Nâng cao hiệu năng bảo mật tầng vật lý cho mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật khuếch đại - chuyển tiếp có một trạm nghe lén

Bài viết trình bày tổng quan về bài toán bảo mật tầng vật lý; trình bày mô hình hệ thống và phát biểu bài toán bảo mật tầng vật lý mạng vô tuyến chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật AF với một trạm nghe lén.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nâng cao hiệu năng bảo mật tầng vật lý cho mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật khuếch đại - chuyển tiếp có một trạm nghe lén Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University NÂNG CAO HIỆU NĂNG BẢO MẬT TẦNG VẬT LÝ CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI - CHUYỂN TIẾP CÓ MỘT TRẠM NGHE LÉN Nguyễn Như Tuấn* Tạp chí An toàn thông tin Tóm tắt Ý tưởng bảo mật tầng vật lý (Physical Layer Security) đã được Wyner nghiên cứu, công bố từ năm 1975 và đang được mở rộng nghiên cứu mạnh mẽ trong thập kỷ gần đây. Theo lý thuyết thông tin, các bài toán bảo mật này đều được phát biểu dưới dạng các bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là tối đa hóa tốc độ truyền tin bảo mật hoặc tối thiểu hóa công suất truyền. Các bài toán tối ưu này thường có dạng bài toán tối ưu không lồi nên không có cách giải tìm nghiệm tối ưu toàn cục, các cách giải được công bố gần đây thường là tìm nghiệm cận tối ưu. Đóng góp chính của bài báo là đề xuất một cách giải mới cho bài toán khó này với trường hợp bảo mật tầng vật lý mạng chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật Khuếch đại - Chuyển tiếp có sự xuất hiện một trạm thu lén dựa trên Quy hoạch DC và giải thuật DCA. Phần thực nghiệm cho thấy nghiệm cận tối ưu của thuật toán đề xuất tốt hơn phương pháp giải đã được công bố. Từ khóa: Bảo mật tầng vật lý; quy hoạch DC và giải thuật DCA; khuếch đại - chuyển tiếp. 1. Giới thiệu Hiện nay, hầu hết các phương pháp đảm bảo bí mật trong hệ thống truyền tin là dựa vào kỹ thuật hay thuật toán mật mã (cryptography algorithms) để mã hóa nội dung thông tin cần bảo mật từ nơi gửi đến nơi nhận. Mô hình tổng quát cho hệ thống này được thể hiện như trên hình 1. Theo đó, người gửi là Alice muốn gửi một thông báo cho người nhận là Bob, còn Eve - người nghe lén, không thể biết được nội dung thông báo. Để đảm bảo yêu cầu trên, Alice sử dụng một hoặc một vài thuật toán mã hóa kết hợp với khóa mã để mã hóa bản thông báo. Bob biết về thuật toán mã hóa được sử dụng nên đã dùng khóa bí mật hợp lệ do anh ta có để giải mã bản thông báo. Còn Eve thu được bản mã và có thể biết về thuật toán mã hóa được sử dụng, nhưng không biết về khóa mã được sử dụng, nên sẽ rất khó giải mã được thông báo do Alice gửi cho Bob. Phương pháp bảo mật thông tin truyền thống thường sử dụng các thuật toán mật mã tại các tầng phía trên trong mô hình truyền tin đa tầng đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Hiện tại, các phương pháp này vẫn được cho là đảm bảo an toàn trong nhiều mô hình ứng dụng. Tuy nhiên, mức độ an toàn của các thuật toán mật mã này * Email: nguyennhutuan@bcy.gov.vn 60 Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University thường phụ thuộc vào mức độ phức tạp tính toán của việc giải mã khi không có khóa. Do đó, khi máy tính lượng tử thực sự được áp dụng thì độ khó này sẽ không còn là thách thức đối với mã thám [7]. Hình 1. Mô hình truyền tin cần bảo mật thông dụng Một xu hướng khác cho bảo mật mạng không dây được nghiên cứu rộng rãi trong thời gian gần đây là bảo mật dữ liệu tầng vật lý mà không sử dụng các thuật toán mật mã và có thể kháng lại máy tính lượng tử. Thực tế, hướng nghiên cứu về bảo mật tầng vật lý đã được Tiến sĩ Aaron D. Wyner đề xuất từ năm 1975 [1]. Wyner đã chứng minh rằng có thể truyền tin bảo mật với tốc độ Cs (Cs ≥ 0) trong hệ thống truyền tin có sự xuất hiện của người nghe lén (Eavesdropper). Tuy nhiên, tại thời điểm đó Wyner đã đưa ra một giả thiết quan trọng trong các kết quả của mình là kênh truyền giữa Alice và Eve, được gọi là kênh nghe lén (wire-tap channel), có độ suy hao lớn hơn kênh truyền từ Alice đến người nhận hợp pháp Bob, hay còn gọi là kênh chính (main channel) và khái niệm về tốc độ truyền tin an toàn (secrecy rate) Rs được định nghĩa là [1], [4-6]: RS  log(1  SNR d )  log(1  SNR e ) (1) trong đó, SNRd và SNRe là giá trị tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signal to Noise Ratio) tại trạm thu hợp pháp và tại trạm nghe lén. Theo đó, giá trị Cs = max(Rs), sẽ tồn tại một bộ mã hóa kênh có thể truyền Rs bít tin bí mật trên một đơn vị tín hiệu truyền tin (bits/symbol) [1, 8, 9]. Giả thiết về chất lượng kênh truyền khó được đảm bảo do hạn chế về kỹ thuật truyền tin tại thời kỳ đó và kênh nghe lén thường không được kiểm soát nên ý tưởng của Wyner chưa thực sự được quan tâm trong những năm sau đó. Nhưng trong khoảng một thập kỷ gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật truyền tin vô tuyến, đặc biệt là các kỹ thuật truyền tin đa ăng-ten và kỹ thuật truyền tin theo búp sóng (beamforming), các nghiên cứu về bảo mật tầng vật lý đã được nghiên cứu rộng rãi [2-6]. Một trong các hướng được tập trung nghiên cứu trong bảo mật tầng vật lý hiện nay là mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF hoặc DF [6], [10-13]. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu trên hệ thống mạng chuyển tiếp vô tuyến hoạt động theo kỹ thuật AF. Đóng góp khoa học của bài báo là đưa ra thuật toán giải mới 61 Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University (được gọi là thuật toán DCA-AF1E) cho bài toán quy hoạch không lồi của mô hình truyền tin bảo mật tầng vật lý có sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp hoạt động theo kỹ thuật AF và có sự xuất hiện của một trạm nghe lén (1E - One Eavesdropper) dựa trên phương pháp giải Quy hoạch DC và giải thuật DCA. Trong đó, nghiệm của bài toán quy hoạch là các hệ số tạo búp sóng tại các trạm chuyển tiếp, hàm mục tiêu là giá trị về tốc độ truyền tin bảo mật của hệ thống Rs (bits/symb ...