Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Thách thức trong mạng cảm biến không dây (WSN)

Thách thức trong mạng cảm biến không dây (WSN)

Như đã bàn luận ở số trước, mạng cảm biến không dây là tập hợp của các nút mạng, có thể là các nút cảm biến, bộ chấp hành hay người dùng. Công nghệ MEMS cho phép thu nhỏ kích thước của các nút cảm biến, giảm giá thành và năng lượng tiêu thụ cho phép triển khai mạng cảm biến không dây trên diện rộng. Kỹ thuật phân bố và công nghệ liên kết mạng không dây khiến cho dữ liệu thu thập được ngày càng ổn định, dẫn đến những ứng dụng của mạng không dây ngày nay không chỉ giới hạn ở các lĩnh vực quân sự mà còn được triển khai ở các ứng dụng dân sự một cách rộng rãi. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây vẫn đang tồn tại một số thách thức cần giải quyết. 

1. CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÀ NHU CẦU VỀ NỀN TẢNG KIẾN TRÚC

Đối với mạng cảm biến không dây, vấn đề trở nên phức tạp hơn khi quy mô của hệ thống được gia tăng. Những vấn đề gặp phải với mạng Internet vẫn đúng với IoT nhưng phức tạp hơn rất nhiều. Một số thách thức có thể kể đến như:

- Phạm vi hoạt động của domain: Internet ngày càng thâm nhập sâu hơn vào cuộc sống con người thông qua dịch vụ của IoT, không chỉ thông qua các ứng dụng mới mà còn qua các công nghệ truyền thông (ICT). Điển hình là thẻ RFID có thể kiểm soát chuỗi giá trị đến từng mặt hàng trên toàn cầu.

- Mô hình kinh doanh: nền tảng Web 2.0 đã dẫn đến sự đa dạng hóa và phương thức kinh doanh mới, xu hướng này sẽ còn phát triển mạnh hơn khi IoT trở thành một phần của Internet trong tương lai.

- Sở hữu tài nguyên: cơ sở của Internet hiện tại là sở hữu và độc quyền sử dụng tài nguyên, tuy nhiên với IoT thì mọi thứ sẽ hoàn toàn khác. Nhiều hệ thống phức tạp, ví dụ như mạng cảm biến toàn thành phố, sẽ không chỉ được sở hữu bởi một người hay nhóm người, và sự ảnh hưởng của các nhóm phi sở hữu cũng sẽ tăng lên.

- Phạm vi đối tượng liên quan: số lượng các đối tượng được cảm nhận, theo dõi và điều khiển thông qua mạng IoT sẽ tăng lên nhiều lần. Các đối tượng có thể là các vật thể ở thế giới micro-nano như vi khuẩn, nanobots,... cho tới những vật thể ở thế giới vĩ mô như các hành tinh.

- Thời gian và độ tin cậy: IoT sẽ được áp dụng tới các khu vực mà điều khiển thời gian thực với độ chính xác cao là bắt buộc (nhà máy, trạm không lưu,...) hay ở các ứng dụng giám sát nơi mà kết quả được thu thập cứ mỗi vài giây hay thậm chí là vài phút.

Quy mô của những thách thức kể trên sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề phức tạp khác trong hệ thống IoT và điều này dẫn đến mối quan tâm và thúc đẩy sự tham gia của nhiều lĩnh vực khác nhau. Những nhà thiết kế hệ thống IoT sẽ gặp phải những yêu cầu đa dạng và khắt khe từ người dùng, đồng thời sẽ có nhiều hơn một lời giải đáp cho cùng một vấn đề từ những nhóm thiết kế khác nhau. Các nền tảng khác nhau sẽ khiến cho việc điều hành không đồng nhất, tăng chi phí khi liên kết giữa các khu vực với nhau. Việc này ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư và vận hành của hệ thống, ảnh hưởng xấu đến tính khả thi của việc triển khai các hệ thống IoT. Vấn đề này không thể nào tự nó giải quyết, cái ta cần là sự thống nhất về nền tảng kiến trúc và sự nâng cấp của các module hệ thống sau mỗi lần triển khai. Một bản tham chiếu chuẩn và tư vấn cấp cao có lẽ sẽ giúp giải quyết vấn đề chất lượng, đồng thời tránh được khác biệt về cấu trúc giữa các mô-đun. 

alt

Hình 1: Mô hình tham chiếu chuẩn của IoT [1] 

2. LƯỢNG TRUY CẬP

Việc cài đặt các thiết bị cảm biến của mạng không dây sẽ tăng nhanh trong những năm tới do nhu cầu của việc giám sát toàn diện (ví dụ: quy trình trong nhà máy hay vận tải). Theo ABI Research, trong 10 năm tới sẽ có 50 tỉ thiết bị được lắp đặt mới, và việc vận hành số thiết bị đó sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề:

a. Xử lý dữ liệu

Lượng dữ liệu được tạo ra từ mạng cảm biến không dây có thể tăng từ mức EiB (10246 bytes) lên mức ZiB (10247 bytes). Theo số liệu của IDC, năm 2009 lượng dữ liệu toàn cầu là 0.8 ZiB nhưng sẽ tăng lên 35 ZiB vào năm 2020. Phần lớn dữ liệu sẽ đến từ các nút cảm biến hơn là do con người. Vấn đề lưu trữ, truyền tải và thời gian xử lý sẽ trở thành những vấn đề chưa từng thấy của những người làm kĩ thuật.

b. Trí tuệ nhân tạo và tự thích nghi 

Vận hành cơ sở vật chất luôn cần đến sự an toàn, tiết kiệm năng lượng, tính hiệu quả và tiện lợi. Hiện nay quyết định điều hành từ con người được đưa ra sau khi thu thập và xử lý dữ liệu. Tuy nhiên, trong tương lai hình thức này sẽ không còn phù hợp nữa. Khi đó, trí tuệ nhân tạo sẽ đảm nhiệm vai trò phản hồi khi có bất cứ  sự thay đổi nào xảy ra. Các vấn đề phải được xử lý theo thời gian thực, phản hồi được hệ thống đưa ra dựa trên dữ liệu thu thập được. Việc đó yêu cầu nền tảng điều khiển phải rất tốt để đảm bảo độ an toàn và tin cậy của hệ thống.  

c. Truy cập đồng thời

Khi càng có nhiều thiết bị trong mạng, độ trễ của mỗi thiết bị khi điều khiển cũng sẽ tăng lên. Với công nghệ hiện tại, việc điều khiển dưới 100 thiết bị ở lưới điện sẽ cho độ trễ dưới 2ms, nhưng khi quy mô mạng tăng lên thì yêu cầu sẽ trở nên khắt khe hơn rất nhiều. Một số điểm yếu của công nghệ hiện tại có thể kể đến như sau:

- Công nghệ truy cập theo thời gian, dự trữ lưu lượng, phân bổ tài nguyên,... để đảm bảo độ tin cậy trong truyền thông cũng đồng thời khiến cho mạng không được sử dụng hết khả năng.

- Truy cập tranh chấp đến từ nhiều nguồn khác nhau sẽ khiến cho hiệu suất của mạng giảm đi.

Hai công nghệ giao tiếp mới đã được đưa ra để giải quyết các vấn đề trên, thứ nhất là giao tiếp không dây dựa trên nền tảng Bluetooth dành cho cảm biến và bộ chấp hành (WISA), thứ hai là mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.11 dành cho công nghiệp tự động.

d. Kĩ thuật chia kênh tần số 

Công nghệ Bluetooth hiện nay vận hành trong khoảng 2400 MHz đến 2483.5 MHz, có 79 kênh và trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn. Bluetooth có thể được sử dụng ở lớp vật lý để đáp ứng các yêu cầu lưu lượng cao. Bên cạnh đó, lớp MAC (Media Access Control) cũng được thiết kế để hỗ trợ truy cập theo phiên (TDMA), chia tần (FDM) và nhảy tần (FH). Thông qua sóng cao tần, ta còn có thể cấp năng lượng cho hệ thống.

e. Truy cập với hệ thống anten phân bố rộng 

IEEE 802.11 là tập các chuẩn của lớp MAC và lớp vật lý cho phép giao tiếp WLAN ở các dải tần 2.4 GHz, 3.6 GHz, 5 GHz và 60 GHz. Hai công nghệ dựa trên nền tảng đó là giao tiếp PHY và MAC dựa trên FDM/TDMA thích hợp với giao tiếp khoảng cách xa. Bên cạnh đó, bằng các phương pháp quy hoạch tài nguyên, tập hợp dữ liệu, tập hợp gói và tối ưu hiệu năng, độ trễ tín hiệu có thể được giảm xuống 10 ms.

alt

Hình 2: Thách thức của IoT

3. TRUYỀN THÔNG THỜI GIAN THỰC

Mạng cảm biến truyền thống chỉ có chức năng cảm nhận, thu thập và xử lý thông tin đối tượng trong vùng được phủ sóng rồi sau đó chuyển cho các phân tích tiếp sau. Mạng cảm biến truyền thống tập trung vào việc nâng cao chất lượng mạng và giảm năng lượng tiêu thụ. Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của hệ thống cơ sở hạ tầng trong các thành phố thông minh, phạm vi phủ sóng trở nên rất lớn dẫn đến thời gian truyền dẫn dần giảm đi. Ví dụ: hệ thống kiểm soát giao thông trong thành phố cần thu thập thông tin về lưu lượng xe cộ của cả một khu vực rất lớn và truyền về trung tâm điều khiển. Sau đó trung tâm sẽ tính toán, đưa ra quyết định và truyền lại về cho các nút giao thông. Quá trình này cần được hoàn thành trong vài giây, đưa ra yêu cầu mới cho hệ thống mạng cảm biến không dây.

Một số công nghệ mạng có thể được dùng để xây dựng mạng cảm biến không dây diện rộng (Ethernet, WLAN, mạng di động,...). Mạng dây cáp có tốc độ từ 100 cho tới 1000 Mbps và có độ trễ vài mili giây, tốc độ của mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.11 hay IEEE 802.15.4 có thể từ 250 kbps tới 72.2 Mbps, và độ trễ trong khoảng vài trăm mili giây tới vài phút. Sự phát triển của công nghệ mạng, đặc biệt là MIMO (multiple input multiple output) hay công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) giúp tăng hiệu năng truyền thông một cách đáng kể. Nhiều nghiên cứu về mạng cảm biến thời gian thực trong khu vực rộng là một vấn đề đang được quan tâm đặc biệt, và giải pháp cho chúng có thể được chia ra thành hai loại.

alt

Hình 3: Truyền thông thời gian thực ở Libelium [2]

a. Giải pháp phân tán 

Phương pháp này chia quá trình truyền dữ liệu thành nhiều mức dựa theo yêu cầu. Mỗi phần của mạng sẽ đảm nhận các vai trò truyền thông khác nhau dựa trên điều kiện hoạt động của mạng. Giải pháp này có độ linh hoạt cao, mỗi phần hoạt động độc lập không gây ảnh hưởng đến toàn hệ thống. Mô hình này cũng giống với mạng Internet hiện nay nên có thể dễ dàng thích nghi và phát triển.

b. Giải pháp tập trung 

Giải pháp này quản lý các mạng phân tán một cách thống nhất. Để đáp ứng các yêu cầu về độ trễ, lưu lượng truyền thông, độ tin cậy,... Giải pháp này dự trữ tài nguyên và đặt ra lịch trình kết hợp giữa các miền mạng khác nhau, đảm bảo các yêu cầu đề ra. Giải pháp tập trung ưu việt hơn ở chỗ nó có thể tối ưu tiến trình truyền tin với hiệu năng tốt hơn. Tuy nhiên, giải pháp này tương đối phức tạp nên nó mới chỉ được ứng dụng ở một số mạng có độ riêng tư cao.

4. CÁC VẤN ĐỀ BẢO MẬT

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây tập trung vào bảo mật bản thân dữ liệu và kết nối mạng giữa các nút cảm biến. Đối với dữ liệu nội bộ, một số tiêu chí cần được đảm bảo bao gồm tính toàn vẹn (data integrity), tính bí mật (data confidentiality), tính sẵn sàng (data availability), tính xác thực (data authentication) và tính liên tục của dữ liệu (data freshness). Tính toàn vẹn dữ liệu nói đến việc các gói dữ liệu nhận được phải giống với gói dữ liệu được gửi đi từ nút mạng, không bị thay thế bởi một gói tin nào khác. Nhờ tính bí mật, dữ liệu được bảo vệ để chỉ có thể đọc bởi người nhận xác định. Các thuật toán mã hóa có ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực này. Các dịch vụ mạng cũng luôn phải sẵn sàng cho việc truyền nhận dữ liệu, kể cả khi bị tấn công từ chối dịch (DOS). Trong khi đó, tính xác thực đảm bảo dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền. Các thuật toán đối xứng hay phi đối xứng có thể được áp dụng giữa các nút truyền và nhận. Tính liên tục của dữ liệu rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Kẻ tấn công có thể gửi lặp lại một gói tin đã hết hạn để làm tiêu tốn tài nguyên của mạng. Tính liên tục bảo đảm dữ liệu nhận được là mới và không bị lặp lại thông qua các cơ chế dấu ấn thời gian [3].

Bên cạnh đó, cũng cần có giải pháp để bảo vệ truy cập tới các kênh giao tiếp (hay media access control) và vị trí các nút cảm biến cũng cần được che giấu. Các nút mạng cần được an toàn trước những đợt tấn công tiêu thụ tài nguyên, tấn công từ chối dịch vụ hay chiếm quyền điều khiển các nút. Tấn công mạng đơn lẻ có thể tạo nên một lỗ hổng lớn trong hệ thống nếu không được giải quyết kịp thời, do đó việc thiết kế mạng cảm biến không dây cần có chức năng bảo mật ngay từ đầu chứ không thể tính đến nó như là một chi tiết phụ cho cả hệ thống.

Tấn công đối với WSN có thể xảy ra ở nhiều lớp, từ lớp vật lý (physical layer) cho đến lớp vận chuyển (transport layer) nếu tính theo mô hình OSI. Ở tầng vật lý, các thiết bị có thể bị tấn công thông qua sóng vô tuyến hay do can thiệp trực tiếp. Phương pháp phòng thủ thường thấy là sử dụng giao tiếp đa tần và phân tán mã. Ở lớp 2 (data link layer), tấn công đụng độ (collision attack) diễn ra khi sự truyền dữ liệu từ hai nút diễn ra đồng thời tại cùng một tần số, nếu lặp lại nhiều lần nó sẽ trở thành tấn công toàn diện vào tài nguyên của nút mạng. Ở lớp mạng (network layer), tấn công chuyển tiếp chọn lọc (selective forwarding) trong đó các gói dữ liệu sẽ đi theo đường truyền sai. Ngoài ra còn có các dạng tấn công chủ yếu tập trung vào việc khiến cho các nút mạng nhầm lẫn về đối tượng trong mạng như tấn công Sybil, tấn công gói dữ liệu khởi tạo. Cuối cùng ở lớp vận chuyển có hai dạng tấn công chủ yếu là tấn công từ chối dịch vụ (flooding attack) và ngăn đồng bộ (desynchronization) [4]. 

alt

Hình 4: Bảo mật trong IoT [5]

Trước các tấn công như trên, một số phương pháp áp dụng bảo mật trong mạng cảm biến không dây có thể kể đến, bao gồm:

a. Quản lý khóa 

Quản lý khóa là một lĩnh vực được chú trọng trong WSN. Việc quản lý khóa bao gồm khởi tạo, phân phát, xác thực, nâng cấp lưu trữ, phục hồi và phá hủy khóa. Cơ chế quản lý khóa hiệu quả cũng là nền tảng cho các cơ chế bảo mật khác như bảo mật đường truyền, bảo mật vị trí và tập hợp dữ liệu. Kịch bản quản lý khóa thường thấy có thể kể đến như quản lý khóa toàn bộ, quản lý khóa ngẫu nhiên, quản lý theo khu vực, quản lý khóa theo nhóm và quản lý khóa công khai. Tuy thế, đặc tính của hệ thống mạng lại khiến cho việc chia sẻ khóa một cách bí mật giữa các nút mạng trở nên khó khăn.

b. Quản lý đường truyền 

Do WSN sử dụng kĩ thuật định tuyến gián tiếp đa điểm và tự tổ chức trong liên kết mạng, mỗi nút cần có sự thiết lập và bảo trì định tuyến. Quyết định được đưa ra trong việc lựa chọn đường truyền giữa các nút mạng chính là nền tảng cho giao thức truyền tin an toàn. Nhiều nền tảng truyền tin an toàn đã được đưa ra cho WSN, bao gồm truyền tin theo nền phẳng, theo cấu trúc thứ bậc và theo khu vực. Phương pháp trong giao thức dựa trên các thông tin phản hồi, thuật toán mã hóa và cấu trúc thứ bậc. Các giao thức an toàn khác nhau có thể giải quyết các dạng tấn công khác nhau. Tuy nhiên, đa số các phương pháp truyền tin an toàn hiện nay đều định các nút mạng là cố định, nên cần có giao thức an toàn tiên tiến để thỏa mãn nhu cầu ứng dụng di động. c. Quản lý nguồn cấp năng lượng

Mỗi nút cảm biến đều đồng thời đóng nhiều vai trò: từ thu thập dữ liệu, xử lý và truyền tin. Mục đích của mạng là có khả năng làm việc lâu nhất có thể để truyền dữ liệu liên tục đến các nút thu thập. Tuy thế, các nút mạng phải tham gia vào mạng càng ít càng tốt để tiết kiệm năng lượng. Hai vấn đề đối lập này dễ dẫn đến các cuộc tấn công vào nguồn cấp của nút cảm biến. Những kẻ tấn công bằng cách này hay cách khác có thể khiến các nút mạng hoạt động liên tục, qua đó làm tiêu hao năng lượng và khiến cho hệ thống bị gián đoạn.

Trên đây là những thách thức gặp phải khi triển khai mạng cảm biến không dây. Dẫu còn nhiều trở ngại nhưng không thể phủ định ảnh hưởng ngày càng sâu rộng của xu hướng Internet kết nối vạn vật, vấn đề sẽ được chúng tôi thảo luận trong số tới.

Kỳ tới: Ảnh hưởng của xu hướng Internet kết nối vạn vật.

[1] https://www.automation.com/automation-news/ article/sensors-are-fundamental-to-industrial-iot

[2] http://www.libelium.com/smart-logistics-real- time-geolocation-3g-gps-gprs-tracking-sensing- goods/

[3] https://www.ijarcsse.com/docs/papers/Vol- ume_4/7_July2014/V4I7-0119.pdf

[4] http://journals.sagepub.com/doi/ full/10.1155/2014/303501

[5] http://vinaap.com/tham-hoa-ve-bao-mat-nam- 2017-anh-huong-nguoi-dung/ 

VĂN VŨ VÀ TÙY PHONG (tổng hợp)

Theo Tạp chí Tự động hoá Ngày nay số 194 (tháng 4/2017)


Newer news items:
Older news items:

 

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết