Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu sử dụng các Anchor là những node tin cậy được trang bị GPS nằm rải rác trong mạng WSN làm trung tâm trong quá trình xác minh thông tin vị trí [r]
(1)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
(2)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 KHÔNG DÂY
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: TIẾN SĨ NGUYỄN ĐẠI THỌ
(3)LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân 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
(4)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 lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS.Nguyễn Đại Thọ nhiệt tình hướng dẫn, tích cực phân tích, lắng nghe phản biện giúp hiểu hướng để hồn thành luận văn
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Lê Đình Thanh tham gia định hướng giúp tơi trình nghiên cứu, đánh giá kết thu đảm bảo tính khoa học tin cậy
Mặc dù cố gắng để hoàn thiện luận văn song khơng thể khơng có thiếu sót, tơi mong nhận góp ý nhận xét từ thầy, cô bạn đọc
Học viên
(5)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 công 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 q 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, 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
(6)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
(7)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 thông tin vị trí 16
2 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
(8)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
4 Kết mô 61
4.6 Đánh giá kết nghiên cứu 64
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66
(9)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 thơng tin vị trí sử dụng xác suất
PMF Hàm xác suất khối
(10)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 thơng 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 tốn 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
(11)55
Thuật toán 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 thơng 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 cơng 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 môi trường khắc nghiệt Quá 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 thông 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
trong FS để phá vỡ giao thức Đây cách tiếp cận thận trọng ứng dụng nhiều để quẩn lý độ tin cậy mơi trường thù địch Ngồi ra, quản lý độ tin cậy theo cách lạc quan việc thiết lập, ví dụ,
∆𝑡 ≤ 𝛿𝑡 mơi 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
(12)56
(13)57
CHƯƠNG IV: GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 4.1 Bài toán k-đường dự phòng Perimeter Forwarding
Việc xác định thơng tin vị trí đảm bảo an tồn phần cốt lõi tốn chúng tơi đánh giá Bài toán xác minh chủ yếu sử dụng để đảm bảo cho trình định tuyến thực an toàn Trong 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) 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 tốn 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