1
MỞ ĐẦU
1. Nền tảng và mục đích.
Mạng internet không dây hiện nay đang được áp dụng trong rất nhiều các
lĩnh vực bởi những ưu thế nổi trội của nó so với mạng internet hữu tuyến truyền
thống. Người dùng có thể di chuyển trong phạm vi cho phép, có thể triển khai
mạng internet không dây ở những nơi mà mạng internet hữu tuyến không thể
triển khai được. Tuy nhiên, khác với mạng internet hữu tuyến truyền thống, mạng
internet không dây sử dụng kênh truyền sóng điện từ, do đó nó đặt ra nhiều thách
thức trong việc xây dựng đặc tả và triển khai thực tế mạng này. Một trong những
thách thức đó và cũng là vấn đề nóng hổi hiện nay là bảo mật cho mạng internet
không dây.
Đã có nhiều giải pháp an ninh ra đời nhằm áp dụng cho mạng internet
không dây, việc hỗ trợ phần cứng cũ cộng với việc đặc tả cho phép các nhà sản
xuất phần cứng được quyết định một số thành phần khi sản xuất khiến cho các
mạng internet không dây khi triển khai không những không đồng nhất mà còn có
những rủi ro về an ninh riêng.
Do đó, mục đích của luận văn này là nghiên cứu và phân tích các đặc
điểm của mạng internet không dây, những kỹ thuật tấn công của mạng internet
không dây để từ đó đưa ra các giải pháp an ninh, bảo mật cho mạng internet
không dây dựa trên các tiêu chí: tính bảo mật, tính toàn vẹn, xác thực hai chiều
và tính sẵn sàng. Trên cơ sở đó để xuất xây đựng mô hình mạng WLAN tại
trường Cao Đẳng nghề Cơ khí nông nghiệp.
2. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được bố cục như
sau:
Chương I: Trình bày các kiến thức tổng quan về mạng WLAN, kiến trúc
của mạng WLAN, các thành phần cấu trúc hệ thống WLAN.
Chương II: Nghiên cứu về những đe doạ an ninh mạng, các kỹ thuật tấn
công của mạng WLAN để từ đó đưa ra các giải pháp, chính sách bảo mật cho
- Tính di động: những người sử dụng mạng máy tính không dây có thể
truy nhập nguồn thông tin ở bất kỳ nơi nào. Tính di động này sẽ tăng năng suất
và tính kịp thời thoả mãn nhu cầu về thông tin mà các mạng hữu tuyến không thể
có được.
- Tính đơn giản: Lắp đặt, thiết lập, kết nối mạng máy tính không dây là dễ
dàng, đơn giản và có thể tránh được việc kéo cáp qua các bức tường và trần nhà.
3
- Tính linh hoạt: Có thể triển khai ở những nơi mà mạng hữu tuyến không
thể triển khai được.
- Tiết kiệm chi phí lâu dài: Trong khi đầu tư cần thiết ban đầu đối với
phần cứng của một mạng máy tính không dây có thể cao hơn chi phí phần cứng
của mạng hữu tuyến nhưng toàn bộ phí lắp đặt và các chi phí về thời gian tồn tại
có thể thấp hơn đáng kể. Chi phí dài hạn có lợi nhất trong các môi trường động
cần phải di chuyển và thay đổi thường xuyên.
- Khả năng vô hướng: Các mạng máy tính không dây có thể được cấu
hình theo các topo khác nhau để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng và lắp đặt cụ thể.
Các cấu hình dễ dàng thay đổi từ các mạng ngang hàng thích hợp cho một số
lượng nhỏ người sử dụng đến các mạng có cơ sở hạ tầng đầy đủ dành cho hàng
nghìn người sử dụng mà có khả năng di chuyển trên một vùng rộng.
1.3 Kiến trúc cơ bản của mạng WLAN
Mạng sử dụng chuẩn 802.11 gồm có 4 thành phần chính:
- Hệ thống phân phối (Distribution System - DS)
- Điểm truy cập (Access Point - AP)
- Tần liên lạc vô tuyến (Wireless Medium)
- Trạm (Stattions)
Hình 1.1 Kiến trúc cơ bản của một mạng WLAN
1.3.1 Điểm truy nhập AP (Access Point)
Điểm truy cập AP là thiết bị không dây, là điểm tập trung giao tiếp các
AP cũng là các STA do vậy chúng là thực thể có thể đánh địa chỉ. Các địa chỉ
được AP sử dụng để trao đổi thông tin trên môi trường vô tuyến WM và trên môi
trường hệ thống phân phối DSM không nhất thiết phải giống nhau.
1.3.3 Cầu nối vô tuyến từ xa
Các cầu vô tuyến từ xa tương tự như các điểm truy nhập trừ trường hợp
chúng được sử dụng cho các kênh bên ngoài. Phụ thuộc vào khoảng cách và
vùng mà có thể cần tới các anten ngoài. Các nhu cầu này được thiết kế để kết nối
các mạng với nhau, đặc biệt trong các toà nhà và xa khoảng 32km. Chúng cung
cấp mét lựa chọn nhanh chóng và rẻ tiền so với lắp đặt cáp hoặc đường điện thoại
thuê riêng và thường được sử dụng khi các kết nối truyền thông khả thi (ví dụ
qua các sông, vướng địa hình, các khu vực riêng, đường cao tốc, minh hoạ hình
1.4)
Hình 1.4 Cầu nối vô tuyến
6
Khác với các liên kết cáp và các mạch điện thoại chuyên dụng các cầu vô
tuyến có thể lọc lưu lượng và đảm bảo rằng các mạng được kết nối không mất
các lưu lượng cần thiết.
1.3.4 Trạm thu phát STA – Station
Các trạm thu, phát sóng thực chất là các thiết bị không dây kết nối vào
mạng như máy vi tính, máy Palm, máy PDA, điện thoại di động… với vai trò
như phần tử trong mô hình mạng ngang hàng Pear to Pear hoặc Client trong mô
hình Client/Server. Trong phạm vi luận văn này chỉ đề cập đến các thiết bị không
dây.
1.3.5 Các thiết bị máy khách trong WLAN
a, Card PCI Wireless
Là thành phần phổ biến nhất trong WLAN. Dùng để kết nối các máy
khách vào hệ thống mạng không dây. Được cắm vào khe PCI trên máy tính. Loại
này được sử dụng phổ biến cho các máy tính để bàn (desktop) kết nối vào mạng
Hình 1.8 Cấu hình mạng WLAN độc lập
8
Cấu hình độc lập này cung cấp kết nối đồng mức, trong đó các nút di động
trao đổi thông tin trực tiếp với nhau thông qua các bộ biến đổi vô tuyến. Vì các
mạng adhoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên chúng thường được thiết
lập mà không cần một công cụ hay kỹ năng đặc biệt nào. Cấu hình mạng này
cũng không cần phải quản trị mạng. Các cấu hình như vậy rất thích hợp sử dụng
trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên
chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử
dụng đều nghe được lẫn nhau.
1.3.6.2 Cấu hình WLAN cơ sở (BSS)
Một điểm truy nhập có thể mở rộng khoảng cách giữa hai WLAN độc lập
khi nó hoạt động như một bộ lặp làm tăng hai lần cự ly giữa các nút di động. Các
điểm truy nhập AP sẽ gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các
thiết bị trong vùng phủ sóng của một ô. AP đóng vai trò điều khiển cell và điều
khiển lưu lượng tới mạng (Hình 1.9).
Trong cấu hình WLAN cơ sở, các thiết bị di động không giao tiếp trực
tiếp với nhau mà giao tiếp qua các điểm truy nhập.
Như vậy, cấu hình WLAN cơ sở sẽ bao gồm các nút di động được nối vào
mạng hữu tuyến, chuyển dịch từ thông tin vô tuyến sang thông tin hữu tuyến
thông qua một điểm truy nhập. Điểm truy nhập AP có thể là trạm gốc (đối với cơ
sở hạ tầng hữu tuyến) hoặc cầu vô tuyến đối với cơ sở hạ tầng vô tuyến
Hình 1.9 Cấu hình WLAN cơ sở
Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10 – 15% cho phép các trạm di
động có thể di chuyển mà không bị mất kết nối vô tuyến và cung cấp vùng phủ
sóng với chi phi thấp nhất. Các trạm sẽ chọn AP tốt nhất để kết nối.
thành một mạng lớn hơn, phạm vi phủ sóng rộng hơn, thuận lợi và đáp ứng tốt
cho các Client di động. Đảm bảo sự hoạt động của tất cả các Client.
Hình 1.11 Cấu hình ESS
1.3.6.4 Cấu hình WLAN hoàn chỉnh
Hình 1.12 Cấu hình WLAN hoàn chỉnh
1.4 Kỹ thuật điều chế trải phổ.
1.4.1 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế.
Điều chế là một kĩ thuật được sử dụng để chuyển thông tin số liệu vào tín
hiệu và quyết định lượng thông tin có thể được chứa trong tín hiệu này. Nói
chung, kĩ thuật điều chế càng phức tạp thì càng có nhiều thông tin số liệu được
truyền tải trong tín hiệu. Tuy nhiên, kĩ thuật điều chế càng phức tạp thì càng tốn
nhiều thời gian hoặc độ trễ để thực hiện giải điều chế tín hiệu.
11
a. Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-PSK.
Sơ đồ thông dụng điều chế và giải điều chế M-PSK với M = 4, còn gọi là
QPSK (Quarternary Phase Shift Keying), được thể hiện trên hình 1.13
Đối với sơ đồ điều chế 4-PSK (hình 1.13a), luồng dữ liệu nhị phân lối vào
được chia thành các cặp bít, qua bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P
(Serial/Parallel) được chia làm hai nhánh, mỗi nhánh một bán symbol gồm 1 bít
với độ rộng được mở rộng thành T
s
= 2T
b
. Các bít (bán symbol) của từng nhánh
này, sau khi qua các bộ lọc thông thấp LPF (Low-Pass Filter) hạn băng và tạo
dạng xung (pulse shaping) dạng căn bậc hai cosine nâng mắc nối tiếp với một
Hình 1.13 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK
S/P
LPF
LPF
data
từng 2 bít
90
o
~
Σ
Tín hiệ
u
QPSK
cos2πf
c
t
sin2πf
c
t
A/D
Từ bộ trộn
xu
ố
ng
data
(từng 2 bít) 12 Hình 1.14 Chòm sao tín hiệu M-PSK
Đối với sơ đồ giải điều chế 4-PSK (hình 1.13b), tín hiệu nhận được bao
gồm cả tín hiệu hữu ích và tạp âm sau khi được trộn xuống IF từ mạch trộn
xuống (down converter) sẽ được đưa song song tới 2 nhánh của bộ giải điều chế.
Tại các nhánh này, tín hiệu sẽ được nhân với các thành phần đồng pha hoặc
vuông pha của sóng mang trung tần nhằm loại bỏ thành phần tần số cao. Các bộ
lọc thông thấp (cũng thường là các mạch lọc căn bậc hai cosine nâng), mạch lấy
mẫu tại các thời điểm t = kT
s
(k là chỉ số khe thời gian của các symbol hay cặp
•
•
•
d
P
sin( / )
P sPSK
d E M
π
=
0
I
Q
sPSK
E 13
khe thời gian của symbol được truyền), có thể nhận L =
M
trị biên độ, tùy
thuộc vào mẫu các bít của cụm bít lối vào. Dạng phổ tín hiệu đầu ra được hình
Hình 1.15 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM
S/P
§æi møc
2/L
§æi møc
2/L
m bit
m/2 bit
m/2 bit
A
k
B
k
×
×
∼
90
o
b
T
(t)sin2
π
f
c
t
LO
Läc
th«ng thÊp
Läc
th«ng thÊp
a)
dãy bít lối ra
90
0
LPF
LPF
A/D
&
giải
mã
b)
∼
cos2
π
f
c
t
sin2
π
f
c
t
14
Hình 1.16 Chòm sao tín hiệu 16-QAM
Hiệu quả sử dụng phổ của điều chế M-QAM cũng được tính theo (1.15).
Chòm sao tín hiệu điều chế M-QAM có nhiều dạng khác nhau, ngoài các dạng
(1.2), hiệu quả phổ của cả M-PSK và M-QAM như nhau với cùng giá trị M và hệ
số uốn lọc α. Về lý thuyết, tỷ lệ lỗi phụ thuộc khoảng cách từ điểm tín hiệu tới
biên quyết định gần nhất d
P
và d
Q
(hình 1.14 và 1.16), cùng tỷ lệ lỗi symbol có
nghĩa là d
P
= d
Q
, theo các hình 1.14 và 1.16 thì điều kiện này là:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
d
M
=
−sQAM
E 15sin( / )
2( 1)
sQAM
sPSK
E
E M
M
π
=
−
(1.3)
Như vậy, để so sánh hai loại điều chế này ta có thể xét tỷ số sau, là một
hàm của M:
2 2
( ) 2( 1) sin ( / )
sQAM
1.4.2 Kỹ thuật trải phổ
Trải phổ tín hiệu là việc trải thật rộng phổ của tín hiệu truyền đi với sự trợ
giúp của chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN (PseudoNoise), nguyên thủy là để
nhằm chống nhiễu cố ý (jamming) và bảo mật tin tức. Đầu thu, tín hiệu mang tin
được khôi phục nhờ một bản sao đồng bộ của chuỗi PN bên phát. Một dạng
B
ộđiều chế
B
ộlọc phát
M.trư
ờ
ng
truyền
Tạp âm
Ngu
ồ
n
symbol
t b
ị
qu. định
Nhiễu
Chú giải:
KPĐH = Khôi phục đồng hồ; KPSM = Khôi phục sóng
mang; KĐCS = Khuếch đại công suất 16
thường được áp dụng của trải phổ là trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct
Sequence – Spectrum Spreading), trong đó tín hiệu mang tin được nhân trực tiếp
với chuỗi trải phổ PN – chuỗi chip, có tốc độ rất lớn hơn tốc độ chuỗi bít dữ liệu.
Đối với hệ thống như thế, các tia trễ sau tia đầu tiên quá một độ rộng chip T
c
sẽ
xuất hiện như một nhiễu gần trắng có mật độ phổ công suất rất thấp do đặc tính
tự tương quan của chuỗi chip PN. Như thế, việc truyền theo nhiều tia sẽ rút thành
một tia với các tia trễ bị nén xuống như nhiễu, hạn chế được nhờ sử dụng mạch
lọc. Nghĩa là trải phổ có thể khắc phục khá tốt hiệu ứng truyền đa đường. Hơn
thế nữa, nếu sử dụng máy thu cào (RAKE receiver), các tia trễ có thể gom lại
thành các chùm có độ trễ là nguyên lần T
c
và có thể kết hợp lại cho tương hợp
nhau về pha để thành một tín hiệu tốt hơn.
1.4.3 Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM –
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
hiệu DATA, được phát với tốc độ chỉ thị trong trường RATE và tạo thành các tín
hiệu OFDM phức. Bít đuôi (Tail) trong tín hiệu Signal cho phép giả mã các
trường RATE và LENGTH được yêu cầu giải mã phần DATA của gói. Ngoài ra,
cơ chế CCA có thể được cải thiện bằng cách dự báo khoảng thời gian một gói tin
nhờ thông tin từ nội dung của các trường RATE và LENGTH, thậm chí ngay cả
khi các tốc độ dữ liệu không được trạm hỗ trợ.
1.5 Tiêu chuẩn kỹ thuật của mạng WLAN và các yếu tố ảnh hưởng đến chất
lượng mạng WLAN
Năm 1990, Viện các kỹ sư điện và điện tử IEEE đã thành lập một uỷ ban
để phát triển tiêu chuẩn cho các mạng WLAN hoạt động ở tốc độ từ 1 đến 2
Mbps. Năm 1992, Viện các tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu thành lập một hiệp
hội để xây dựng tiêu chuẩn WLAN dùng cho các mạng LAN vô tuyến
(HIPERLAN) hoạt động trong phạm vi tốc độ khoảng 20 Mbps. Gần đây các
chuẩn xây dựng cho mạng WLAN phục vụ cho các ứng dụng đặc biệt trong
18
phạm vi một toà nhà đã và đang được phát triển. Khác với các chuẩn này, quá
trình phát triển chuẩn IEEE 802.11 đã bị ảnh hưởng mạnh bởi các sản phẩm của
mạng WLAN có mặt trên thị trường. Vì vậy, mặc dù cần khá nhiều thời gian để
hoàn thiện các tiêu chuẩn (do có khá nhiều đề xuất mang nặng tính cạnh tranh từ
phía các nhà cung cấp thiết bị), nó vẫn là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho đến nay.
Phần này trình bày về các chuẩn của mạng WLAN trong đó tập trung vào chuẩn
802.11.
Họ tiêu chuẩn 802.11 do IEEE phát triển định nghĩa giao diện vô tuyến
giữa trạm vô tuyến và trạm gốc hay giữa hai trạm vô tuyến với nhau. Các tiêu
chuẩn IEEE 802.11 cung cấp tốc độ truyền dẫn 2 Mbps. Họ tiêu chuẩn 802.11 có
nhiều phần mở rộng trong đó ba tiêu chuẩn 802.11b, 802.11a, 802.11g là quan
trọng nhất.
Tiêu chuẩn IEEE 802.11b hay Wi-Fi là phần mở rộng của tiêu chuẩn
2,4 GHz
900 MHz
11 Mbps
FHSS
DSSS
Sử dụng phổ biến
nhất
IEEE 802.11a 5 GHz 54 Mbps OFDM
Mới hơn, nhanh
hơn, sử dụng tần số
cao hơn
IEEE 802.11e 5 GHz UNII 54 Mbps OFDM
IEEE 802.11g
2,4 GHz ISM 54 Mbps
DSSS
FHSS
Nhanh hơn và tương
thích với 802.11b
IEEE 802.11h
OFDM
IEEE 802.11i 5 GHz UNII 54 Mbps OFDM
IEEE/ETSI
802.11j
OFDM
GMSK
ETSI
1.5.1 Nhóm vật lý PHY
1.5.1.a. Chuẩn 802.11b
802.11b là chuẩn đáp ứng đủ cho phần lớn các ứng dụng của mạng. Với
một giải pháp rất hoàn thiện, 802.11b có nhiều đặc điểm thuận lợi so với các
chuẩn không dây khác. Chuẩn 802.11b sử dụng kiểu trải phổ trực tiếp DSSS,
hoạt động ở dài tần 2,4 GHz, tốc độ truyền dữ liệu là 11Mbps trên một kênh, tốc
độ thực tế khoảng 4- 5 Mbps. Khoảng cách có thể lên tới 500m trong môi trường
mở rộng. Khi dùng chuẩn này tối đa có thể là 32 người/AP.
Nhược điểm của 802.11b là hoạt động ở dải tần 2,4 GHz trùng dải tần của
nhiều thiết bị trong gia đình như là: Lò vi sóng, điện thoại mẹ con … nên có thể
bị nhiễu.
Thời điểm phê chuẩn 9/1999
Dải tần hoạt động 2,4 GHz
Tốc độ truyền dữ liệu 11 Mbps
Bán kính phủ sóng 100m (với dải tần 11Mbps)
Kỹ thuật điều chế DSSS
Phổ tần chiếm dụng 83,5 MHz
Bảng 1.2 Một số thông số kỹ thuật của chuẩn 802.11b
1.5.1 b. Chuẩn 802.11a
Chuẩn 802.11a là phiên bản nâng cấp của 802.11b, hoạt động ở dải tần
5GHz, dùng công nghệ trải phổ OFDM. Tốc độ tối đa từ 25 Mbps đến 54 Mbps
trên một kênh, tốc độ thực tế xấp xỉ 27 Mbps, dùng chuẩn này tối đa có 64
người/AP. Đây là chuẩn đã được chấp nhận rộng rãi trên thế giới.
21
Thời điểm phê chuẩn 9/1999
Dải tần hoạt động 5GHz
Tốc độ truyền dữ liệu 25 – 54 Mbps
100Mbps. 802.11n cũng cung cấp phạm vi bao phủ tốt hơn so với các chuẩn Wi
– Fi trước nó nhờ cường độ tín hiệu mạnh của nó.
1.5.2 Nhóm lớp liên kết dữ liệu MAC
1.5.2.a. Chuẩn 802.11d
Chuẩn 802.11d bổ sung một số tính năng đối với lớp MAC nhằm phổ biến
WLAN trên toàn thế giới. Một số nước trên thế giới có quy định rất chặt chẽ về
tần số và mức năng lượng phát sóng vì vậy 802.11d ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu
đó. Tuy nhiên, chuẩn 802.11d vẫn đang trong quá trình phát triển và chưa được
chấp nhận rộng rãi như là chuẩn của thế giới.
1.5.2.b. Chuẩn 802.11e
Đây là chuẩn được áp dụng cho cả 802.11 a, b, g. Mục tiêu của chuẩn này
nhằm cung cấp các chức năng về chất lượng dịch vụ - QoS cho WLAN. Về mặt
kỹ thuật, cũng bổ sung cho một số tính năng cho lớp MAC. Chuẩn 802.11e hiện
nay vẫn đang trong quá trình phát triển và chưa chính thức áp dụng trên toàn thế
giới.
1.5.2.c. Chuẩn 802.11f
Đây là một bộ tài liệu khuyến nghị của các nhà sản xuất để các AP của các
nhà sản xuất khác nhau có thể làm việc với nhau. Điều này quan trọng khi quy
mô mạng lưới đạt đến mức đáng kể. Khi đó mới đáp ứng được việc kết nối mạng
không dây liên cơ quan, liên xí nghiệp có nhiều khả năng không dùng cùng loại
thiết bị.
1.5.2.d. Chuẩn 802.11h
Tiêu chuẩn này bổ sung một số tính năng cho phân lớp con MAC nhằm
đáp ứng các quy định châu Âu ở dải tần 5GHz. Châu Âu quy định rằng các sản
phẩm dùng dải tần 5GHz phải có tính năng kiểm soát mức năng lượng truyền dẫn
TPC – Transmission Power Control và khả năng tự động lựa chọn tần số DFS –
23
Dynamic Frequency Selection. Lựa chọn tần số AP giúp làm giảm đến mức tối
IEEE 802.11
FHSS
HIPERLAN
Thời gian rỗi cần để
truyền dẫn gói tức thì
50
s
µ
128
s
µ
85
s
µ
Khoảng trống liên
khung để truyền bản
tin xác nhận
10
s
µ
28
s
µ
21,8
s
µ
s
µ
(2 Mbps)
12,3
s
µ
(1 Mbps)
6,20
s
µ
(2 Mbps)
12,2
s
µ
(1 Mbps)
696,4
s
µ
Thời gian truyền bản
tin xác nhận
248
s
µ
(2 Mbps)
304
s
µ
suất phát. Bluetooth có thể được tích hợp vào hầu như bất kỳ thiết bị di động nào
khi sử dụng modul truyền thông vô tuyến giá thành hạ và kích thước nhỏ (1cm x
3cm). Ngăn xếp Bluetooth điển hình cho trên Hình 1.20. Chức năng của các lớp
trong ngăn xếp được cho trong Bảng 1.6
Hình 1.20 Ngăn xếp triển khai Bluetooth
Lớp Chức năng
Vô tuyến Máy thu viba phạm vi nhỏ có đồng hồ và máy
phát bên ngoài.
Bộ xử lý băng gốc Xác định các thủ tục cần để hỗ trợ trao đổi thoại
và số liệu thời gian thực cũng như thông tin về mạng.
Quản lý kết nối Phần mềm chức năng thực hiện các giao thức
như thiết lập tuyến, cấu hình mạng và nhận thực.
Giao diện bộ điều
khiển host
Giao diện với host Bluetooth.
Bảng 1.6 Các chức năng của các lớp trong ngăn xếp
Copyright: Tài liệu đại học ©