Luận án tiến sĩ Công nghệ thông tin: Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây" là nghiên cứu, đánh giá và tìm giải pháp nhằm nâng cao khả năng bảo mật truyền thông và hiệu năng hoạt động của hệ thống mạng không dây tại tầng vật lý, trong đó tập trung chính cho mô hình mạng cụ thể là mạng vô tuyến nhận thức (CRN).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Công nghệ thông tin: Đánh giá hiệu năng bảo mật tầng vật lý trong mạng không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ———————- QUÁCH XUÂN TRƯỞNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT TẦNG VẬT LÝ TRONG MẠNG KHÔNG DÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chuyên ngành: Truyền dữ liệu & Mạng máy tính Mã số : 9480102.01 Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trần Hùng 2. TS. Trần Trúc Mai Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các kết quả nghiên cứu, số liệu và kết luận trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Các nội dung tham khảo từ các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn gốc tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, tháng ... năm 2021 Tác giả Quách Xuân Trưởng i
LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ này được thực hiện tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn tận tình của tập thể cán bộ hướng dẫn TS. Trần Hùng và TS. Trần Trúc Mai. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã định hướng, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tác giả học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Hùng, đại học Malardalen, Thụy Điển - người đã giảng dạy, đặt nền móng kiến thức nghiên cứu và giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin được chân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả của các công trình khoa học được trích dẫn trong luận án đã cung cấp kiến thức liên quan và là nguồn học liệu quan trọng trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tiếp theo, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với GS. Elisabeth Uhlemann, TS. Trần Hùng về sự giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả được thực tập sinh 6 tháng cùng với nhóm nghiên cứu về mạng truyền thông tại Đại học Malardalen, Vasteras, Thụy Điển, 08/2016 - 01/2017. Tác giả xin chân thành cám ơn Lãnh đạo trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các phòng chức năng, Khoa Công nghệ thông tin và tập thể các giảng viên bộ môn Truyền dữ liệu và Mạng máy tính đã luôn quan tâm giúp đỡ, tạo các điều kiện thuận lợi, có những ý kiến đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình học tập, và nghiên cứu tại nhà trường. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến ban Lãnh đạo, các đồng nghiệp trường đại học Công nghệ thông tin và truyền thông, Đại học Thái Nguyên đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, người thân và bạn bè thân thiết đã thường xuyên động viên, chia sẻ và hỗ trợ về mọi mặt trong cuộc sống để tác giả có thể hoàn thành luận án. ii
MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh sách hình vẽ v Các ký hiệu vii Các từ viết tắt x Mở đầu 1 Chương 1. Kiến thức cơ sở và tổng quan 11 1.1 Mô hình kênh truyền không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.1 Mô hình Pathloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.2 Các mô hình thông kê cho kênh truyền đa đường . . . . . . 13 1.1.3 Nhiễu tạp âm và can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2 Mạng vô tuyến nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.1 Các mô hình của mạng vô tuyến nhận thức . . . . . . . . . . 20 1.2.2 Mạng vô tuyến nhận thức dạng dưới ngưỡng nhiễu . . . . 22 1.2.3 Mạng vô tuyến nhận thức hợp tác dạng dưới ngưỡng nhiễu 25 1.2.4 Mạng CRN kết hợp kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến 27 1.3 Bảo mật lớp vật lý cho mạng không dây . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.3.1 Mô hình mật mã Shannon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.3.2 Kênh wiretap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3.3 Kênh Gaussian wiretap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.3.4 Kênh fading wiretap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.5 Độ đo đánh giá hiệu năng bảo mật hệ thống . . . . . . . . . 36 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.1 Các hình thức tấn công của mạng CRN . . . . . . . . . . . . 39 1.4.2 Tấn công nghe trộm và công trình nghiên cứu liên quan . . 42 iii
Chương 2. Đề xuất mô hình nâng cao hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng vô tuyến nhận thức 46 2.1 MÔ HÌNH 2.1: Hiệu năng của truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin trong mạng CRN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.1.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.1.2 Chính sách công suất và độ đo hiệu suất của hệ thống . . . 53 2.1.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2 MÔ HÌNH 2.2: Hiệu năng truyền thông tin cậy và bảo mật của mạng CRN dựa trên chính sách công suất và chọn kênh truyền . . 66 2.2.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.2.2 Phân bổ công suất và lựa chọn kênh của SU . . . . . . . . . 68 2.2.3 Các độ đo hiệu suất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.2.4 Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.3 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Chương 3. Đề xuất mô hình nâng cao hiệu năng bảo mật sử dụng kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức 81 3.1 MÔ HÌNH 3.1: Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới giới hạn dừng truyền thông và công suất phát mức đỉnh . . . . . . . . . . . 82 3.1.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.1.2 Điều kiện của công suất truyền tin và dung lượng bảo mật . 83 3.1.3 Độ đo đánh giá hiệu suất bảo mật của hệ thống . . . . . . . 85 3.1.4 Phân tích hiệu suất bảo mật của hệ thống . . . . . . . . . . . 86 3.1.5 Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.2 MÔ HÌNH 3.2: Hiệu năng bảo mật của mạng CCRN dưới điều kiện dừng bảo mật và giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2.2 Các điều kiện về bảo mật, công suất truyền tin và can nhiễu cho mạng SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.3 Độ đo đánh giá hiệu suất bảo mật cho truyền thông của SU 101 3.2.4 Phân tích hiệu suất bảo mật của hệ thống . . . . . . . . . . . 101 3.2.5 Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.3 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Kết luận và định hướng nghiên cứu 120 Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 122 Phụ lục 124 Tài liệu tham khảo 128 iv
Danh sách hình vẽ 1.1 Các cơ chế lan truyền sóng vô tuyến trong mạng không dây . . . . . . . . . . . 13 1.2 Ví dụ về các "hố phổ" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3 Ví dụ về mô hình truy cập đan xen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4 Ví dụ về mô hình truy cập dạng nền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.5 Một mô hình CRN dạng dưới ngưỡng nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.6 Mô hình mạng CRN hợp tác với đơn nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . 25 1.7 Mô hình CRN hợp tác với đa nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.8 Mô hình tổng quát mạng CRN kết hợp kỹ thuật RFEH . . . . . . . . . . . . . 28 1.9 Mô hình hệ thống mật mã của Shannon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.10 Mô hình kênh wiretap tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.11 Mô hình kênh Gaussian wiretap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.12 Mô hình kênh fading wiretap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.13 Các hình thức tấn công mức vật lý trong mạng CRN . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1 Mô hình CRN trong đó tồn tại EAV nghe trộm thông tin từ kênh S-Tx→S-Rx. . . 49 2.2 SNR của S-Tx cho bốn kịch bản theo SNR của P-Tx. . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của P-Tx lên SNR của S-Tx. . . . . . . . . . . 61 2.4 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của EAV lên SNR của S-Tx. . . . . . . . . . . 62 2.5 SRCP theo SNR của P-Tx với = 0.8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.6 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của P-Tx lên SRCP của S-Tx. . . . . . . . . . 63 2.7 Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten của EAV lên SRCP của S-Tx. . . . . . . . . . 65 2.8 Mô hình mạng CRN trong đó S-Tx sử dụng năng lượng thu được từ P-Tx để truyền thông trong khu vực có nhiều EAV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.9 Một khung thời gian T được sử dụng để thu hoạch năng lượng và truyền thông. . 67 2.10 Ảnh hưởng của độ lợi trung bình (Ω βn ) của P-Tx→EAV lên SNR của S-Tx. . . . 76 v
2.11 SNR của S-Tx theo SNR của P-Tx với độ lợi trung bình khác nhau của S-Tx→EAV ({Ω β n }5 =1 = 10, 50, 80, 150). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n 77 2.12 SNR của S-Tx theo thời gian τ và độ lợi trung bình khác nhau của P-Tx→S-Tx ({Ω f n }5 =1 = 1, 3, 5, và γP−Tx = 12 dB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n 77 2.13 Ảnh hưởng của các kênh can nhiễu P-Tx→EAV lên PEP. . . . . . . . . . . . . 79 2.14 Độ trễ của gói tin theo SNR của P-Tx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1 Mô hình CCRN đa nút chuyển tiếp với sự hiện diện của EAV. . . . . . . . . . . 83 3.2 Osec của hệ thống với ba trường hợp độ lợi kênh trung bình khác nhau . . . . . . 93 3.3 Osec của hệ thống với các trường hợp Ω f0 , Ω f khác nhau của các kênh wiretap. . . 94 3.4 Osec của hệ thống với các SNR khác nhau của S-Tx. . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.5 Osec của hệ thống với số lượng nút SR khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.6 sec Pnon−zero với số lượng nút SR khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.7 Mô hình CCRN trong đó SU truyền tin qua kênh trực tiếp hoặc sự trợ giúp của N nút chuyển tiếp với sự hiện diện của EAV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Ith 3.8 Tác động của lên OSEC của hệ thống theo tập giá trị N0 . . . . . . . . . . . . . 114 3.9 Tác động của lên OSEC của hệ thống theo tập giá trị γ p . . . . . . . . . . . . . 115 3.10 Ảnh hưởng của các kênh can nhiễu lên OSEC của hệ thống. . . . . . . . . . . . 116 3.11 Tác động của số lượng nút SR đối với OSEC theo tập giá trị của Ith . . . . . . . . 117 3.12 Tác động của số lượng nút SR đối với OSEC theo tập giá trị của γ p . . . . . . . . 117 3.13 OnonZero của hệ thống với độ lợi trung bình của các kênh đồng nhất bằng 5. . . . 118 vi
BẢNG CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC STT Ký hiệu Giải nghĩa ký hiệu 1 f X (x) Hàm PDF của biến ngẫu nhiên X 2 FX ( x ) Hàm CDF của biến ngẫu nhiên X 3 ∑ Hàm tổng 4 ∏ Hàm tích 5 Γ(·) Hàm Gamma 6 csc( x ) Hàm lượng giác cosecant 7 B [·, ·, ·] Hàm beta khuyết 8 2 F1 (·, ·; ·; ·) Hàm siêu bội 9 exp Hàm e mũ 10 max {.} Hàm trả về giá trị lớn nhất 11 mix {.} Hàm trả về giá trị nhỏ nhất 12 arg{ x } Hàm trả về chỉ số của giá trị trong dãy b 13 a {.} dx Hàm tính tính phân từ a đến b N N 14 ∑ ( k ) x n−k ak Định lý triển khai nhị thức ( x + a)n k =0 15 E [.] Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên 16 V (·) Phương sai của biến ngẫu nhiên 17 H(.) Entropy của biến ngẫu nhiên 18 I(.; .) Thông tin tương hỗ 19 sup R Giá trị lớn nhất trong tập các giá trị của R 20 Pr {.} Biểu thức xác suất 21 R{.} Phần thực của một tín hiệu phức 22 I{.} Phần ảo của một tín hiệu phức 23 ∆ Tỉ lệ entropy có điều kiện 24 λ Bước sóng của sóng vô tuyến 26 Ω Độ lợi trung bình của kênh truyền 27 γ Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR hoặc SINR) vii
STT Ký hiệu Giải nghĩa ký hiệu 28 γe2e SINR tại nút đích trong truyền thông hợp tác 29 γsr SNR/SINR tại SR 30 γrd SNR/SINR tại nút đích 31 γm SNR/SINR của kênh hợp pháp 32 γe SNR/SINR của kênh wiretap 33 γs SNR/SINR của SU 35 γp SNR/SINR của PU 35 ν Hệ số pathloss 37 ζ Hệ số đại diện cho môi trường fading hẹp 38 W Tập các bản tin 39 X Tập các từ mã 40 K Tập các khóa K 41 ˆ W Một phiên bản thu được của bản tin W 42 B Băng thông của kênh truyền 43 C Dung lượng của kênh truyền 44 CM Dung lượng kênh của kênh hợp pháp 45 CE Dung lượng kênh của kênh wiretap 46 Csu Dung lượng kênh của mạng thứ cấp 47 CE2E Dung lượng kênh từ nguồn đến đích trong truyền thông hợp tác (n) 48 Cp Dung lượng kênh của PU tại băng tần n (S− Tx ) 49 Cp Dung lượng kênh của PU với mức can nhiễu của S − Tx (SRi ) 50 Cp Dung lượng kênh của PU với mức can nhiễu của SRi (n,k) 51 Ce Dung lượng kênh của EAV thứ k trên băng tần n 52 Cs Dung lượng bảo mật của kênh truyền 53 Es Năng lượng thu hoạch trung bình tại S-Tx 54 fc Tần số sóng mang 55 N0 Công suất nhiễu AWGN viii
STT Ký hiệu Giải nghĩa ký hiệu 56 Pe Xác suất lỗi trung bình 57 Pp Công suất truyền tin của PU 58 Ps Công suất truyền tin của SU 59 Psmax Công suất truyền tin tối đa của SU (n) 60 PS−Tx Công suất truyền tin của S-Tx tại kênh thứ n 61 Pavg Công suất trung bình của SU p 62 Pout Xác suất dừng truyền tin của PU 63 Q pk Mức giới hạn can nhiễu tối đa của PU 64 R Tốc độ truyền tin 65 O Xác suất lỗi gói tin PEP 66 Osec Xác suất dừng bảo mật 67 OnonZero Xác suất khác 0 của dung lượng bảo mật 68 Op Xác suất dừng truyền tin của PU 69 OI Xác suất điều kiện can nhiễu của SU 70 Os Xác suất dừng truyền tin của SU 71 Oss Xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật thông tin 72 P Tập các chính sách phân bổ công suất truyền tin 73 P S1 Chính sách phân bổ công suất cho kịch bản 1 74 P S2 Chính sách phân bổ công suất cho kịch bản 2 75 P S3 Chính sách phân bổ công suất cho kịch bản 3 76 P S4 Chính sách phân bổ công suất cho kịch bản 4 77 [.] + Lấy giá trị dương 78 Định nghĩa 79 >> Lớn hơn rất nhiều 80 |.| Trị tuyệt đối 81 ∀i Với mọi i 82 2 Kết thúc chứng minh ix
CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Giải nghĩa - Tạm dịch 4G Fourth Generation Công nghệ mạng thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Công nghệ mạng thế hệ thứ năm AF Amplify-and-forward Khuếch đại và chuyển tiếp AES Advanced Encryption Chuẩn mã hóa tiên tiến Standard APD Average packet delay Độ trễ trung bình của gói tin AWGN Additive white Gaussian Nhiễu Gauss trắng cộng noise CDF Cumulative distribution Hàm phân bố xác suất tích lũy function CCRN Cognitive cooperative radio Mạng vô tuyến nhận thức network hợp tác CRCP Secure and reliable Xác suất truyền thông tin cậy communication probability và bảo mật CRN Cognitive radio network Mạng vô tuyến nhận thức CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh CRC Cyclic redundancy check Mã kiểm tra tuần hoàn DF Decode-and-forward Giải mã và chuyển tiếp DMC Discrete memoryless channel Kênh rời rạc không nhớ EAP Extensible Authentication Giao thức xác thực mở Protocol EAV Eavesdropper Thiết bị nghe trộm E2E End-to-End Biểu thị từ nút nguồn đến nút đích trong chuyển tiếp IoT Internet of things Internet vạn vật x
Từ viết tắt Từ gốc Giải nghĩa - Tạm dịch LDPC Low-density parity check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp code LOS Line-of-sight propagation Tín hiệu lan truyền theo đường truyền thẳng M2M Machine-to-Machine Mạng kết nối thiết bị đến thiết bị MIMO Multi-input Multi-output Đa đầu vào - Đa đầu ra MISO Multi-input Single-output Đa đầu vào - Đơn đầu ra MISOME Multiple-input single-output Đa đầu vào, đơn đầu ra, đa nghe multiple-eavesdropper trộm NOMA Non-Orthogonal multiple Đa truy cập phi trực giao access OP Outage probability Xác suất dừng OSI Open Systems Mô hình kiến trúc mạng Interconnection bảy tầng P-Rx Primary receiver Máy thu sơ cấp P-Tx Primary transmitter Máy phát sơ cấp PDF Probability density function Hàm mật độ sác suất PL Pathloss Hiện tượng suy giảm tín hiệu PEP Packet error probability Xác suất lỗi gói tin PNSC Probability of non-zero se- Xác suất khác 0 của dung lượng crecy capacity bảo mật PU Primary user Người dùng sơ cấp PUE Primary user emulation Tấn công giả lập người dùng chính QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFEH Radio Frequency Energy Thu hoạch năng lượng vô tuyến Harvesting RV Random variable Biến ngẫu nhiên RSS Received signal strength Cường độ tín hiệu thu được S-Rx Secondary receiver Máy thu thứ cấp xi
Từ viết tắt Từ gốc Giải nghĩa - Tạm dịch S-Tx Secondary transmitter Máy phát thứ cấp SAP Secondary access point Điểm truy cập của mạng thứ cấp SC Selection combining Lựa chọn kết hợp SR Secondary Relay Nút chuyển tiếp của mạng thứ cấp SIMO Single-input multiple-output Đơn đầu vào - Đa đầu ra SIMOME Single-input multiple-output Đơn đầu vào, đa đầu ra, đa nghe multiple-eavesdropper trộm SINR Signal-to-interference-plus- Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp noise ratio âm SISOSE Single-input single-output Đơn đầu vào, đơn đầu ra, đơn nghe single-eavesdropper trộm SNR Signal-to-noise radio Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SOP Secrecy outage probability Xác suất dừng bảo mật SRCP Secure and reliable communi- Xác suất truyền thông tin cậy và cation probability bảo mật SU Secondary user Người dùng thứ cấp WEP Wired equivalent privacy Bảo mật tương tự mạng hữu tuyến WPA Wi-Fi protected access Bảo mật truy cập Wi-Fi WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây xii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực công nghệ mạng không dây dẫn đến công nghệ này ngày càng phổ biến với nhiều ưu điểm như tính di động cao, nhiều tiện ích trong ứng dụng và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, với sự hiện diện rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và tiềm năng phát triển của mạng không dây mang lại những thách thức lớn cho việc đảm bảo truyền thông an toàn. Mặt khác, do đặc tính tự nhiên của truyền thông không dây, như tính mở, quảng bá, giao thoa hoặc chồng lấn,v.v. đang mang tới những khó khăn và thách thức khác nhau trong việc đảm bảo độ tin cậy và bảo mật thông tin. Theo phương pháp truyền thống, bảo mật truyền thông của mạng không dây được quan tâm trong các lớp khác nhau của mô hình OSI, ví dụ như phương pháp bảo mật EAP trong lớp liên kết, bảo mật WEP/WAP trong lớp ứng dụng được sử dụng rộng rãi trong các mạng WIFI hiện nay. Tuy nhiên trong thực tế, các giao thức bảo mật này đã được chứng minh là đã bị vượt qua, đặc biệt đối với các đối tượng tấn công chuyên nghiệp [90, 101]. Bên cạch đó, các giải pháp bảo mật truyền thống như các hệ thống mật mã sử dụng các phương pháp bảo mật dựa trên độ phức tạp của thuật toán, gặp nhiều khó khăn, hạn chế trong việc triển khai quản lý và phân phối khóa đối với các mô hình mạng không dây thế hệ mới, và là thách thức lớn đối với các thiết bị IoT có tài nguyên hạn chế. Mặt khác, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tính toán, các hệ thống mật mã dựa trên độ phức tạp tính toán cũng phải đối mặt với nguy cơ bị phá vỡ. Trong trường hợp này độ tin cậy của mã hóa sẽ không được đảm bảo. Hiện nay, bảo mật lớp vật lý trong mạng không dây đang là lĩnh vực thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Do có độ phức tạp và độ trễ thấp, cũng như tính khả thi ở lớp vật lý và khả năng cùng tồn tại song song với các cơ chế bảo mật mã hóa hiện có ở các lớp trên, bảo mật lớp vật lý có khả năng cho phép truyền thông an toàn và giảm thiểu sự phức tạp 1
tính toán, đặc biệt có hiệu quả đối với thiết bị mạng không dây có tài nguyên hạn chế như các thiết bị IoT. Vì vậy, nó có thể nâng cao mức độ tổng thể về sự tin cậy và an toàn thông tin cho hệ thống. Việc nghiên cứu các tính chất bảo mật trong truyền thông ở lớp vật lý đã được đề cập đến từ những năm 70 với công trình tiêu biểu của Wyner [103]. Trong những năm gần đây với sự phát triển của các công nghệ không dây như kỹ thuật đa ăng-ten, truyền thông hợp tác, thu hoạch năng lượng vô tuyến, mạng vô tuyến nhận thức, Massive MIMO, NOMA.v.v. đã thúc đẩy và thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, trở thành một chủ đề nghiên cứu phát triển mạnh và có tiềm năng rất lớn. Mặc dù đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu với cách tiếp cận khác nhau, song truyền thông bảo mật và tin cậy vẫn đang là một vấn đề mở. Với sự phổ biến và phát triển không ngừng của công nghệ mạng không dây. Vấn đề bảo mật trong truyền thông sẽ có nhiều thách thức hơn nữa trong tương lai, làm cho chủ đề này trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và liên tục. Bảo mật lớp vật lý có thể đóng góp cho truyền thông an toàn tổng thể bằng nhiều cách. Ý tưởng cơ bản của bảo mật lớp vật lý là sử dụng các đặc tính của kênh không dây và tính chất ngẫu nhiên của nhiễu tín hiệu để hạn chế lượng thông tin mà các phần tử nghe trộm có thể thu thập và giải mã được. Dựa trên các mô hình lý thuyết, với phương pháp xử lý và mã hóa tín hiệu thích hợp, bảo mật lớp vật lý có thể đảm bảo truyền thông bảo mật mà không cần thiết lập các khóa bí mật. Mặt khác, trong trường hợp cần thiết phải sử dụng khóa bí mật, bằng cách khai thác sự ngẫu nhiên trong môi trường không dây và tính chất phức tạp của kênh không dây như cường độ tín hiệu, pha của tín hiệu sóng mang, điều chế góc, biên độ kênh, tham số ngẫu nhiên Gaussian,v.v. Bảo mật lớp vật lý có thể cung cấp một phương pháp tiếp cận khác để thiết lập khóa bí mật làm giảm gánh nặng tính toán cho mã hóa lớp ứng dụng [34, 75, 77, 107, 119]. Trong vấn đề an ninh của mạng không dây, có hai vấn đề chính là tấn công chủ động và tấn công bị động. Tấn công chủ động có thể là sự xâm nhập bất hợp pháp bằng giả mạo thông tin xác thực, hoặc sửa đổi làm sai lệnh thông tin, hoặc làm vô hiệu hoạt động của hệ thống mạng bằng cách gây tắc nghẽn hoặc can nhiễu. Đối với tấn công bị động hay còn được gọi là nghe trộm, mục tiêu của nghe trộm là thu thập và phá vỡ tính bí mật của thông tin trong truyền thông của 2
mạng không dây. Trong khi tấn công chủ động đặt ra một vấn đề nghiêm trọng trong một số các tình huống đặc biệt như mạng thông tin quân sự, thì nghe trộm là một mối đe dọa phố biến trong mọi khía cạnh ứng dụng của mạng không dây. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án tiến sĩ, nghiên cứu sinh tập trung chủ yếu vào nghiên cứu vấn đề ngăn chặn nghe trộm thông tin, nói cách khác là đảm bảo truyền thông bảo mật và an toàn. Vì vậy, khái niệm bảo mật lớp vật lý trong luận án này đề cập trong phạm vi bảo mật truyền thông đối với nghe trộm. Trong các mô hình mạng không dây đang được nghiên cứu và phát triển hiện nay, mô hình mạng CRN đang rất được quan tâm nghiên cứu bởi các ưu điểm và tiềm năng của nó trong việc giải quyết các giới hạn về khai thác và sử dụng phổ tần số, vốn là một tài nguyên hữu hạn và đang cạn kiệt. Với các tính chất của mạng CRN, nó được xem là một giải pháp hiệu quả và có thể ứng dụng cho các thế hệ mạng tiếp theo [35, 66, 67]. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của mô hình mạng CRN lại dẫn đến khả năng các thành phần trong mạng sẽ phải đối mặt với các vấn đề về an toàn thông tin. Việc giải quyết các thách thức về an toàn thông tin đang là một trong những nội dung khó khăn và thời sự nhất của mô hình mạng CRN. Do đó, nội dung luận án định hướng nghiên cứu nội dung đánh giá hiệu năng bảo mật tại tầng vật lý cho mô hình truyền thông của mạng không dây từ đó phân tích các giải pháp nâng cao hiệu năng tin cậy và bảo mật cho hệ thống. Cụ thể, luận án tập chung nghiên cứu đối với mô hình mạng CRN. 2. Mục tiêu nghiên cứu Từ các nội dung được phân tích ở phần trên. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, đánh giá và tìm giải pháp nhằm nâng cao khả năng bảo mật truyền thông và hiệu năng hoạt động của hệ thống mạng không dây tại tầng vật lý, trong đó tập trung chính cho mô hình mạng cụ thể là mạng vô tuyến nhận thức (CRN). Luận án gồm các mục tiêu cụ thể sau: • Mô hình hóa một số lớp mô hình mạng CRN, nghiên cứu đề xuất các chính sách, chiến lược điều khiển công suất truyền tin dựa trên các tiếp cận khác nhau về các điều kiện ràng buộc của hệ thống nhằm ngăn chặn khả năng bị nghe trộm thông tin đồng thời đảm bảo hiệu năng hoạt động của hệ thống. • Khai thác các kỹ thuật tiên tiến trong truyền thông không dây để nâng cao 3
khả năng bảo mật thông tin trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống như kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp, đa ăng-ten, thu hoạch năng lượng vô tuyến,... • Đề xuất, xây dựng các độ đo đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống cho mô hình dựa trên các tiếp cận khác nhau để phân tích đánh giá độ tin cậy, khả năng bảo mật và hiệu năng hoạt động của các mô hình mạng. • Nghiên cứu, phân tích các mối quan hệ tương quan, các tác động qua lại của các tham số hệ thống trong truyền thông để tìm kiếm các giá trị tối ưu cho một số các tham số hệ thống như ngưỡng giới hạn an toàn thông tin, thời gian thu hoạch năng lượng và truyền tin để tăng cường hiệu năng hệ thống đồng thời đảm bảo truyền thông an toàn và tin cậy. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu • Các nguyên lý, phương pháp bảo mật thông tin tại tầng vật lý trong truyền thông không dây. • Mô hình mạng CRN và các kỹ thuật truyền thông không dây. • Các phương pháp đánh giá hiệu suất hoạt động và hiệu năng bảo mật hệ thống. • Các chiến lược phân bổ tài nguyên để tối đa hóa hiệu suất hoạt động và an toàn thông tin của hệ thống. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: • Nghiên cứu bảo mật thông tin trong truyền thông không dây tại tầng vật lý, ứng dụng với mô hình mạng CRN với mục tiêu là ngăn chặn hình thức tấn công nghe trộm thông tin và đảm bảo QoS cho hệ thống. • Nghiên cứu hiệu năng hoạt động và an toàn thông tin cho một số mô hình mạng CRN với các tiếp cận khác nhau về điều kiện ràng buộc về hiệu suất hệ thống và bảo mật thông tin. 4
• Các độ đo đánh giá hiệu năng bảo mật, hiệu suất hoạt động tại tầng vật lý của hệ thống mạng không dây • Mô hình kênh truyền sử dụng trong các mô hình mạng: Kênh fading có phân bố Rayleigh. • Khai thác các đặc tính kênh truyền, cơ chế hoạt động của mô hình mạng CRN, kết hợp các kỹ thuật truyền thông không dây khác nhau để cải thiện hiệu năng bảo mật của hệ thống. 3.3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án được thực hiện trước hết là mô hình hóa toán học cho lớp các mô hình mạng CRN trên kênh truyền có phân bố Rayleigh, trong đó các tham số liên quan đến hiệu suất hoạt động và an toàn thông tin sẽ được khảo sát cho các mô hình nghiên cứu. Tiếp sau đó là sử dụng mô hình giải tích để mô hình hóa hoạt động vào ra và các mối quan hệ tương quan trong hệ thống bằng các công thức và phương trình toán học. Sau cùng mô phỏng kiểm chứng để xác nhận tính đúng đắn của các công thức tìm được. Phần nghiên cứu tập trung ở lớp vật lý với các tham số đánh giá hiệu năng như sau: • Dung lượng kênh (Capacity Channel) • Dung lượng bảo mật (secrecy Capacity) • Xác suất dừng truyền thông (Outage Probability) • Xác suất dừng bảo mật (Secrecy Outage Probability) • Xác suất khác không của dung lượng bảo mật (Probability of Non-zero Se- crecy Capacity ) • Xác suất lỗi gói tin (Packet Error Probability) • Độ trễ trung bình của gói tin (Average packet delay) Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng được sử dụng: 5
Luận án sử dụng mô hình giải tích và mô hình mô phỏng để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu. Mô hình giải tích thường biểu diễn dưới dạng toán học hoặc các hệ phương trình mô tả các mối quan hệ vào ra của hệ thống. Mô hình mô phỏng trên máy tính là tập hợp các giải thuật để thực thi các công thức toán học và giải các phương trình trong mô hình giải tích. Mô hình mô phỏng được sử dụng trong luận án là mô hình mô phỏng ngẫu nhiên, sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo thông qua phần mềm Mat- lab. Phương pháp này sử dụng các số giả ngẫu nhiên để mô phỏng tính chất ngẫu nhiên của các biến biểu diễn môi trường ngẫu nhiên của kênh truyền. Đây là một phương pháp mô phỏng được sử dụng rất phổ biến trong các công trình khoa học của lĩnh vực mà luận án nghiên cứu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về khoa học: Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung các phương pháp tiếp cận, các giải pháp kết hợp các kỹ thuật truyền thông để đánh giá và cải thiện hiệu suất an toàn cho mô hình mạng CRN nói riêng và mạng không dây nói chung, làm phong phú thêm các kết quả nghiên cứu và trong lĩnh vực bảo mật thông tin mức vật lý trong mô hình truyền thông không dây. Về thực tiễn: Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, học viên sau đại học và sinh viên quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu hiệu năng hoạt động và bảo mật thông tin mức vật lý trong các mô hình truyền thông không dây. Các phương pháp tiếp cận và công thức tính toán các độ đo hiệu suất hệ thống trong luận án có thể sử dụng để đánh giá hiệu năng hoạt động của các hệ thống tương tự khác. 5. Các đóng góp chính của luận án Với các tiêu chí đã được đề ra trong mục 2 (Mục tiêu nghiên cứu), tác giả đề xuất bốn mô hình nghiên cứu cho mạng CRN. Trong tất cả các mô hình mạng được đề xuất, công suất truyền tin của thiết bị phát luôn được điều chỉnh sao cho đạt giá trị tối ưu dựa trên các chính sách phân bổ công suất tính toán được bởi các thông số từ các kênh truyền trong môi trường fading có phân bố Rayleigh, đồng thời đảm bảo các điều kiện về can nhiễu giữa các thiết bị hợp pháp và yêu cầu bảo mật thông tin chống lại tấn công nghe trộm. Cụ thể: 6
• Mô hình thứ nhất (Hình 2.1): Tác giả nghiên cứu một mô hình mạng CRN dạng dưới ngưỡng nhiễu. Vấn đề cần giải quyết là làm thế nào để có được truyền thông tin cậy và bảo mật trong mạng CRN mà trong đó truyền thông của mạng thứ cấp (SU) có thể bị nghe trộm bởi thiết bị nghe trộm (EAV). Với các điều kiện giới hạn của PU, SU và EAV trong quá trình hoạt động, tác giả đã tính toán và xây dựng được bốn chính sách phân bổ công suất truyền tin tương ứng với bốn kịch bản khác nhau tương ứng với từng trường hợp hệ thống thu nhận được thông tin CSI khác nhau trong mạng. Bên cạnh đó, một độ đo xác suất truyền thông tin cậy và bảo mật mới được tác giả đề xuất để đánh giá hiệu suất hệ thống cho mô hình mạng. Các kết quả nghiên cứu, số liệu mô phỏng của mô hình này đã thể hiện được tính đúng đắn của độ đo được đề xuất, kiểm chứng được tính chính xác của các kết quả phân tích toán học, và hiệu quả của bốn chính sách phân bổ công suất truyền tin của mô hình hệ thống. • Mô hình thứ hai (Hình 2.8): Tác giả tiếp tục mở rộng nghiên cứu mô hình mạng CRN, trong đó thiết bị thứ cấp hoạt động với sự hiện diện của nhiều thiết bị nghe trộm và trong không gian có nhiều thiết bị sơ cấp hoạt động. Bên cạnh đó, với mục tiêu khai thác các khía cạnh hữu ích của hiện tượng can nhiễu từ các PU. Trong mô hình này, các thiết bị phát thứ cấp sử dụng kỹ thuật thu hoạch năng lượng tần số vô tuyến để lấy năng lượng hoạt động. Tác giả đã thiết kế một cơ chế truyền tin và thu hoạch năng lượng với mục tiêu S-Tx vừa phải tuân thủ các yêu cầu về thu hoạch năng lượng để sử dụng cho truyền tin, vừa phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về bảo mật thông tin đối với các EAV và điều kiện giới hạn can nhiễu của mạng sơ cấp. Tác giả đã đưa ra một giải pháp tính toán giá trị tối ưu cho thời gian thu hoạch năng lượng, một chính sách phân bổ công suất và một chiến lược lựa chọn kênh truyền tin phù hợp với các yêu cầu trên của hệ thống. Cuối cùng, hiệu suất hoạt động của hệ thống sẽ được phân tích theo cách tiếp cận khác so với mô hình ban đầu, đó là dựa trên hai độ đo là xác suất lỗi gói tin (PEP) và độ trễ gói tin trung bình (APD). Kết quả nghiên cứu và các số liệu từ phân tích, mô phỏng cho thấy chính sách phân bổ công suất và chiến lược chọn kênh có thể cung cấp truyền thông tin cậy và an toàn cho 7