TÌM HIỂU TỔNG QUAN
G IỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG FANET
Công nghệ máy tính và truyền thông không dây đã có những tiến bộ nhanh chóng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống thông qua các ứng dụng mới Trong bối cảnh này, mạng di động ad hoc (MANET) đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng như mạng cảm biến không dây và hệ thống giao thông thông minh Gần đây, thuật ngữ Mạng Ad hoc Bay (FANET) đã xuất hiện, kết hợp các phương tiện bay không người lái với cơ sở hạ tầng cố định để tạo ra các trạm giao tiếp FANET mở ra nhiều ứng dụng mới, bao gồm vận chuyển hàng hóa, logistics, giám sát mùa màng, giám sát nông nghiệp, hoạt động cứu hộ và các ứng dụng quân sự Các khái niệm liên quan đến mạng FANET đang ngày càng được quan tâm và phát triển.
Mạng Adhoc là một tập hợp các thiết bị hoặc nút mạng có khả năng kết nối và giao tiếp không dây mà không cần quản trị trung tâm Mỗi nút trong mạng này hoạt động như một máy chủ và đồng thời cũng là một thiết bị định tuyến, cho phép tạo ra một mạng linh hoạt và tự quản lý.
UAV (Máy bay không người lái) có nhiều kích thước và hình dạng, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau UAV tầm gần thường được điều khiển bằng sóng radio, giống như máy bay mô hình, với sự truyền trực tiếp giữa bộ điều khiển và UAV Trong khi đó, UAV tầm xa cần một vệ tinh trung gian để đảm bảo tín hiệu mạnh mẽ, cho phép chúng bay xa hơn nhưng vẫn nằm trong tầm kiểm soát.
Hình 1-1: Hình ảnh minh họa các UAV
FANET (Flying Ad-Hoc Network) là một mạng lưới Ad-Hoc được hình thành từ các UAV, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong các nhiệm vụ phức tạp khi kết nối với nhau Để tạo thành mạng FANET, ít nhất một UAV phải kết nối với GCS hoặc vệ tinh Mặc dù FANET có nhiều điểm tương đồng với MANET (Mobile Ad-Hoc Network) và VANET (Vehicle Ad-Hoc Network), nhưng nó vẫn sở hữu những đặc điểm khác biệt về quan niệm và thiết kế, bao gồm kết nối, chất lượng dịch vụ, loại cảm biến, tính năng di chuyển của nút, cung cấp dữ liệu và khám phá dịch vụ.
Hình 1-2: Hình ảnh so sánh giữa MANET, VANET và FANET
FANET là một hệ thống UAV vượt trội hơn so với UAV đơn lẻ, nhờ vào khả năng hoạt động của nhiều UAV trong các kịch bản đa bước (multi-hop) Hệ thống này cho phép các UAV không cần phải kết nối trực tiếp với trạm mặt đất hoặc vệ tinh, mang lại nhiều lợi ích hơn so với các hệ thống UAV đơn.
- Chi phí bảo trì và sửa chữa thấp hơn
Hệ thống UAV nhỏ có phạm vi phủ sóng hạn chế hơn so với UAV lớn, nhưng UAV lớn lại có khả năng thích ứng với các tình huống khác nhau một cách linh hoạt hơn.
So với UAV truyền thống, UAV hiện đại có khả năng liên kết và giao tiếp với nhau mà không cần cơ sở hạ tầng cố định Khi một UAV không hoàn thành nhiệm vụ, các UAV khác có thể tiếp nhận và thực hiện nhiệm vụ đó thông qua các tuyến đường khác nhau Nếu một UAV gặp rủi ro như bị kẻ thù tiêu diệt hoặc gặp bão, dữ liệu của nó sẽ được tải xuống không dây cho các UAV lân cận, đảm bảo tính liên tục và hiệu quả trong hoạt động.
- Nhiều thiết bị UAV tạo ra vùng radar dò tìm chính xác hơn
- Hệ thống a UAV bền vững hơn, hoạt ộng nhanh và vận hành tốt hơn
Hạn chế năng lượng là một thách thức lớn đối với UAV, chủ yếu do nguồn năng lượng chính là pin tích hợp hoặc bảng điều khiển năng lượng mặt trời Kích thước pin không đủ lớn để cung cấp năng lượng cần thiết cho các nhiệm vụ tiêu thụ nhiều năng lượng, đặc biệt là khi cần truyền tải dữ liệu đến các nút khác Phạm vi công suất của UAV vì vậy vẫn bị giới hạn, ảnh hưởng đến khả năng thực hiện các nhiệm vụ giám sát hiệu quả.
Chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) trong FANET là yếu tố quan trọng, cho phép vận chuyển đa dạng hàng hóa đến tay khách hàng, như dịch vụ giao hàng bằng máy bay không người lái từ Amazon Hệ thống này tích hợp bản đồ GPS, phát trực tuyến video, hình ảnh và tin nhắn tức thì, đảm bảo các thông số dịch vụ như độ trễ, băng thông và tỷ lệ mất gói tin đạt tiêu chuẩn cần thiết cho các ứng dụng FANET Hơn nữa, với sự gia tăng số lượng UAV, việc phối hợp giữa UAV và máy bay có người lái trở nên cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các chuyến bay.
Mạng FANET không an toàn và cần có các chương trình bảo mật hiệu quả, chú trọng vào các đặc tính riêng của nó, vì những tính năng này là nguyên nhân chính gây ra lỗ hổng trong các cuộc tấn công Việc sử dụng liên kết không dây giữa bộ phát và bộ nhận có thể dẫn đến nhiều loại tấn công như can thiệp chủ động, nghe trộm thụ động, giả mạo dữ liệu, rò rỉ thông tin bí mật, phát lại tin nhắn, lạm dụng tin nhắn, từ chối dịch vụ và mạo danh.
Trong mạng adhoc, việc truyền gói tin hiệu quả yêu cầu phải qua nhiều trạm và nút mạng Để đảm bảo gói tin đến đích, cần áp dụng các phương pháp định tuyến Tuy nhiên, do các đặc điểm riêng của các nút trong FANET như tốc độ, thiếu năng lượng, và sự thay đổi nhanh chóng trong các liên kết, việc định tuyến trở thành một thách thức lớn Sự biến động năng lượng của cấu trúc liên kết mạng và thông tin không chính xác khiến hầu hết các giao thức như định tuyến nguồn động, định tuyến đã được tính toán trước, và định tuyến theo yêu cầu không thể áp dụng trực tiếp Do đó, cần điều chỉnh các giao thức này để phù hợp với yêu cầu của FANET.
Ngoài ra, các yếu tố như môi trường, yêu cầu về điện năng, sự cố liên kết thường xuyên do mức độ dao động mạng cao, và tính phức tạp cũng là những hạn chế đáng chú ý của FANET.
1.1.3 Đặc iểm của mạng FANET
FANET là một mạng Ad-Hoc được tạo thành từ các UAV, trong đó ít nhất một UAV phải kết nối với GCS hoặc vệ tinh FANET khác biệt so với các mạng Ad-Hoc hiện tại, nhưng có thể được coi là một dạng đặc biệt của MANET hoặc VANET Mạng FANET sở hữu những đặc điểm riêng biệt, góp phần vào sự phát triển của công nghệ UAV.
Mỗi UAV được xem như một hệ thống đầu cuối, yêu cầu sự cộng tác và tự tổ chức để chuyển tiếp thông tin Kiến trúc Ad-Hoc cho phép UAV xử lý tốt những thay đổi cấu trúc do tính cơ động cao Trong mạng FANET, Trạm kiểm soát mặt đất (GCS) hoạt động như một nút cuối, có thể có vị trí địa lý cố định hoặc thay đổi, và giao tiếp với UAV gần nhất, đóng vai trò như một Gateway.
Tính di động của nút UAV cao hơn so với các mạng Ad hoc như MANET và VANET, với vận tốc dao động từ 30 đến 460 km/h Sự khác biệt về tốc độ giữa cánh cố định và cánh quay, cùng với các loại UAV khác, có thể dẫn đến lỗi liên kết, gián đoạn và chậm truyền tin nhắn, gây ra các vấn đề về định tuyến.
Ứ NG DỤNG
FANET yêu cầu kết nối hiệu quả, đồng thời phải đối mặt với các khoảng cách và trở ngại khác Để nâng cao tuổi thọ mạng và giảm thiểu sự cố, các thiết bị nhạy cảm với nguồn điện trong FANET cần được quản lý chặt chẽ Cảm biến và thiết bị truyền thông đóng vai trò thiết yếu, cho phép kết nối tức thì với mức tiêu thụ điện năng tối ưu Ứng dụng của FANET sẽ mang lại nhiều lợi ích trong việc cải thiện hiệu suất mạng.
1.1.4 Nông nghiệp Đánh giá sinh trưởng cây trồng sử dụng công nghệ viễn thám và xử lý hình ảnh: nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh có giá thành cao ối với một người nông dân bình thường, hơn nữa ộ phân giải và chất lượng hình ảnh chịu ảnh hưởng bởi iều kiện thời tiết Sử dụng UAV nhỏ trang bị các camera phổ chuyên dụng ược xem như là lựa chọn kinh tế và an toàn nhất hiện tại Các thông tin chỉ số sinh trưởng thực vật NDVI trên bản ồ xây dựng bởi ảnh chụp từ UAV có thể diễn dịch thành các dấu hiệu của một số vấn ề mà khu vực canh tác ang gặp phải như: sâu bệnh, thiếu nước và chất dinh dưỡng
Máy bay không người lái hỗ trợ rải phân bón và phun thuốc trừ sâu hiệu quả nhờ khả năng bay cao và xa Được trang bị hệ thống phun điều chỉnh và phun diện rộng, thiết bị này giúp tăng năng suất, hiệu quả trong nông nghiệp, đồng thời tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình chăm sóc cây trồng.
Hình 1-3: Ứng dụng mạng FANET trong nông nghiệp
1.1.5 Công nghiệp Đặc thù của giám sát và iều khiển công nghiệp là môi tr ường nhiễu lớn, không òi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin ược truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về ộ tin cậy và áp ứng thời gian thực FANET ược ứng dụng trong linh vực này chủ yêu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt ộng của hệ thống, n hư trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt ộ và áp suất của nguyên liệu ược lưu trữ, …
FANET sử dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của chất độc hại và vật liệu nguy hiểm, giúp nhận diện sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hóa học và sinh học Điều này cho phép ngăn chặn thiệt hại nghiêm trọng và kiểm soát hiệu quả các chất độc trước khi chúng lan ra ngoài khu vực kiểm soát.
Hình 1-4: Ứng dụng mạng FANET trong Công nghiệp 1.1.6 Quân sự
UAV được sử dụng bởi Không quân Hoa Kỳ để thu thập dữ liệu và đánh giá mà không làm nguy hiểm đến phi công trong môi trường khắc nghiệt Với công nghệ mạng ad hoc không dây, nhiều UAV có thể giao tiếp và làm việc cùng nhau để hoàn thành nhiệm vụ Nếu một UAV bị tiêu diệt, dữ liệu của nó có thể nhanh chóng được tải xuống cho các UAV lân cận khác Mạng lưới giao tiếp ad hoc của UAV còn được gọi là mạng trời tức thì, phục vụ cho việc điều khiển, thu thập tin tức tình báo, theo dõi đối tượng nghi ngờ, trinh sát và tìm kiếm mục tiêu.
Kiểm tra lực lượng và trang bị, giám sát chiến trường, trinh sát khu vực và lực lượng đối phương, tìm kiếm mục tiêu, đánh giá thiệt hại sau trận đánh, cũng như phát hiện và trinh sát các vũ khí hóa học, sinh học và hạt nhân là những nhiệm vụ quan trọng trong hoạt động quân sự.
Công nghệ hiện đại cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật, giúp họ tương tác hiệu quả hơn Nó cũng hỗ trợ trong việc kiểm tra tình trạng bệnh nhân, chẩn đoán và quản lý dược phẩm trong bệnh viện Bên cạnh đó, công nghệ cho phép kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học của côn trùng và sinh vật nhỏ khác, cũng như giám sát từ xa các chỉ số sinh lý con người Hơn nữa, việc giám sát và kiểm tra giữa bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện cũng trở nên dễ dàng hơn nhờ vào các giải pháp công nghệ tiên tiến.
1.1.8 Trong ời sống hằng ngày và gia ình
- Quay phim và chụp ảnh từ trên cao, một cách tổng quát và ầy ủ nhất
- Giao hàng nhanh chóng và tiện lợi, nhất là trong giai oạn giãn cách dịch bệnh ang tràn lan ngoài xã hội
SmartHome là khái niệm chỉ ngôi nhà thông minh, nơi các thiết bị FANET được ứng dụng toàn diện Người dùng có thể điều khiển mọi thiết bị từ xa thông qua một ứng dụng chung, bao gồm ti vi, máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác Ngoài ra, các bóng đèn, cửa ra vào và ổ khóa cũng được trang bị kết nối FANET, mang lại sự tiện lợi và hiện đại cho ngôi nhà.
MÔ HÌNH/KỸ THUẬT
M Ô HÌNH KỸ THUẬT PHẦN CỨNG CỦA UAV
Hình 2-10: Hình các thành phần bên trong của UAV
Mô hình tổng quan này cung cấp cái nhìn tổng quát về hoạt động của nhóm UAV trong mạng FANET trong quân sự Để hiểu rõ hơn về các giao thức định tuyến và bảo mật thông tin, cần nghiên cứu cách thức định tuyến khi một nút mạng FANET (UAV) liên tục thay đổi vị trí Đồng thời, cũng cần tìm hiểu biện pháp bảo đảm an toàn thông tin khi một thiết bị UAV bị bắn hạ và cách thức truyền tải thông tin mà không bị phát hiện, sẽ được đề cập trong chương tiếp theo.
PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT
C ÁC VẤN ĐỀ VỀ B ẢO MẬT
FANET Nó giúp tăng khả năng mở rộng mạng, giảm chi phí ịnh tuyến và tối a hóa thông lượng, tiết kiệm năng lượng của UAV
Mạng cơ hội (Opportunistic Network) là một loại mạng đặc biệt không yêu cầu đường dẫn hoàn chỉnh giữa nút nguồn và nút đích, cho phép giao tiếp thông qua các cơ hội gặp gỡ do chuyển động của nút Các mạng không dây truyền thống như MANET, mạng cảm biến không dây và mạng lưới không dây thường gặp khó khăn trong việc xử lý sự gián đoạn kết nối trong môi trường khắc nghiệt, dẫn đến hiệu suất mạng giảm sút và có thể gây lỗi Trong thực tế, cấu trúc topo của mạng có thể thay đổi liên tục và kết nối không được đảm bảo Do đó, việc nghiên cứu các giao thức định tuyến là cần thiết để tìm ra phương thức truyền dữ liệu hiệu quả Beaconless Opportunistic Routing Protocol nổi bật với khả năng duy trì kết nối mạng trong điều kiện có độ trễ cao và liên kết không ổn định.
3.2 Các vấn ề về bảo mật
Các cuộc tấn công vào mạng Ad-Hoc
Bảo mật trong mạng FANET là một nhiệm vụ quan trọng, tương tự như các mạng không dây khác Để đánh giá mức độ an toàn của mạng Ad-Hoc, cần dựa trên các tiêu chí bảo mật chính như tính khả dụng, tính toàn vẹn, tính bảo mật, tính xác thực, tính không từ chối, sự ủy quyền và tính ẩn danh Tuy nhiên, do tính chất đặc thù của mạng FANET với đặc tính cộng tác, liên kết không dây, thiếu cơ sở hạ tầng cố định và môi trường không thể kiểm soát, việc đảm bảo an ninh cho các mạng này trở thành một thách thức lớn.
Năm 2016, Nils Rodday đã thực hiện một vụ hack trực tiếp bằng cách khai thác lỗ hổng của máy bay không người lái chuyên nghiệp, xâm nhập vào hệ thống và chiếm quyền kiểm soát UAV.
Các mạng FANET không an toàn và cần có các chương trình bảo mật hiệu quả để xử lý các đặc tính riêng biệt của chúng, vì chính những đặc điểm này tạo ra lỗ hổng bảo mật Việc sử dụng liên kết không dây giữa điểm phát và điểm nhận có thể dẫn đến nhiều loại tấn công như can thiệp chủ động, nghe trộm thụ động, giả mạo dữ liệu, rò rỉ thông tin bí mật, phát lại tin nhắn, lạm dụng tin nhắn, từ chối dịch vụ và mạo danh Do môi trường không được kiểm soát trong mạng Ad-Hoc, các cuộc tấn công có thể xảy ra từ cả bên trong lẫn bên ngoài mạng.
Nghe trộm trong môi trường không dây dễ dàng hơn so với môi trường có dây, vì không cần tiếp cận trực tiếp cáp Trong giao tiếp không dây, dữ liệu có thể bị lắng nghe ngay cả khi đã được mã hóa, thông qua việc phân tích các gói dữ liệu thu được Kiểu tấn công này chỉ nhằm mục đích nghe lén mà không can thiệp vào nội dung của gói, khiến cho việc phát hiện cuộc tấn công trở nên khó khăn.
Tấn công bằng cách sử dụng các cuộc tấn công sửa đổi trong giao thức AODV cho phép kẻ tấn công gửi gói tin với số thứ tự thấp hơn, từ đó đánh lừa các nút khác về vị trí của mục tiêu Kẻ tấn công có thể thiết lập một tuyến đường mới để tiếp cận mục tiêu, thay vì sử dụng tuyến đường thông thường, gây ra rủi ro cho an ninh mạng.
Hop Count là số lượng nút trung gian mà một gói tin phải đi qua từ nguồn đến đích Thông qua số bước nhảy, có thể xác định số lượng nút mà gói tin đã đi qua Kẻ tấn công có thể thay đổi thông tin này bằng cách sử dụng một địa chỉ giả mạo hoặc khởi tạo giá trị hop count bằng 0 Nếu đường dẫn tối ưu được xác định qua số bước nhảy, nó có thể không còn khả dụng khi giá trị này bị thay đổi, dẫn đến việc kết nối được thực hiện qua một đường dẫn sai.
Sửa đổi nút nguồn là một phương pháp tấn công nhằm thay đổi giá trị định tuyến của gói tin, khiến cho việc theo dõi trở nên khó khăn hơn Bằng cách ngẫu nhiên thay đổi hướng đi của các gói tin, kẻ tấn công tạo ra một trở ngại lớn cho việc xác định mục tiêu Do không thay đổi đường đi của các gói tin liên tục, việc phát hiện cuộc tấn công này trở nên phức tạp hơn.
Tấn công giả mạo là phương thức tấn công mà kẻ xâm nhập hiển thị địa chỉ IP hoặc MAC của mình dưới dạng địa chỉ IP hoặc MAC khác Hình thức tấn công này không chỉ giới hạn ở địa chỉ IP hoặc MAC, mà còn có thể được thực hiện bằng cách thay đổi các nhận dạng khác Hậu quả là, nếu một quy trình nào đó dựa vào các nhận dạng này được thực hiện, một điểm yếu có thể xuất hiện, tạo cơ hội cho các cuộc tấn công tiếp theo.
Tấn công bằng cách sử dụng chế tạo là một hình thức tấn công thông qua việc gửi thông điệp định tuyến sai lệch Kẻ tấn công có thể làm cho một tuyến đường hợp lệ trông như không hợp lệ, hoặc ngược lại, khiến cho một tuyến đường không hợp lệ lại có vẻ hợp lệ.
Lỗ sâu (Wormhole) là một loại tấn công mạng nhằm rò rỉ thông tin bằng cách thiết lập một đường hầm giữa các nút, trong đó ít nhất một nút là độc hại Nút độc hại có khả năng chuyển tiếp bản sao của các gói dữ liệu ra ngoài mạng để phân tích hoặc đơn giản là loại bỏ chúng, gây ra các dị thường Triệu chứng của lỗ sâu thường không rõ ràng do tính chất di động của mạng, khiến cho sự chậm chạp có thể do lỗ sâu hoặc điều kiện môi trường xấu, làm cho việc phân biệt giữa chúng trở nên khó khăn Tấn công này còn được gọi là tấn công hầm.
Nếu nút của kẻ tấn công quản lý để tham gia vào tuyến đường, nó có thể làm rơi gói nhận được Trong trường hợp này, nút bị tấn công không thể truy cập được tại thời điểm đó, khiến việc xác định nút của kẻ tấn công trở nên khó khăn Thêm vào đó, kẻ tấn công có thể thực hiện chuyển tiếp sai để gây rối loạn hoặc đảm bảo dữ liệu không đến được đích bằng cách xóa một nút khỏi bảng định tuyến.
3.2.2 Các biện pháp ối phó cho mạng Ad-hoc bị tấn công bảo mật
Cơ chế bảo mật được chia thành hai loại chính: phòng ngừa và phản ứng Phương pháp phòng ngừa tập trung vào việc ngăn chặn các vi phạm bảo mật thông qua các kỹ thuật như mã hóa, trong khi phương pháp phản ứng nhằm xác định và xử lý các vi phạm đã xảy ra Sự kết hợp giữa cả hai cơ chế này sẽ nâng cao mức độ an toàn cho mạng.
Do không có dây dẫn để cung cấp dữ liệu giao tiếp, tín hiệu dễ bị phát hiện Phạm vi phát hiện có thể được thu hẹp bằng cách sử dụng ăng-ten định hướng và các kỹ thuật điều chế khác Kẻ nghe trộm có thể gặp khó khăn trong việc phân tích dữ liệu Các cuộc tấn công gây nhiễu có thể được thực hiện để làm gián đoạn liên lạc Phổ trải rộng nhảy tần (FHSS) và phổ trải rộng tuần tự trực tiếp (DSSS) được đề xuất như những biện pháp bảo vệ Chuyển đổi tần số không phối hợp (UFH) và DSSS không phối hợp giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào khóa chia sẻ trong FHSS và DSSS Tần số nhảy với công bố hạt giống không phối hợp (USD-FH), dựa trên trao đổi khóa, cũng được áp dụng Ngoài ra, việc gây nhiễu và các vấn đề chống nhiễu cần xem xét trong các chuyển động của các nút.
Lớp liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc truy cập phương tiện, kiểm soát lỗi và dòng chảy dữ liệu Việc lạm dụng phương tiện có thể gây hại cho mạng tương tự như tấn công từ chối dịch vụ (DoS) Cardenas và các cộng sự đã công bố cơ chế phát hiện và ngăn chặn hành vi ích kỷ trong mạng ad hoc Đồng thời, Ren và các đồng nghiệp đã đề xuất Giao thức Bảo mật Lớp Liên kết (LLSP) tiết kiệm năng lượng, nhằm thực hiện xác thực và kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu trong mạng cảm biến không dây.
