Bảo mật cho mạng cảm biến không dây

Hiện nay người ta đang tập trungtriển khai mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày đó là các lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường…Trong một tương lai không xa,

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13

1.1 Giới thiệu chung 13

1.2 Cách giao tiếp giữa các nút cảm biến trong WSN 14

1.3 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây 16

1.3.1 Giới hạn năng lượng 16

1.3.2 Bị giới hạn về dải thông 16

1.3.3 Bị giới hạn về phần cứng 17

1.3.4 Kết nối mạng không ổn định 17

1.3.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa các cảm biến và môi trường tự nhiên 17

1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến 19

1.4.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu (Data Center Protocol) 21

1.4.1.1 Flooding và Gossiping 21

1.4.1.2 SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) 21

1.4.1.3 Truyền trực tiếp Directed Diffusion 23

1.4.2 Định tuyến phân cấp 23

1.4.2.1 LEACH 23

1.4.2.2 PEGASIS 25

1.4.2.3 So sánh PEGASIS và LEACH 27

1.5 Phủ sóng trong mạng cảm biến không dây 28

1.6 Các kỹ thuật truyền dẫn 29

1.6.1 Bluetooth 29

1.6.2 ZigBee/IEEE 802.15.4 30

1.6.3 DASH7 31

1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến 31

1.7.1 Ứng dụng trong quân sự 31

1.7.2 Ứng dụng trong y học 33

1.7.3 Ứng dụng trong môi trường 34

1.7.4 Ứng dụng trong giao thông 35

1.7.5 Ứng dụng trong gia đình 36

1.8 Tổng kết chương I 36

CHƯƠNG II: BẢO MẬT CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 37

2.1 Mô hình tính toán năng lượng 37

2.2 Khái niệm chung về bảo mật 37

2.3 Tổng quan về vấn đề an ninh mạng 38

2.3.1 Tấn công và kẻ tấn công 38

2.3.2 Yêu cầu về bảo mật 38

2.3.2.1 Tính bảo mật dữ liệu 38

2.3.2.2 Tính toàn vẹn của dữ liệu (Integrity) 39

2.3.2.3 Tính tươi mới của dữ liệu (Freshness) 39

2.3.2.4 Tính khả dụng 39

2.3.2.5 Tự tổ chức 40

2.3.2.6 Đồng bộ hóa thời gian 40

2.3.2.7 Định vị an toàn 40

2.3.2.8 Tính xác thực 40

2.3.3 Các loại bảo mật 41

2.3.4 Phân lớp các cuộc tấn công và phương pháp tiếp cận bảo mật 42

2.4 Những cuộc tấn công có thể chống lại mạng cảm biến không dây 42

2.4.1 Giả mạo, sửa đổi hoặc lặp lại thông tin định tuyến 43

2.4.2 Tấn công chuyển tiếp có chọn lọc ( Selective forwading attack ) 44

2.4.3 Sinkhole attack 45

2.4.4 Sybil attack 46

2.4.5 Wormhole attack 47

2.4.6 Tấn công lan tràn gói Hello (Hello Flood attack) 48

2.4.7 Tấn công giả mạo gói tin ACK 49

2.4.8 Sniffing attack 49

2.4.9 Cuộc tấn công toàn vẹn dữ liệu 50

2.4.10 Cuộc tấn công làm tiêu hao năng lượng 51

2.4.11 Tấn công lỗ đen ( Black-hole attack) 52

2.4.12 Cuộc tấn công sao chép nút 53

2.5 Kết luận 54

CHƯƠNG III: GIẢI PHÁP CHỐNG LẠI CÁC CUỘC TẤN CÔNG TRONG GIAO THỨC AODV TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 55

3.1 Giao thức AODV ( Ad hoc On – Demand Distance Vector ) 55

3.1.1 Định dạng các bản tin sử dụng trong AODV 55

3.1.2 Lỗ hổng trong giao thức AODV 60

3.2 Cuộc tấn công Wormhole 61

3.2.1 Các kiểu tấn công Wormhole 61

3.2.3.Phương pháp đề xuất 63

3.3 Tấn công Blackhole trong giao thức AODV 70

3.4 Giải pháp chống tấn công Blackhole 71

3.5 Kết luận chương 76

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 77

4.1 Phân tích lựa chọn phương pháp mô phỏng để phân tích 77

4.2 Bộ mô phỏng NS-2 và cài đặt mô phỏng 77

4.2.1 Giới thiệu về NS – 2 77

4.2.2 Cài đặt mô phỏng NS -2 77

4.3 Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng và giải pháp làm giảm hiệu ứng của tấn công lỗ đen 83

4.3.1 Các độ đo hiệu năng được đánh giá 83

4.3.2 Thiết lập các lựa chọn, tham số mô phỏng 83

4.3.3 Các thông số kịch bản mô phỏng 84

4.3.4 Kết quả mô phỏng 85

4.4 Kết luận chương 93

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây mạng không dây với mục đích tiêu thụ năng lượngthấp được ưu tiên phát triển và trở thành một trong những giải pháp cạnh tranh thay thếmạng Ethernet LAN truyền thống Đặc biệt là mạng cảm biến không dây( Wireless(Wireless Sensor Network) mới xuất hiện nhưng đãnhưng đã được nhiềunước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh tế… quan tâm Một lĩnh vực nổibật của mạng cảm biến không dây là một sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyềnthông vào một thiết bị nhỏ Nhờ có sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học và công nghệthì hiện nay sự phát triển của những mạng cảm biến giá rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đachức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể Hiện nay người ta đang tập trungtriển khai mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày đó là các lĩnh vực

y tế, quân sự, môi trường…Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảmbiến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con ngườinếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có đượcnhư mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây là mạng thông qua sóng vô tuyến để liên kết một sốlượng lớn các nút (node) mạng phân bố không đồng đều trên một phạm vi rộng vớinhau nhằm mục đích cảm nhận, xử lý và thu thập dữ liệu Các dữ liệu truyền trongmạng cảm biến không dây thường là các dữ liệu nhạy cảm cần được bảo vệ So với cácmạng có dây thì mạng WSN dễ bị tấn công hơn do các đặc trưng của mạng như đườngtruyền không dây, topo mạng thay đổi, khả năng tính toán, bộ nhớ của node mạng lànhỏ, và năng lượng của từng node bị giới hạn Có rất nhiều hình thức tấn công vàomạng WSN như tấn công sinkhole, tấn công toàn vẹn dữ liệu, tấn công wormhole, tấncông Blackhole…Trong luận văn này tôi sẽ đi xem xét đến tác động của hai kiểu tấncông đó là tấn công Wormhole và tấn công Blackhole lên hiệu năng của mạng WSNkhi dùng giao thức định tuyến AODV (Ad hoc On – demand Distance Vector routing).Trong luận văn này kiểu tấn công Blackhole sẽ được mô phỏng bằng Netwwork

Simulator 2 ( NS -2) và đo tỉ lệ phân phát gói, tỉ lệ mất gói, năng lượng còn lại của cácnode trong trường hợp không có và có tấn công Blackhole.

Trong quá trình thực hiện đề tài do còn nhiều hạn chế về thông tin cũng nhưthời gian hoàn thành nên không tránh khỏi những thiếu xót Tôi rất mong được sự đánhgiá, nhận xét và góp ý của các Thầy cô để luận văn có thể hoàn thiện hơn Tôi xin trân

trọng cảm ơn TS Nguyễn Hữu Phát đã định hướng, giúp đỡ tận tình trong suốt quá

trình thực hiện luận văn này

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong lLuận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đượccảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày….25 tháng…09 năm 2014

Học viên(Ký tên)

Nguyễn Thị Hiên

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo nút cảm biến

Hình 1.2: Giao tiếp Single hop giữa các nút cảm biến

Hình 1.3: Giao tiếp multihop giữa các nút cảm biến

Hình 1.4: Truyền tín hiệu trong mạng cảm biến không dây dựa trên định tuyếnHình 1.5: Truyền gói trong Flooding

Hình 1.6: Giao thức SPIN

Hình 1.7: Mô hình mạng LEACH

Hình 1.8: Truyền tín hiệu trong mạng cảm biến không dây thông qua phủ sóngHình 1.9: Ứng dụng của mạng cảm biến trong quân đội

Hình 1.10: Gắn nút cảm biến lên cơ thể người

Hình 1.11 Cảnh báo cháy rừng

Hình 1.12: Ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông

Hình 2.1: Các loại bảo mật

Hình 2.2: Giả mạo, sửa đổi và lặp lại thông tin định tuyến

Hình 2.3a Kẻ thù loại bỏ các gói tin được lựa chọn của một nút

Hình 2.3b Kẻ thù loại bỏ tất cả các gói tin từ một nút đã được lựa chọn

Hình 2.10: Cuộc tấn công toàn vẹn dữ liệu

Hình 2.11: Cuộc tấn công làm tiêu hao năng lượng

Hình 2.13: Cuộc tấn công sao chép nút

Hình 2.12: Black-hole attack

Hình 3.1 Định dạng bản tin RREQ

Hình 3.2 Định dạng bản tin RREP

Hình 3.3 Định dạng bản tin RRER

Hình 3.4 Định dạng bản tin RREP-ACK

Hình 3.5: Wormhole sử dụng out-of-band và đóng gó

Hình 3.6: Wormhole open, half-open, close wormhole

Hình 3.7: Truyền gói tin RREQ và RREP

Hình 3.8: Truyền RREP qua liên kết wormhole

Hình 3.9: Truyền tin Probe bởi node I

Hình 3.10: Truyền tin Probe_Ack đến node I

Hình 3.11 : Truyền tin Probe bởi node B

Hình 3.12: Truyền tin Probe_Ack đến B

Hình 3.13: Truyền tin Probe bởi node B

Hình 3.14: Truyền tin Probe_Ack đến B

Hình 3.15: Truyền tin Probe bởi node B

Hình 3.16: Truyền tin Probe_Ack đến B

Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán của hàm recvReply

Hình 4.1: Trường hợp tấn công blackhole mạng có 20 nodeHình 4.2: Trường hợp tấn công blackhole mạng có 40 nodeHình 4.3: Trường hợp tấn công blackhole mạng có 100 nodeHình 4.4: Trường hợp tấn công blackhole mạng có 200 nodeHình 4.5: Trường hợp tấn công blackhole mạng có 400 nodeHình 4.6: Trường hợp tấn công blackhole mạng có 800 node

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn Tỉ lệ mất gói (%) ứng với số node mạng

Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ phân phát gói thành công (%) ứng với số node mạng

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Phân lớp các cuộc tấn công

Bảng 3.1 Các trường bản tin RREQ

Bảng 3.2 Các trường bản tin RREP

Bảng 3.3 Các trường bản tin RRER

Bảng 3.4 Các trường bản tin

RREP-Bảng 4.1: Các tham số mô phỏng

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation

Systems

OSI Open Systems Interconnection Reference Model

ISM The industrial, scientific and medical (ISM) radio band

NAM Network Animator

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, các mô hình mạng không dây hướng tới mục đíchtiêu thụ năng lượng thấp được ưu tiên phát triển Một mạng cảm biến không dây(WSN) bao gồm các nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp và ít tiêu thụ năng lượng, giaotiếp thông qua các kết nối không dây số liệu thu thập được từ các nút cảm biến sẽ đượcgửi đến một trạm gốc gần nhất Các số liệu này lại được chuyển tới các trung tâm xử lý

dữ liệu cho các bước phân tích tiếp theo

Cấu tạo của nút cảm biến này như sau:

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình 1.1bao gồm: đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vịtruyền dẫn (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể cóthêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống địnhvị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động(mobilizer)

Hình 1.1: Cấu tạo nút cảm biến [x]

Như vậy từ việc kết hợp các nút cảm biến với nhau cùng các công nghệ thíchhợp đã thiết kế thành công mạng cảm biến không dây cho các ứng dụng khác nhaunhư: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát

hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏnghóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản

lý thuốc trong các bệnh viện, phát hiện và theo dấu các phương tiện xe cộ… Như vậy

từ khả năng ứng dụng rộng lớn của mạng cảm biến chúng ta có thể kết luận rằng: “

Bất cứ ở đâu con người muốn theo dõi, quan sát, phản ứng với những sự kiện hay hiện tượng trong môi trường đặc biệt nào đó họ có thể dùng mạng cảm biến không dây”

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quantrọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạnvề năng lượng của chúng Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Chúnghoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung cấp Do đó,trong khi mạng truyền thông khác tập trung đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thìcác giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất

1.2 Cách giao tiếp giữa các nút cảm biến trong WSN

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây một trong những yếu điểm hạnchế liên quan đến thời gian tồn tại của các mạng cảm biến không dây chính là nguồnnăng lượng giới hạn phục vụ cho hoạt động của các nút cảm biến được triển khaitrong mạng Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao và duy trì thời gian hoạtđộng lâu dài của mạng, thì phải lựa chọn cách thức giao tiếp giữa các nút một cáchthích hợp

Giao tiếp single hop: Là cách giao tiếp trực tiếp giữa 2 nút Cách giao tiếp này sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thu ở cách xa nhau thì cần công suất phát lớn Và đối với việc trao đổi thông tin thì các nút xa trạm gốc thường là những nút ở trong tình trạng nguy cấp nhất do thiếu năng lượng hoạt động

Hình 1.2: Giao tiếp Single hop giữa các nút cảm biến

Giao tiếp multihop: Đây là cách giao tiếp mà các nút ở xa truyền dữ liệu cầncác nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm suy hao tổng thể, giảm công suất chođường truyền Như vậy năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệuquả hơn Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Tuy nhiên thì cấu trúc mạng phức tạp giao thức phân chia và định tuyến cũngtrở nên khó khăn hơn

Trong cách giao tiếp này thì các nút gần trạm gốc nhất thường phải gánh chịunhiều lưu lượng tải và thường bị dừng hoạt động trước tiên Lựa chọn trạm gốc sẽđược đề cập trong phần định tuyến

Hình 1.3: Giao tiếp multihop giữa các nút cảm biến

1.3 Như Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng vô cùng lớn trong cuộc sống,tuy nhiên khi triển khai mạng cảm biến không dây chúng ta gặp phải những hạn chếnhư sau:

1.3.1 Giới hạn năng lượng

Do số lượng các cảm biến trong mạng là rất lớn do vậy ta không thể nối dây từcác cảm biến này đến nguồn năng lượng Đồng thời để có vận hành tự động thì cáccảm biến cần phải có nguồn pin Vì lượng năng lượng có sẵn trong mỗi cảm biến chỉgiới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ nănglượng để các cảm biến này hoạt động hiệu quả

1.3.2 Bị giới hạn về dải thông

Trong mạng cảm biến không dây, năng lượng được dùng trong xử lý dữ liệu íthơn nhiều so với việc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởitốc độ dữ liệu khoảng 10 – 100Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực

tiếp đến việc truyền thông giữa các cảm biến, và nếu không có sự truyền thông tin nàythì không thể đồng bộ hóa.

1.3.3 Bị giới hạn về phần cứng

Phần cứng của các nút cảm biến thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Sựhạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đặt ra một thách thức to lớn Đólà ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì như vậy sẽ tăng chi phí và tiêu thịthêm năng lượng, đồng thời sẽ gây khó khăn trong việc triển khai hàng nghìn nút trongmạng

1.3.4 Kết nối mạng không ổn định

Mạng cảm ứng có ưu điểm là tính di động, nhưng mạng vẫn phải đối mặt vớinhững nhược điểm sau:

 Giới hạn trong phạm vi truyền của các cảm biến di động, dẫn đến việc truyềnthông tin giữa các nút cảm biến trở nên khó khăn

 Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài nêncó thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin

 Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nút nênviệc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

1.3.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa các cảm biến và môi trường tự nhiên

Mạng cảm biến không dây dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thựcnên việc thiết kế mạng phải thích ứng với các đặc trưng của môi trường mà nó cảmnhận

Như vậy để xây dựng được mạng cảm biến không dây phù hợp với ứng dụng thì cần phải lựa chọn được công nghệ phù hợp Lựa chọn phương pháp tiếp cận nên bắt đầu từ việc lựa chọn hình thức mạng Hiện tại, mạng mắt lưới (mesh wireless sensor network) chắc chắn là sự lựa chọn số 1 trong các ứng dụng của WSN vì những lý do

 Mạng mắt lưới là kiểu mạng điểm tới điểm hay peer to peer Mục tiêu mà nóhướng tới là phân khúc điều khiển và thu thập dữ liệu trong công nghiệp Đốilập với mạng không dây truyền thống thì mạng không dây mắt lưới là kiểu mạngtruyền đa bước nhảy, trong đó các nút cảm biến hỗ trợ nhau truyền các gói dữliệu trong mạng, đặc biệt là trong những trường hợp có sự cố Mỗi nút có thểgửi và nhận thông điệp, ngoài ra thì mỗi nút còn có thể chuyển tiếp thông điệpcho nút bên cạnh chính vì thế các gói dữ liệu sẽ tìm được đường tới điểm đếnthông qua nút trung gian với các đường truyền tin cậy

 Mạng mắt lưới thể hiện khả năng tự cấu hình, mở rộng và tự sửa chữa đem lạisức mạnh kết nối cho môi trường công nghiệp

 Trong mạng mắt lưới không dây thì dữ liệu có thể được giữ lại ở nút mạng trongtrường hợp máy chủ chưa cần đến thông tin đó

 Trong mạng mắt lưới chúng ta có thể chủ động rút ngắn khoảng cách giữa cácnút như vậy sẽ tăng cường chất lượng của các link Ngoài ra bạn có thể mởrộng, bổ sung dự phòng và tăng cường độ tin cậy của toàn mạng bằng cách thêmcác nút mạng

 Có khả năng tự thích nghi rất cao, tự sửa lỗi mà không hề có sự tham gia củacon người

 Kết hợp với kỹ thuật truyền tin "nhảy cóc" , liên lạc của mạng mắt lưới khôngdây với điểu khiển phân tán giúp đơn giản hóa toàn bộ tương tác giữa cảm biếnhoặc các nhóm cảm biến

Tiếp sau đó là việc lựa chọn một công nghệ để truyền dữ liệu trong WSN thích

hợp trong số nhiều lựa chọn khác nhau là chìa khóa mang lại thiết kế thành công cho

hệ thống và có thể là một sự lựa chọn hoàn hảo cho mạng cảm biến không dây.

Hai công nghệ chính được sử dụng để truyền dữ liệu trong WSN dạng lưới làphủ sóng và định tuyến Sự phát triển của công nghệ phủ sóng và định tuyến đã làmnóng thị trường cảm biến hiện nay Xem xét cả về thuận lợi và bất lợi của cả hai côngnghệ này trong ứng dụng WSN có thể giúp các nhà thiết kế mạng có những quyết địnhsáng suốt hơn

1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến

Một trong những mục tiêu thiết kế chính của WSN là đảm bảo được độ thôngsuốt và liên tục của đường truyền tại tất cả các điểm nút trong mạng, kể cả khi các điềukiện truyền thay đổi

Công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến không dây đã khai thác được nhữngtiềm năng ứng dụng, mang lại rất nhiều mô hình tự tổ chức và tự phục vụ trong những

kế hoạch thương mại

Việc định tuyến đã tạo ra quá trình vận hành ổn định mà chỉ cần thay đổi nhữngđiều kiện truyền dưới sự kết hợp băng thông và năng lượng hạn chế việc sử dụng cácgiao thức dựa trên IP và tạo nên những thách thức mới cho thuật toán định tuyến WSN

Hình 1.4: Truyền tín hiệu trong mạng cảm biến không dây dựa trên định tuyến

[x]

Nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì các tuyến là không hề đơn giản do những giới hạnvề năng lượng và những sự thay đổi trạng thái tại các điểm nút thường tạo nên nhữngthay đổi đột ngột Xây dựng và tạo nên những tuyến tự động qua mạng đòi hỏi phải cónhững bộ xử lý điểm nút hiệu quả, dung lượng bộ nhớ lớn và các bộ định tuyến phụtrợ, cũng như thời gian chờ của mạng khi đến khi hình thành tuyến thay thế Xây dựng và duy trì các bảng định tuyến với các tuyến thay thế (để phù hợp với nhữngthay đổi của điều kiện truyền) dựa trên những bộ xử lý chi phí thấp và tiêu tốn ít nănglượng là một khó khăn thực sự lớn Độ khó khăn của phương pháp này tỉ lệ thuận vớikích cỡ và số lượng của các chặng

Để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, công nghệ định tuyến ứng dụng một vàicông nghệ đặc trưng riêng của WSN như phương pháp tập hợp dữ liệu, xử lý nội bộmạng, tạo nhóm, phân cấp chức năng cho các điểm nút khác nhau… Ngay cả trongnhững phương pháp khá tinh vi, trong những mạng có phạm vi rộng và các tin nhắnngắn, việc định tuyến vẫn tiêu thụ khá nhiều tài nguyên như băng thông và năng lượng,đôi khi gây tắc nghẽn đường truyền Tồi tệ hơn, khi các yếu tố này kết hợp lại có thểlàm giảm hiệu suất, lưu lượng của đường truyền, và độ trễ

Đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn thì số lượng các nút cảm biếnphân bố trên một khu vực rộng vì vậy việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đốimặt với nhiều thách thức sau:

 Mạng cảm biến có một số lượng lớn các nút cảm biến cho nên ta không thể xâydựng được sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó

 Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau vàtruyền đến nút chính

 Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ xử lý,lưu trữ

 Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khiđược triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động

 Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì việc tập hợp dữ liệu thôngthường dựa trên vị trí.

 Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dựa trênhiện tượng chung

Trong phần này sẽ nghiên cứu hai loại giao thức định tuyến chính đó là địnhtuyến trung tâm dữ liệu (Data Center Protocol) và định tuyến phân cấp (HierarchicalProtocol)

1.4.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu (Data Center Protocol)

dữ liệu (meta – data) Trước khi truyền thông tin về dữ liệu được trao đổi giữa các cảmbiến qua một cơ chế thông báo dữ liệu, đó chính là đặc điểm chính của SPIN.

Mỗi một nút nhận dữ liệu mới, thông báo tới các nút lân cận của nó và các nútlân cận quan tâm đến dữ liệu này Sự dàn xếp các thông tin về dữ liêu của SPIN giảiquyết được các vấn đề của flooding như là thông tin dư thừa, chồng chéo các vùng cảmnhận, vì vậy đạt được hiệu quả về mặt năng lượng

Có 3 bản tin được xác định trong SPIN dùng để trao đổi dữ liệu giữa các nút, đólà bản tin ADV cho phép các nút thông bào một meta – data cụ thể, bản tin REQ đểyêu cầu các dữ liệu đặc biệt và bản tin DATA để mang thông tin thực Hình dưới đâymiêu tả tổng kết quá trình của SPIN

Hình 1.6: Giao thức SPIN

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:

 Buớc 1: Nút A bắt đầu quảng bá dữ liệu tới nút B (a)

 Bước 2: Nút B trả lời bằng cách gửi yêu cầu tới nút A (b)

 Bước 3: Nút A gửi dữ liệu yêu cầu tới nút B (c)

 Bước 4: Sau khi nút B nhận dữ liệu ở bước 3 thì nút B sẽ gửi bản tin quảng bá đến các nút lân cận (d)

 Bước 5: Các nút lân cận trả lời bằng cách gửi yêu cầu tới B (e)

 Bước 6: Khi đó dữ liệu lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu (f)

Một ưu điểm của SPIN là các thay đổi về cấu hình được khoanh vùng vì thế các nút chỉ cần nhận biết các nút lân cận của chúng Tuy nhiên có chế thông báo dữ liệu của SPIN không thể đảm bảo được việc phân phối dữ liệu

Vì thế SPIN không được sử dụng cho các ứng dụng như phát hiện xâm nhập mà yêu cầu độ tin cậy trong việc phân phối các gói dữ liêj qua khoảng thời gian đều đặn

1.4.1.3 Truyền trực tiếp Directed Diffusion

Đây là giao thưc trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tintrong mạng cảm biến không dây Ý tưởng của phương pháp này là truyền dữ liệu quacác nút cảm ứng bằng việc sử dụng lược đồ đặt tên cho dữ liệu Mục đích chính củaviệc sử dụng lược đồ này là loại bỏ những hoạt động không cần thiết của định tuyếnlớp mạng để tiết kiệm năng lượng

Directed Difussion đưa ra việc sử dụng cặp giá trị thuộc tính cho dữ liệu và gửiyêu cầu đến các cảm biến dựa trên các cặp địa chỉ này

1.4.2 Định tuyến phân cấp

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụnăng lượng của các nút cảm biến bằng việc các nút cảm biến thường được tổ chứcphân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt mà ở đó số liệu được thuthập và xử lý nội bộ tại các nút chính (cluster head nodes) trước khi chúng được gửi vềmột trạm gốc nào đó

1.4.2.1 LEACH

Phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp LEACH (Low Enery AdaptiveClustering Hierarchy) là một trong những giải thuật định tuyến phân cấp cho mạngcảm ứng.

Hình 1.7: Mô hình mạng LEACH

Như vậy, việc phân nhóm ở trên hình thành nên một cấu trúc phân cấp 2mức mà ở đó các nút chính hình thành nên một bậc cao còn các nút thành viên củanhóm thuộc về một bậc thấp hơn

Lưu ý rằng, các nút trong một nhóm không truyền số liệu mà chúng thu thập đượcvề trực tiếp trạm gốc mà phải thông qua nút chính của nhóm Nút chính có nhiệm vụ:

 Điều phối hoạt động giữa các nút trong nhóm và thu thập số liệu của các nút(Vì các nút có thể tạo ra các số liệu trùng lặp và thừa Số liệu giống nhau từnhiều nút có thể được tập hợp lại, sắp xếp, lọc loại bỏ số liệu thừa trùng lặp vớimục đích giảm số lần truyền dẫn)

 Truyền trực tiếp các số liệu đã được tập hợp, tinh lọc về trạm gốc hoặc thôngqua truyền dẫn nhiều chặng (multi-hop) nghĩa là qua các nút chính khác

Trên thực tế, thông tin trao đổi giữa các nút trong một nhóm cũng như giữacác nhóm khác nhau có thể được tổ chức như là một sự kết hợp giữa trao đổi thông tin

single hop và multihop Trong cả hai phương thức đó có một vấn đề không thể tránhđược đó là sự phân bố năng lượng tiêu thụ không đồng đều giữa các nút dẫn đến tìnhtrạng một số nút bị mất năng lượng với tốc đọ cao hơn, nhanh bị dừng hoạt động hơnmột số nút khác và có thể làm giảm phạm vi cảm biến và chia cắt mạng.

Vì vậy phương án đưa ra là tát cả các nút đều có các khả năng xử lý và cấutrúc phần cứng như nhau Khi đó vai trò của nút chính được hoán chuyển vòng tròntheo chu kỳ giữa các nút để cân bằng tải Tuy nhiên thì vẫn chưa tránh khỏi hoàn toànvấn đề về tiêu thụ năng lượng ở trên

Khi đó một phương án khác đưa ra đó là một số lượng nhất định các nút cókhả năng xử lý cao hơn và độ phức tạp phần cứng lớn hơn được triển khai trên toànmạng cùng với một số nút cảm biến thông thường khác Đối với các nút chính, nhiềunăng lượng hơn cần phải tiêu thụ để thực hiện một vài chức năng nào đó và chúngphục vụ như là các bộ thu thập số liệu và các trung tâm xử lý cho những số liệu thuthập bởi các nút cảm biến Vì các mạng không đồng nhất cấp phát các nút chính ởdạng tĩnh, thời gian hoạt động của mạng được xác định phụ thuộc vào thời gian chứcnăng của các nút chính mà có liên quan trực tiếp tới hoạt động của nút chính và tiêuthụ năng lượng Các nút chính có thể hình thành nên một mạng đường trục và sửdụng định tuyến nhiều chặng để định hướng số liệu tới trạm gốc

1.4.2.2 PEGASIS

PEGASIS (Power – Efficient Gathering in Sensor Information Systems) là

một cải tiến của LEACH, là một giao thức dựa theo chuỗi gần tối ưu Khi đó các nútchỉ cần liên lạc với nút liền kề và có thể luân phiên liên lạc với trạm gốc Khi mộtvòng các nút đã liên lạc với trạm gốc, một vòng mới sẽ bắt đầu Việc nàu làm giảmnăng lượng dùng để truyền dữ liệu mỗi vòng vì năng lượng hao hụt đồng đều khắp cácnút Vì vậy PEGASIS thực hiện hai nhiệm vụ:

 Kéo dài thời gian sống cho mạng

 Đồng bộ năng lượng tại tất cả các nút mạng và giảm độ trễ các gói dữ liệu

Giải thuật này sử dụng mô hình cấu trúc dạng chuỗi Tạo mỗi chuỗi các nútcảm biến bằng cách: mỗi nút có thể nhận và truyền dữ liệu tới nút bên cạnh Quá trìnhthêm các nút vào chuỗi được thực hiện tuân theo thuật toán Greedy Để xác định đượccác nút lân cận gần nhất mỗi nút sẽ sử dụng cường độ tín hiệu để đo khoảng cách tớicác nút lân cận của nó Sau khi xác định xong các nút sẽ điều chỉnh cường độ tín hiệusao cho chỉ có nút lân cận gần nhất nghe được.

Sau khi chuỗi được thành lập thì bước tiếp theo là chọn nút chủ Một nút trongchuỗi sẽ được chọn làm nút chủ có trách nhiệm là truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm

cơ sở Vai trò nút chủ sẽ bị dịch chuyển vị trí trong chuỗi sau một vòng chu kỳ nhằmđảm bảo công bằng trong tiêu thị năng lượng giữa các nút trong mạng Tuy nhiên chú

ý rằng việc thay đổi có khi dẫn đến nút chủ rời xa trạm cơ sở, khi đó nút này sẽ lại cầnyêu cầu công suất cao để truyền đến trạm cơ sở Vì vậy chúng ta sẽ không cho các nút

xa trạm cơ sở và có năng lượng thấp làm nút chủ

Tất cả các nút sẽ tính toán tỉ số Ri như sau:

Ri =

xi

ai PT

P

(1.1)Trong đó:

+ Pai là năng lượng của nút i tại thời điểm hiện tại

+ PTxi là năng lượng cần thiết để nút i truyền đến trạm cơ sở

Nút cuối chuỗi sẽ bắt đầu gửi gói chứa giá trị Ri của nó về phía nút hàng xómtrong chuỗi Mỗi nút nhận gói này sẽ so sánh giá trị hiện tại trong gói với giá trị R củanó Nếu cao hơn, nó đơn giản sẽ chuyển tiếp gói, còn nếu nhỏ hơn nó sẽ biến đổi góivới giá trị hiện tại của nó và chuyển tiếp đến nút cạnh nó trong chuỗi Nút có giá trị Rcao nhất sẽ làm nút chủ Nút chủ sẽ thông báo cho các thành viên trong chuỗi biết.Việc bầu chọn nút chủ được thực hiện theo một số vòng nào đó

Sau khi chọn được nút chủ thì nút chủ sẽ truyền thẻ bài dọc theo chuỗi đến nútcuối cùng của chuỗi Nút này bắt đầu cảm nhận dữ liệu và truyền đến nút bên cạnh nó

trong chuỗi Nút này sẽ tập hợp dữ liệu của nó và dữ liệu nhận được trong một gói vàtruyền đến nút bên cạnh nó trong chuỗi Cứ như thế dữ liệu được truyền đến trạm cơsở.

1.4.2.3 So sánh PEGASIS và LEACH

Khối lượng dữ liệu nút chủ trong PEGASIS nhận được nhiều nhất là hai bảntin trong khi đó của LEACH là 20 ( nếu mạng có 100 nút ), nhiều hơn rất nhiều

Trong PEGASIS thì chỉ có một nút trong mạng truyền dữ liệu đến trạm cơ sởtrong khi đó ở LEACH có 5% số nút truyền đến trạm cơ sở []

 Các nút cảm biến trong chuỗi phải biết cấu hình mạng và điều này không phảiluôn luôn dễ dàng đối với mạng cảm biến

 Xảy ra hiện tượng thắt cổ chai tại nút chủ Tức là dữ liệu tập hợp được đến nútchủ thì nút chủ không còn đủ năng lượng truyền đến trạm cơ sở nữa

Qua việc nghiên cứu một số phương pháp định tuyến trong mạng cảm biếnkhông dây chúng ta thấy rằng mạng định tuyến sẽ triển khai những công nghệ đặc biệt

để tự sắp xếp trong mạng bằng cách tự tìm những điểm nút mạng, tìm ra đường truyềnthuận tiện nhất và truyền tín hiệu và liên tục thay đổi nó tùy thuộc vào những thay đổicủa điều kiện truyền và thay đổi mạng lưới vật lý Những công nghệ, đôi khi là kháphức tạp này sẽ vân hành tốt đối với mạng nhỏ và đơn giản.

Như vậy đối với những mạng có quy mô lớn hơn với nhiều điểm nút và chặng

mà không cần đến sự tác động của con người, phần mềm mà vẫn vận hành đơn giản như những mạng nhỏ, hay khi cần một mạng lưới phủ sóng lớn hoặc khi cần giải quyết vấn đề về độ trễ thì công nghệ phủ sóng sẽ là công nghệ tối ưu hơn cả.

1.5 Phủ sóng trong mạng cảm biến không dây

Trong công nghệ phủ sóng, thay vì việc sử dụng một đường truyền riêng đểtruyền một tin nhắn từ điểm nút này tới điểm nút khác, tin nhắn sẽ được truyền tới tất

cả các nút trong mạng, kể cả những điểm nút không cần thiết

Hình 1.8: Truyền tín hiệu trong mạng cảm biến không dây thông qua phủ sóng

Ưu điểm:

 Công nghệ phủ sóng này là sự đảm bảo cao cộng với độ đơn giản vô cùng.Không cần phải ứng dụng công nghệ định tuyến phức tạp đồng nghĩa với việckhông cần bảo dưỡng và sửa chữa

 Giúp tối ưu hóa việc quản lý nhiễu, tắc đường truyền và hiện tượng Fading đađường Hay nói cách khác là khi xảy ra hiện tượng hỏng hóc ở một điểm haymột vài điểm nút không thể gây hại gì tới việc truyền tín hiệu

 Do không phải định tuyến nên quản lý đơn giản hơn, đòi hỏi ít năng lượng máytính và dung lượng bộ nhớ hơn do đó có thể tiết kiệm năng lượng và cắt giảmđược chi phí

Bên cạnh những ưu điểm như vậy, việc phủ sóng mạng lưới với những thông tinlặp đi lặp lại cũng có những thách thức riêng của nó Để truyền dữ liệu, câu hỏi chínhlà làm thế nào để ngăn được hiện tượng ùn tắc, làm thế nào để quá trình gửi lại có thểtruyền được tin nhắn một cách chính xác tới địa chỉ mong muốn và làm thế nào để kếtthúc được quy trình mà không lãng phí năng lượng

Một phương pháp phủ sóng mới đó là sự kết hợp phương pháp đa truy cập phânchia theo thời gian với phương pháp đồng bộ hóa chính xác cao sẽ cho phép việctruyền lại diễn ra đồng thời để tin nhắn có thể được truyền đi một cách chính xác, vàcùng một thời điểm để chúng có thể đến các chặng gần như là cùng lúc theo nhiềuhướng và có thể chặn được ách tắc Tại mỗi chặng, các điểm nút chỉ truyền lại nhữngthông tin, số lần truyền lại tương ứng với số chặng trong mạng, vì vậy mà không hềlãng phí việc truyền lại

Kết luận: Như vậy từ việc nghiên cứu hai công nghệ định tuyến và phủ sóng ở

trên chúng ta thấy rằng với mỗi một ứng dụng khác nhau thì lựa chọn một m khi ứngdụng là các mạch đơn giản với số lượng ít các điểm nút và các chặng thì lựa chọnphương pháp định tuyến sẽ là lựa chọn tốt nhất Còn nếu mạng có phạm vi rộng với sốlượng điểm nút và chặng lớn, đặc biệt là khi lưu lượng và độ tin cậy là yêu cầu hàngđầu thì công nghệ phủ sóng sẽ là giải pháp thích hợp hơn

1.6 Các kỹ thuật truyền dẫn

1.6.1 Bluetooth

Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện điện tử giao tiếpvới nhau trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến thông qua băng tần chung ISMtrong dải tần 2.4-2.8 GHz Chuẩn này xác định một đường truyền vô tuyến phạm vihẹp song công tốc độ 1Mbps kết nối được 8 thiết bị vô tuyến cầm tay Phạm vi củaBluetooth phụ thuộc vào năng lượng của lớp radio.

Đặc điểm của Bluetooth là công suất tiêy thụ thấp, giá thành rẻ Bluetooth dùng

kỹ thuật trải phổ Khi kết nối điểm-điểm cho phép cùng lúc kết nối với 7 thiết bị đồngthời trong đó Bluetooth đóng vai trò như “master” còn các thiết bị khác đóng vai trònhư “slave”

Bluetooth có thể giúp các thiết bị giao tiếp được với nhau ngay cả khi chúngkhông được để chung trong một phòng chỉ cần chúng được để trong khoảng cách tối đalà 100m, và tùy thuộc vào mức năng lượng của thiết bị đó

Công nghệ Bluetooth sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần, nghĩa làcác gói đượctruyền trong những tần số khác nhau Trong hầu hết các quốc gia, 79 kênh được sửdụng Với tỷ lệ nhảy tần nhanh (1600 lần nhảy trên giây) việc chống nhiễu đạt kết quảtốt

1.6.2 ZigBee/IEEE 802.15.4

ZigBee là cái tên được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những

thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong Đó là kiểu liên lạc Zag" của loài ong "honeyBee" Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho

"Zig-vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một "Zig-vấn đề nào đó

Mục tiêu của công nghệ ZigBee là việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượngnhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài nămmà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như Bluetooth

ZigBee có một số ưu điểm so với Bluetooth như sau:

 ZigBee có thể dùng được trong mạng mắt lưới rộng hơn là sử dụng công nghệBluetooth

 Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tintrong khoảng cách 10-75m trong khi đó của Bluetooth chỉ là 10m.

 ZigBee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, ZigBee có tốc độtruyền dữ liệu thấp, tiết kiệm năng lượng hơn

 Nút mạng sử dụng ZigBee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhậncác gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việcnày trong khoảng 3sec

 ZigBee sử dụng cấu hình chủ tớ cho phép tối đa tới 254 nút mạng Trong khi đógiao thức Bluetooth phức tạp hơn nhưng chỉ cho phép 8 nút chủ trong mạngchủ-tớ cơ bản

 ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền của ZigBee là250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu) trong khi tốc độ này của Bluetooth là1Mbps

1.6.3 DASH7

DASH7 là một chuẩn mới cho mạng cảm biến không dây DASH7 dựa trên tiêuchuẩn ISO 18000-7, có khả năng truyền dữ liệu lên đến 27.77kbps, phạm vi truyền lêntới 2km và có khả năng xa hơn

Trong khi hầu hết các mạng cảm biến không dây đều hoạt động ở tần số ISM2.4GHz, thì DASH7 sử dụng tần số 433MHz, một tần số thấp hơn nhiều nhưng chophép truyền tín hiệu đi xa hơn với nhiễu ít hơn

Không giống như các thiết bị Bluetooth năng lượng thấp hoặc ZigBee, DASH7có thể kết nối xuyên qua tường Hai thiết bị DASH7 có thể kết nối với nhau trongphạm vi 300 feet Không giống như hầu hết các công nghệ RFID khác, DASH7 hỗ trợgiao tiếp tag-to-tag cho kết nối mạng hình lưới không dây

1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến

1.7.1 Ứng dụng trong quân sự

Mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng, trong đó có nhiều ứng dụngtrong quân sự Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng,trang thiết bị đạn dược, theo dõi chiến trường do thám địa hình và lực lượng quân địch,phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân…

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: Các người lãnh đạo, sĩ quan sẽtheo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bịvà đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Quân đội, xe cộ,trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thôngbáo về trạng thái Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các trạm cơ sở để gửi tớilãnh đạo trong quân đội Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn

Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và cácchỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thểtheo dõi các hoạt động của quân địch Khi các hoạt động nàu được mở rộng và kếhoạch hoạt động mới được chuẩn bị cho một mạng mới có thể được triển khai bất cứthời gian nào khi theo dõi chiến trường

Hình 1.9: Ứng dụng của mạng cảm biến trong quân đội

Trinh sát vùng và lực lượng đối phương: Khi các mạng cảm biến được triển khaitại các vùng chiến lược, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời có thể đượcthu thập trong một vài phút trước khi bị đối phương ngăn chặn

Tìm mục tiêu: Các mạng cảm biến có thể được kết hợp chặt cheax với các hệthống hướng đạo trong các quân trang thông minh

Đánh giá thiệt hại của trận đánh: Ngay trước hoặc sau khi tấn công, các mạngcảm biến có thể được triển khai trong vùng mục tiêu để tập hợp các số liệu đánh giáthiệt hại trong trận đánh

Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: Trong các cuộcchiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thời các tác nhân làđiều rất quan trọng Các mạng cảm biến được triển khai trong vùng chiếm đóng vàđược sử dụng như các hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa có thể cung cấp cho quân độicác thông tin về các tác nhân có thể gây nguy hiểm, thương vong Các mạng cảm biếncòn được dùng để giám sát chi tiết sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân đượcphát hiện Người ta có thể có được sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải đưacác đội trinh sát vào vùng bức xạ nguy hiểm

1.7.2 Ứng dụng trong y học

Một số ứng dụng trong y học của mạng cảm biến là cung cấp khả năng giao tiếpcho người khuyết tật, kiểm tra tình trạng của bệnh nhân, chuẩn đoán, quản lý dượcphẩm trong bệnh viên, tạo võng mạc nhân tạo, giám sát sự chuyển động và xử lý bêntrong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân trongbệnh viện

Kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người: Các số liệu về sinh lý thu thậpđược bằng các mạng cảm biến có thể được lưu trữ trong thời gian dài và có thể được sửdụng để khảo sát y học

Giám sát và kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện: Mỗi bệnhnhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng,

ví dụ có nút cảm biến nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác

sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họtrong bệnh viện Ngoài ra mạng cảm biến còn được sử dụng để kiểm tra và phát hiệntình trạng của người cao tuổi như sự đột quỵ

Hình 1.10: Gắn nút cảm biến lên cơ thể người

Quản lý dược phẩm trong bệnh viện: Các bệnh nhân được gắn các nút cảm biếncó thể nhận biết được các dị ứng thuốc và các dược phẩm cần thiết Như vậy có thểgiảm tối đa các sai sót trong việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân

1.7.3 Ứng dụng trong môi trường

Một vài ứng dụng môi trường như phát hiện cháy rừng, phát hiện lũ lụt, theo dõisự di cư của các loài chim, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnhhưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạ lớn đối với việcquan sát diện tích lớn trên trái đất và sự ô nhiễm môi trường

Phát hiện cháy rừng: Các nút cảm biến có thể được triển khai dày đặc, tự do ởcác vị trí cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn gốc phát lửatrước khi chúng phát tán rộng không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảm biến có

thể được triển khai và tích hợp sử dụng hê thống tần số không dây hoặc quang học.Ngoài ra, các nút cảm biến còn được trang bị các phương pháp thu năng lượng, ví dụnhư dùng pin mặt trời, để các cảm biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm biếnphân bố và khắc phục khó khăn, như các cây và đá mà ngăn trở tầm nhìn thẳng của cáccảm biến.

Hình 1.11 Cảnh báo cháy rừng

Phát hiện lũ lụt: Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ Mộtvài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức nước, thờitiết Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống cơ sở dữ liệu đãđược định nghĩa trước

1.7.4 Ứng dụng trong giao thông

Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặcđược gắn ở vỏ cảu ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau vàtương tác với đường và các biển báo để giúp các phương tiện đi được an toàn, tránh tainạn giao thông và giúp việc điều khiển luồng tốt hơn,

Hình 1.12: Ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông

1.7.5 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để

đo nhiệt độ Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịchchuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trườnghợp không có ai ở nhà

1.8 Tổng kết chương I

Chương I đã giới thiệu tổng quan về những kiến thức chung nhất của mạng cảmbiến không dây và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, y tế, môi trường…Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hiện nay hứa hẹn sẽ có thêm nhiều ứngdụng mới của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống hàng ngày

CHƯƠNG II: BẢO MẬT CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Mô hình tính toán năng lượng

Năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền tải mỗi bit là:

ETX = ɛe + ɛadα (2.1)Năng lượng tiêu thụ trong quá trình nhận mỗi bit là:

ERX = ɛeTrong đó: ɛa là năng lượng tiêu tốn cho mỗi bit trên một m2 ɛe là năng lượngtiêu thụ bởi mạch điện cho mỗi bit d là khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu Và 2 

4 là tham số tổn hao trên đường truyền

* Các tham số tính toán năng lượng truyền:

Các giá trị của các thông số của mô hình tính toán năng lượng truyền thôngkhông dây ở trên được cho như sau:

+ ɛa = 100 x 10-12 J/bit cho mỗi m2

+ ɛe = 50 x 10-9 J/ bit

+ Phạm vi thông tin liên lạc của một nút d phải chọn là 10m cho tất cả các nútvà α =2

2.2 Khái niệm chung về bảo mật

Bảo mật là vấn đề hết sức quan trọng đối với người dùng trong tất cả các hệthống mạng Để kết nối tới một mạng LAN hữu tuyến cần phải truy cập theo đườngtruyền bằng dây cáp, phải kết nối một PC vào một cổng mạng Với mạng cảm biếnkhông dây chỉ cần có thiết bị trong vùng sóng là có thể truy cập được nên vấn đề bảomật cho mạng cảm biến không dây là cực kỳ quan trọng

Trong mạng cảm biến không dây thì hầu hết các cuộc tấn công trong các mạngcảm biến không dây được gây ra bởi việc chèn các thông tin sai lệch bởi các nút giảmạo trong mạng Tuy nhiên, phát triển một cơ chế phát hiện và làm cho nó có hiệu quảlà một thách thức lớn Một lần nữa, vấn đề bảo mật trong mạng cảm biến không dây là

một vấn đề nghiên cứu lớn Ngày nay rất nhiều các chương trình bảo mật đã được đềxuất dựa trên các mô hình mạng cụ thể

2.3 Tổng quan về vấn đề an ninh mạng

2.3.1 Tấn công và kẻ tấn công

Một cuộc tấn công có thể được định nghĩa như là một sự cố gắng để giành đượcquyền truy cập trái phép vào một dịch vụ, một nguồn tài nguyên hoặc một dữ liệu, hoặccố gắng làm tổn hại tính toàn vẹn của dữ liệu, độ khả dụng hoặc tính bảo mật của hệthống Kẻ tấn công là người khởi đầu các cuộc tấn công Sự yếu kém trong thiết kế hệthống an ninh, trong quá trình thực hiện, trong cấu hình mà kẻ tấn công có thể khaithác, nó được biết đến như một lỗ hổng trong mạng Bất kỳ trong hoàn cảnh nào việcảnh hưởng đến một hệ thống thông qua một sự vi phạm bảo mật được gọi là mối đedọa và kẻ tấn công sẽ khai thác một lỗ hổng gây thiệt hại đến tài sản hệ thống

2.3.2 Yêu cầu về bảo mật

Một mạng cảm biến không dây là một loại mạng đặc biệt Nó có chung một sốđiểm tương đồng với một mạng máy tính điển hình, nhưng cũng đặt ra những yêu cầuđộc đáo của riêng nó Vì vậy chúng ta có thể nghĩ rằng các yêu cầu của một mạng cảmbiến không dây bao gồm cả các yêu cầu của một mạng điển hình và yêu cầu duy nhấtphù hợp với mục đích duy nhất của các mạng cảm biến không dây

2.3.2.1 Tính bảo mật dữ liệu

Bảo mật dữ liệu là vấn đề quan trọng nhất trong lĩnh vực an ninh mạng Mỗimạng bất kỳ sẽ tập trung giải quyết vấn đề này đầu tiên Trong các mạng cảm biến, vấnđề bảo mật liên quan đến những điều sau đây:

 Một mạng cảm biến không được rò rỉ thông tin của các cảm biến với các cảmbiến lân cận của nó Đặc biệt là trong ứng dụng quân sự, dữ liệu được lưu trữtrong các nút cảm biến có thể dễ bị tấn công

 Trong nhiều ứng dụng, dữ liệu khi được chuyển giao giữa các node có độ nhạycao do đó việc vô cùng quan trọng là xây dựng một kênh an toàn trong mộtmạng cảm biến không dây.

2.3.2.2 Tính toàn vẹn của dữ liệu (Integrity)

Với việc thực hiện bảo mật, kẻ thù không thể lấy cắp thông tin Tuy nhiên điềunày không có nghĩa là các dữ liệu an toàn Kẻ tấn công có thể thay đổi dữ liệu, để gâysự xáo trộn khi gửi vào các mạng cảm biến Ví dụ một nút giả mạo có thể thêm hoặcthao tác dữ liệu trong một gói tin Gói mới này sau đó có thể được gửi đến người nhậnban đầu Thậm chí việc mất dữ liệu hoặc thiệt hại dữ liệu có thể xảy ra mà không có sựhiện diện của một nút giả mạo mà do môi trường giao tiếp khắc nghiệt Vì vậy tínhtoàn vẹn của dữ liệu phải được đảm bảo rằng bất kỳ dữ liệu nhận được phải không thayđổi trong quá trình truyền dẫn

2.3.2.3 Tính tươi mới của dữ liệu (Freshness)

Thậm chí nếu đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn dữ liệu, thì cũng cần phải đảmbảo tính tươi mới của dữ liệu Dữ liệu phải luôn mới và đảm bảo rằng kẻ tấn côngkhông thể gửi lại các bản tin cũ

 Bổ sung tính toán tiêu thụ năng lượng bổ sung Nếu không có nhiều năng lượngtồn tại, dữ liệu sẽ không còn khả dụng