suất dừng bảo mật, Xác suất tính toán thành công. Các giao thức và cơ chế truyền thông không dây: kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA), kỹ thuật truyền năng lượng vô tuyến. 4.2 Phạm vi nghiên cứu. Lý thuyết thông tin và xác suất thống kê. Mạng điện toán biên di động. 5. Phương pháp nghiên cứu. Bám sát các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này, đánh giá kết quả đạt được bên cạnh các điều kiện giả sử đi kèm và đề xuất hướng giải quyết tốt hơn. Dựa trên các hướng nghiên cứu đề xuất, nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau:  Lựa chọn kênh truyền (Rayleigh) phù hợp và xây dựng mô hình toán học.  Lựa chọn thông số đánh giá là xác suất dừng bảo mật, xác suất tính toán thành công.  Phân tích các thông số chất lượng, biểu diễn ở dạng tường minh.  Xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab.  Khảo sát ảnh hưởng của các tham số mạng và kênh truyền lên hiệu năng của hệ thống.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN NGUYỄN HẢI ÂU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG KHÔNG DÂY THẾ HỆ TIẾP THEO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH ĐÀ NẴNG, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN NGUYỄN HẢI ÂU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG KHÔNG DÂY THẾ HỆ TIẾP THEO Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS HÀ ĐẮC BÌNH ĐÀ NẴNG, 2021 i LỜI CẢM ƠN Q trình thực luận văn tốt nghiệp giai đoạn quan trọng quãng đời học viên Luận văn tốt nghiệp tiền đề nhằm trang bị cho kỹ nghiên cứu, kiến thức quý báu trước lập nghiệp Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, trước tiên cho phép bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn TS Hà Đắc Bình, người quan tâm, tận tình giúp đỡ, bảo tơi q trình học tập, nghiên cứu khoa học tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể thầy khoa Sau Đại học trường Đại học Duy Tân thầy cô trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Sau cùng, tơi xin tỏ lịng biết ơn đến cha mẹ, người thân bạn bè bên cạnh ủng hộ, động viên sống thời gian hoàn thành luận văn thạc sĩ Do thời gian nghiên cứu trình độ cịn hạn chế, luận văn tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp, phê bình q thầy Đó hành trang q giá để Tơi hồn thiện sau Tơi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Hải Âu ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn tốt nghiệp “ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG BẢO MẬT CỦA MẠNG KHÔNG DÂY THẾ HỆ TIẾP THEO” trung thực không trùng lặp với đề tài khác Những nội dung tham khảo trích dẫn đầy đủ, giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Học viên Nguyễn Hải Âu iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU… 1 Lý chọn đề tài.1 Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng, phạm vi, cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu 3 Tổng quan tình hình nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Mạng điện toán biên di động 10 1.2.1 Giới thiệu điện toán biên di động 10 1.2.2 Giảm tải điện toán biên di động 15 1.3 Truyền thông không dây 18 1.3.3 Khái niệm kênh truyền 18 1.3.4 Đặc tính kênh truyền khơng dây 19 1.4 Tổng quan kỹ thuật truyền lượng qua sóng vơ tuyến 20 1.5 Giới thiệu đa truy cập phi trực giao 22 1.6 Giới thiệu lý thuyết thông tin bảo mật lớp vật lý 24 1.6.1 Lý thuyết thông tin 24 iv 1.6.2 Lý thuyết bảo mật lớp vật lý 26 1.6.3 Các phương pháp đánh giá khả đảm bảo an toàn thông tin29 1.7 Kết luận chương 29 Chương ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG 30 2.1 Mơ hình hệ thống 30 2.1.1 Giao thức NOMA-NAPS 32 2.1.2.Giao thức NOMA-APS 35 2.2 Phân tích hiệu hệ thống: 37 2.2.1 Xác suất tính tốn thành cơng 37 2.2.2 Xác suất dừng bảo mật .42 2.3 Kết luận chương 43 Chương 3: Kết MÔ PHỎNG thảo luận 44 3.1 Mô tả công cụ mô 44 3.2 Phương pháp mô 45 3.2.1 Cơ sở phương pháp Monte Carlo 46 3.2.2 Thành phần phương pháp Monte Carlo .47 3.3 Đánh giá xác suất tính tốn thành công Prs dựa giải thuật đề xuất 47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53 Kết luận: 53 Hướng phát triển đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa viết tắt C Dung lượng kênh truyền Dung lượng bảo mật E[.] Phép toán kỳ vọng biến ngẫu nhiên f(.) Hàm mật độ xác suất F(.) h Hàm phân bố xác suất Hệ số fading kênh truyền (.) Hàm Bessel K Hệ số kênh truyền Rician N Công suất nhiễu P Công suất Xác suất tồn dung lượng bảo mật Pout Xác suất dừng bảo mật Tốc độ ngưỡng cho trước (SNR) Tỉ số tín hiệu nhiễu Phương sai CDF Cumulative Distribution Function (Hàm phân bố tích lũy) PDF Probability Density Function (Hàm mật độ xác suất) LOS Line of Sight (Kênh truyền trực tiếp) Multiple Input Multiple Output (hệ thống đa đầu vào đa MIMO MISO CSI đầu ra) Multiple Input Single Output (hệ thống đa đầu vào đơn đầu ra) Channel State Information (Thông tin trạng thái kênh truyền) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 3.1 Tên bảng Các thông số mô Trang 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ 1.2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên hình vẽ Trang Mạng truyền thơng với máy phát (Alice), máy thu (Bob) thiết bị nghe trộm (Eve) Mơ hình lớp chức điện toán đám mây Nhược điểm điện toán đám mây ứng dụng IoT Mơ hình lớp chức điện tốn biên di động Lợi ích mang lại MEC Kiến trúc điện toán biên tiếp cận giảm tải Cấu trúc mạng truyền lượng không dây RF PD-NOMA đường truyền xuống PD-NOMA đường truyền lên Mơ hình mạng điện tốn biên di động thu lượng RF Giản đồ thời gian cho mạng điện toán biên di động thu lượng Giao thức NOMA-NAPS Giao thức NOMA-APS Giao diện phần mềm MATLAB Prs theo tỉ số tín hiệu nhiễu trung bình với giá trị α khác Hình Prs theo α với giá trị tỉ số tín hiệu nhiễu trung bình khác Prs theo hệ số phân bổ cơng suất với tỉ số tín hiệu nhiễu trung bình khác Prs theo tỉ số tín hiệu nhiễu trung bình với giá trị hệ số phân bổ công suất khác Kết mô xác suất dừng hệ thống SOP theo hệ số chuyển mạch thời gia tỉ số tín hiệu nhiễu trung bình 10 11 16 21 22 23 30 31 32 36 45 49 49 51 51 52 vii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gầy đây, mạng không dây ngày phổ biến với nhiều ưu điểm giá thành hợp lý, tính di động cao, tiện lợi việc sử dụng Tuy nhiên, với tính chất truyền thơng quảng bá tự nhiên mạng này, người nhận phạm vi truyền dẫn không dây có khả nghe thơng tin truyền Do đó, bảo mật mối quan tâm then chốt mạng không dây Do độ phức tạp độ trễ thấp, tính khả thi lớp vật lý (PHY) khả tồn với chế bảo mật mã hóa có mà nâng cao mức độ tổng thể an tồn thơng tin Vì vậy, bảo mật lớp PHY dựa thuyết thông tin thu hút quan tâm nghiên cứu học giả khắp giới Mạng không dây hệ (là mạng sau mạng di động 5G) bao gồm nhiều cơng nghệ mới, có cơng nghệ mạng điện toán biên di động MEC (Mobile edge computing networks), mạng truyền lượng vô tuyến RF (Radio Frequency Power Transfer Networks) đa truy cập phi trực giao NOMA Việc tìm hiểu, khảo sát đề xuất giao thức nhằm nâng cao khả bảo mật cho mạng không dây hệ cần thiết, Luận văn nghiên cứu chế lựa chọn điểm truy cập (máy chủ biên), từ đánh giá so sánh khả bảo mật tầng vật lý mạng điện toán biên di động truyền lượng khơng dây nhằm tìm giao thức lựa chọn máy máy chủ có khả bảo mật tốt Chính lý trên, hướng dẫn TS Hà Đắc Bình, tơi tiến hành thực đề tài “Đề xuất giải pháp tăng cường khả bảo mật mạng không dây hệ tiếp theo”