Thách thức trong mạng cảm biến không dây (WSN)

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.

3. TRUYỀN THÔNG THỜI GIAN THỰC

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

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]. 

Hình 4: Bảo mật trong IoT [5]