Nghiên cứu một số phương pháp bảo mật trong mạng không dây mesh

  • 90 trang
  • file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÙI HẢI BẰNG
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY MESH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÙI HẢI BẰNG
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY MESH
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60 48 15
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TAM
Hà Nội - 2011
-i-
MỤC LỤC
Nội dung Trang
MỤC LỤC ........................................................................................................................ i
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................. iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY MESH ..................................... 3
1.1. Giới thiệu của mạng không dây mesh [3]-[11]-[20] ............................................... 3
1.1.1. Mesh Router ................................................................................................... 4
1.1.2. Mesh Client .................................................................................................... 5
1.2. Kiến trúc của mạng không dây mesh [3]-[18] ........................................................ 5
1.2.1 Mạng không dây mesh cơ sở hạ tầng (Infrastructural backbone) ...................... 6
1.2.2. Mạng không dây mesh ngƣời dùng (Client WMNs) ........................................ 7
1.2.3. Mạng không dây mesh lai (Hybrid WMNs) .................................................... 8
1.3. Đặc điểm của mạng không dây mesh [3]-[15]-[18] ................................................ 8
1.3.1. Mạng không dây đa hop .................................................................................. 9
1.3.2. Tự định hình, tự hàn gắn và tự cấu hình .......................................................... 9
1.3.3. Phụ thuộc vào việc hạn chế tiêu thụ năng lƣợng của các kiểu nút mạng .......... 9
1.3.4. Năng lực và khả năng liên kết với các mạng không dây hiện có ...................... 9
1.4. Các kịch bản ứng dụng của mạng không dây Mesh [3]-[15]-[18] ........................ 10
1.4.1. Mạng băng thông rộng cho gia đình .............................................................. 10
1.4.2. Mạng doanh nghiệp ...................................................................................... 10
1.4.3. Mạng đô thị................................................................................................... 11
1.4.4. Hệ thống giao thông ...................................................................................... 12
1.4.5. Tự động hoá trong các toàn nhà .................................................................... 12
1.4.6. Khoa học trong y tế và sức khoẻ ................................................................... 13
1.4.7. Các hệ thống giám sát và bảo mật ................................................................. 13
1.5. So sánh mạng không dây mesh với một số công nghệ hiện tại [15].......................... 13
1.5.1. Truy cập Internet băng thông rộng: ............................................................... 13
1.5.2. Mức độ phủ sóng WLAN .............................................................................. 14
1.5.3. Truy cập Internet di động .............................................................................. 14
1.5.4. Ứng cứu khẩn cấp ......................................................................................... 14
1.5.5. Khả năng kết nối lớp thứ hai ......................................................................... 14
1.5.6. Truyền thông quân sự .................................................................................... 15
1.5.6. So sánh với mạng Ad hoc: ............................................................................. 15
1.5.7. So sánh với mạng Sensor .............................................................................. 15
1.6. Vấn đề về hiệu suất và an ninh trong mạng không dây mesh [3]-[6]-[14]-[16]-[18]
................................................................................................................................... 16
1.6.1. Hiệu suất của mạng không dây mesh ............................................................ 16
1.6.2. Kiểm soát hiệu suất của mạng không dây Mesh ............................................ 18
1.6.3. Vấn đề về an ninh trong mạng không dây mesh ............................................ 19
CHƢƠNG 2: BẢO MẬT TRONG MẠNG KHÔNG DÂY MESH ................................ 21
- ii -
2.1. Các dạng tấn công trong mạng không dây mesh [1]-[6]-[16]-[18] ....................... 22
2.1.1. Tấn công tầng vật lý ...................................................................................... 22
2.1.2. Tấn công tầng MAC ...................................................................................... 22
2.1.3. Tấn công tại tầng mạng ................................................................................. 25
2.1.3.1 Tấn công mặt điều khiển ............................................................................. 25
2.1.3.2 Tấn công mặt dữ liệu................................................................................... 27
2.1.4. Tấn công mạng không dây mesh đa sóng đa kênh [10] .................................. 28
2.2. Bảo mật trong mạng không dây mesh [1]-[6]-[14]-[16]-[18] ............................... 30
2.2.1. Đặc điểm của các giải pháp bảo mật trong mạng không dây mesh ................ 30
2.2.2. Các cơ chế bảo mật cho mạng không dây mesh ............................................. 31
2.3. Chuẩn bảo mật IEEE 802.11i [7]-[9]-[19] ............................................................ 37
2.3.1. Giới thiệu chuẩn bảo mật IEEE 802.11i ........................................................ 37
2.3.2. Những lỗ hổng trong IEEE 802.11i và các tấn công bảo mật ......................... 39
2.4. Giao thức bảo mật trong mạng không dây mesh [8]-[18] ..................................... 43
2.4.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 43
2.4.2. Một số thách thức về định tuyến trong mạng không dây mesh ...................... 44
2.4.3. Một số giao thức bảo mật cho mạng không dây mesh ................................... 46
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP CHỐNG LẠI TẤN CÔNG LỖ ĐEN TRONG GIAO THỨC
AODV CỦA MẠNG KHÔNG DÂY MESH ................................................................... 49
3.1. Giới thiệu ............................................................................................................ 50
3.1.1 Giao thức AODV [12] .................................................................................... 51
3.1.2 Tấn công lỗ đen trong giao thức AODV [4]-[5]-[13]-[18] .............................. 52
3.1.3. Bộ mô phỏng mạng NS2 [2]-[21] .................................................................. 53
3.2. Mô phỏng tấn công lỗ đen trong chƣơng trình NS-2 ............................................ 54
3.2.1. Cài đặt giao thức mô phỏng hành vi lỗ đen vào NS2 ..................................... 54
3.2.2. Thử nghiệm blackholeAODV ....................................................................... 56
3.3. Giải pháp chống lại tấn công lỗ đen và hiệu quả của nó ....................................... 58
3.3.1. Ý tƣởng thực hiện ......................................................................................... 58
3.3.2. Cài đặt giao thức giải pháp trên NS-2 ............................................................ 59
3.3.3. Thử nghiệm giao thức idsAODV .................................................................. 60
3.4. Mô phỏng và phân tích kết quả. ........................................................................... 61
3.4.1. Các tham số mô phỏng .................................................................................. 61
3.4.2. Phân tích kết quả mô phỏng .......................................................................... 65
3.4.2.2. Phân tích kết quả: ....................................................................................... 66
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 70
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 72
PHỤ LỤC 1: File Tcl mô phỏng cho mạng 7 nút (Hình 3.5, 3.6, 3.7) ......................... 72
PHỤ LỤC 2: File Tcl mô phỏng thực nghiệm mạng 50 nút không có tấn công
Blackhole(4 nút có dây, 4 base station, 50 nút di động) .............................................. 76
PHỤ LỤC 3: Phân tích tệp vết .tr ............................................................................... 81
PHỤ LỤC 4: Nội dung file batch tính toán số liệu từ file .tr ....................................... 82
PHỤ LỤC 5: Tổng hợp kết quả tính toán các kịch bản mô tả...................................... 84
- iii -
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình của mạng không dây mesh ................................................................. 4
Hình 1.2: WMN Cơ sở hạ tầng ........................................................................................ 6
Hình 1.3: WMN ngƣời dùng ............................................................................................ 7
Hình 1.4: WMN lai .......................................................................................................... 8
Hình 1.5: Mô hình WMN mạng băng thông rộng cho gia đình ....................................... 10
Hình 1.6: Mô hình WMN cho mạng doanh nghiệp ......................................................... 11
Hình 1.7: Mô hình WMN cho mạng đô thị ..................................................................... 11
Hình 1.8: Mô hình WMN cho hệ thống giao thông ........................................................ 12
Hình 1.9: Mô hình WMN cho tự động hoá trong các toàn nhà ....................................... 12
Hình 2.1: Tấn công giả mạo tầng MAC và tấn công truyền lại ....................................... 24
Hình 2.2: Tấn công Wormhole đƣợc thực hiện bởi 2 nút M1 và M2 sử dụng đƣờng hầm 26
Hình 2.3: Tấn công Blackhole ........................................................................................ 26
Hình 2.4: Tấn công ký sinh bên trong mạng ................................................................... 29
Hình 2.5: Tấn công ký sinh bên ngoài kênh ................................................................... 29
Hình 2.6: Tấn công lan toả chi phí thấp.......................................................................... 30
Hình 2.7: Mô hình bảo mật cho mạng không dây mesh .................................................. 32
Hình 2.8: Sự hợp tác sinh ra khoá riêng của các nút lân cận trong mạng WMN ............. 34
Hình 2.9: Quá trình bắt tay bốn bƣớc ............................................................................. 38
Hình 2.10: Quá trình mã hoá CCMP .............................................................................. 39
Hình 2.11: Tấn công cƣớp quyền điều khiển trong cơ chế xác thực 802.1X ................... 40
Hình 2.12: Tấn công man-in-the-midle trong cơ chế xác thực 802.1X ........................... 41
Hình 2.13: Tấn công từ chối dịch vụ trong quá trình bắt tay bốn bƣớc ........................... 42
Hình 3.1: Quá trình lan truyền thông báo RREQ ............................................................ 51
Hình 3.2: Quá trình truyền thông báo RREP và cập nhật số tuần tự................................ 52
Hình 3.3: Tấn công lỗ đen (Blackhole) .......................................................................... 52
Hình 3.4. Mô hình bộ mô phỏng NS-2 ........................................................................... 53
Hình 3.5: Dữ liệu truyền từ Base Station đến nút 3 bằng giao thức AODV khi nút 6 di
chuyển ........................................................................................................................... 57
Hình 3.6: Nút 2 (nút Black Hole) hấp thụ kết nối từ Base Station đến nút 3 ................... 58
Hình 3.7: Kết quả thực hiện giao thức idsAODV khi có tấn công blackhole .................. 61
Hình 3.8: Một kịch bản mô phỏng mạng ........................................................................ 64
- iv -
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ
AES Advanced Encryption Standard
CBC Cipher Block Chaining
CCMP Counter mode (CTR) with CBC-MAC protocol
CEPA Channel Ecto-Parasite Attack
EAP Extensible Authentication Protocol
GTK Group Temporal Key
IDS Intrusion Detection Systems
IPM Intrusion Prevention Mechanisms
LORA Low Cost Ripple Effect Attack
MAC Message Authentication Code
MIC Message Integrity Code
MIC Message Integrity Code
MPDU MAC Protocol Data Unit
NEPA Network Endo-Parasite Attack
PMK Pairwise Master Key
PTK Pairwise Transient Key
PV Permutation Vector
RREP Route Reply
RREQ Route Request
RRER Route Error
SAK Secret Authentication Key
SSK Section Secret Key
TK Temporal Key
TKIP Temporal Key Integrity Protocol
WEP Wired Equivalent Privacy
WMN Wireless Mesh Network
WPA WiFi Protected Access
-1-
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, giới công nghệ thông tin đã chứng kiến sự bùng nổ của nền
công nghiệp mạng không dây. Khả năng liên lạc không dây đã gần nhƣ tất yếu trong các
thiết bị cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị số khác. Với
các tính năng ƣu việt về vùng phục vụ, kết nối linh động, khả năng triển khai nhanh
chóng, giá thành ngày càng giảm, mạng không dây đã trở thành một trong những giải
pháp cạnh tranh có thể thay thế mạng Ethernet LAN truyền thống.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nhiều mạng không dây khác nhau, công nghệ
mạng không dây Mesh (WMN) đã nổi lên nhƣ là một trong những công nghệ tiên tiến
nhất và có thể đƣợc xem nhƣ là công nghệ của tƣơng lai. WMN là mạng multi-hop không
dây trong đó các điểm truy cập giao tiếp với nhau thông qua kết nối không dây. Qua đó
các khu vực rộng lớn có thể đƣợc che phủ bằng truy cập không dây với chi phí thấp.
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về WMN đã đƣợc thực hiện. Thay vì là một
loại mạng Ad hoc, WMN đa dạng hóa các khả năng của các mạng Ad hoc. Tính năng này
mang lại nhiều lợi thế cho WMN nhƣ chi phí thấp, bảo trì mạng lƣới dễ dàng, vững
mạnh, đáng tin cậy dịch vụ bảo hiểm,... Vì vậy, ngoài việc đƣợc chấp nhận rộng rãi trong
các lĩnh vực ứng dụng truyền thống, WMN đang nhanh chóng đƣợc thƣơng mại hóa
trong nhiều kịch bản ứng dụng khác nhau. Các nhà khai thác có thể dễ dàng cung cấp các
dịch vụ không dây băng rộng với chi phí đầu tƣ và khai thác thấp, đồng thời có thể phủ
sóng diên rộng ở những nơi công cộng, mạng cộng đồng, xây dựng tự động hóa, các
mạng tốc độ cao đô thị, và mạng doanh nghiệp.
Tuy nhiên, sự tiện lợi của mạng không dây cũng đặt ra một thử thách lớn về bảo mật
đƣờng truyền cho các nhà quản trị mạng. Ƣu thế về sự tiện lợi của kết nối không dây có
thể bị giảm sút do những khó khăn nảy sinh trong bảo mật mạng. Một số lỗ hổng tồn tại
trong các giao thức cho WMN có thể bị khai thác bởi những kẻ tấn công để làm suy giảm
hiệu suất của hệ thống mạng.
An ninh trên mạng nói chung và trên WMN nói riêng là một vấn đề rất quan trọng mà có
thể giải quyết đƣợc. Hiểu biết về WMN và quan tâm đúng đắn đến các vấn đề và thách
thức của chúng là điều rất cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu một số phương pháp bảo
mật trong mạng không dây mesh” sẽ tập trung vào các vấn đề an ninh trên WMN,
các nguy cơ và các biện pháp truy cập tấn công vào WMN, xem xét các cơ chế, giải pháp
có thể để ngăn chặn và chống lại các cuộc tấn công vào WMN.
Đề tài cũng tập trung giải quyết một vấn đề cụ thể trong việc đảm bảo an ninh trong
WMN bằng việc mô tả một dạng tấn công phổ biến trong mạng WMN nói riêng và các
-2-
mạng không dây nói chung là tấn công lỗ đen (blackhole attack) từ đó tìm hiểu giải pháp
chống lại tấn công dạng này. Việc thực hiện mô phỏng tấn công lỗ đen và giải pháp ngăn
chặn đƣợc thực hiện trên bộ mô phỏng mạng NS-2 với các kịch bản khác nhau nhằm
phân tích một cách chính xác nhất kết quả thực hiện mô phỏng. Các kết quả mô phỏng
đƣợc phân tích đánh giá để làm rõ hơn hiệu quả của đề xuất đồng thời chỉ ra các tồn tại
cần khắc phục của đề xuất đã nêu.
Đề tài bao gồm 3 chƣơng chính:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng không dây mesh
Chƣơng 2: Bảo mật trong mạng không dây mesh
Chƣơng 3: Giải pháp chống lại tấn công lỗ đen trong giao thức AODV của mạng
không dây mesh
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn chắc
chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự chia sẻ và những ý
kiến đóng góp của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2011
Bùi Hải Bằng
-3-
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY MESH
1.1. Giới thiệu của mạng không dây mesh [3]-[11]-[20]
Mạng không dây Mesh (Wireless mesh network – WMN) đang đƣợc coi là công nghệ
chủ chốt cho thế hệ mạng không dây hiện tại về việc cung cấp nhanh chóng các dịch vụ
miễn phí cho ngƣời dùng. Các nút trong WMN bao gồm các mesh router và các mesh
client. Mỗi nút hoạt động không chỉ là một máy chủ mà còn là một router, chuyển tiếp
các gói dữ liệu thay cho các nút khác có thể không trực tiếp nằm trong phạm vi truyền dữ
liệu không dây.
Khả năng kết nối giữa các nút trong WMN là tự động thiết lập và duy trì giữa các nút
tham gia vào mạng. Điều này làm cho WMN trở nên năng động, tự tổ chức và tự cấu
hình. Đặc điểm này mạng lại rất nhiều lợi thế nhƣ chi phí lắp đặt thấp, chi phí bảo trì
thấp, các dịch vụ chắc chắn và đáng tin cậy.
Trong tất cả các dạng mạng thì bảo mật là một trong những nhân tố chính cho sự an toàn
và tin cậy của việc truyền dữ liệu. WMN có nhiều lợi thế hơn so với các mạng không
dây khác. Ví dụ nó có thể cung cấp những cài đặt hết sức đơn giản, năng lực của băng
thông và khả năng kháng lỗi vốn có trong trƣờng hợp mạng bị lỗi. Triển khai WMN là
rất đơn giản. Chúng tự cấu hình và tự tổ chức một cách tự động với các nút có sẵn trong
mạng bởi việc tự động thiết lập và duy trì kết nối mạng dựa trên các nút vì vậy nó mang
lại vùng dịch vụ tin cậy trong mạng.
Công nghệ phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong cuộc sống hằng ngày nhƣ máy tính để bàn,
máy tính xách tay, PDA, Pocket PC, điện thoại... đặt trên các nút thông thƣờng đƣợc
trang bị các card mạng không dây (NIC's) lần lƣợt có thể kết nối với các router không
dây. Các nút không có card mạng không dây vẫn có thể truy cập các mạng không dây
mesh bằng cách kết nối đến các router không dây thông qua các phƣơng thức khác nhƣ
Ethernet. Ngoài ra, các chức năng gateway và bridge trong WMN cho phép tích hợp
WMN với các mạng không dây hiện có khác nhƣ mạng Cellular, wireless sensors, Wi-Fi,
Wi-MAX.
WMN cũng có thể đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhƣ broadband, liên mạng,
mạng cộng đồng và mạng lƣới khu phố, xây dựng mạng lƣới doanh nghiệp tự động hóa...
WMN có thể đƣợc triển khai một nút tại một thời điểm và chúng cũng có một khả năng
tự tổ chức và tự cấu hình. Sự tin cậy và khả năng kết nối của mạng sẽ làm tăng đáng kể
các nút đƣợc cài đặt.
Mạng không dây mesh là một dạng cao cấp của mạng không dây. Một WMN cung cấp
-4-
cách giải quyết tốt hơn cho các vấn đề thƣờng xảy ra trên mạng cellular và WLAN. Vấn
đề cơ bản của cả cellular và WLAN là cả hai đều bị giới hạn vùng truy nhập. Những
công nghệ này khá đắt và tỷ lệ dữ liệu truyền đi cũng khá thấp. Ngƣợc lại, WMN tƣơng
đối rẻ và tốc độ truyền dữ liệu cũng cao hơn.
Thuật ngữ WMN miêu tả các mạng không dây mà các nút có thể liên lạc trực tiếp hoặc
gián tiếp với một hoặc nhiều nút ngang hàng. Từ “mesh” diễn tả tất cả các nút đƣợc kết
nối trực tiếp với tất các nút khác nhƣng trong đa số các mesh hiện đại nó chỉ kết nối với
một tập con các nút đƣợc kết nối với nhau. Trong WMN có 2 loại nút.
1. Mesh router: Bộ định tuyến lƣới
2. Mesh client: Ngƣời dùng lƣới
2 loại nút này cũng có thể hoạt động nhƣ một máy chủ hoặc một bộ định tuyến. Các gói
tin đƣợc chuyển tiếp thay mặt cho các nút khác mà chúng không nằm trong vùng truyền
không dây trực tiếp của các điểm đích.
Hình 1.1: Mô hình của mạng không dây mesh
1.1.1. Mesh Router
Mesh router chủ yếu là các thiết bị cố định. Thông qua công nghệ đa điểm chúng có thể
đạt đƣợc vùng phủ sóng giống nhƣ một bộ định tuyến thông thƣờng nhƣng tốn ít năng
lƣợng hơn rất nhiều. Chúng có thêm các chức năng định tuyến để hỗ trợ cho mạng mesh.
Nó giúp rất nhiều cho ngƣời sử dụng bằng cách kết nối chúng với các bộ định tuyến
không dây mesh thông qua Ethernet thậm chí chúng không có NIC không dây, vì vậy
ngƣời sử dụng có thể online liên tục, ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào. Thông qua các chức
năng gateway hoặc cầu nối chúng hợp nhất với các mạng không dây sẵn có khác nhƣ
cellular, Wi-Fi 802.11 a,b,g và 802.11n…
-5-
Khác với khả năng định tuyến của các router thông thƣờng, mesh router không dây còn
bao gồm chức năng định tuyến bổ sung (định tuyến phụ) để hỗ trợ mạng mesh. Một
mesh router thƣờng đƣợc trang bị nhiều giao diện không dây và đƣợc xây dựng từ các
công nghệ không dây giống hoặc khác nhau nhằm nâng cao tính linh hoạt của mạng
không dây.
Khi so sánh với một thiết bị định tuyến thông thƣờng, một mesh router có thể đạt đƣợc
vùng phủ sóng giống nhƣ nhiều thiết bị truyền dẫn mạnh thông qua các truyền thông
multi-hop.
Về phƣơng diện quang học, giao thức MAC trong mesh router là một sự cải tiến với sự
gia tăng tốt hơn trong môi trƣờng mesh multi-hop.
Cả mesh router không dây và router không dây thông thƣờng đều thƣờng dựa vào những
ứng dụng mạng giống nhau. Mesh router có thể đƣợc sản xuất trên cả những hệ thống
máy tính chuyên dụng (ví dụ nhƣ hệ thống nhúng) và có thể đƣợc làm nhỏ gọn nhƣ sử
dụng cho các máy tính thông thƣờng nhƣ laptop, desktop PC.
1.1.2. Mesh Client
Các Mesh Client có thể di động hoặc cố định. Các mesh client có các chức năng mesh
cần thiết và chúng có thể hoạt động nhƣ một bộ định tuyến nhƣng không có các chức
năng gateway hoặc cầu nối. Chúng chỉ có một giao diện không dây. Có rất nhiều thiết bị
có thể hoạt động nhƣ một mesh client nhƣ: Laptop, PDA, Wi- Fi IP Phone, Wi-Fi RFID
Reader...
Mesh client có thể làm việc nhƣ một router vì chúng có các chức năng cần thiết của
mesh networking. Phần cứng và phần mềm của mesh client cũng giống nhƣ mesh router.
Tuy nhiên, mesh client thƣờng có một giao diện mạng không dây đơn. Hơn nữa, các thiết
bị của mesh client đa dạng hơn so với mesh router. Chúng có thể là laptop/desktop,
pocket PCs, PDAs, IP phones, RFID readers, BAC network, các thiết bị điều khiển, và
rất nhiều thiết bị khác nữa.
1.2. Kiến trúc của mạng không dây mesh [3]-[18]
Mạng không dây mesh đƣợc chia làm 3 nhóm chính:
- Mạng không dây mesh cơ sở hạ tầng (Infrastructural backbone)
- Mạng không dây mesh ngƣời dùng (Client WMNs)
- Mạng không dây mesh lai (Hybrid WMNs)
-6-
1.2.1 Mạng không dây mesh cơ sở hạ tầng (Infrastructural backbone)
Internet Internet
WMN cơ sở hạ tầng
Gateway
Gateway
Mesh router
Mesh router
Wireless client
Mesh router
Wired client
Mesh router
Mesh router Mesh router
Wireless client
Base station
Access Point
WLAN Access Point
Wifi network
Cellular network
Hình 1.2: WMN Cơ sở hạ tầng
Kiểu cấu trúc này đƣợc tạo thành bằng cách kết nối các dạng nút khác nhau (cả các
router và client). Mỗi nút trong một lớp giống nhau là một peer của lớp đó. Chúng bao
gồm các mesh router do đó tạo ra một hạ tầng cho các client có thể nối vào chúng.
Ta có 2 dạng tiêu biểu của kỹ thuật vô tuyến (radio) đƣợc sử dụng trong các router: một
cho liên lạc xƣơng sống và một cho liên lạc ngƣời dùng. Các ăng ten định hƣớng đƣợc
sử dụng cho kết nối tầm xa trong kết nối xƣơng sống.
Mạng cơ sở hạ tầng đƣợc tạo thành bằng cách áp dụng tự cấu hình, tự hàn gắn các liên
kết giữa chúng. Mạng mesh có khả năng xây dựng và cấu hình chính nó. Cũng nhƣ bất
kỳ một nút cuối nào đƣợc cấp năng lƣợng nó nghe và tìm các nút hàng xóm và gửi chúng
yêu cầu kết nối vào mạng và khi đó các nút đƣợc nhận vào sau khi thực hiện các yêu cầu
an ninh mạng. Các đƣờng dẫn tự động hoặc các định tuyến sẽ đƣợc tự động thiết lập bởi
nút cuối cũng nhƣ là thông tin mà nó truyền sẽ đƣợc chuyển tiếp bởi các nút hàng xóm
cho đến khi nó đến đƣợc nút trung tâm. Nếu một hoặc nhiều hơn một nút cuối bị dịch
chuyển từ vùng này đến vùng khác thì chức năng tự hàn gắn cung cấp quá trình tổ chức
lại cho các nút đó trong mạng mesh và duy trì chức năng của các nút đó trong mạng.
Chức năng tự hàn gắn cung cấp độ dƣ thừa trong mạng mesh bởi vì nếu một nút bị rời đi
hoặc bị lỗi trong mạng thì thông báo có thể gửi vòng quanh mạng qua các nút khác. Khả
năng tự cấu hình cung cấp khả năng không cần con ngƣời trong việc định tuyến lại của
các thông báo tới các nút đích.
Thông qua chức năng gateway, các mesh router có thể đƣợc kết nối với Internet và cung
cấp đƣờng truyền chính cho các client thông thƣờng trong mạng mesh. Ngƣời sử dụng có
giao diện Ethernet có thể đƣợc kết nối với các mesh router thông qua các liên kết
-7-
Ethernet. Các bộ định tuyến thiết lập một mạng lƣới bằng cách kết nối tới một mạng
khác và chịu trách nhiệm trong việc định tuyến dữ liệu client. Dữ liệu có thể di chuyển
qua nhiều hop định tuyến trƣớc khi đến đƣợc đích cuối cùng.
Ƣu điểm chính của kiến trúc này là tính đơn giản của nó, và nhƣợc điểm bao gồm thiếu
khả năng mở rộng mạng và ràng buộc tài nguyên cao. Nếu các client thông thƣờng có
công nghệ vô tuyến không dây (radio) nhƣ các mesh router có thì chúng có thể liên lạc
trực tiếp với các mesh router, nhƣng nếu chúng có các công nghệ vô tuyến không dây
khác thì các client bắt buộc phải liên lạc với các trạm cơ sở từ đó có các kết nối Ethernet
với các mesh router.
Ví dụ: Cộng đồng và các mạng hàng xóm có thể đƣợc xây dựng bằng cách này, các mesh
router có thể đƣợc đặt trên các nóc nhà phục vụ giống nhƣ điểm truy câp cho ngƣời sử
dụng dù họ là ngƣời sử dụng trong nhà hay đang sử dụng chúng ngoài đƣờng.
Kiến trúc hạ tầng xƣơng sống WMN đƣợc coi là một cải tiến lớn. Các mesh router đƣợc
kết nối vào các nóc nhà trong một vùng lân cận nhau (neighborhood), những thiết bị này
sẽ hoạt động nhƣ một access point cho ngƣời sử dụng trong nhà và cả ngoài đƣờng. Tại
kịch bản này, hai kiểu truyền dẫn không dây đƣợc sử dụng: một dùng cho các liên lạc
xƣơng sống và một dùng cho ngƣời sử dụng liên lạc với nhau. Liên lạc xƣơng sống có
thể đƣợc thiết lập bằng cách sử dụng các kỹ thuật kết nối tầm xa bao gồm các ăng ten
định hƣớng.
1.2.2. Mạng không dây mesh ngƣời dùng (Client WMNs)
Sự kết nối giữa các client cung cấp các mạng ngang hàng giữa các thiết bị client. Các nút
client kích hoạt các chức năng định tuyến và cấu hình cũng nhƣ cung cấp các ứng dụng
cho ngƣời dùng cuối. Vì thế các dạng mạng này không yêu cầu bất kỳ một mesh router
cũng nhƣ chúng có thể hoạt động độc lập không cần theo nhóm.
Mesh client
Mesh client
Mesh client
Hình 1.3: WMN người dùng
Kiến trúc mạng WMN ngƣời dùng đƣợc thể hiện trong hình 1.3. Hình này cho biết các
gói đƣợc ấn định đến các nút thông qua nhiều nút để tới đích. WMN đƣợc xây dựng với
một dạng của công nghệ kết nối không dây. Tuy vậy, tại các thiết bị ngƣời dùng cuối,
nhu cầu này là nhiều hơn so với mạng WMN xƣơng sống khi chúng sử dụng các chức
năng bổ sung nhƣ định tuyến và tự cấu hình.
-8-
1.2.3. Mạng không dây mesh lai (Hybrid WMNs)
Internet Internet
WMN cơ sở hạ tầng
Gateway
Gateway
Mesh router
Mesh router
Mesh router
Mesh router Wireless client
Mesh router Mesh router
Wi-Fi, Wi-MAX,
Sensor Networks, Wireless client
Cellular Networks,...
WMN người dùng
Hình 1.4: WMN lai
Kiến trúc của mạng WMN lai đƣợc thể hiện trên Hình 1.4. Kiến trúc này về cơ bản là sự
kết hợp của WMN cơ sở hạ tầng và WMN khách hàng. Nó có những đặc trƣng hơn khi
so sánh với riêng mạng kiến trúc hạ tầng và client. Các mesh client có thể truy cập vào
mạng thông qua các mesh router cũng nhƣ có thể kết nối trực tiếp với các client khác.
Trong khi kết cấu hạ tầng cung cấp việc kết nối với các mạng khác thông nhƣ Wi-Fi, Wi-
MAX, mạng tế bào hay mạng sensor, khả năng định tuyến của các client tăng cƣờng khả
năng liên kết và vùng hoạt động trong WMN. Kể từ khi sự phát triển WMN phụ thuộc
rất nhiều vào phƣơng thức hoạt động với các giải pháp mạng không dây sẵn có, kiến trúc
này trở nên rất quan trọng và đƣợc áp dụng nhiều nhất trong các mạng không dây mesh.
1.3. Đặc điểm của mạng không dây mesh [3]-[15]-[18]
Các mạng không dây mesh là một mạng đa hop và cung cấp phạm vi phủ sóng nhiều.
Cũng giống nhƣ nếu một nút bị lỗi hoặc tắt thì thông qua các nút khác thông báo đƣợc
truyền đến nút đích chức năng đó cung cấp khả năng dƣ thừa trong mạng mesh. Chúng có
khả năng tự hàn gắn và tự định hình và tự tổ chức và cung cấp sự hỗ trợ cho mạng Ad hoc.
Do là mạng đa hop nên chúng đạt đƣợc thông lƣợng cao hơn và tái sử dụng tần số hiệu quả
hơn. Chi phí cài đặt của chúng là thấp vì việc giảm số lƣợng các điểm truy cập Internet do
vậy ƣu điểm chính của các mạng không dây mesh là dễ dàng triển khai. Nhiều loại hình
truy cập mạng nhƣ hỗ trợ cho Internet cũng nhƣ các giao tiếp truyền thông ngang hàng.
Việc cung cấp khả năng tƣơng thích đến các mạng không dây sẵn có nhƣ WiMAX, Wi-Fi,
các mạng cellular. Kiến trúc của mạng không dây mesh là khá linh hoạt.
-9-
Các đặc điểm chính của mạng không dây mesh là:
1.3.1. Mạng không dây đa hop
Mục tiêu chính để phát triển WMN là mở rộng phạm vi phủ sóng cho mạng không dây
mà không bị tốn dung lƣợng kênh. Ngoài ra cũng cung cấp các kết nối không theo tầm
nhìn thẳng (non-line-of-sight - NLOS) giữa ngƣời dùng mà không cần các đƣờng kết nối
thẳng (line-of-sight - LOS). Để đạt đƣợc những mục tiêu và yêu cầu trên, dạng lƣới, đa
hope là không thể thiếu. Thuận lợi là nó có thể đạt đƣợc thông lƣợng cao mà không bị
tốn nhiều vùng radio hiệu quả thông qua các kiên kết ngắn và sử dụng hiệu quả tần số
hơn nữa.
1.3.2. Tự định hình, tự hàn gắn và tự cấu hình
Vì kiến trúc mạng linh hoạt, dễ dàng phát triển và cấu hình, khả năng kháng lỗi và khả
năng kết nối mạng lƣới thông qua truyền thông đa điểm (multipoint-to-multipoint),
WMN nâng cao hiệu suất mạng. Những tính năng này làm cho WMN có yêu cầu chi phí
đầu tƣ ban đầu thấp, đồng thời có thể phát triển dần khi cần thiết.
1.3.3. Phụ thuộc vào việc hạn chế tiêu thụ năng lƣợng của các kiểu nút
mạng
Việc hạn chế tiêu thụ năng lƣợng đƣợc coi là một đặc tính quan trọng của các mesh
client. Không giống nhƣ các mesh router, mesh client yêu cầu các giao thức năng lƣợng
hiệu quả. Ví dụ các lƣới sensor yêu cầu các giao thức giao tiếp hiệu quả về năng lƣợng.
Khi xem xét tình huống này, MAC hoặc giao thức tối ƣu định tuyến cho các mesh router
có thể không thích hợp với các client nhƣ sensor, hiệu quả của năng lƣợng là vấn đề
chính cho các mạng sensor không dây.
1.3.4. Năng lực và khả năng liên kết với các mạng không dây hiện có
Thực tế là WMN dựa trên công nghệ IEEE 802.11 phải đƣợc so sánh với các chuẩn
IEEE 802.11. Do đó, WMN cũng cần phải liên kết với các mạng không dây khác nhƣ
Wi-MAX và các mạng di động khác.
Dựa vào những đặc điểm này, WMN đƣợc coi là một dạng của mạng ad hoc vì thiếu cơ
sở hạ tầng vững chắc mà tồn tại trong các mạng tế bào hoặc mạng Wi-Fi thông qua việc
triển khai các trạm cơ sở hoặc các điểm truy cập. Nếu mạng WMN yêu cầu công nghệ
mạng ad hoc, bắt buộc phải bao gồm các thuật toán tinh vi hơn và thiết kế các nguyên tắc
sử dụng WMN. Đi sâu hơn, WMN có khả năng đa dạng hoá khả năng của các mạng ad
hoc hơn là trở thành một dạng của mạng ad hoc. Do đó các mạng ad hoc thực sự chỉ
đƣợc coi là một tập nhỏ của WMN.
- 10 -
1.4. Các kịch bản ứng dụng của mạng không dây Mesh [3]-[15]-[18]
1.4.1. Mạng băng thông rộng cho gia đình
Hiện tại mạng băng thông rộng cho gia đình thƣờng đƣợc thực hiện theo chuẩn IEEE
802.11 WLANs. Vì phân phối trong các khu vực nội địa, vấn đề lớn nhất là tìm ra các
điểm tru cập và vị trí của chúng. Hơn nữa, việc sử dụng nhiều điểm truy cập là rất tốn
kém và không thuận tiện. Bởi vì nó đòi hỏi phải sử dụng Ethernet có dây dừ các điểm
truy cập đến truy cập mạng backhaul. Do đó, cách tốt hơn để giải quyết vấn đề này là
mạng mesh.
Khi sử dụng mạng mesh tại nhà, các điểm truy cập đƣợc thay thế bằng mesh router
không dây với mạng mesh đƣợc xây dựng trong đó. Bằng cách này liên lạc giữa các nút
trở nên mềm dẻo và mạnh mẽ hơn chống lại các lỗi mạng và lỗi liên kết. Vì vậy, những
nhƣợc điểm đƣợc nêu ở trên có thể đƣợc sửa chữa thông qua các kết nối lƣới linh hoạt
giữa các gia đình. Điều này giúp cho việc lƣu trữ file phân tán, truy cập file và các video
streaming phân tán.
Hình 1.5: Mô hình WMN mạng băng thông rộng cho gia đình
1.4.2. Mạng doanh nghiệp
Mạng doanh nghiệp cơ bản đƣợc coi là mạng thƣơng mại, giải pháp này chủ yếu đƣợc sử
dụng trong các văn phòng, giữa các văn phòng và giữa các toà nhà với nhau. Đây có thể
là một mạng nhỏ trong một văn phòng, một mạng cỡ vừa cho tất cả các văn phòng trong
một toà nhà hoặc một mạng cỡ lớn trong nhiều toà nhà. Hiện nay, một mạng nhƣ vậy
đƣợc thực hiện theo chuẩn IEEE 802.11 và các kết nối tạo ra sử dụng Ethernet, làm cho
chi phí của các mạng doanh nghiệp rất cao. Mặc dù thêm nhiều truy cập backhaul và
modem cũng không cải thiện nhiều các lỗi liên kết, cấu hình mạng hoặc các lỗi tƣơng tự
khác trong toàn mạng doanh nghiệp, chỉ có thể tăng cƣờng khả năng cục bộ. Vấn đề trên
có thể đƣợc giải quyết bằng cách sử dụng mạng mesh nhƣ Hình 1.6 dƣới đây.
- 11 -
Hình 1.6: Mô hình WMN cho mạng doanh nghiệp
Bằng cách này chúng ta giảm thiểu hoặc loại trừ các kết nối Ethernet. Nhiều modem truy
cập nhánh có thể đƣợc chia sẻ bởi các nút trong mạng và điều này cải thiện sức mạnh và
tài nguyên sử dụng của toàn bộ mạng. Do đó, WMN có thể đƣợc sử dụng và dễ dàng cho
phép phát triển khi quy mô doanh nghiệp đƣợc mở rộng. Từ khi mạng doanh nghiệp
đƣợc cho là cần thiết cho các tổ chức tƣơng đối lớn, hiển nhiên là mạng mesh là phức tạp
hơn khi có nhiều hơn các nút và các topo mạng liên kết với nhau. Mạng doanh nghiệp có
thể đƣợc sử dụng một cách rộng rãi trong việc cho phép tự phục vụ tại các sân bay, trung
tâm mua sắm, khách sạn và các trung tâm thể thao.
1.4.3. Mạng đô thị
Trƣờng hợp mạng đô thị, WMN mang lại nhiều lợi thế so với các mạng khác. Tốc độ
truyền của lớp vật lý tại các nút trong mạng WMN là cao hơn rất nhiều so với bất kỳ
mạng cellular nào. Thông tin giữa các nút trong mạng WMN không phải dựa vào mạng
xƣơng sống có dây.
Hình 1.7: Mô hình WMN cho mạng đô thị
Các mạng mesh MAN là một sự lựa chọn kinh tế cho mạng băng thông rộng khi so sánh
với mạng dùng cáp hoặc dùng dây. Từ Hình 1.7 ta có thể thấy rằng mạng MAN không
- 12 -
dây bao phủ một khu vực rộng lớn hơn các doanh nghiệp tƣ nhân, toà nhà hoặc mạng
công cộng. Vì vậy trong các lựa chọn thay thế, lợi thế lớn của MAN là khả năng mở
rộng.
1.4.4. Hệ thống giao thông
Khi xem xét chuẩn IEEE 802.11 hay 802.16, cách sử dụng đƣợc giới hạn ở các nhà ga và
các điểm dừng vì những nơi này dựa vào các kết nối Ethernet. WMN có thể chứng minh
đƣợc đây là một thay thế tốt hơn nhiều. WMN có thể trợ giúp cho việc cung cấp dịch vụ
thông tin khách hàng, giám sát từ xa hoặc trong bảo mật liên lạc các phƣơng tiện xe cộ.
Ý tƣởng cơ bản phía sau những công nghệ này là backhaul di động tốc độ cao từ một
chiếc xe vào internet và mạng mesh di động nhƣ Hình 1.8 dƣới đây:
Hình 1.8: Mô hình WMN cho hệ thống giao thông
1.4.5. Tự động hoá trong các toàn nhà
Nếu ta xét đến một toà nhà riêng hoặc một toà nhà của một tập đoàn, ở đó có rất nhiều
các loại thiết bị điện. Những thiết bị này cần phải đƣợc điều khiển và đƣợc giám sát
thƣờng xuyên. Để giám sát những thiết bị này thì biện pháp tiêu chuẩn là thông qua
mạng có dây nhƣng công nghệ này tốn kém do sự phức tạp và chi phí bảo dƣỡng cao của
mạng có dây. Để khắc phục vấn đề này các mạng dựa trên Wi-Fi đã đƣợc đề xuất. Tuy
nhiên các mạng này cũng đắt khi chúng bao gồm cả mạng có dây và không đạt đƣợc
những thành quả thoả đáng. Để giảm thiểu những vấn đề này ta có thể thay thế bằng
mạng điều khiển và tự động hoá trong các toà nhà (Building Automation and Controlled
networks - BAC) các điểm truy cập bằng mesh router và chi phí sẽ giảm đáng kể. Quá
trình triển khai cũng đơn vì hơn nhiều do các kết nối giữa các router không dây.
Hình 1.9: Mô hình WMN cho tự động hoá trong các toàn nhà
- 13 -
1.4.6. Khoa học trong y tế và sức khoẻ
Các kịch bản đƣợc áp dụng phía trên cũng có thể áp dụng cho các trung tâm y tế. Một
trung tâm y tế yêu cầu theo dõi và chẩn đoán các dữ liệu một cách thƣờng xuyên. Hiện
nay, công nghệ đƣợc sử dụng không có gì khác ngoài mạng có dây. Việc định kỳ giám
sát sẽ tạo ra một lƣợng dữ liệu lớn và do đó các mạng có dây có thể không có khả năng
hỗ trợ hệ thống đến một mức độ thoả đáng. Nếu ta xem xét các mạng Wi-Fi, chúng đƣợc
dựa trên các kết nối Ethernet có thể gây ra hệ thống có chi phí cao và phúc tạp. Tất cả
các vấn đề nếu trên đƣợc giải quyết bằng cách sử dụng WMN.
1.4.7. Các hệ thống giám sát và bảo mật
An ninh thƣơng mại ngày nay đóng một vai trò to lớn nhƣ trong các toà nhà, trung tâm
thƣơng mại, các cửa hàng... Để có đƣợc an ninh tốt hơn cho các hệ thống này, WMN là
rất tốt khi so sánh với các mạng có dây. Trong các hệ thống giám sát an ninh, vẫn còn
nhƣng mình ảnh, video và các chức năng chính khác, do vậy nó yêu cầu dung lƣợng của
mạng đƣợc cung cấp bởi WMN.
WMN cũng đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp khẩn cấp và các giao tiếp ngang hàng. Trong
trƣờng hợp khẩn cấp, ví dụ nhƣ các nhân viên cứu hoả ngăn chặn một đám cháy, đôi khi
họ không truy cập đƣợc vào thông tin cần tìm. Trong trƣờng hợp này, nếu WMN có sẵn
tại các vị trí mong muốn, nó sễ trở nên dễ dàng hơn trong việc xác định vị trí những khu
vực cần quan tâm. Tƣơng tự nhƣ vậy, các thiết bị với mạng không dây nhƣ laptop, PDA
có thể truyền thông ngang hàng tạo ra một giải pháp hiệu quả cho việc chia sẻ thông tin.
WMN thích hợp để thực hiện những việc này.
1.5. So sánh mạng không dây mesh với một số công nghệ hiện tại [15]
1.5.1. Truy cập Internet băng thông rộng:
Cable WMAN Cellular
WMN
DSL (802.16) (2.5-3G)
Băng thông Rất tốt Rất tốt Giới hạn Tốt
Đầu tư ban đầu Rất cao Cao Cao Thấp
Tổng đầu tư Rất cao Cao Cao Vừa phải
Phạm vi bao quát thị
Tốt Vừa phải Tốt Tốt
trường
- 14 -
1.5.2. Mức độ phủ sóng WLAN
802.11 WMN
Chi phí lắp đặt đường dây Cao Thấp
Băng thông Rất tốt Tốt
Số lượng điểm truy cập Theo nhu cầu Gấp đôi
Giá điểm truy cập Thấp Cao
1.5.3. Truy cập Internet di động
Cellular
WMN
2.5 – 3G
Chi phí ban đầu Cao Thấp
Băng thông Giới hạn Tốt
Phạm vi địa lý Giới hạn Tốt
Chi phí nâng cấp Cao Thấp
1.5.4. Ứng cứu khẩn cấp
Cellular Walkie WMN
2.5 – 3G Talkie
Tính sẵn sàng Vừa phải Tốt Tốt
Băng thông Giới hạn Nghèo nàn Tốt
Phạm vi địa lý Nghèo nàn Nghèo nàn Giới hạn
1.5.5. Khả năng kết nối lớp thứ hai
Ethernet WMN
Tốc độ/ sự dễ dàng
Chậm/Khó Nhanh/Dễ
trong triển khai
Băng thông Rất tốt Tốt
Người sử dụng di động Theo nhu cầu Tốt
Tổng chi phí Thấp Vừa phải