HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HOÀNG THỊ THU

NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2019


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HOÀNG THỊ THU

NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 08.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG TRỌNG MINH

HÀ NỘI – 2019


và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận văn.

Hà Nội, tháng 11 năm 2018
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Thu


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... vi
BẢNG KÝ HIỆU ................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................. 4
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây .............................................. 4
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ................................................................. 5
1.2.1. Cấu trúc của một node mạng WSN ............................................................... 5
1.2.2. Cấu trúc của toàn mạng WSN ....................................................................... 6
1.2.3. Cấu trúc đặc trưng của WSN ......................................................................... 8
1.3. Đặc điểm và yếu tố ảnh hưởng tới WSN ........................................................ 13
1.3.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .................................................... 13
1.3.2. Yếu tố ảnh hưởng của mạng cảm biến không dây ...................................... 14
1.4. Các công nghệ truyền dữ liệu trong WSN ..................................................... 17
1.4.1. Bluetooth ..................................................................................................... 17

2.2.3. Lược đồ nhận thực động .............................................................................. 30
2.2.4. Lược đồ nhận thực động lớn ....................................................................... 30
2.2.5. Lược đồ nhận thực nhẹ ................................................................................ 31
2.2.6. Lược đồ nhận thực hiệu quả ........................................................................ 31
2.2.7. Nhận thực sử dụng cấp hai TTUA .............................................................. 31
2.2.8. Nhận thực sử dụng cấp cao hai cấp TTUA ................................................. 31
2.3. Các giao thức trao đổi khóa ............................................................................ 32
2.3.1. Giao thức thỏa thuận chính.......................................................................... 32
2.3.2. Giao thức truy xuất chính ............................................................................ 33
2.3.3. Giao thức quản lý khác cho các nút thu nhận.............................................. 35
2.4. Các giao thức xác thực ..................................................................................... 36
2.4.1. Giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP)..................................... 37


v

2.4.2. Giao thức xác thực lại Sensor -1 (SRP1)..................................................... 38
2.4.3. Giao thức xác thực lại Sensor - 2 (SRP2).................................................... 39
2.4.4. Giao thức kích hoạt và xác thực người dùng (UAAP) ................................ 41
2.4.5. Giao thức xác thực người dùng chìm (USiAP) ........................................... 42
2.4.6. Giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP) .................................... 43
2.5. Kết luận chương ............................................................................................... 44
CHƯƠNG 3. NHẬN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING ... 45
3.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 45
3.2. Giải pháp nhận thực bằng watermarking ..................................................... 46
3.2.1. Kỹ thuật Watermark .................................................................................... 47
3.2.2. Phân loại Watermark ................................................................................... 49
3.2.3. Một số giải pháp nhận thực bằng watermarking ......................................... 51
3.3. Mô hình hóa và mô phỏng kiểm chứng .......................................................... 53
3.3.1. Bài toán đặt ra ............................................................................................. 53

Communication

Giao tiếp

CH

Cluster Head

Nút chủ

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi số - tương tự

DCT

Discrete Cosine Transform

Biến đổi Cosin rời rạc

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DP


Hardware Constraints

Ràng buộc phần cứng

IAT

Inter Arrival Time

Thời gian liên tiếp giữa các gói tin

ID

Identification

Mã nhận dạng

LFS

Location Finding System

Hệ thống định vị

MB

Mobilizer

Bộ phận di động

MH


Power Generator

Bộ phát nguồn

PKC

Public Key Crypto

Mật mã khóa công khai

PU

Power Unit

Bộ nguồn

PU

Processing Unit

Bộ xử lý

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến


vii


SN

Sensor Nodes

Nút cảm biến

SS

Sensing

Cảm nhận

SU

Storage Unit

Bộ lưu trữ nhỏ

SU

Sensing Unit

Bộ cảm nhận

TA

Tiered Architecture

Cấu trúc tầng

Mạng cảm biến không dây


viii

BẢNG KÝ HIỆU
A

Cơ quan kiểm soát A

B

Cơ quan kiểm soát B

BSj

Trạm cơ sở thứ j

EiB(m)

Mã hóa của m, sử dụng khóa KiB

G0j

Nhóm tất cả các thực thể không liên quan đến BSj

Gj

Nhóm tất cả các thực thể liên quan đến BSj


Chuỗi thứ i trong trao đổi tin nhắn

R

Phạm vi truyền sóng

Rk(t)

Độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm ứng

Sj

Bộ sink thứ j

t

Khoảng thời gian khảo sát

Td

Khoảng thời gian thỏa thuận

Tk

Vé thứ k

Ui

Nút thứ i


Hình 1.11:Mạng gia đình thông minh .......................................................................24
Hình 1.12: WSN trong quản lý hàng hóa ..................................................................25
Hình 1.13: WSN trong bến cảng ...............................................................................25
Hình 1.14: WSN trong trồng trọt ..............................................................................26
Hình 1.15: WSN trong chăn nuôi ..............................................................................26
Hình 1.16: WSN trong giao thông ............................................................................27
Hình 2.1: Tạo và nhập khóa dựa trên thời gian với tham chiếu đến đoạn thời gian .33
Hình 2.2: Cây Hash nhị phân được tạo ra với vectơ chỉ số V = v1, v2, v3, v4 ........35
Hình 2.3: Quản lý chuỗi khóa trong nút thu nhận .....................................................36
Hình 2.4: Trao đổi bản tin cho giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP) .37
Hình 2.5: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực lại Sensor-1 (SRP1) ..................39
Hình 2.6: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực lại Sensor-2 (SRP2) ..................40
Hình 2.7: Trao đổi bản tin cho giao thức kích hoạt và xác thực Người dùng (UAAP)
...................................................................................................................................42
Hình 2.8: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP) .43
Hình 3.1: Phân loại Watermarking............................................................................49


x

Hình 3.2: Phân loại các thuật toán Watermarking dựa trên miền biến đổi dùng cho
quá trình nhúng Watermarking .................................................................................50
Hình 3.3: Phân loại Watermarking dựa vào ứng dụng của watermarking ................51
Hình 3.4: Mô hình mã hóa và giải mã watermark ....................................................56
Hình 3.5: Tỷ lệ phát hiện tấn công lưu lượng dựa trên tỷ lệ thay đổi tốc độ gói tin và
khoảng tin cậy ...........................................................................................................60


xi


các nước trên thế giới.
Với cách đặt vấn đề như trên, mục đích nghiên cứu của luận văn là nhằm
phân tích, đánh giá các giải pháp sử dụng nhận thực bằng phương pháp watermark


2

ứng dụng cho mạng cảm biến không dây, trên cơ sở đó đề xuất cải tiến một phương
pháp nhận thực trong mạng cảm biến không dây.
Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là các giải pháp watermark sử
dụng cho nhận thực trong mạng cảm biến không dây.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm:
1) Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề lý thuyết.
2) Nghiên cứu các giải pháp công nghệ.
3) Đề xuất các giải pháp đã có.
4) Kiểm chứng thông qua mô phỏng số hoặc mô phỏng sự kiện rời rạc.
Phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong luận văn là phương
pháp phân tích, tổng hợp thông tin để từ đó đề xuất giải pháp cải thiện.
Nội dung của luận văn được trình bày theo cấu trúc sau:
- “Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây”: Trình bày một bức
tranh tổng quát về mạng cảm biến không dây. Từ đó, nội dung của chương đi sâu
phân tích cấu trúc, đặc điểm, các công nghệ truyền dữ liệu, yếu tố ảnh hưởng và
đánh giá các tiềm năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây cũng như xác định
rõ các vấn đề cần nghiên cứu.
- “Chương 2: Nhận thực trong mạng cảm biến không dây”: Chương này trình
bày về nguyên lý nhận thực trong WSN, phân tích các giải pháp kỹ thuật cơ bản,
các giao thức xác thực sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong WSN.
- “Chương 3: Nhận thực bằng phương pháp watermarking”: Tập trung vào
các vấn đề xung quanh việc nhận thực bằng phương pháp watermarking để từ đó đề


thông qua các nút cảm biến khác và thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu
để lưu trữ, phân tích và xử lý.
Nút cảm biến bao gồm các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ phận cảm biến, bộ thu phát
không dây, bộ nhớ có giới hạn và nguồn nuôi. Khi nút cảm biến hoạt động, các nút
này sẽ thu nhận tín hiệu từ môi trường và bản thân thiết bị, tín hiệu có thể là tín hiệu
vật lý, sinh học, hóa học hay chuyển thành tín hiệu điện năng để đưa vào vi điều
khiển. Thiết bị vi điều khiển sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý chúng. Sau
đó, bộ truyền nhận tín hiệu thiết lập giao tiếp truyền dữ liệu đã được xử lý đến các
nút trong mạng.


5

1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.1. Cấu trúc của một node mạng WSN
Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản gồm: bộ cảm nhận
(a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ
nguồn (a power unit). Khi xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát
triển các nút cấu thành mạng- nút cảm biến. Các nút phải có kích thước nhỏ, giá
thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có
thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán, có bộ nhớ
đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân
cận. Bên cạnh đó, có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng
dụng gồm: hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power
generator) và bộ phận di động (mobilizer).

Hình 1.1: Thành phần của một nút cảm ứng

Với mô hình trên:
 Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi

các nút sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các nút sink bởi một cấu trúc đa điểm,
các nút sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.


7

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Khi thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải dùng một số cơ chế, kỹ
thuật đặc thù sau:
 Giao tiếp không dây multihop: khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính,
thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay
các vật cản. Khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát
lớn nên cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng
thể.
 Hoạt động năng lượng hiệu quả: nhằm mục đích hỗ trợ kéo dài thời gian
sống của toàn mạng.
 Tự động cấu hình: mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông
số một cách tự động. Các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua
các nút khác (gọi là tự định vị).
 Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: việc sử dụng một nút
cảm biến không thể thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có sự cộng tác hoạt
động của nhiều nút thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu
gửi ngay đến nút sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Do vậy, cần
sự kết hợp dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới nút sink
thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy, cấu trúc mạng mới có các tính năng cơ bản sau:



nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên
cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.4)


9

Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, mỗi lớp
có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này, các
sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò là một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu
ra khỏi dữ liệu, các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức
năng của các mạng cảm ứng có thể phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút,
hoặc phân biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông
ở phạm vi rộng tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.5).

Hình 1.5:Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý


10

Tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic khi thực
hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác, bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền
thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những quy tắc
logic này tạo nên mạng phân cấp logic (hình 1.6), có thể thay phiên định kỳ để đảm
bảo sự công bằng khi các nút tham gia với khả năng tính toán cao hơn hoạt động thì
các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này. Nếu
không có máy chủ, một cụm các cảm biến cần thiết phải chọn ra một nút để thực
hiện các nhiệm vụ tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có mỗi
nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ định

vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Nếu
một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm


12

nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để
phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ
giảm đi.
-

Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần phải tính
toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán. Với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt
động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp
với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu
trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được
thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.

-

Độ tin cậy cao: mỗi mạng cảm ứng phải phù hợp với số lượng các nút yêu
cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Trong mạng cấu
trúc phẳng, qua phân tích, đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút
W 
 , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh
 n

trong mạng có n nút là 