Xác minh vị trí cho định tuyến địa lý an toàn trong các mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN LAN HƯƠNG XÁC MINH VỊ TRÍ CHO ĐỊNH TUYẾN ĐỊA LÝ AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN LAN HƯƠNG XÁC MINH VỊ TRÍ CHO ĐỊNH TUYẾN ĐỊA LÝ AN TỒN TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Ngành : Cơng 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: TIẾN SĨ NGUYỄN ĐẠI THỌ Hà Nội – Năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân tơi Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực thực không chép kết khác Trong q trình nghiên cứu tơi có tham khảo báo cơng trình nghiên cứu liên quan, tơi trích dẫn đầy đủ luận văn Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Nguyễn Lan Hương LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giảng dạy hướng dẫn thời gian học tập trường Tiếp đó, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy TS.Nguyễn Đại Thọ nhiệt tình hướng dẫn, tích cực phân tích, lắng nghe phản biện giúp tơi hiểu hướng để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Lê Đình Thanh tham gia định hướng giúp tơi q trình nghiên cứu, đánh giá kết thu đảm bảo tính khoa học tin cậy Mặc dù cố gắng để hồn thiện luận văn song khơng thể khơng có thiếu sót, tơi mong nhận góp ý nhận xét từ thầy, cô bạn đọc Học viên Nguyễn Lan Hương TĨM TẮT Thơng tin vị trí thơng tin quan trọng nhiều ứng dụng mạng cảm biến không dây (WSN) Khi nút cảm biến triển khai môi trường thù địch, dễ bị cơng thơng tin vị trí cảm biến khơng đáng tin cậy cần phải xác nhận trước chúng sử dụng ứng dụng dùng Các hệ thống xác minh trước yêu cầu triển khai dựa nhóm kiến thức khu vực cảm biến, phụ thuộc vào phần cứng chuyên dụng đắt tiền, chúng không phù hợp để sử dụng cho mạng cảm biến chi phí thấp Trong luận văn này, nghiên cứu sử dụng Anchor node tin cậy trang bị GPS nằm rải rác mạng WSN làm trung tâm trình xác minh thơng tin vị trí node có phần cứng hạn chế nằm phạm vi truyền tin Việc xác thực thơng tin vị trí cho phép thực định tuyến an toàn giải toán an ninh thuật toán vượt biên (Perimeter Forwarding) vượt vùng void giao thức GPSR Chúng đề xuất sử dụng phương pháp k- đường dự phịng thay chọn đường theo phương pháp quy tắc bàn tay phải Giải pháp đề xuất cung cấp đường định tuyến tới đích trường hợp node biên bị cơng Trong q trình thử nghiệm k –path, chúng tơi thấy hiệu thuật tốn chưa cao, cụ thể tỉ lệ gói tin bị nhiều Mặc dù vậy, thử nghiệm đạt kết định thấy rõ ảnh hưởng số độ tin cậy định tuyến phục hồi hệ trước Từ khóa: Định vị, xác minh, chỗ, khu vực, an ninh mạng cảm biến không dây, định tuyến địa lý, xác thực vị trí ABSTRACT Location information is information that is important for many applications in wireless sensor networks (WSNs) When the sensor nodes are deployed in hostile environments, the location information is very vulnerable Therefore, the sensor location information is not reliable and should be verified before they can be used by applications that use it The previous verification system or deployment requirements based on knowledge of the regional group sensor, or dependent on expensive dedicated hardware, so they are not suitable for use in sensor networks chi low cost In this paper, we propose to use location verification which trust-based GPS Anchor node are distributed in WSN network to verify low-hardware nodes in its radio range This step will solve issues of Perimeter Forwarding step – algorithm routes around void area – in GPSR Routing We propose k-path method in perimeter routing instead of unique path in right hand rule as original GPRS Its feature: we still found a routing path to destination even when a node at perimeter mode was attacked Through the testing and received results, we found that its efficiency is not high, the percentage of packets lost a lot However, the test also reached certain results as clear indicators of the impact of reliability in previous resilient method Keywords: Location verification, triangulation, wireless sensor networks, Geographic routing, Perimeter Routing, Secure WSN Protocol MỤC LỤC TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Mạng cảm biến không dây (WSN) 1.1.1 Những thách thức WSN 1.1.2 Vấn đề an ninh WSN 1.1.3 Những khái niệm xác minh thông tin vị trí WSN 1.1.4 Định tuyến vị trí mạng cảm biến khơng dây 10 1.2 Định hướng mục tiêu đề tài 11 1.3 Phạm vi đề tài 12 CHƯƠNG II: XÁC MINH THƠNG TIN VỊ TRÍ 13 TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13 2.1 Xác minh thơng tin vị trí 13 2.2 Các cơng xảy biện pháp đối phó 14 2.3 Các giả sử mơ hình hệ thống 15 2.4 Các phương pháp xác minh thơng tin vị trí 16 4.1 Xác minh chỗ 16 2.4.2 Sự xác minh vị trí đơn 26 2.4.3 Xác minh vùng In-Region 28 2.4.4 Phân tích bảo mật 33 2.5 So sánh giải pháp xác minh vị trí 37 2.6 Lựa chọn phương pháp xác minh thơng tin vị trí 37 2.7 Kết luận 39 CHƯƠNG III: ĐỊNH TUYẾN PHỤC HỒI THEO THƠNG TIN VỊ TRÍ 40 3.1 GPSR 40 3.1.1 Chuyển tiếp tham lam 40 3.1.2 Quy tắc bàn tay phải 42 3.1.3 Đồ thị phẳng 44 3.1.4 Kết hợp tham lam vành đai đồ thị phẳng 47 3.2 Định tuyến an toàn 50 3.2.1 Khả hồi phục GR (Resilient GR) 50 3.2.2 Quản lý độ tin cậy 53 3.3 Kết luận 55 CHƯƠNG IV: GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 57 4.1 Bài toán k-đường dự phòng Perimeter Forwarding 57 4.2 Ý tưởng giải thuật 58 4.3 Yêu cầu thiết bị cấu hình 59 4.4 Kịch mô 60 Kết mô 61 4.6 Đánh giá kết nghiên cứu 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VC Verification Center SubVC Sub Verification Center GFM Greedy Filtering using Matrix GFT Greedy Filtering Using Trustability-Indicator WSN Wireless sensor network WSNs Wireless sensor networks RF Radio Frequence GR Greograph Routing RGR Resilient Geographic Routing ToA Thời gian đến TDoA Thời gian khác đến XOR Phép toán Xor DV-hop Distance Vector –hop DV- distance Distance Vector –distance GPS Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu AD Active Difference Metric PD Passive Difference Metric AS Asymmetry Metric CN Consistent-Neighbor Metric ECR Estimated communication range CBS Trạm sở bảo mật (covert base stations) MBS Trạm sở di động FS Tập chuyển tiếp (Forwarding set) RSS Tín hiệu vô tuyến BS Base station – trạm sở LAD Localization Anomaly Detection PLV Phương pháp xác minh thông tin vị trí sử dụng xác suất PMF Hàm xác suất khối AoA Angle of Arrival DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Ba kiểu cơng tham chiếu vị trí: (1) uncoordinated, (2) collusion, (3) pollution attacks Trong hình P vị trí thực Hình Sự định vị nút cảm biến Hình 3: Ví dụ định tuyến địa lý: (a) X hàng xóm gần nguồn với sink; (b) khoảng trống: X vị trí ngắn 10 Hình Ảnh chụp khu vực nút cảm biến 18 Hình Hàm trọng lượng 19 Hình Thuật tốn GFM 22 Hình Tính tốn số tạm thời 24 Hình Thuật tốn GFT 25 Hình Sự so sánh hệ thống xác minh thông tin vị trí 28 Hình 10 Một hình ảnh khu vực nút cảm biến s1 có hàng xóm s2, s3, s4 29 Hình 11 Thuật tốn xác minh khu vực 30 Hình 13 Tấn cơng vào thuật tốn GFM 34 Hình 14 Các ma trận GFM công 34 Hình 15 Các cơng vào thuật toán xác minh 36 Hình 16 Ví dụ chuyển tiếp tham lam 40 Hình 17 Ví dụ chuyển tiếp tham lam bị Fail X cực tiểu địa phương w,y xa đích D 42 Hình 18 X tạo nên void tới đích D 42 Hình 19 Quy tắc bàn tay phải 43 Hình 20: Đồ thị RNG,với cạnh (u,v) nằm 45 Hình 21: Đồ thị GG 46 Hình 22 Bên trái đồ thị đầy đủ mạng với 200 nút phạm vi triển khai 200x200 Ở đồ thị GG đồ thị đầy đủ Ở bên phải đồ thị RNG GG đồ thị đầy đủ 48 Hình 23: ví dụ chuyển tiếp chu vi D đích; x nút gói tin vào chế độ chuyển tiếp chu vi; mũi tên bước cho việc chuyển tiếp tham lam 49 Hình 24 Đường Perimeter Forwarding bị cơng 57 Thuật tốn quản lý độ tin cậy cung cấp cách đầy đủ nút quản lý mức độ tin cậy riêng Trong mơi trường tương đối vơ hại, ví dụ như, tồn nhà thơng minh, thơng tin tin cậy trao đổi nút đáng tin cậy với chăm sóc cẩn thận Như vậy, cân thông tin tin cậy nhiều lỗ hổng bảo mật tiềm tàng trao đổi thông tin Giá trị ngưỡng sử dụng để tính tốn FS xác định mức độ đáp ứng giao thức với công phá vỡ việc định tuyến Nếu ngưỡng lựa chọn ứng viên cao nút đáng ngờ loại bỏ trước đó; nhiên, nút khơng ác ý bị loại sớm vấn đề mạng làm việc tắc nghẽn mạng khơng dây Vì vậy, cần thiết để đưa giá trị ngưỡng tốt mà cân tốc độ việc loại trừ nút đáng ngờ khả sai dương tính Nói chung, chúng tơi tin khơng có giá trị ngưỡng tối ưu hóa cân cho tất ứng dụng, người ta phải chọn giá trị thích hợp, ví dụ, cách sử dụng ngưỡng cao mơi trường khắc nghiệt Q trình xác minh việc chuyển tiếp (cần thiết cho việc quản lý độ tin cậy) làm tiêu hao lượng Để giảm mức tiêu thụ lượng, nút gọi ngẫu nhiên việc kiểm tra xác minh người hàng xóm hay khơng mức lượng trở nên thấp Trong đó, thu thập thơng tin ổn định độ tin cậy hàng xóm Ngồi ra, có nhiều lựa chọn thiết kế với chi tiết cụ thể ∆𝑡 𝛿𝑡 Khi ∆𝑡 > 𝛿𝑡, ví dụ, giảm khoảng thời gian mà nút bị xâm nhập FS để phá vỡ giao thức Đây cách tiếp cận thận trọng ứng dụng nhiều để quẩn lý độ tin cậy môi trường thù địch Ngồi ra, quản lý độ tin cậy theo cách lạc quan việc thiết lập, ví dụ, ∆𝑡 ≤ 𝛿𝑡 môi trường coi tương đối ổn định (lành tính- benign) Hơn nữa, kích thước tuyệt đối ∆𝑡 hay 𝛿𝑡 xác định cân tốc độ hội tụ tin cậy sai dương tính/ âm tính 3.3 Kết luận Trong nghiên cứu này, từ đầu mong muốn đưa giải pháp định tuyến an toàn hoàn chỉnh Dựa báo K.Liu [5] chúng 55 xác định phần xác minh thơng tin vị trí tác giả có sử dụng ý tưởng xác minh dựa phương pháp Triangulation, phương pháp xác minh chỗ có nhiều nhược điểm tốc độ Do chúng tơi tiến hành thay thuật tốn xác minh vùng để xác minh độ tin cậy node láng giềng trước chuyển tin Phương pháp kiểm nghiệm tỉ lệ chuyển gói thành cơng tin cậy phần mô Thêm nữa, trình thực chúng tơi cố gắng giải tình Perimeter Forwarding định tuyến an tồn cách gửi broadcast đến k-láng giềng xác minh tin cậy trình bày chi tiết bên Chúng tơi cố gằng bổ sung phần cịn hạn chế mà tác giả K.Liu [5] chưa giải triệt để.Trong phần mã nguồn mơ mà chúng tơi kế thừa từ mã nguồn báo để tiến hành cải tiến 56 CHƯƠNG IV: GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 4.1 Bài tốn k-đường dự phịng Perimeter Forwarding Việc xác định thông tin vị trí đảm bảo an tồn phần cốt lõi tốn chúng tơi đánh giá Bài tốn xác minh chủ yếu sử dụng để đảm bảo cho trình định tuyến thực an tồn Trong q trình nghiên cứu chúng tơi phát rằng, mạng xuất hiện tượng void ( số node nằm vùng khơng thể chuyển gói tin đến đích theo thuật tốn GPSR thơng thường) q trình xác minh định tuyến gặp trục trặc B.Karp đưa giải pháp dùng Perimeter Forwarding để vượt void Tức gặp trạng thái void, thuật toán GPSR tắt trạng thái chuyển tiếp gói tin tham lam mà chuyển sang trạng thái dùng thuật toán vượt biên ( xác định đường dựa quy tắc bàn tay phải planar graph) Nhưng vấn đề lớn với Perimeter Forwarding định tuyến an tồn Khơng giống thuật tốn tham lam, chuyển tin theo dạng broadcast gói tin có nhiều đường để tìm đến đích, thuật tốn Perimeter Forwarding chọn điểm nằm bên trái theo quy tắc bàn tay phải làm đường định tuyến hình bên Hình 24 Đường Perimeter Forwarding bị công Như chẳng may node đường bị công nguy thơng tin khơng chuyển đến đích cao Giải pháp đơn giản 57 ... ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN LAN HƯƠNG XÁC MINH VỊ TRÍ CHO ĐỊNH TUYẾN ĐỊA LÝ AN TOÀN TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Ngành : Cơng nghệ thơng tin Chun ngành : Truyền liệu mạng máy tính Mã số : LUẬN... thấy rõ ảnh hưởng số độ tin cậy định tuyến phục hồi hệ trước Từ khóa: Định vị, xác minh, chỗ, khu vực, an ninh mạng cảm biến không dây, định tuyến địa lý, xác thực vị trí ABSTRACT Location information... Nguyễn Lan Hương TĨM TẮT Thơng tin vị trí thơng tin quan trọng nhiều ứng dụng mạng cảm biến không dây (WSN) Khi nút cảm biến triển khai môi trường thù địch, dễ bị cơng thơng tin vị trí cảm biến không