ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG của GIAO THỨC MẠNG KHÔNG dây cá NHÂN ZIGBEE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUANG DƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC MẠNG KHÔNG DÂY CÁ NHÂN ZIGBEE Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Đình Việt Hà Nội – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan,luận văn “Đánh giá hiệu giao thức mạng cá nhân không dây Zigbee” thực hướng dẫn PGS TS Nguyễn Đình Việt Các số liệu trình bày luận văn tự thực mô phỏng, đo đạc Tác giả luận văn NGUYỄN QUANG DƯƠNG ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan MỤC LỤC ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv MỤC LỤC ii vii MỤC LỤC ii ii vii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii vii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii vii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii vii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii vii KẾT LUẬN 80 ii vii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii vii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii vii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 vii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 vii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 vii KẾT LUẬN 80 vii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 vii MỤC LỤC ii viii MỤC LỤC ii ii viii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii viii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii viii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii viii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii viii KẾT LUẬN 80 ii viii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii viii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii viii MỤC LỤC ii vi viii MỤC LỤC ii ii vi viii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii vi viii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii vi viii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii vi viii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii vi viii KẾT LUẬN 80 ii vi viii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii vi viii iii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii vi viii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 vi viii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 vi viii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 vi viii KẾT LUẬN 80 vi viii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 vi viii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 viii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 viii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 viii KẾT LUẬN 80 viii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 viii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 iv CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Các từ viết tắt ACK AODV AID AP ATP ARPANET BE BER BIFS BLE BO BS BSID BSS CAP CBR CCA CF CFP CRC CSMA/CA CSMA/CD CTA CTAP CTS CW DA DCF DEV DEVID DIFS Dly-ACK DME DS DSDV DSSS ESS FCS FCSL FFD FH Nghĩa Tiếng Anh ACKnowledgement Ad-hoc On-demand Distance Vector Association Identifier Access Point Association Timeout Period Advanced Research Projects Agency Network Backoff Exponent Bit Error Rate Backoff Interframe Space Battery Life Extension Beacon Order Base Station Beacon Source Identifier Base Service Set Contention Access Period Constant Bit Rate Clear Channel Assessment Contention Free CFP Contention-Free Period Cyclic Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Channel Time Allocation Channel TimeAllocation Period Clear To Send Congestion Window Destination Address Distributed Coordination Function Device Device Identifier DCF Inter khung Spacing Delayed Acknowledgment Device Management Entity Distribution System Destination-Sequenced Distance Vector Direct Sequence Spread Spectrum Extended Service Set Frame Check Sequence Frame Convergence Sublayer Full-Function Device Frequency Hopping FHSS FTP GTS HTTP IBSS ICV IE IEEE IFS Imm-ACK INTELSAT IP IV LAN LIFS LLC LR-WPAN MAC MAN McstID MCTA MF MIFS MLME MLME-SAP MMPDU MPDU MSDU NAV NB NS PAN PC PCF PER PHY PLCP PLME PLME-SAP PMD PNC PNCID PNID PS RA v Frequency Hopping Spread Spectrum File Transfer Protocol Guaranteed Time Slot HyperText Transfer Protocol Independent BSS Integrity Check Value Information Element The Institute of Electrical and Electronics Engineers Interframe Space Interframe Space The International Telecommunications Satellite Consortium Internet Protocol Initialization Vector Local Area Network Long Interframe Spacing Logical Link Control Low-rate Wireless Personal Area Network Medium Access Control Metropolitan Area Network Multicast Identifier Management Channel Time Allocation More Fragment Minimum Interframe Space MAC Layer Management Entity MAC Layer Management Entity Service Access Point MAC Management Protocol Data Unit MAC Protocol Data Unit MAC Service Data Unit Network Allocation Vector Number of Backoff Network Simutator Network Simutator Point Coordinator Point Coordination Function Packet Error Rate Physical layer Physical Layer Convergence Protocol Physical Layer Management Entity Physical Layer Management Entity Service Access Point Physical Medium Dependent Piconet Coordinator Piconet Coordinator Identifier Piconet ID Power Save Receiver Address RFD RIFS RTS SA SFC SIFS SO SrcID SSCS TA TCP/IP TrgtID UDP WAN WEP WLAN WPAN vi Reduced-Function Device Retransmission Interframe Space Request To Send Source Address Secure Frame Counter Short Interframe Spacing Superframe Order Source Identifier Service-Specific Convergence Sublayer Transmitter Address Transmission Control Protocol/Internet Protocol Target Identifier User Datagram Protocol Wide Area Network Wired Equivalent Privacy Wireless LAN Wireless Personal Area Network vii DANH MỤC BẢNG MỤC LỤC ii MỤC LỤC ii ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv .ii MỤC LỤC ii vii ii MỤC LỤC ii ii vii ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii vii .ii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii vii ii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii vii .ii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii vii ii KẾT LUẬN 80 ii vii ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii vii .ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii vii ii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 vii .ii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 vii .ii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 vii ii KẾT LUẬN 80 vii ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 vii ii MỤC LỤC ii viii ii MỤC LỤC ii ii viii ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii viii ii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii viii ii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii viii .ii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii viii ii KẾT LUẬN 80 ii viii ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii viii ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii viii ii MỤC LỤC ii vi viii ii MỤC LỤC ii ii vi viii ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii vi viii ii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii vi viii ii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii vi viii ii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii vi viii ii viii KẾT LUẬN 80 ii vi viii ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii vi viii ii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii vi viii iii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 vi viii iii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 vi viii iii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 vi viii iii KẾT LUẬN 80 vi viii iii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 vi viii iii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 viii iii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 viii iii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 viii iii KẾT LUẬN 80 viii iii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 viii iii Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 iii Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 iii Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 iii KẾT LUẬN 80 iii TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 iii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv MỤC LỤC ii x MỤC LỤC ii ii x CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii x Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii .x Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii .x Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 iix KẾT LUẬN 80 ii x TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii x CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii .x MỤC LỤC ii vi x MỤC LỤC ii ii vi x CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii ii vi x Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 ii vi x Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 ii vi x Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 ii vi x KẾT LUẬN 80 ii vi x TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii vi x ix CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii vi x Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 vi x Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 vi x Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 vi x KẾT LUẬN 80 vi x TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 vi x Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 14 x Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 29 x Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 x KẾT LUẬN 80 x TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 x Chương 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN 802.15.1 VÀ 802.15.3 .14 Chương 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 .29 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 74 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 67 hai phần thứ tự liệu kèm với yêu cầu Các lệnh chia thành hai nhóm lệnh lệnh chủ lệnh khách với mục đích : thăm dò (thiết bị, dịch vụ), quản lí liên kết quản lí mạng tương ứng với đối tượng : đối tượng thiết bị dịch vụ, đối tượng quản lí liên kết đối tượng quản lí mạng -Các lệnh thăm dò thiết bị dịch vụ: cho phép yêu cầu thông tin địa mạng, danh sách mô tả từ thiết bị mạng lưu vào nhớ đệm để cấu hình mô tả thiết bị khác - Các lệnh quản lí liên kết: khởi tạo gỡ bỏ mối quan hệ liên kết, lưu trữ bảng liên kết (binding table), tạo bảng dự phòng, phục hồi lại có cố - Các lênh quản lí mạng: định dang mạng lân cận, yêu cầu bảng định tuyến lân cận, quản lí việc tham gia rời bỏ thiết bị Ngoài ra, ZDO có thêm đối tượng quản lí mạng quản lí bảo mật 3.8.4 Lớp Hỗ trợ Ứng dụng APS: (Application Support): Lớp APS cung cấp dịch vụ liệu cho đối tượng ứng dụng ZDO thông qua điêm truy cập APSDE-SAP, liệu nhận dạng đơn vị liệu gian thức PDU từ ZDO hay đối tương ứng dụng thêm phần tiêu đề gửi xuống tầng (tầng mạng) Ngoài ra, phần quản lí APSME chứa nguyên hàm để thực nhiệm vụ: quản lí liên kết, quản lí sở liệu AIB quản lí nhóm -Quản lí liên kết (sử dụng nguyên hàm APSME-BIND.request APSMEUNBIND.request): cho phép tầng cao gửi yêu cầu liên kết đến hai thiết bị thêm chúng vào bảng liên kết nội bộ, gỡ bỏ khỏi bảng trường hợp giải phóng liên kết -Quản lí AIB (sử dụng nguyên hàm APSME-GET.request APSMESET.request): cho phép tầng cao đọc ghi giá trị vào thuộc tính liệu thông tin AIB APS -Quản lí nhóm: cho phép thêm/bớt thiết bị đầu cuối vào nhóm Khuông dạng liệu lớp APS sau: 68 Hình 3.41: Khuông dạng gói tin lớp APS (a) Khuông dạng liệu (b) Khuông dạng lệnh (c) Khuông dạng ACK Khuông dạng gói tin lớp APS bao gồm dạng dạng liệu, dạng lệnh dạng xác nhận, cụ thể: Frame Control: trường chứa thông tin điều khiển, có cấu trúc sau Hình 3.42: Khuôn dạng trường FrameControl lớp APS Trong lớp APS định nghĩa thêm dạng định đích dạng vô 69 hướng (indirect addressing), dạng địa cho phép thiết bị truyền gói tin tới ZC mà không cần biết đích đến, ZC tìm kiếm dựa vào địa nguồn, địa đầu cuối định danh cụm bảng liên kết để tìm đích đến phù hợp cho gói tin Frame type: dạng gói tin Delivery mode: dạng gửi gói tin Indirect Addr mode: dùng gửi vô hướng Security: dùng có bảo mật ACK request: bật cần gửi xác nhận Destination Endpoint: địa đích thiết bị đầu cuối Group Address: địa nhóm, thông điệp chuyển tới tất nút thành viên nhóm địa dùng Nếu dùng địa địa Destination Endpoint không dùng Cluster ID: định danh cụm, sử dụng trình liên kết (binding) định danh dùng trình khởi tạo/duy trì liên kết Profile ID: định danh hồ sơ Source Endpoint: địa nguồn nút gửi liệu APS Counter: biến đếm, 8-bit, tăng lên khung liệu truyền Bộ đếm tránh việc gửi trùng lặp khung liệu Payload: tải (dữ liệu) lớp APS Phần lệnh trường có giá trị tương tự phân thành tiêu đề tải, gói tin xác nhận (ACK) bao gồm phần tiêu đề 3.9 Bảo mật mạng Zigbee Mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) xây dựng chế bảo mật ba tầng tầng MAC, tầng Mạng tầng Ứng dụng Trong tầng MAC, việc bảo mật đảm bảo cho gói tin truyền trực tiếp từ nút mạng sang nút hàng xóm lân cận Cơ chế bảo mật tầng Mạng tầng Ứng dụng áp dụng cho gói tin phải chuyển qua nhiều nút trung gian mô hình mạng lớn Nên tảng bảo mật mạng Zigbee dựa thuật toán mã hóa AES 128- bit, AES (Advance Encryption Standard): tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến, thuật toán mã hóa khối (block cipers) phủ Mỹ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa Đây thuật toán mã hóa đối xứng với độ dài khóa 128bit, (ngoài có độ dài 192bit 256 bit), liệu mã hóa giải mã nhờ cặp khóa có quan hệ rõ ràng với (có thể tìm khóa biết khóa kia) hoàn toàn giống Dữ liệu tách để mã hóa giải mã theo khối 128bit (để phân biệt với mã hóa luồng với liệu mã hóa theo bit) 70 Hình 3.43: Mô hình mã hóa giải mã mạng Zigbee Có hai dạng khóa sử dụng trình truyền thông khóa liên kết (link key) khóa mạng (network key) Khóa liên kết khóa dùng cho việc truyền thông thiết bị sử dụng phương thức truyền đơn điểm (unicast), khóa mạng khóa dùng cho việc truyền quảng bá chia sẻ đến tất thành viên mạng Trong mạng Zigbee, có thiết bị thiết kế để thực chức phân phối khóa có tên Trung tâm Tin cậy (Trust Center), thiết bị đóng vai trò phân phối khóa mạng khóa liên kết đến thiết bị khác Trung tâm Tin cậy hoạt động chế độ: chế độ thương mại (commercial mode) chế độ dân cư (residential mode) Chế độ thương mại: chế độ này, Trung tâm Tin cậy phải trì danh sách thiết bị, khóa Tất thông điệp qua phải kiểm tra “tươi” Một gói tin cho tươi thỏa mãn gói tin trùng (tránh việc mạo danh) Trong chế độ này, nhớ nút làm Trung tâm Tin cậy gia tăng tỉ lệ thuận với số lượng thiết bị mạng Chế độ dân cư: chế độ ngược lại, thiế kế cho việc bảo mật Chỉ có khóa quản lí trung tâm, hai yêu cầu lại tùy chọn Việc kiểm tra thiết bị công việc bắt buộc Trong chế độ này, nhớ nút làm Trung tâm Tin cậy không gia dựa số lượng thiết bị mạng chế độ thương mại Các chức bảo mật mạng Zigbee: Xác thực (Authentication): có hai dạng xác thực thiết bị xác thực liệu Xác thực thiết bị thực Trung tâm Tin cậy thiết bị khởi đầu tham gia vào mạng, thiết bị không xác thực trung tâm không gia nhập mạng Xác thực liệu mạng Zigbee để đảm bảo tính toàn vẹn liệu truyền đi, việc xác thực dùng mã đặc biệt Mã Toàn Vẹn Thông Điệp MIC (Message Integrity Code), tạo phương pháp mã hóa thống bên gửi bên nhận, thiết bị không xác thực quyền tạo mã Thiết bị nhận kiểm tra MIC gói tin gửi thiết bị gửi để xem liệu nhận có đảm bảo tính toàn vẹn xác hay không 71 Hình 3.44: Ứng dụng MIC xác thực liệu mạng Zigbee MIC gọi thông điệp mã xác thực MAC (Message Authentication Code) mạng Zigbee không dùng khái niệm để tránh hiểu nhầm với khái niệm tầng MAC mạng MIC Zigbee triển khai sử dụng giao thức nâng cấp Mã hóa khối Chuỗi thông điệp mã xác thực với biến đếm CCM* (enhanced Couter with Chaining Message Authentication Code) Giao thức định nghĩ để sử dụng kết hợp với mã hóa 128-bit AES dùng chung liệu khóa Trong cấu trúc khung liệu tầng MAC mạng Zigbee, có ba trường có liên quan đến việc xác thực liệu MIC/CCM*, trường : Frame Control, Auxiliary Security Header Data Payload Trường Auxiliary Security Header tầng MAC mà có tầng Mạng Ứng dụng để xác thực liệu Trong mô hình trao đổi liệu trên, có thông tin đưa vào mã hóa AES-CCM* liệu, khóa thông tin tổng hợp nonce Nonce tạo thông tin cấu trúc trường Auxiliary Security Header hình Hình 3.45: Cấu trúc Auxiliary Security Header CCM* Nonce 72 Trường Security Control quy định mức độ bảo mật MIC quy định liệu có mã hóa hay không với thuộc tính ENC(Encryption) Bảng mô tả dạng bảo mật MIC, bao gồm MIC có kích thước 32, 64 128-bit Các mức bảo mật áp dụng cho tầng Mạng tầng Ứng dụng Bảng 3.10: Các mức bảo mật xác thực liệu mạng Zigbee Việc kiểm tra xác thực liệu áp dụng cho tầng tầng MAC, tầng Mạng tầng Ứng dụng, trường chứa MIC nằm phía bên phải trường Tải liệu (Payload) tầng sau: Hình 3.46: Trường MIC tầng mạng Zigbee Tổng kết lại, dịch vụ bảo mật mạng Zigbee có nhiệm vụ: -Mã hóa để bảo mật liệu -Xác thực thiết bị xác thực liệu -Bảo vệ việc chuyển tiếp (bằng cách loại bỏ gói tin bị trùng lặp) 73 3.10 Kết luận Chương trình bày từ tổng quan đến chi tiết chuẩn mạng không dây Zigbee với phần tầng vật lí tầng MAC kế thừa từ tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, tầng tầng Mạng tầng Ứng dụng định nghĩa riêng theo cấu trúc tiêu chuẩn đưa tổ chức Zigbee Alliance Qua chương thấy cấu trúc mạng không dây cá nhân Zigbee qua đặc điểm mặt vật lí tốc độ, kênh truyền, đến cấu trúc, thuật toán tầng MAC tầng Mạng để thích ứng với nhiều mô hình mạng có số lượng nút từ nhỏ, vừa đến quy mô lớn Tầng ứng dụng cho ta thấy cấu trúc tổ chức linh hoạt để hỗ trợ nhiều dịch vụ lĩnh vực đời sống, y tế, công nghiệp, số chế bảo mật để đảm bảo an ninh, an toàn liệu mạng 74 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ X CỦA MẠNG ZIGBEE 4.1 Chương trình mô mạng NS2 NS-2 mô mạng mã nguồn mở, vận ành theo kiện rời rạc (Discrete Event -Driven Simulator), xây dựng phát triển dự án VINT phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley National Laboratory Phiên NS phát triển vào năm 1995 phiên đời vào năm 1996 Phiên NS thêm vào ngôn ngữ gọi Object oriented Tcl(Otcl) Trong phần nhân thay đ ổi NS viết C++, chứa module thực mô chức mạng Phần vỏ viết ngôn ngữ Otcl, ngôn ngữ thông dịch kịch thực thi câu lệnh tạo người sử dụng NS-2 gói phần mềm mã nguồn mở chạy hệ điều hành Windows Linux 4.1.1 Kiến trúc NS2 NS-2 xây dựng theo kiến trúc phân tầng, tương tự với tầng tương ứng mô hình OSI Việc làm nhằm mục đích giúp người dùng NS-2 kết hợp giao thức phù hợp với yêu cầu riêng họ NS-2 phát triển ngôn ngữ C++, nhiên môđun điều khiển mô viết OTcl Điều cho phép người sửdụng định cách rõ ràng có khả tùy biến cao với mô mà không cần can thiệp vào mã nguồn C++ Hình 4.1: Kiến trúc NS2 đơn giản hóa Trong chương trình mô mạng NS-2, chương trình mô NS-2 thành phần chính, tích hợp mô hình lưu lượng hay sử dụng nghiên cứu Các ứng dụng phổ biến khác tích hợp NS-2 WEB, FTP, Telnet… Các giao thức nhưTCP, UDP, SCTP NS-2 hỗ trợ tốt Nhiều thuật toán định tuyến phổ biến mạng có dây không dây môi trường vật lý khác đưa vào mô NS-2 75 Thành phần thứ hai công cụ hiển thị thực quan NAM và công cụ vẽ đồ thị XGRAPH NAM công cụ hiển thị cho phép người dùng thấy hình ảnh trực quan đối tượng tham gia mô nhưcác hoạt động cụ thể chúng, chuyển động gói số liệu mạng XGRAPH ứng dụng có khả vẽ đồ thị không gian hai chiều, dựa liệu nhận vào từ tệp dạng văn bản, chương trình mô sinh Người nghiên cứu thường sử dụng XGRAPH để hiển thị so sánh kết nhận dạng đồ thị kết lưu lại phục vụ cho chương trình khác NAM XGRAPH sử dụng tệp vết (trace file), tệp chứa thông tin vết kiện thời gian tiến hành chạy mô phỏng, làm tệp đầu vào Ngoài ra, người dùng dùng công cụ khác ngôn ngữ Awk, Perl Tcl để xử lý tệp kết phục vụ cho mục đích nghiên cứu 4.1.2 Môi trường mô Thông thường cấu trúc liên kết mạng lớn mẫu chuyển động mẫu lưu lượng định nghĩa riêng cho thuận lợi chúng tạo máy nguồn phát hỗ trợ sẵn chương trình mô mạng NS2 Trong NS2, tệp mẫu cần thiết để giả lập mạng gồm file sau: - Tệp ngữ cảnh (Scenario File): tệp ngữ cảnh chứa mẫu chuyển động nút Ngữ cảnh mô ngữ cảnh tĩnh (tự thiết lập tọa độ nút mạng) tự động sản sinh công cụ (ví dụ Công cụ Setdest) - Tệp chương trình (Main Program File): File chương trình định thiết lập chung cho việc thực mô Các tham số bao gồm: giao thức mô phỏng, tên vị trí liệu sau thực mô (trace file), tên vị trí file trực quan hóa (NAM file) -Tệp NAM: công cụ thị trực quan hóa cho thiết lập tệp chương trình Cửa sổ NAM cho ta thấy hoạt động nút mạng mạng theo đơn vị thời gian Chương trình mô mạng NS2 hỗ trợ mạng dây mạng không dây 4.1.3 Tệp vết (File Trace) Dữ liệu sau mô với NS-2 thường lưu tệp, tệp gọi tệp dấu vết (trace file) Tệp dấu vết chứa thông tin kiện gói tin xảy suốt thời gian mô theo tầng: tầng MAC, tầng mạng, tầng giao vận, tầng ứng dụng Sau mô thành công, tệp dấu vết chứa thông tin chi tiết kiện xảy mạng theo mốc thời gian mô Tệp vết có chứa nhiều thông số quan trọng để giúp phân tích ảnh hưởng tham số truyền vào mạng Ví dụ là định dạng tệp vết mạng không dây: 76 Hình 4.2: Định dạng tệp vết mạng không dây NS2 Tệp vết mạng không dây NS2 có phần sau: - Phần bản: chứa thông tin cho việc phân tích mạng không dây tầng MAC - Phần mở rộng: chứa thông tin phục vụ cho việc phân tích mạng không dây tầng mạng tầng ứng dụng Cụ thể thông số sau: Event Type: dạng kiện lưu tệp vết “s”: gói tin gửi “r” gói tin nhận “D” gói tin bị loại Time: thời gian xảy kiện Node ID: số thứ tự node kịch mô Trace Level: mức theo dõi tệp vết “AGT”: gói tin tầng ứng dụng “RTR” :gói tin định tuyến tầng mạng (routing) “MAC”: gói tin trao đổi tầng MAC Reason: lí cho kiện (ví dụ “NRTE” No RouTe Entry) Packet Unique ID : ID gói tin Payload Type: dạng tải gói tin Packet Size: kích thước gói tin Time to Send Data: thời gian trễ dự kiến cần thiết để truyền gói tin mạng không dây giao thức tầng MAC Destination MAC Address: địa MAC đích Source MAC Address: địa MAC nguồn 77 Ethernet packet type: dạng gói tin (ví dụ IP 800) Source IP Address, Source IP port : IP nguồn cổng nguồn Destination IP Address, Destination IP port : IP đích cổng đích Time to Live: thời gian sống gói tin Next hop IP Address: địa IP nút mạng trình định tuyến Phần lại định dạng định nghĩa riêng cho giao thức định tuyến, ví dụ hình dành cho giao thức định tuyến AODV Như nói phần trước, mô NS-2 mã nguồn mở Điều có nghĩa trường hợp cần thiết, muốn tăng lượng thông tin file dấu vết hoàn toàn sửa đổi mã nguồn NS-2 để thực điều 4.2 Triển khai mô kết 4.2.1 Mục đích mô Mục đích việc mô mạng Zigbee (IEEE802.15.4) để tìm hiểu rõ giao thức Zigbee, dựa vào mô hình mô đánh giá giao thức mạng Zigbee với mạng không dây khác Ngoài việc đánh giá giao thức mà mạng không dây Zigbee sử dụng để giúp lựa chọn giao thức phù hợp hoàn cảnh cụ thể Có hai mô hình mô thiết lập để đánh giá hiệu giao thức mạng Zigbee, mô hình mạng tĩnh mô hình mạng động 4.2.2 Mô hình tĩnh thông số mô Mô hình tĩnh : nút mạng không dây bố trí hình Hình 4.3: Mô hình mô mạng không dây tĩnh 78 Số nút (trạm) mạng 101, bố trí đặn không gian mô 80x80 m2, cự li phát sóng (radio range) thiết lập 9m, nút mạng liên lạc với nút nằm theo hướng song song với đường chéo diện tích hình chữ nhật 80x80 m (đối với nút, nút hàng xóm theo hướng Đông, Bắc, Tây, Nam có khoảng cách 80/7 ≈11,5m, liên lạc trực tiếp được) Việc truyền thông cặp nút 63-61, 87-97, 79-77, 99-85, 64-62, 8898,80-78 100-86 sử dụng giao thức TCP qua nguồn FTP Giao thức định tuyến AODV Dải thông (bandwidth) kênh truyền nút mạng thiết lập 250 Kbps Kích thước gói tin 100byte (như dải thông tính theo packets/s xấp xỉ 300 packet/s) Mô hình áp dụng cho hai mạng mạng 802.11 mạng 802.15.4 để so sánh giao thức thiết lập tầng MAC 4.2.3 Mô hình động thông số mô Mô hình mạng động: mô hình mạng có nhiều nút di chuyển liên tục, cố định nút PAN Coordinator (vì nút có chức xử lí cao bảo toàn hoạt động cho toàn mạng) Đây mô hình gần với thực tế sử dụng để đánh giá giao thức định tuyến mạng Zibgee (gồm có giao thức AODV giao thức ZBR) Mô hình ngẫu nhiên tạo công cụ setdest tích hợp sẵn chương trình mô NS2 Setdest sử dụng mô hình điểm đến ngẫu nhiên (random waypoint model), bắt đầu việc nút “chạy lung tung” cách ngẫu nhiên phạm vi ngữ cảnh Mỗi nút chờ khoảng thời gian tạm dừng trước chọn ngẫu nhiên điểm đến (way-point) Sau đó, nút sẽchuyển động phía đích đến với tốc độ nằm đoạn [0, tốc độ tối đa] Khi nút đến đích đến chúng, chúng lại tiếp tục chờ khoảng thời gian tạm dừng, sau lặp lại trình chuyển động Cấu trúc lệnh setdest sau: /setdest -v -n -p -M -t -x -y > / Version: phiên setdest, có hai phiên Number of Nodes: số lượng nút cần tạo Pausetime: thời gian nút tạm dừng trước chuyển động lại (s) Maxspeed: tốc độ di chuyển tối đa nút (m/s) Simtime: thời gian mô (s) Maxx, maxy: kích thước phạm vi mạng (m x m) Scenario File: mô hình xuất tệp với khuông dạng lênh tcl Công cụ setdest dùng mô hình mạng động sau: setdest -v -n num_node -p 2.0 -t 100 -x 50 -y 50 -M 15 > num_node.scn 79 Với num_node thử nghiệm từ 100 đến 500 nút mạng phạm vi 50x50m2, nút PAN Coordinator cố định mạng Hình 4.4: Mô hình mô mạng không dây động với số nút mạng tăng dần 4.2.4 Thí nghiệm, kết mô đánh giá 4.2.4.1 Thí nghiệm 1: So sánh mạng 802.11 802.15.4 80 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh: [1] Sinem Coleri Ergen Email: csinem@eecs.berkeley.edu September 10, 2004 “ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary” [2] Shahin Farahani (2008) “ZigBee Wireless Networks and Transceivers, 2008 Edition” [3] Ian Marsden Embedded Systems Show, Birmingham, October 12th, 2006 “ZigBee Networks Layer Technical Overview” [4] Jianliang Zheng and Myung J Lee 2004 “A Comprehensive Performance Study of IEEE 802.15.4” [5] Nupur Mittal Exforsys Inc 2005 “Bluetooth Technology Models and Future” [6] FORUM NOKIA April 4, 2003 2004 “Bluetooth Technology Overview” Version 1.0 [7] Stsheu E-mail: stsheu@ce.ncu.edu.tw 2004 “IEEE 802.15.3 HR IEEE 802.15.3 HR -WPAN” [8] LAN MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, IEEE Standard for 802.15.3(2003) “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) specifications” [9] Zhanping Yin and Victor C.M Leung Electrical and Computer Engineering University of British Columbia E-mail: {zhanping; vleung}@ece.ubc.ca “Introduction to IEEE 802.15.3 High Rate Introduction to IEEE 802.15.3 High Rate Wireless Personal Area Network (WPAN) Wireless Personal Area Network (WPAN)” [10] Tommaso Melodia Broadband and Wireless Networking Laboratory, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332 “Routing in ZigBee: benefits from exploiting the IEEE 802.15.4 association tree” Tài liệu tiếng Việt: ... mạng không dây diện rộng, mạng không dây cục hay mạng không dây cá nhân Dựa vào nhu cầu người sử dụng tốc độ mạng cá nhân, người ta lại chia mạng không dây cá nhân thành mạng tốc độ thấp mạng tốc... QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử hình thành mạng không dây Mạng không dây dạng mạng máy tính, mà việc kết nối sử dụng giao thức kết nối không dây cho nút mạng Mạng kết nối không dây phương thức. .. dụng truy cập vào mạng máy tính không dây thông qua thích ứng máy tính không dây Card mạng không dây máy vi tính 1.2 Phân loại mạng không dây phổ biến Để phân loại mạng không dây, người ta dựa