Nghịch lưu đa mức trên cơ sở bộ biến đổi kiểu ma trận với các khâu DC liên kết cách ly tần số cao

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi vào hòm thư: [email protected]

Kéo xuống để Tải ngay đề cương bản PDF đầy đủ: Sau “mục lục” và “bản xem trước”

(Nếu là đề cương nhiều công thức nên mọi người nên tải về để xem tránh mất công thức)

Đề cương liên quan: MÃ HÓA DỮ LIỆU – CÂN BẰNG GIỮA SỰ BẢO MẬT VÀ HIỆU SUẤT THỰC THI ỨNG DỤNG

[toc]

[pdfviewer width=”800px” height=”1000px” beta=”true/false”]http://hotroontap.com/wp-content/uploads/2019/07/Ngh%E1%BB%8Bch-l%C6%B0u-%C4%91a-m%E1%BB%A9c-tr%C3%AAn-c%C6%A1-s%E1%BB%9F-b%E1%BB%99-bi%E1%BA%BFn-%C4%91%E1%BB%95i-ki%E1%BB%83u-ma-tr%E1%BA%ADn-v%E1%BB%9Bi-c%C3%A1c-kh%C3%A2u-DC-li%C3%AAn-k%E1%BA%BFt-c%C3%A1ch-ly-t%E1%BA%A7n-s%E1%BB%91-cao.pdf[/pdfviewer]

Tải ngay đề cương bản PDF tại đây: Nghịch lưu đa mức trên cơ sở bộ biến đổi kiểu ma trận với các khâu DC liên kết cách ly tần số cao

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRÊN CƠ SỞ BỘ BIẾN ĐỔI KIỂU MA TRẬN VỚI CÁC KHÂU DC LIÊN KẾT CÁCH LY TẦN SỐ CAO

Lê Phƣơng Hảo¹, Trần Hùng Cƣờng¹

TÓM TẮT

Nghịch lưu đa mức (Multi-level inverters MLI) với ưu điểm đưa ra được điện áp đầu ra với thành phần sóng hài tốt và điện áp trên các mạch cơ sở chỉ bằng biên độ điện áp ra chia cho số mức n . Tuy nhiên số mức yêu cầu tương đương với số mạch một chiều càng cao sẽ nảy sinh càng nhiều vấn đề và là một khó khăn lớn , nhất là với yêu cầu phải cách ly và có khả năng trao đổi công suất hai chiều . Bài báo này giới thiệu cấu trúc bộ biến đổi đa mức dùng cầu chữ H nối tầng với điểm khác biệt là các mạch cơ sở dùng biến tần kiểu ma trận trên các van bán dẫn hai chiều . Với ưu điểm là c ác mạch cơ sở kiểu ma trận thực hiện liên kết trực tiếp, trao đổi công suất hai chiều với khâu biến đổi DC-AC trung gian tần số cao, nhờ đó giảm được kích thước của biến áp cách ly. Bài báo cũng trình bày phương pháp điều chế, xây dựng các mạch vòng điều chỉnh cho một nghịch lưu 7 mức có khả năng nối lưới. Các yêu cầu đặt ra được kiểm chứng qua các kết quả mô phỏng.

Từ khóa: Nghịch lưu đa mức

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời,… đã và đang đƣợc quan tâm rất nhiều do nhu cầu về nguồn năng lƣợng này là rất cần thiết. Song, do đặc điểm là các nguồn năng lƣợng này có công suất nhỏ lẻ, phân bố rời rạc và không ổn định chính vì vậy sẽ không đảm bảo tính liên tục cung cấp điện cho các hộ phụ tải. Một nhƣợc điểm nữa đó là các bộ biến đổi nguồn DC -AC hoặc AC-AC sử dụng các linh kiện điện tử , các van bán dẫn để chuyển đổi nguồn điện trƣớc khi cung cấp cho phụ tải chỉ chịu đƣợc mức điện áp và công suất hạn chế và đặc biệt là chƣa có khả năng trao đổi công suất hai chiều . Chính vì vậy cần phải có một chiến lƣợc điều khiển kiểm soát tốt các các nguồn năng lƣợng này để nâng cao chất lƣợng điện năng phục vụ cho tải tiêu thụ và mục tiêu lớn là hòa vào lƣới điện quốc gia. Biến tần đa cấp đã đạt đƣợc nhiều sự chú ý trong những năm gần đây nhƣ là một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao. Biến tần đa cấp có thể tạo ra điện áp dạng sin từ các bƣớc điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC cách ly hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng một loạt tụ. Biến tần đa cấp có thể là khâu biến

• Giảng viên khoa Kỹ thuật – Công nghệ, trường Đại học Hồng Đức

34

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

đổi năng lƣợng điện lý tƣởng cho kết nối các nguồn năng lƣợng tái tạo với lƣới điện, bao gồm hầu hết các nguồn phân tán nhƣ pin mặt trời, pin nhiên liệu, tua-bin điện sức gió [3]. Cấu trúc biến tần đa cấp đã đƣợc phát triển để có thể sử dụng các thiết bị đóng cắt bán dẫn với điện áp tƣơng đối thấp cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công suất lớn. Các nghiên cứu trƣớc đây cho thấy [3 – 5], lợi thế của các nghịch lƣu đa cấp dùng các khâu biến đổi nối tầng bao gồm: (1) các van bán dẫn chỉ phải đóng cắt ở tần số cơ bản (hoặc gần tần số này), do đó giảm đáng kể tổn hao do quá trình đóng cắt, (2) không cần dùng máy biến áp ở tần số lƣới cung cấp các mức điện áp cần thiết, (3) kết cấu kiểu mô – đun hóa nên cấu trúc mạch lực đơn giản hơn, số lƣợng thiết bị ít hơn, (4) vì không có biến áp hệ thống có thể đáp ứng nhanh hơn nhiều.

2. BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC DÙNG MATRIX CONVERTER

Hình 1. Sơ đồ bộ biến đổi DC-AC-AC dùng van bán dẫn hai chiều

Trong sơ đồ này các khâu đầu vào là các H-Bridge thông thƣờng. Khâu cách ly DC- AC đƣợc liên kết thông qua một biến áp tần số cao tạo sự cách ly độc lập tƣơng đối cần thiết giữa lƣới và tải kết nối với các cổng và nó làm việc trực tiếp với điện áp AC thông qua bộ chuyển đổi cyclo-converter để thực hiện trao đổi công suất hai chiều một cách linh hoạt. Khâu biến đổi AC-AC trực tiếp sử dụng van bán dẫn hai chiều, biến đổi điện áp dạng sóng chữ nhật, tần số cao f_pwm sang điện áp dạng sóng sin cơ bản tần số lƣới 50 Hz. Quá trình biến đổi có thể dùng nguyên lý cycloconverter để chuyển mạch tự nhiên [4, 5]. Quá trình điều chế cycloconverter tạo ra điện áp tần số thấp ở mỗi nửa chu kỳ, là dãy xung áp có độ rộng thay đổi từ 0 đến T_pwm, tùy thuộc vào vị trí cắt nhau của tín hiệu điều chế m(t) với xung răng cƣa của PWM.

3. ĐIỀU CHẾ PWM CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC DÙNG MATRIX CONVERTER

Phƣơng pháp PWM và quá trình điều khiển chuyển mạch đƣợc giải thích qua đồ thị thời gian trên hình 2. Sóng răng cƣa tam giác đối xứng trên đồ thị hình 2.a có tần số f_s gồm hai hệ xung c₊(t) và c_–(t) ngƣợc nhau 180°. Xung điều khiển các van S1, S2, S3,

35

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

S4 của nghịch lƣu bên phía sơ cấp máy biến áp HF đƣợc điều khiển đồng bộ với xung răng cƣa ở tần số f_s/2.

Giả sử m(t) đang dƣơng. Khi đầu ra phía thứ cấp là điện áp dƣơng u_f(+), giống nhƣ phƣơng pháp điều chế PWM một cực tính, ở phía thứ cấp máy biến áp HF hai van hai chiều V1, V2 điều khiển bởi tín hiệu ra của pwm⁺, là đầu ra của so sánh giữa tín hiệu sin mong muốn m(t) với xung răng cƣa c(t), còn nhánh van V3, V4 điều khiển tín hiệu ra của pwm^–, đầu ra khâu so sánh m(t) với c_–(t). Khi đầu ra thứ cấp máy biến áp là điện áp âm u_f(-) thì ngƣợc lại, V1 (gồm S1a, S1b) V2 (gồm S2a. S2b) điều khiển bởi pwm^–, còn V3 (gồm S3a, S3b), V4 (gồm S4a, S4b) bởi pwm⁺.

Thuật toán điều chế đƣợc xây dựng nhƣ giải thích qua các đồ thị trên hình 2. Tín hiệu u_f có biên độ +/- 1, tần số f_s/2, là tín hiệu điều khiển cầu S1, S2, S3, S4 bên phía sơ cấp máy biến áp HF. Tín hiệu +1 mở cặp van S1, S4, và -1 mở cặp van S3, S2. Tín hiệu đầu ra khâu so sánh của PWM cũng là +/- 1, gồm hai hệ thống u_pwm+ (là và u_pwm-). Khi đó lấy tích u_f*u_pwm+ và u_f*u_pwm- ta sẽ đƣợc ngay tín hiệu điều khiển van hai chiều V1, V3 và V2, V4 tƣơng ứng. Điểm đặc biệt của thuật toán điều chế ở đây là tín hiệu tích có tác dụng chỉnh lƣu lại điện áp ở đầu ra, bởi vậy tránh đƣợc phải sử dụng mạch logic phức tạp. Cần lƣu ý rằng đối với matrix converter thì V3 phải điều khiển ngƣợc với V1 và V2 ngƣợc với V4, điều này thể hiện trên đồ thị 2.e và 2.f. Các khoảng dẫn của van cũng đƣợc thể hiện trên đồ thị. Trên hình 2.g cho thấy dạng điện áp ra của matrix converter trong cả hai trƣờng hợp tín hiệu điều chế m(t) dƣơng và âm. Nhƣ vậy mạch logic có thể thiết kế thống nhất, khá đơn giản.

• -1

Hình 2. Mẫu xung điều khiển PWM cho matrix converter

36

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

Mẫu xung điều khiển các van V1, V2, V3, V4 ứng với cả hai trƣờng hợp m(t) dƣơng và âm biểu diễn trên đồ thị hình 2e cùng với dạng xung của điện áp ra u_mc(t). Có thể thấy rằng điện áp ra có dạng của điều chế PWM một cực tính, khi m(t) dƣơng chỉ có các xung dƣơng và khi m(t) âm chỉ có các xung âm. Nếu biên độ điện áp xung chữ nhật ở thứ cấp máy biến áp HF là U_f thì điện áp ra u_mc(t) có 3 mức: +U_f, -U_f, và zero. Ở trạng thái ra không, dòng tải i_L ngắn mạch qua nhánh van (V1, V2) hoặc (V3, V4), không đi qua cuộn dây máy biến áp và không làm ngắn mạch máy biến áp. Điều này mang lại hiệu quả cao cho sơ đồ, khác với quá trình điều chế ngay bên phía sơ cấp máy biến áp. Khi điều chế bên phía sơ cấp để tạo trạng thái không bên thứ cấp, dòng phải chạy quẩn bên phía sơ cấp làm tăng phát nóng cuộn dây. Có thể thấy rằng điện áp đầu ra máy biến áp luôn có dạng xung chữ nhật đối xứng, biên độ +/-U_f, tần số f_s/2. Ký hiệu 4 trạng thái đƣợc phép của các van V1, …, V4 là (12), (14), (32), (34), tƣơng ứng với cặp van đóng (V1, V2), (V1, V4), (V3, V2), (V3, V4). Các trạng thái (V1, V3), (V2, V4) là không đƣợc phép vì làm ngắn mạch thứ cấp máy biến áp. Trạng thái (12) và (34) là hai trạng thái không, ngắn mạch đầu ra làm điện áp ra bằng không.

4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC

Hình 3. Hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi DC-AC-AC

5. NGHỊCH LƢU ĐA MỨC XÂY DỤNG TRÊN BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC

Có thể thấy rằng bộ biến đổi DC-AC-AC có phần một chiều cách ly qua khâu trung gian tần số cao và khâu AC-AC kiểu ma trận với mạch điều chế PWM và mạch

37

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

logic điều khiển chuyển mạch nêu trên hoàn toàn tƣơng đƣơng với một nghịch lƣu cầu chữ H nhƣ một khâu biến đổi DC-AC thông thƣờng. Vì vậy có thể xây dựng một nghịch lƣu đa mức kiểu dùng cầu H nối tầng từ chính bộ biến đổi này, trong đó vai trò của phía một chiều cách ly sẽ thể hiện rõ trong cấu trúc bộ biến đổi back-to-back giới thiệu sau đây. Nghịch lƣu đa mức sử dụng phƣơng pháp điều chế phase-shift để phân tải đều nhau giữa các cầu H thành phần trong toàn dải thay đổi của biên độ dạng sin ra mong muốn.

HF

Udc1

V1b

V1a

HF

V1b

V1a

HF

Udc3

R

V1b

V1a

Hình 4. Nghịch lƣu đa mức trên cơ sở bộ biến đổi DC-AC-AC

6. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI

Hình 5. Hệ thống điều khiển bộ biến tần đa mức xây dựng dựa trên bộ biến đổi DC-AC-AC

38

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC XÂY DỰNG TRÊN BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC-AC

8. KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng cho ta thấy bộ van biến đổi hai chiều khi kết nối đa mức vẫn đảm bảo làm việc tốt. Nhƣ ta thấy trên hiển thị kết quả mô phỏng dòng trên tải i_load luôn đảm bảo là hình sin và khi nhận năng lƣợng của lƣới thì dòng điện cùng pha với điện áp đầu vào còn khi trả năng lƣợng về lƣới thì dòng điện ngƣợc pha với điện áp đầu vào. Nhƣ vậy bộ nghịch lƣu đa mức trên cơ sở bộ biến đổi kiểu ma trận

39

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

với các khâu DC liên kết cách ly tần số cao không những vẫn đảm bảo đƣợc những ƣu điểm của bộ nghịch lƣu đa mức thông thƣờng mà bộ biến đổi này còn có khả năng trao đổi công suất hai chiều, điều khiển chuyển mạch van đơn giản dẫn đến điều chế cũng dễ dàng. Ngoài ra còn có khâu DC liên kết cách ly tần số cao không những cách ly sự làm việc độc lập giữa bên xoay chiều và một chiều mà việc dùng máy biến áp tần số cao còn có tác dụng hỗ trợ trong việc điều khiển chuyển mạch van dễ dàng và chính xác hơn.

9. KẾT LUẬN

Nhóm tác giả đã tìm hiểu, phân tích cấu trúc của bộ nghịch lƣu đa mức và khâu truyền dẫn công suất hai chiều Matrix-Converter; Nghiên cứu, phân tích phƣơng pháp điều khiển cho bộ nghịch lƣu. Trên cơ sở đó, phân tích và thiết kế thành công hệ thống điều khiển cho sơ đồ truyền dẫn công suất hai chiều Matrix-Converter. Nhóm cũng đã lập trình tính toán các thông số cho bộ điều chỉnh PID dùng trong các bộ biến đổi và xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu đa mức, khâu truyền dẫn công suất hai chiều dùng Matix Converter. Đƣa ra các nhận xét, đánh giá các kết quả mô phỏng. Với kết quả hiện tại, bộ biến đổi hoạt động khá ổn định, và cho đáp ứng khá tốt với luật điều khiển đặt ra.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• José Rodríguez, Steffen Bernet, BinWu, Jorge O. Pontt, Samir Kouro; Multilevel Voltage-Source-Converter Topologies for Industrial Medium-Voltage Drives; IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 54, NO. 6, DECEMBER 2007.

• S. Lai and F. Z. Peng, “Multilevel converters – A new breed of power converters,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 32, pp. 509 – 517,May/June 1996.

• José Rodríguez , Luis Luis, et al.; High-Voltage Multilevel Converter With Regeneration Capability; IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO. 4, AUGUST 2002.

• Songquan Deng, Hong Mao, Joy Mazumdar, Issa Batarseh and Kazi Khairul Islam; A New Control Scheme for High-frequency Link Inverter Design; Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2003. APEC ’03. Eighteenth Annual IEEE.

• Koutroulis, J.Chatzakis, K.Kalaitzakis and N.C.Voulgaris; A bidirectional, sinusoidal, high-frequency inverter Design; IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 148, No. 4, July 2001.

40

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

• Li, J. N. Chiasson, L. M. Tolbert; Capacitor Voltage Control in a Cascaded Multilevel Inverter as a Static Var Generator; Power Electronics and Motion Control Conference, 2006. IPEMC 2006. CES/IEEE 5th International

• José Rodríguez, Luis Morán, “High-Voltage Multilevel Converter With Regeneration Capability”.

MULTI-LEVEL INVERTER BASED ON MATRIX CONVERTER CELLS WITH ISOLATED DC LINK OF HIGH FREQUENCY

Le Phuong Hao, Tran Hung Cuong

ABSTRACT

Multi-level inverters (MLI) can easily provide output voltage with reduced harmonic distortion and low voltage level on power switches. However, a large number of required DC sources, which is equal to the number of levels on output voltage, are a serious drawback, especially when power exchange and isolation are both required. This paper presents a structure of H bridge cascaded multi-level inverter based on matrix converter. The cell on matrix converter directly connected with AC side of the intermediated DC-AC high frequency link, thus provide two sides of power exchange. High frequency link helps reduce size of the isolation transformer. The paper shows how to build modulation scheme and two control loops for a 7-levels converter with grid-connected possibility. The good simulation results have demonstrated the effectiveness of this approach.

Key words: Mult I – level inverters (MLI)

41

Tải xuống tài liệu học tập PDF miễn phí

MÃ HÓA DỮ LIỆU – CÂN BẰNG GIỮA SỰ BẢO MẬT VÀ HIỆU SUẤT THỰC THI ỨNG DỤNG

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi vào hòm thư: [email protected]

Kéo xuống để Tải ngay đề cương bản PDF đầy đủ: Sau “mục lục” và “bản xem trước”

(Nếu là đề cương nhiều công thức nên mọi người nên tải về để xem tránh mất công thức)

Đề cương liên quan: Ở ngưỡng cửa của cách mạng lượng tử trong tin học

[toc]

[pdfviewer width=”800px” height=”1000px” beta=”true/false”]http://hotroontap.com/wp-content/uploads/2019/07/M%C3%83-H%C3%93A-D%E1%BB%AE-LI%E1%BB%86U-C%C3%82N-B%E1%BA%B0NG-GI%E1%BB%AEA-S%E1%BB%B0-B%E1%BA%A2O-M%E1%BA%ACT-V%C3%80-HI%E1%BB%86U-SU%E1%BA%A4T-TH%E1%BB%B0C-THI-%E1%BB%A8NG-D%E1%BB%A4NG.pdf[/pdfviewer]

Tải ngay đề cương bản PDF tại đây: MÃ HÓA DỮ LIỆU – CÂN BẰNG GIỮA SỰ BẢO MẬT VÀ HIỆU SUẤT THỰC THI ỨNG DỤNG

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

MÃ HÓA DỮ LIỆU – CÂN BẰNG GIỮA SỰ BẢO MẬT VÀ HIỆU SUẤT THỰC THI ỨNG DỤNG

Lê Đình Nghiệp¹, Trịnh Thị Phú¹, Lê Văn Hào¹

TÓM TẮT

Phát triển một chiến lược mã hóa cơ sở dữ liệu (CSDL) phải xem xét đến yếu tố cân bằng giữa yêu cầu về an ninh với mong muốn cho hiệu suất cao. Mã hóa mức CSDL độc lập với mã hóa ở mức tập tin hay ứng dụng là phương pháp lý tưởng để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm và cho hiệu suất tối ưu. Chỉ dựa vào phạm vi bảo mật và kiểm soát truy cập sẽ không cung cấp bảo mật đầy đủ. Giải pháp mã hóa CSDL đóng gói được chứng minh là lựa chọn tốt nhất để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Đây là một giải pháp chuyên biệt và phức tạp, nếu nguồn lực nội bộ không có chuyên môn về mật mã trong môi trường thông tin, chuyên gia bên ngoài nên được sử dụng để đảm bảo hiệu suất thực thi cao. Bài viết này xem xét các khía cạnh hiệu suất của các kiến trúc chi phối việc mã hoá CSDL.

Từ khóa: Cơ sở dữ liệu, hiệu suất thực thi, an ninh cơ sở dữ liệu, mật mã, mã hóa.

1. MỞ ĐẦU

Cùng với sự bùng nổ thông tin, sự bảo mật của nó cũng yêu cầu tăng lên. Hiện nay có rất nhiều kiến trúc, kỹ thuật, và công cụ sẵn có và các tổ chức có thể áp dụng để đảm bảo cả 2 mặt an ninh và hiệu suất thực thi đƣợc tối ƣu hóa. Mỗi cách tiếp cận có ƣu điểm và nhƣợc điểm của nó. An ninh CSDL là một lĩnh vực nghiên cứu rộng bao gồm các chủ đề nhƣ bảo mật cơ sở dữ liệu thống kê [5], phát hiện xâm nhập trái phép [7], và gần đây nhất là bảo tồn sự riêng tƣ trong khai thác dữ liệu [6]. Các nghiên cứu về an toàn thông tin trƣớc [3] [1] đây không giải quyết các vấn đề quan trọng về hiệu suất thực thi. Trong bài viết này, chúng tôi xác định và đánh giá các vấn đề quan trọng nhất đảm bảo tính bảo mật cao đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất thực thi trong CSDL, ứng dụng một kiến trúc cụ thể cài đặt cho CSDL thi trắc nghiệm trực tuyến. Để đạt đƣợc điều đó, chúng tôi đã phân tích nhiều giải pháp khác nhau.

2. CÁC NHÂN TỐ HỖ TRỢ MÃ HÓA

Có ba nhân tố chính hỗ trợ mã hóa trong CSDL. Một trong các nhân tố đó là đặc tính chia nhỏ đƣợc của dữ liệu đƣợc mã hóa. Cột, hàng, trang dữ liệu thƣờng có

• Giảng viên Khoa Công nghệ Thông tin và Truyền thông, trường Đại học Hồng Đức

106

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

kích thƣớc là 4KB có thể là các lựa chọn tốt. Trong đó cột dữ liệu là sự lựa chọn tốt nhất, bởi vì nó sẽ làm giảm thiểu kích thƣớc cần mã hóa. Tuy nhiên, chúng tôi đã phát hiện ra, điều này yêu cầu phƣơng pháp mã hóa đƣợc nhúng bên trong CSDL quan hệ hoặc các máy chủ CSDL. Nếu bỏ qua đặc tính chia nhỏ để bảo vệ sẽ ảnh hƣởng không nhỏ đến mức độ bảo mật [8]. Nhân tố thứ hai là sự không tƣơng thích giữa phần mềm và mức phần cứng của các thuật toán mã hóa. Kết quả cho thấy nhân tố này làm cho tác động đáng kể về hiệu suất. Chúng tôi đã phát hiện ra sự mã hóa bên trong các CSDL quan hệ dựa trên sự cài đặt ở mức phần cứng của các thuật toán mã hóa mất một chi phí khởi tạo đáng kể cho một thao tác mã hoá. Chỉ có một vài nhà cung cấp CSDL hiện đang hỗ trợ mã hóa ở mức hàng hoặc trang dữ liệu làm giảm chi phí này trên dữ liệu lớn. Nhân tố thứ ba là vị trí của các dịch vụ mã hóa – dịch vụ cục bộ, dịch vụ từ xa, hoặc dịch vụ mạng đính kèm. Chọn điểm thực hiện sẽ ảnh hƣởng đáng kể đến mô hình bảo mật tổng thể. Dữ liệu mã hóa càng sớm, càng an toàn hơn trong môi trƣờng CSDL.

2.1. Mã hóa mức CSDL

Mã hóa mức CSDL cho phép đảm bảo dữ liệu khi nó đƣợc đọc/ghi từ một CSDL. Loại mã hóa này thƣờng đƣợc thực hiện ở mức cột bên trong một bảng CSDL, nếu kết hợp bảo mật CSDL với truy cập điều khiển, có thể ngăn chặn hành vi trộm cắp dữ liệu quan trọng. Mã hóa mức CSDL cũng bảo vệ chống lại một loạt mối đe dọa, nhƣ phƣơng tiện lƣu trữ bị đánh cắp, Các tấn công vào thiết bị lƣu trữ, tấn công mức CSDL. Mã hóa mức CSDL loại bỏ tất cả thay đổi ứng dụng đƣợc yêu cầu trong mô hình mức ứng dụng, và tạo ra một xu hƣớng phát triển mã hóa nhúng bên trong một hệ quản trị CSDL thông qua việc sử dụng các thủ tục lƣu trữ và các kích hoạt. Vì mã hóa/giải mã chỉ xảy ra bên trong CSDL, giải pháp này không yêu cầu ngƣời dùng phải hiểu hay khám phá những đặc điểm truy cập ứng dụng dữ liệu đƣợc mã hóa. Giải pháp này để chắc chắn dữ liệu an toàn, nó đòi hỏi một số công việc tích hợp ở mức CSDL, bao gồm sửa đổi lƣợc đồ CSDL đã có, sử dụng các kích hoạt và các thủ tục lƣu trữ để thực hiện mã hóa/giải mã. Ngoài ra, cần xem xét cẩn thận đến tác động về mặt hiệu năng, đặc biệt là khi việc hỗ trợ cho tăng tốc độ tìm kiếm theo chỉ số trên dữ liệu mã hóa không đƣợc sử dụng. Trƣớc tiên, cần áp dụng một phƣơng pháp tiếp cận để mã hóa những dữ liệu nhạy cảm. Sau đó, phải xem xét mức độ mã hóa đƣợc áp dụng để tận dụng phần cứng tăng mức độ an ninh, giảm tải quá trình mã hóa nhằm giảm thiểu các tác động xấu đến hiệu suất. Kiểu mã hoá này dễ bị hƣ tổn ở chỗ nó không có khả năng bảo vệ chống lại các cuộc tấn công mức ứng dụng vì chức năng mã hóa đƣợc thực hiện nghiêm ngặt bên trong hệ quản trị CSDL.

107

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

2.2. Mã hóa ở mức lƣu trữ

Mã hóa cấp lƣu trữ cho phép mã hóa dữ liệu ở hệ thống lƣu trữ, ở cấp độ tập tin hoặc ở cấp độ khối. Ngày nay trong môi trƣờng lƣu trữ lớn, mã hóa ở mức lƣu trữ xác định một yêu cầu đảm bảo an ninh dữ liệu mà không cần sử dụng mặt nạ hoặc phân vùng LUN (Logical Unit Number). Trong khi giải pháp này có thể phân nhóm làm việc và cung cấp các bảo mật, nó cũng có một số hạn chế. Chỉ bảo vệ chống lại một phạm vi hẹp các mối đe dọa, cụ thể là khi phƣơng tiện truyền thông bị trộm cắp và các tấn công hệ thống lƣu trữ. Tuy nhiên, mã hóa ở mức lƣu trữ cấp không bảo vệ chống lại phần lớn các cuộc tấn công mức ứng dụng hoặc CSDL, đe dọa tới dữ liệu nhạy cảm. Cơ chế bảo mật lƣu trữ hiện tại chỉ cung cấp mã hóa mức khối, chúng không cung cấp khả năng mã hóa dữ liệu bên trong một ứng dụng hoặc CSDL mức trƣờng dữ liệu. Hậu quả là chỉ có thể mã hóa toàn bộ một CSDL, chứ không mã hóa đƣợc các thông tin cụ thể nằm trong nó.

3. LỰA CHỌN KIẾN TRÚC CÀI ĐẶT MÃ HÓA

Chúng tôi đã xem xét một số kết hợp có thể có của các cách tiếp cận mã hóa khác nhau, cụ thể là ở cấp độ phần cứng và phần mềm, tính chia nhỏ dữ liệu khác nhau. Chúng tôi bắt đầu với phần mềm mã hóa ở cấp cơ sở. Sau đó chúng tôi phát triển hỗ trợ tăng tốc tìm kiếm có hỗ trợ trên chỉ số với các trƣờng đƣợc mã hóa, và xem xét hiệu suất thấp khi tìm kiếm trên các trƣờng mã hóa, bao gồm các trƣờng chỉ số chính.

3.1. Mã hóa phần mềm cơ bản

Trƣớc tiên, chúng tôi xem xét một số thuật toán mã hóa AES, RSA và Blowfish sử dụng cho việc cài đặt. Chúng tôi tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng các thuật toán này và thấy rằng hiệu suất và bảo mật của thuật toán AES là tốt hơn so với RSA và Blowfish. AES rất nhanh so với thuật toán mã hóa nổi tiếng khác nhƣ DES. DES là một thuật toán mã hóa khối 64-bit, có nghĩa là dữ liệu đƣợc mã hóa và giải mã trong khối 64-bit. Điều này không có ý nghĩa trên dữ liệu ngắn. Dữ liệu 8-bit, khi mã hóa sẽ cho kết quả 64 bit. Chúng tôi cũng đã cài đặt phƣơng pháp bảo mật nhằm duy trì kiểu, chiều dài trƣờng dữ liệu sau khi đƣợc mã hoá trong CSDL của mình. Để cài đặt AES, ngƣời dùng tự định nghĩa một hàm (còn gọi là hàm ngoài) và đăng ký vào CSDL. Một khi nó đã đƣợc đăng ký, nó có thể đƣợc sử dụng để mã hóa dữ liệu trên một hoặc nhiều trƣờng. Việc truy xuất dữ liệu là an toàn vì dữ liệu lƣu trữ đƣợc mã hóa trƣớc khi thao tác trên chúng.

3.2 Mã hóa cấp độ phần cứng cơ bản

Chúng tôi đã nghiên cứu sử dụng HSM FIPS -140- 1 mức 3 với sự kết hợp giữa các khóa phần cứng và phần mềm. Các khóa chính đƣợc tạo ra đƣợc mã

108

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

hóa/giải mã trên HSM. Các khóa chính không đƣợc đƣa ra bên ngoài HSM. Chi phí mã hóa/giải mã bao gồm chi phí khởi tạo, trong đó gồm hàm và lời gọi tới phần cứng, và chi phí thực hiện thuật toán mã hóa/giải mã, chi phí này phụ thuộc vào kích thƣớc của dữ liệu đầu vào. Điều này nhấn mạnh rằng, chi phí khởi tạo sẽ đƣợc tính mỗi khi một hàng đƣợc xử lý để mã hóa. Chúng tôi sử dụng phần cứng mã hóa từ các nhà cung cấp khác nhau, bao gồm IBM, Eracom, nCipher, và Chrysalis làm thử nghiệm. Trong thử nghiệm, chúng tôi sử dụng bộ vi xử lý kiến trúc mã hóa IBM S/390 có sẵn trong môi trƣờng IBM OS/390. IBM DB2 dùng cho OS/390 cung cấp một thiết bị gọi là “editproc” (còn gọi là các thủ tục chỉnh sửa thƣờng xuyên), có thể đƣợc kết hợp với một bảng CSDL. Một thủ tục chỉnh sửa đƣợc gọi cho một hàng của bảng CSDL mỗi khi hàng đƣợc truy cập bởi DBMS. Chúng tôi đăng ký một thủ tục chỉnh sửa mã hóa/giải mã cho các bảng. Khi một yêu cầu đọc/ghi tác động đến một hàng trong bảng dữ liệu này, thủ tục chỉnh sửa gọi thuật toán mã hóa/giải mã mà đƣợc cài đặt trong phần cứng cho toàn bộ hàng. Chúng tôi lựa chọn DES [3] cho việc mã hóa mức phần cứng.

4. HIỆU SUẤT CỦA CÁC KIẾN TRÚC MÃ HÓA

Có ba kiến trúc mã hóa là: 1) thiết bị mã hóa đính kèm mạng, 2) Phần mềm,

• Sự kết hợp phần mềm và Module an toàn phần cứng (HSM). Mỗi kiến trúc có ƣu và nhƣợc điểm của nó.

4.1. Xem xét hiệu suất

Chúng tôi nghiên cứu SQL chuẩn sử dụng trong thí nghiệm của mình. Dùng một số thí nghiệm đơn giản trên Oracle và DB2. Các khía cạnh công nghệ để phát triển CSDL riêng nhƣ một thành phần cơ sở hạ tầng công nghệ dẫn đến các thách thức nghiên cứu mới. Đầu tiên và trƣớc hết là vấn đề quản lý khóa. Hầu hết các công ty xem dữ liệu của họ nhƣ là một tài sản vô giá. Hệ thống quản lý khoá sẽ cần phải cung cấp biện pháp an ninh đủ mạnh để bảo vệ việc sử dụng phân tán khóa. Chúng tôi đề xuất kết hợp giữa phần cứng và phần mềm dựa trên hệ thống mã hóa dữ liệu là giải pháp cho vấn đề này. Đề xuất một khả năng kiểm soát và chính sách phân phối để kiểm soát việc sử dụng các khóa. Nghiên cứu chi tiết về giải pháp này đƣợc trình bày dƣới đây.

4.2. Mã hóa đính kèm mạng

Mã hóa đính kèm mạng (Encryption Network Attached (NAED)) đƣợc cài đặt nhƣ một dụng cụ mã hóa đính kèm mạng với quy mô, số lƣợng của các thiết bị có sẵn. Một NAED là một thiết bị phần cứng mà cƣ trú trên mạng, định vị các khóa

109

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

mã hóa và thực thi tất cả các thao tác mã hóa. Cấu trúc này bổ sung khóa vật lý tách rời với dữ liệu. Tuy nhiên, việc bổ sung này đi kèm với một giá đắt, hiệu suất có thể còn tồi tệ hơn 10-100 lần so với phƣơng pháp khác. Các tiêu chuẩn đã cho thấy một thông lƣợng giữa 440 và 1.100 hàng mã hóa mỗi giây. Một hệ thống với 12 máy chủ cơ sở dữ liệu thực hiện mã hóa 4.200 hàng mã hóa mỗi giây với năm dụng cụ mã hóa đính kèm mạng.

Có ba chi phí đi kèm với kiến trúc mạng này. Hãy cùng khám phá một ví dụ đơn giản để chứng minh các chi phí trên khi một ngƣời dùng yêu cầu 500.000 dòng dữ liệu đƣợc mã hóa:

Khi một ngƣời dùng yêu cầu dữ liệu an toàn, hệ thống an ninh quản lý tiến trình lấy dữ liệu đƣợc mã hóa từ cơ sở dữ liệu, đảm bảo yêu cầu là từ một ngƣời dùng có thẩm quyền, và thực hiện quá trình giải mã. Trong kiến trúc này, các tác nhân mã hóa xử lý các yêu cầu và khôi phục các dữ liệu đƣợc mã hóa từ CSDL. Nó sẽ gửi các dữ liệu đƣợc mã hóa qua mạng để đƣợc giải mã bởi các NAED. Bên trong NAED là khóa và các thuật toán để giải mã dữ liệu. Tuy nhiên, một khi giải mã, thông tin bản rõ cần phải đƣợc gửi lại đƣờng truyền đến máy chủ CSDL. Điều này đòi hỏi chúng ta bảo mật lại thông tin trong quá trình chuyển, thƣờng là thông qua một quá trình trao đổi an toàn nhƣ SSL. Khi dữ liệu tới tác nhân trên máy chủ CSDL, nó phải cho ra đƣợc bản rõ, và sau đó đƣợc phục vụ cho đến ứng dụng gọi đến.

1. Kiến trúc NAED có ba đặc điểm của mã hóa. Trong ví dụ trên, 500.000 dòng dữ liệu đƣợc gửi đi trên đƣờng truyền đƣợc giải mã tại NAED. Các bản rõ đƣợc mã hóa sử dụng SSL để gửi lại qua mạng và giải mã ở các CSDL để đƣợc bản rõ phục vụ cho các ứng dụng.

2. Chi phí mạng đƣợc tính bằng việc gửi tất cả 500.000 hàng qua mạng để đƣợc giải mã bởi các NAED và sau đó phải trở lại trên mạng để các CSDL.

3. NAED là một thiết bị không trạng thái và cần phải đƣợc khởi tạo/thiết lập trƣớc khi mỗi hàng đƣợc giải mã. Trong ví dụ đơn giản này, NAED đƣợc thiết lập 500.000 lần. Các thiết lập cần chi phí khá lớn.

Kiến trúc thiết bị mã hóa đính kèm mạng (NAED) đã đƣợc chứng minh trong các thử nghiệm, do mất ba loại chi phí nên tồi tệ hơn cấu trúc khác. Mỗi lần đi chuyển trên mạng là khoảng 1 phần nghìn giây cho mỗi hàng. Trong ví dụ trên đây sẽ mất 500.000 x 1ms = 500 giây so với 1-25 giây với cấu trúc khác.

4.3. Hệ thống hybrid

Cấu trúc Hybrid kết hợp việc nâng cao hiệu suất của cấu trúc phần mềm với việc bổ sung an ninh cho thiết bị phần cứng. Một HSM, trong một số trƣờng hợp, là một cách lý tƣởng để bổ sung thêm bảo vệ cho các phần tử quan trọng nhất – các khóa

110

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

mã hóa. Các thiết bị HSM đƣợc chứng minh là nhanh và nhiễu, tuyệt vời để lƣu trữ những viên ngọc quý – các khóa mã hóa.

Việc thực hiện trong kiến trúc này là cơ bản giống với cấu trúc phần mềm trƣớc đó, với một quá cảnh thƣờng xuyên tới HSM để làm mới và lấy chìa khóa mã hóa tổng thể. Trong phần lớn thời gian xử lý, hiệu suất là giống với giải pháp phần mềm. Trong ví dụ 500.000 hàng của chúng tôi, ngƣợc lại với cấu trúc NAED – nơi mà tất cả 500.000 hàng truyền đến NAED – dịch vụ mã hóa trong máy chủ CSDL truy cập các khóa từ HSM mỗi lần và sau đó tất cả các hoạt động mã hóa đƣợc hoàn thành trong CSDL bởi các dịch vụ phần mềm mã hóa.

Hệ thống Hybrid thực hiện quy trình phân phối có quy mô với số lƣợng các bộ vi xử lý và máy chủ CSDL có sẵn. Trong kiến trúc phần mềm máy chủ CSDL sẽ trở thành nền tảng cho các dịch vụ mã hóa. Khi các ứng dụng đòi hỏi thông tin an toàn, dịch vụ mã hóa yêu cầu các dữ liệu đƣợc mã hóa từ máy chủ CSDL, thực hiện giải mã cục bộ, trả về thông tin bản rõ cho các ứng dụng gọi đến. Tất cả chi phí mạng và mã hóa (ví dụ nhƣ SSL) đã đƣợc loại bỏ khỏi đƣờng truyền, tối ƣu hóa thời gian trả lời và thông lƣợng. Ngoài ra, vì nó không sử dụng một thiết bị phần cứng riêng biệt nên không có bất kỳ chi phí thiết lập. Trong ví dụ của chúng tôi, giải mã của 500.000 hàng đƣợc xử lý trong các máy chủ CSDL. Do sự giảm các vị trí mã hóa, loại bỏ các lƣu lƣợng đƣờng truyền, và chi phí thiết lập, nên hiệu suất rất cao. Trong ví dụ của chúng tôi 500.000 hàng, hiệu suất đƣợc cải thiện rất nhiều: 500.000 x 0,05 ms = 25 * giây.

SQL Server cho thấy thông lƣợng vào khoảng 3.000 đến 32.000 hàng đƣợc giải mã mỗi giây, tùy thuộc vào sự kết hợp tối ƣu của mức mã hóa cột và mức mã hóa bảng, và số lƣợng dữ liệu bảng vùng đệm, SQL Server 2000 ban đầu kiểm tra sử dụng một hệ thống kiểm tra cấp thấp chạy Windows với một bộ xử lý 1,6 GHz, 1 GB bộ nhớ RAM vật lý, và 3 GB bộ nhớ RAM ảo.

Các tiêu chuẩn của DB2 của IBM cho thấy một thông lƣợng 187.000 dòng giải mã mỗi giây, với 20 ngƣời dùng đồng thời. Điều này cho khả năng giải mã 187.000 bảng CSDL hàng mỗi giây. Các bảng kiểm tra bao gồm 80 byte dữ liệu đƣợc mã hóa trong mỗi hàng. Chúng tôi bão hòa tất cả sáu bộ vi xử lý RS6000 sử dụng 100% khi thử nghiệm với 1.000 ngƣời sử dụng đồng thời.

4.4. Hạn chế số lƣợng các hoạt động mật mã

Nhƣ đã đề cập trong thảo luận ở trên, mỗi hoạt động mã hóa có thêm chi phí. Có nhiều kỹ thuật, hỗ trợ trong các giải pháp để giới hạn số hoạt động cần thiết. Sử dụng các kỹ thuật cho biết sự khác biệt giữa chấp nhận đƣợc và không thể chấp nhận trên phƣơng diện hiệu suất.

111

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

Việc lập chỉ mục, cho phép mã hóa dữ liệu đƣợc tìm kiếm mà không cần thiết của giải mã thành các bản rõ trƣớc. Nhiều giải pháp vẫn yêu cầu các dữ liệu đƣợc giải mã trƣớc khi đƣợc tìm kiếm. Điều này tạo ra một sự gia tăng lớn về số lƣợng các hoạt động mã hóa và do đó cản trở tới hiệu suất. Ngoài ra thêm một chỉ mục tìm kiếm tăng tốc giảm thời gian trả lời và số lƣợng hàng giải mã, từ 10 đến 30 lần cho một số các truy vấn khi so sánh với một giải pháp mà không đƣợc sử dụng một chỉ mục tìm kiếm tăng tốc cho các cột đƣợc mã hóa.

Tìm kiếm so khớp chính xác một giá trị đƣợc mã hóa trong một cột là có thể, với điều kiện là các vector khởi động cùng đƣợc sử dụng cho toàn bộ cột. Mặt khác, tìm kiếm so khớp một phần trên dữ liệu đƣợc mã hóa trong một cơ sở dữ liệu có thể là thử thách và có thể dẫn đến việc duyệt toàn bộ bảng nếu hỗ trợ tìm kiếm theo chỉ số không đƣợc sử dụng. Cột mã hóa có thể là một khóa chính hoặc một phần của một khóa chính, vì mã hóa một phần dữ liệu là ổn định (có nghĩa là nó luôn luôn tạo ra kết quả giống nhau), và không có hai phần riêng biệt của dữ liệu sẽ cho ra các bản mã hóa giống nhau, miễn là khóa và vectơ khởi động đƣợc sử dụng là nhất quán. Tuy nhiên, khi mã hóa toàn bộ cột của một cơ sở dữ liệu có sẵn, tùy thuộc vào phƣơng pháp chuyển đổi dữ liệu, ngƣời quản trị có thể phải xóa những khóa chính đã có cũng nhƣ các khoá liên kết khác và tạo lại chúng sau khi dữ liệu đƣợc mã hóa. Vì lý do này, mã hóa cột là một phần của một ràng buộc khóa chính không đƣợc khuyến cáo nếu việc hỗ trợ tìm kiếm theo chỉ số trên dữ liệu mã hóa không đƣợc sử dụng. Tuy nhiên, sự quan tâm đặc biệt phải đƣợc thực hiện trong quá trình tạo khóa. Để chuyển đổi một bảng hiện có mà vẫn giữ các dữ liệu đƣợc mã hóa, tất cả các bảng mà nó có những ràng buộc trƣớc tiên phải đƣợc xác định. Tất cả các bảng tham chiếu phải đƣợc chuyển đổi cho phù hợp. Trong một số trƣờng hợp, các ràng buộc tham chiếu phải đƣợc tạm thời vô hiệu hóa hoặc xóa bỏ để cho phép di chuyển dữ liệu hiện có. Chúng có thể đƣợc kích hoạt hoặc tái tạo lại một khi dữ liệu cho tất cả các bảng liên quan đƣợc mã hóa. Do tính phức tạp này, mã hóa một cột mà là một phần của ràng buộc khóa ngoại không đƣợc khuyến cáo, nếu các công cụ triển khai tự động không đƣợc sử dụng. Không giống nhƣ các chỉ số và khóa chính, mã hóa các khóa ngoài thƣờng không ảnh hƣởng tới hiệu suất.

Một bƣớc quan trọng trong việc đƣa ra chiến lƣợc mã hóa là xác định các dữ liệu cần đƣợc bảo vệ và các dữ liệu có thể tồn tại ở dạng bản rõ. Nếu bỏ qua bƣớc này nhiều dữ liệu đƣợc mã hóa hơn so với yêu cầu. Mặc dù nó có vẻ vô hại, cung cấp nhiều bảo vệ hơn, nhƣng mã hóa nhiều dữ liệu hơn tất yếu phải trả một giá cho hiệu suất hoạt động. Cấp độ mã hóa cột cần đƣợc cài đặt để hỗ trợ chính sách bảo mật dữ liệu.

112

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

KẾT LUẬN

Chúng tôi xác định hiệu suất là một vấn đề đặc biệt quan trọng thiết yếu để đánh giá các giải pháp khác nhau cho việc mã hóa cơ sở dữ liệu. Trong bài báo này, chúng tôi đã thảo luận về Hybrid, một giải pháp bảo mật CSDL đƣợc xây dựng trên nhiều hệ CSDL quan hệ lớn. Mô hình Hybrid đƣa ra nhiều thách thức đáng kể trong đó có các chi phí bổ sung tìm kiếm trên dữ liệu đƣợc mã hóa đảm bảo sự riêng tƣ của dữ liệu, và quản lý của thành phần của cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin. Chúng tôi đã giải quyết những vấn đề này và áp dụng nó vào trong CSDL thi trắc nghiệm online. Mô hình Hybrid nhấn mạnh một cách tiếp cận rộng cho vấn đề bảo mật dữ liệu và tính riêng tƣ của dữ liệu trong đó một quản trị viên an ninh bảo vệ sự riêng tƣ

• mức độ của các trƣờng và bản ghi, và quản trị CSDL cung cấp cơ chế liên tục để tạo, lƣu trữ, đảm bảo truy cập an toàn tới cơ sở dữ liệu. Một mô hình nhƣ vậy làm giảm bớt sự cần thiết cho các tổ chức mua phần cứng đắt tiền, đối phó với những thay đổi phần mềm, và thuê chuyên gia làm nhiệm vụ phát triển quản lý khóa mã hóa. Qua đánh giá với các chƣơng trình mã hóa khác nhau chúng tôi thấy sự sụt giảm mạnh mẽ thời gian thực hiện truy vấn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Davida, D. Wells, and J. Kam. A database encryption system with subkeys. ACM Transactions on Database Systems, 6(2), 1981.

• Data encryption standard. FIPS PUB 46, Federal Information Processing Standards Publication, 1977.

• He and M. Wang. Encryption in relational database management systems. In Proc. Fourteenth Annual IFIP WG 11.3 Working Conference on Database

Security (DBSec‟00), Schoorl, The Netherlands, 2000.

• Mattsson, Ulf T., „A DATABASE ENCRYPTION SOLUTION‟,

LinuxSecurity.com, 28 July 2004, http://www.linuxsecurity.com/content/view/116068/65/

• R. Adam and J. C. Wortman. Security-control methods for statistical databases. ACMComputing Surveys, 21(4):515– 556, Dec. 1989.

• Agrawal and J. Kiernan. Watermarking relational databases. In 28th Int‟l

Conference on Very Large Databases, Hong Kong, China, August 2002.

• F. Lunt. A survey of intrusion detection techniques. Computer & Security, 12(4), 1993.

113

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC – SỐ 24. 2015

DATA ENCRYPTION – BALANCE BETWEEN SECURITY AND PERORMANCE

Le Dinh Nghiep, Trinh Thi Phu, Le Van Hao

ABSTRACT

Developing a database encryption strategy is necessary to consider the balance between security requirements and the desire for high performance. Encryption at the database level, versus application and file level is an ideal approach to protect sensitive data and optimize performance. Relying on perimeter security and database access control is not adequate security. Packaged database encryption solutions have proven to be the best alternative. This is a specialized and complex solution, if internal resources do not have the cryptography expertise in relation to information technology environment, outside expertise should be used to ensure superior performance. This paper reviews the performance aspects of topologies for database encryption.

Key word: Performance, Database Security, Encryption, Privacy.

114

Tải xuống tài liệu học tập PDF miễn phí

Kết nối giữa phần mềm C# và thiết bị NI

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi vào hòm thư: [email protected]

Kéo xuống để Tải ngay đề cương bản PDF đầy đủ: Sau “mục lục” và “bản xem trước”

(Nếu là đề cương nhiều công thức nên mọi người nên tải về để xem tránh mất công thức)

Đề cương liên quan: THỰC THI CÁC BIỆN PHÁP BẢO ĐẢM AN NINH HÀNG HẢI CỦA ÚC VÀ KINH NGHIỆM CHO VIỆT NAM

[toc]

[pdfviewer width=”800px” height=”1000px” beta=”true/false”]http://hotroontap.com/wp-content/uploads/2019/07/K%E1%BA%BFt-n%E1%BB%91i-gi%E1%BB%AFa-ph%E1%BA%A7n-m%E1%BB%81m-C-v%C3%A0-thi%E1%BA%BFt-b%E1%BB%8B-NI.pdf[/pdfviewer]

Tải ngay đề cương bản PDF tại đây: Kết nối giữa phần mềm C# và thiết bị NI

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

KẾT NỐI GIỮA PHẦN MỀM C# VÀ THIẾT BỊ NI

CONNECT BETWEEN C# SOFTWARE AND NI EQUIPMENTS

ĐỒNG XUÂN THÌN

Khoa Điện, Trường Cao đẳng VMU

Tóm tắt

NI là thiết bị phần cứng của hãng National Instrument. Đây là một hãng rất nổi tiếng với nhiều thiết bị phần cứng được sử dụng trong lĩnh vực đo lường. Thiết bị NI rất dễ kết nối với phần mềm Matlab và LabView, hai phần mềm này có thể tạo giao diện giám sát và điều khiển. Ngoài ra, phần mềm C# cũng có thể được sử dụng để tạo giao diện giám sát và điều khiển, nhưng việc kết nối giữa phần mềm C# và thiết bị NI rất phức tạp.

Từ khóa: C#, NI, kết nối C# và NI, NI9215.

Abstract

NI equipments are the products of National Instrument Company that is very famous in measurement. It can easily connect with Matlab and LabView, these software can be used to create control interfaces. In additional, C# software also can create interfaces but it really complicate in programming and handshake with NI equipments.

Keywords: C#, NI, connect C#&NI, NI9215.

1. Giới thiệu

1.1. Phần mềm C#

Phần mềm C# là một phần rất quen thuộc nằm trong bộ Visual.NET. Hầu hết những người xây dựng giao diện để giám sát và điều khiển hệ thống thực trên máy tính đều sử dụng phần mềm này. Việc tải về và cài đặt phần mềm này rất đơn giản, chúng ta có thể tham khảo các nguồn tài liệu trên internet. Giao diện chính của phần mềm Microsoft Visual Studio khi cài đặt thành công như Hình 1.

Hình 1. Phần mềm Mirosoft Visual Studio 2010                                          Hình 2. NI 9215

1.2. Thiết bị NI

Như đã biết, National Instrument là một hãng thiết bị rất nổi tiếng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Một loại thiết bị thông dụng hay được sử dụng để kết hợp với phần mềm Matlab hoặc LabView đó là card PCI.

NI cũng là thiết bị phần cứng được phát triển bởi hãng này, đây là thiết bị chuyên dùng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. NI khá đa dạng về chủng loại, có thể kết hợp được với các phần mềm Matlab, LabView và cả C#. Việc lựa chọn thiết bị NI phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của bài toán điều khiển, một số thông số kỹ thuật cần thiết cho việc lựa chọn NI như sau:

• Loại tín hiệu vào/ra;

• Giới hạn mức tín hiệu vào/ra;

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018                                                                     9

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

• Số kênh tín hiệu vào/ra;

• Độ phân giải động của tín hiệu;

• Tần số lấy mẫu tối đa cho phép.

Để thực nghiệm việc kết nối giữa phần mềm C# tác giả lựa chọn thiết bị NI có tên NI9215.

Hình ảnh thực tế của NI9215 như Hình 2. Thông số cơ bản của NI9215 như sau:

• Số lượng kênh vào:

• Độ phân giải ADC:

• Dải tín hiệu vào:

• Tần số lấy mẫu:

• Nhiệt độ làm việc:

• Điện áp bảo vệ:

04 kênh vào tương tự;

16 bit;

10, 0 VDC;

100kHz;

-40^oC tới 70^oC;

2. Kết nối giữa phần mềm C# và thiết bị NI

• Thuật toán giao tiếp giữa C# và NI

Để có thể bắt tay được giữa phần mềm C# và thiết bị NI thì ta cần thực hiện một số việc theo một trình tự nhất định. Trình tự này sẽ giúp cho phần mềm C# nhận diện được thiết bị NI và cài đặt các thông số phù hợp cần thiết cho thiết bị. Thứ tự công việc đó được thể hiện qua Hình 3. Thuật toán giao tiếp giữa C# và NI.

Bắt đầu

Tìm thiết bị NI được kết nối với

máy tính

Khai báo Task

Khai báo Channel

Khai báo đặc tính của Channel

Cài đặt thông số cấu hình của

Channel

Cài đặt thông số xung clock và

lấy mẫu của Channel

Điều khiển các Channel

Kết thúc

Hình 3. Thuật toán giao tiếp giữa C# và NI

Đầu tiên ta cần phải xác định các thiết bị NI được gắn với máy tính, sau đó chọn thiết bị NI mà chúng ta muốn dùng. Bước tiếp theo ta cần khai báo một “đối tượng” Task để quản lý toàn bộ việc cài đặt thông số cấu hình cho NI, cũng như nhận dữ liệu từ NI gửi về. Sau đó ta cần khai báo một đối tượng “được điều khiển” bởi Task, đó chính là Channel. Channel này sẽ liên kết trực tiếp

10                                                                 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

với channel vật lý của thiết bị NI, dựa vào các đặc tính kỹ thuật thực tế của thiết bị NI mà ta sử dụng và mục đích sử dụng để có thể khai báo một cách chính xác thông số này.

Bước tiếp theo là cài đặt các thông số cấu hình và xung clock cho channel, bước này cần lưu lý tra theo các thông số kỹ thuật của NI để nhận/gửi dữ liệu một cách chính xác. Cuối cùng là đọc/ghi dữ liệu từ/tới channel vật lý, nếu chỉ đọc/ghi dữ liệu một lần thì rất dễ nhưng không có tính ứng dụng nhiều trong điều khiển. Hầu hết các quá trình điều khiển là “Real Time” (RT) nên ta cần đọc/ghi dữ liệu từ/tới channel vật lý một cách liên tục, tức là ta phải dùng một vòng lặp vô hạn để phục vụ việc giao tiếp với NI. Như vậy thì chương trình điều khiển sẽ không thể làm gì khác ngoài việc giao tiếp với NI, để khắc phục tình trạng này thì ta phải dùng chương trình đa nhiệm.

2.2. Các thông số cấu hình cho NI

+) Khai báo Channel:

Việc khai báo channel có vai trò rất quan trọng trong việc xác định tín hiệu (vào hay ra) và dạng của tín hiệu (số hay tương tự). C# hỗ trợ 4 kiểu khai báo channels [1-3]:

• AIChannel;

• AOChannel;

• DIChannel;

+) Khai báo đặc tính Channel:

Khai báo đặc tính channel sẽ quyết định dạng của tín hiệu mà chúng ta sử dụng. C# hỗ trợ khai báo các dạng đặc tính như sau:

• AnalogSingleChannelReader;

• AnalogSingleChannelWriter;

• AnalogMultiChannelReader;

• AnalogMultiChannelWriter;

• DigitalSingleChannelReader;

• DigitalSingleChannelWriter;

• DigitalMultiChannelReader;

+) Cài đặt thông số cấu hình cho Channel:

Việc cấu hình chi tiết cho channel không phức tạp nhưng có rất nhiều dạng cảm biến khác nhau được hỗ trợ. Dưới đây là một số cấu hình đầu vào cho tín hiệu analog được hỗ trợ bởi phần mềm C# hay được sử dụng:

• CreateAccelerometerChannel: Dùng cho cảm biến gia tốc;

• CreateFrequencyVoltageChannel: Dùng để tính giá trị tần số của điện áp lấy mẫu;

• CreateLvdtChannel: Dùng cho cảm biến LVDT;

• CreateMicrophoneChannel: Dùng cho Microphone;

• CreateResistanceChannel: Dùng cho đầu vào là điện trở;

• CreateStrainGageChannel: Dùng cho cảm biến đo xoắn trục;

• CreateVoltageChannel: Dùng cho đầu vào là điện áp (thường dùng nhất).

Đối với mỗi hàm cấu hình cho tín hiệu thì sẽ có vài tham số cần cài đặt (có hướng dẫn cụ thể trong từng hàm cài đặt). Ví dụ với hàm CreateVoltageChannel() thì có các tham số cần cài đặt như sau:

• Tên của channel vật lý;

• Tên đặt cho channel vật lý;

• Dạng của điện áp đầu vào;

• Giới hạn trên và giới hạn dưới của tín hiệu vào;

• Đơn vị được quy đổi sau khi đọc giá trị đầu vào.

+) Cài đặt thông số xung clock và lấy mẫu của channel:

Thông số xung clock thay đổi phụ thuộc vào dạng của tín hiệu là digital hay analog và là tín hiệu vào hay tín hiệu ra. Với NI9215 thì có 04 thông số cơ bản cần cài đặt cho xung clock gồm:

• Nguồn xung: Có thể sử dụng nguồn xung clock ngoài hoặc xung clock của NI;

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018                                                                     11

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

• Tốc độ lấy mẫu: Là số mẫu được lấy trong 1 giây, thông số này kiểu double;

• Cạnh tác dụng của xung clock: Có thể chọn cạnh lên hoặc cạnh xuống của xung clock;

• Chế độ lấy mẫu: Có 3 chế độ lấy mẫu nhưng ta thường dùng 2 chế độ đó là chế độ lấy mẫu xác định và chế độ lấy mẫu liên tục.

3.           Kết quả và đánh giá

3.1. Kết quả

Tác giả đã thực hiện thử nghiệm kết nối giữa phần mềm C# với thiết bị NI9215. Hình ảnh thí nghiệm như Hình 4.

Thí nghiệm bao gồm: thiết bị phần cứng NI9215, giao diện lấy các thông số cơ bản của NI9215 được xây dựng bởi phần mềm C#, thiết bị NI được kết nối với laptop thông qua dây nối USB. Trên giao diện gồm 2 phần: Textbox để hiển thị các thông số của NI, graph để hiển thị dữ liệu đọc về từ NI.

Hình 4. Hình ảnh thử nghiệm

Hình 5. Kết quả mẫu tín hiệu thu được

Trong thử nghiệm này, tác giả đã dùng tín hiệu đầu vào là điện áp lấy từ cảm biến dao động.

Kết quả của mẫu tín hiệu được vẽ thành đồ thị bởi khối Graph như Hình 5 [4], [5].

12                                                                 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

• đây tác giả chọn Sampling Rates = 8192, tức là lấy 8192 mẫu tín hiệu vào trong một giây. Tốc độ lấy mẫu có thể chọn bất kỳ và nhỏ hơn tốc độ lấy mẫu tối đa cho phép của thiết bị. Tuy nhiên, để thuận tiện cho các thuật toán xử lý số nhị phân thì ta nên chọn tốc độ lấy mẫu là 2n. Cũng trong thử nghiệm này thì tác giả lấy đúng 8192 mẫu, tức là lấy số mẫu tín h iệu trong một giây. Lưu ý, việc lấy bao nhiêu mẫu và tốc độ lấy mẫu không hoàn toàn phụ thuộc vào nhau, điều này còn phụ thuộc vào chế độ lấy mẫu ta cài đặt. Nếu chọn chế độ lấy mẫu là xác định thì số lượng mẫu sẽ nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ lấy mẫu, còn với chế độ lấy mẫu là liên tục thì số lượng mẫu không phụ thuộc vào tốc độ lấy mẫu. Tuy nhiên, số lượng mẫu có thể lấy được không phải là vô tận, nó phụ thuộc vào hai yếu tố đó là tốc độ xử lý tín hiệu của máy tính được sử dụng và nằm trong giới hạn của kiểu double.

3.2. Đánh giá

Thực hiện theo trình tự các bước được đề cập tại thuật toán giao tiếp giữa C# và NI đã có thể bắt tay được giữa phần mềm C# và thiết bị NI.

Với thử nghiệm đầu tiên này, tác giả không những lấy được mẫu tín hiệu trên một kênh AI của thiết bị NI9215 mà còn truy vấn được các thông số danh định của thiết bị NI9215 bao gồm: Tên thiết bị, tên các kênh vật lý, dải điện áp đầu vào, mã số thiết bị, loại thiết bị và số serial của thiết bị.

Hạn chế của vấn đề nghiên cứu: Mới chỉ lấy dữ liệu trên một kênh đầu vào của thiết bị NI9215, chưa lấy được tín hiệu trên tất cả các kênh đầu vào cũng như chưa thử nghiệm được trên các thiết bị NI khác.

Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo:

• Một là xây dựng phần mềm lấy dữ liệu trên tất cả các kênh đầu vào của thiết bị NI9215;

• Hai là thử nghiệm trên một vài thiết bị NI khác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• ni.com/tutorial/5409/en/.

• http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/370473H-01/mstudiowebhelp/html/5de00fb2/.

• https://forums.ni.com/t5/Measurement-Studio-for-NET/How-to-properly-use-AOChannels-CreateFunctionGenerationChannel/td-p/669811.

• https://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd456769.aspx.

• https://msdn.microsoft.com/en-us/library/system.windows.forms.datavisualization.charting.chart(v=vs.110).aspx.

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018                                                                     13

Tải xuống tài liệu học tập PDF miễn phí

MỘT CÁCH TIẾP CẬN TRONG GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG HÓA SINH DỮ LIỆU KIỂM THỬ PHẦN MỀM

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi vào hòm thư: [email protected]

Kéo xuống để Tải ngay đề cương bản PDF đầy đủ: Sau “mục lục” và “bản xem trước”

(Nếu là đề cương nhiều công thức nên mọi người nên tải về để xem tránh mất công thức)

Đề cương liên quan: Mô tả công việc nhân viên thiết kế Marketing – Designer

[toc]

[pdfviewer width=”800px” height=”1000px” beta=”true/false”]http://hotroontap.com/wp-content/uploads/2019/07/M%E1%BB%98T-C%C3%81CH-TI%E1%BA%BEP-C%E1%BA%ACN-TRONG-GI%E1%BA%A2I-QUY%E1%BA%BET-B%C3%80I-TO%C3%81N-T%E1%BB%B0-%C4%90%E1%BB%98NG-H%C3%93A-SINH-D%E1%BB%AE-LI%E1%BB%86U-KI%E1%BB%82M-TH%E1%BB%AC-PH%E1%BA%A6N-M%E1%BB%80M.pdf[/pdfviewer]

Tải ngay đề cương bản PDF tại đây: MỘT CÁCH TIẾP CẬN TRONG GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG HÓA SINH DỮ LIỆU KIỂM THỬ PHẦN MỀM

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

MỘT CÁCH TIẾP CẬN TRONG GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG HÓA SINH DỮ LIỆU KIỂM THỬ PHẦN MỀM

AN APPROACH TO AUTOMATED TEST DATA GENERATION

PHẠM ĐỨC TOÀN¹, PHAN NGUYÊN HẢI², PHẠM THỊ PHƯƠNG ANH³

• Phòng Tổ chức – Hành chính, Trường ĐHHH Việt Nam ² Học viện Kỹ thuật Quân sự

³ Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

Tóm tắt

Bài báo nghiên cứu lĩnh vực tự động hóa quy trình phát triển phần mềm, bài toán sinh dữ liệu kiểm thử tự động, hướng giải quyết cùng các khó khăn. Đề xuất cách tiếp cận biểu diễn thuật toán dựa trên khái niệm đồ thị, ứng dụng vào giải quyết bài toán sinh dữ liệu kiểm thử tự động.

Từ khóa: Tự động hóa phát triển phần mềm, sinh dữ liệu kiểm thử, biểu diễn thuật toán. Abstract

In this paper, the automated software development issue and test data generation problem are presented with solutions and challenges. Approach to represent algorithms based on graph concepts is proposed and applied to solving the problem of automated test data generation.

Keywords: Automated software development, test data generation, expressing algorithms.

1. Bài toán tự động hóa phát triển phần mềm và tự động hóa kiểm thử phần mềm

Quy trình phát triển phần mềm thông thường gồm các giai đoạn: Xác định yêu cầu, thiết kế, lập trình, kiểm thử, tích hợp triển khai. Tùy thuộc vào từng dự án cụ thể mà các giai đoạn này có thể tuần tự hoặc lặp lại.

Hiện nay trong lĩnh vực tự động hóa phát triển phần mềm, các bài toán đang được quan tâm là sinh mã nguồn tự động và sinh dữ liệu kiểm thử tự động.

Với bài toán sinh mã nguồn tự động, đầu vào là bản thiết kế, đầu ra là biểu diễn của bản thiết kế bằng cú pháp của một ngôn ngữ lập trình nào đó (nói cách khác là mã nguồn).

Với bài toán sinh dữ liệu kiểm thử (test data generation), đầu vào là các bản đặc tả (yêu cầu, thiết kế), mã nguồn, đầu ra là dữ liệu đầu vào của phần mềm mà cần kiểm thử tại đó. Khi có đầu vào cần kiểm thử, thì có thể xác định đầu ra chuẩn của phần mềm tại đầu vào đó theo mô tả của phần mềm (test oracle), cặp giá trị đầu vào và đầu ra chuẩn hình thành lên một trường hợp kiểm thử (testcase) để người kiểm thử (tester) thực hiện kiểm thử. Việc kiểm thử thông thường có nhiều cấp độ, như Unit Testing để kiểm thử các đơn vị mã nguồn, Integration Testting để kiểm thử việc tích hợp các đơn vị mã nguồn, System Testing và Acceptance Testing để kiểm thử toàn bộ hệ thống phần mềm (Hình 1). Việc sinh dữ liệu tự động thường áp dụng cho mức Unit Testing và cách tiếp cận truyền thống trong bài toán sinh dữ liệu kiểm thử hiện nay là dựa vào mã nguồn (kiểm thử hộp trắng – whitebox testing). Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả tập trung vào bài toán tự động hóa sinh dữ liệu kiểm thử ở mức Unit Testing.

Acceptance Testing (Kiểm thử chấp nhận)

System Testing (Kiểm thử hệ thống)

Integration Testing (Kiểm thử tích hợp)

Unit Testing (Kiểm thử đơn vị)

Hình 1. Các mức độ kiểm thử

Với bài toán sinh dữ liệu kiểm thử với phương pháp hộp trắng, cách thực hiện có thể gồm các bước chính như sau [1]:

• Xây dựng đồ thị chu trình từ mã nguồn (control flow graph – CFG), mỗi đỉnh của đồ thị là một dòng mã thực hiện việc tính toán hoặc xử lý điều kiện;

• Từ đồ thị xác định các đường đi từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc chương trình;

64                                                                 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

• Với mỗi đường đi, xác định các điều kiện đối với đầu vào để chương trình thực thi theo đường đi đó. Chọn một đại diện thỏa mãn điều kiện.

Với phương pháp này, chương trình có bao nhiêu đường thực thi thì có thể có bấy nhiêu testcase. Tuy nhiên, nếu chương trình có rẽ nhánh, vòng lặp thì số lượng đường thực thi có thể rất lớn. Trong trường hợp này, có thể chỉ cần tìm các đường cơ sở và từ các đường cơ sở đó xác định các dữ liệu kiểm thử.

Trong ba bước nêu trên, thì việc xây dựng đồ thị CFG từ mã nguồn và việc xác định các đường đi trên đồ thị là hoàn toàn có thể thực hiện tự động bằng lập chương trình. Tuy nhiên bước xác định điều kiện đối với đầu vào để chương trình thực thi theo một đường nhất định là một bài toán rất khó. Đây thực chất chính là bài toán giải quyết thỏa mãn ràng buộc (Constraint satisfaction problems – CSPs) [2, 3, 4]. Bài toán CSP được đặc trưng bởi bộ ba (X, D, C), với:

X = {X1, X2, …, Xn} là tập hợp các biến;

D = {D1, D2, …, Dn} tương  ứng là các tập hợp miền giá trị của các biến X;

C = {C1, C2, …, Cm} là tập hợp các ràng buộc. Ci là các hàm của X, thường có dạng bất phương trình.

Bài toán đòi hỏi cần tìm các giá trị của X trong miền D để thỏa mãn các ràng buộc C. Đây là bài toán thuộc lớp NP-đầy đủ (NP-complete), bài toán này không có lời giải trong trường hợp chung. Để giải quyết bài toán này phục vụ cho mục đích sinh dữ liệu kiểm thử tự động, đã có một cộng đồng nghiên cứu đông đảo với rất nhiều đề xuất tiếp cận như quay lui (backtracking), lan truyền ràng buộc (contraint propagation), tìm kiếm cục bộ (local search), giải thuật di truyền, tiến hóa [5, 6],…

Tuy nhiên các đề xuất chỉ thích hợp cho một lớp bài toán nhất định, kết quả sinh dữ liệu kiểm thử phụ thuộc vào rất nhiều tham số, thời gian chạy lâu, và thường không có sự bảo đảm về mặt toán học. Nguyên nhân chung có thể kết luận là do quá ít thông tin thu được từ mã nguồn chương trình khi xây dựng đồ thị CFG cùng các ràng buộc, dẫn đến quá trình tìm kiếm lời giải cho bài toán CSP gặp khó khăn. Xuất phát từ thực tế này, trong bài báo đề xuất một cách tiếp cận cho việc sinh dữ liệu kiểm thử được dễ dàng hơn.

Để tiếp tục, trước hết chúng ta xem xét giai đoạn thiết kế phần mềm trong quy trình phát triển phần mềm. Giai đoạn thiết kế phần mềm gồm các bước được mô tả trên Hình 2 [7].

Hình 2. Các bước của giai thoạn thiết kế phần mềm

Trong sơ đồ trên Hình 2, hoạt động thiết kế cốt lõi chính là thiết kế thuật toán (algorithm design). Trong phương pháp thiết kế hướng cấu trúc, thiết kế thuật toán thể hiện qua việc thiết kế thuật toán cho các hàm (chức năng) cơ sở. Trong phương pháp hướng đối tượng, thiết kế thuật toán thể hiện qua thiết kế thuật toán cho các phương thức của các lớp.

Bài toán sinh mã nguồn tự động có thể quy về sinh mã nguồn tự động từ thuật toán, từ đó có thể suy ra bài toán sinh dữ liệu kiểm thử tự động cũng có thể quy về các bài toán sinh mã nguồn tự động từ thuật toán (thực chất, mã nguồn chương trình chính là việc biểu diễn thuật toán bằng cú pháp một ngôn ngữ lập trình nào đó). Vấn đề tiếp theo cần quan tâm đến, đó là xem xét việc biểu diễn thuật toán trong bản thiết kế.

2. Vấn đề biểu diễn thuật toán

Trong lý thuyết thuật toán, thuật toán có thể biểu diễn bằng các cách truyền thống là ngôn ngữ tự nhiên, sơ đồ khối, giả mã (pseudo code),… Với các cách biểu diễn này thì chỉ có con người

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018                                                                     65

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

mới hiểu được thuật toán, và việc xây dựng chương trình, xác định dữ liệu kiểm thử cũng phải do con người thực hiện. Nói một cách khác là với các cách biểu diễn thuật toán truyền thống thì việc tự động sinh mã nguồn, tự động sinh dữ liệu kiểm thử bằng máy tính là không thể thực hiện được. Để tự động sinh mã nguồn, tự động sinh dữ liệu kiểm thử cần phải biểu diễn thuật toán theo các cách mới để máy tính có thể hiểu được.

Hiện nay, một trong những cách tiếp cận trong biểu diễn thiết kế là dùng ngôn ngữ XML [8]. Để có thể đưa bản thiết kế (thuật toán) vào máy tính, bản thiết kế được chuyển từ dạng biểu diễn truyền thống sang biểu diễn bằng XML, với biểu diễn XML thì có thể xây dựng được các phương pháp sinh mã nguồn và sinh dữ liệu kiểm thử tự động. Tuy nhiên, XML là ngôn ngữ quá mạnh mẽ, quá đa dạng nên việc đưa ra những bộ quy tắc chung trong việc chuyển đổi từ cách biểu diễn truyền thống sang XML cũng chưa có sự thống nhất.

Trong bài báo này, các tác giả đề xuất sử dụng khái niệm đồ thị để biểu diễn thuật toán. Việc biểu diễn thuật toán bằng đồ thị là hoàn toàn khả thi, thực chất sơ đồ khối cũng có thể coi là dạng biểu diễn trực quan của đồ thị. Ngoài ra, với đồ thị đã có rất nhiều lý thuyết đã được xây dựng về việc biểu diễn, lưu trữ và xử lý trên máy tính, nên hoàn toàn có hy vọng về khả năng trích rút các thông tin cần thiết từ thuật toán để phục vụ cho bài toán sinh tự động mã nguồn hay dữ liệu kiểm thử từ thuật toán.

• tưởng biểu diễn thuật toán bằng đồ thị không phải là mới. Tuy nhiên, cũng giống như XML, chuyển đổi từ biểu diễn truyền thống sang biểu diễn bằng đồ thị cũng có nhiều cách khác nhau.

3.           Cách tiếp cận dựa trên đồ thị

Trong phạm vi bài báo, chúng ta sẽ xem xét bài toán sinh dữ liệu kiểm thử bằng biểu diễn đồ thị của thuật toán. Với lý thuyết kiểm thử cơ bản thì cũng phải cần đến biểu diễn chương trình bằng đồ thị CFG, đồ thị CFG thực chất chính là biểu diễn của thuật toán. Vì vậy, việc dùng đồ thị thuật toán để sinh dữ liệu kiểm thử là hoàn toàn khả thi, ngoài ra khi biểu diễn thuật toán bằng đồ thị trong giai đoạn thiết kế thì chúng ta sẽ nhận được nhiều thông tin hơn cho việc sinh dữ liệu kiểm thử.

Việc xây dựng đồ thị thuật toán do người thiết kế thực hiện, có thể tiến hành theo hai bước, bước một là xây dựng sơ đồ khối thuật toán, bước hai là chuyển sơ đồ khối về dạng biểu diễn đồ thị. Về cấu trúc tổng quát, thuật toán có thể biểu diễn bằng đồ thị có hướng G, mỗi đỉnh của đồ thị có thể là một phép toán hoặc một khối rẽ nhánh. Với các đỉnh phép toán, khi đi qua đỉnh này, có thể coi dữ liệu đầu vào được đưa qua một hàm biến đổi nào đó. Với các đỉnh rẽ nhánh, khi đi qua, dữ liệu đầu vào không bị biến đổi, nhưng được kiểm tra bằng một hàm mệnh đề nào đó. Tùy thuộc vào hàm mệnh đề mà có thể rẽ nhánh nọ hoặc nhánh kia. Và khi xác định thuật toán, đi kèm với mỗi đỉnh là thông tin về dữ liệu vào ra tại đỉnh đó, thông tin về phép toán, về biểu thức điều kiện tại các khối rẽ nhánh. Những thông tin này người thiết kế hoàn toàn có thể cung cấp. Một số ví dụ về các thông tin:

• Miền dữ liệu vào/ra tại các đỉnh;

• Phân loại hàm xử lý, hàm mệnh đề (liên tục, rời rạc, tuyến tính, phi tuyến, biến nào là chính, biến nào là phụ thuộc;

• Ví dụ về các giá trị thỏa mãn hàm mệnh đề tại các đỉnh;

• Khả năng tuyến tính hóa, đơn giản hóa các hàm xử lý, hàm mệnh đề, hàm ngược của các hàm xử lý,…

Những thông tin này, trong những trường hợp nào đó sẽ giúp việc giải quyết bài toán thỏa mãn ràng buộc trong sinh dữ liệu kiểm thử được dễ dàng hơn. Một cách ngắn gọn, cách tiếp cận dựa trên đồ thị thuật toán này khác với cách tiếp cận truyền thống như sau:

• Cách truyền thống: Thiết kế (thuật toán) ^à Mã nguồn ^à Đồ thị ^à Sinh dữ liệu kiểm thử
• Cách đề xuất: Thiết kế (thuật toán) ^à Đồ thị + Thông tin ^à Sinh dữ liệu kiểm thử hoặc sinh mã nguồn.

4.           Sinh dữ liệu kiểm thử tự động với biểu diễn dạng đồ thị của thuật toán

Chúng ta vận dụng ý tưởng của phương pháp hộp trắng để xác định các dữ liệu kiểm thử. Khi thuật toán được biểu diễn bằng đồ thị thì việc tự động xác định các đường đi từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc là bài toán kinh điển trong lý thuyết đồ thị và đã được giải quyết trọn vẹn ngay cả trong trường hợp đồ thị có chu trình (vòng lặp). Nghĩa là việc tìm đường đi bằng chương trình máy tính là hoàn toàn khả thi.

Tiếp theo với mỗi đường đi tìm được, cần tự động tìm dữ liệu đầu vào của thuật toán để thuật toán thực thi theo con đường đó. Ở đây, chúng ta chỉ xem xét ví dụ một trường hợp, giả sử thông

66                                                                 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

tin đi kèm tại các đỉnh đồ thị cho biết các hàm xử lý, hàm mệnh đề là các hàm tuyến tính và dữ liệu đầu vào của chương trình có dạng số. Ký hiệu:

Các giá trị đầu vào của chương trình là X = {X1, X2, …, Xn} ∈ Rⁿ;

Đường đi tìm được trên đồ thị gồm các hàm xử lý X = Fi(X) và các hàm mệnh đề Gj(X)>0.

Khi đó việc tìm điều kiện của đầu vào X để chương trình đi theo đường đi này trở thành việc giải hệ bất phương trình tuyến tính:

… … … . . …

=   (  )

… … … . . …                                                                                                   ₍₁₎

  (  ) >

^{ … … … . …

• đây thứ tự các hàm xử lý, hàm mệnh đề trong hệ bất phương trình trùng với thứ tự của các đỉnh tương ứng trên đường đi của đồ thị.

Hệ bất phương trình có thể giải tự động được, thuật toán giải gồm các bước chính như sau:

Bước 1. Chuyển hệ về dạng hệ phương trình (2):

… … … . . …

=   (  )

… … … . . … _,

  (  ) =

^{ … … … . …

ở đây aj là những số nào đó lớn hơn 0.

Bước 2. Tìm hạng r của ma trận biểu diễn hệ phương trình (2).

Bước 3. Cố định n-r biến (cho các giá trị cụ thể), giải hệ r phương trình để tìm r biến còn lại.

Nghĩa là, trong trường hợp này chúng ta hoàn toàn có thể tự động xác định được dữ liệu đầu vào để chương trình thực thi theo con đường nào đó.

Xét ví dụ sinh dữ liệu kiểm thử từ một thuật toán đơn giản, thuật toán tìm giá trị lớn nhất trong 3 số thực a, b, c. Thuật toán có thể như sau:

Bước 1. Đặt max = a;

Bước 2. So sánh max < b. Nếu đúng, gán max = b.

Bước 3. So sánh max < c. Nếu đúng, gán max = c. Đưa ra max. Kết thúc.

Đồ thị biểu diễn thuật toán có dạng như trên Hình

3. Với đồ thị như trên Hình 3, có thể có các đường thực thi từ đỉnh bắt đầu ( Bắt đầu) đến đỉnh kết thúc (8. Kết thúc) như sau:

Đường 1: 1 ^à 2 ^à 3 ^à 5 ^à 7 ^à 8

Đường 2: 1 ^à 2 ^à 3 ^à 4 ^à 5 ^à 7 ^à 8

Đường 3: 1 ^à 2 ^à 3 ^à 4 ^à 5 ^à 6 ^à 7 ^à 8

Đường 4: 1 ^à 2 ^à 3 ^à 5 ^à 6 ^à 7 ^à 8

(2)

1. Bắt đầu

2. max = a

7. max

8. Kết thúc

Hình 3. Đồ thị thuật toán

Chúng ta xem xét việc xác định đầu vào để chương trình thực thi theo đường 3. Với các đường khác việc xác định là tương tự.

Thông tin trên đồ thị cho thấy các hàm xử lý và hàm mệnh đề tại các đỉnh là hàm tuyến tính, hệ bất phương trình đối với đường 3 như sau:

Hệ này có thể chuyển thành hệ (4), bằng cách tính biến max lần lượt theo các biến đầu vào và thay các bất phương trình thành phương trình:

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018                                                                     67

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/4/2018

Hạng của ma trận hệ (4) bằng 2, ta có thể cố định a = 2, suy ra b = 3, c = 5 và nhận được một dữ liệu đầu vào để kiểm thử là (2,3,5), với đầu vào này thì đầu ra chuẩn là 5, nghĩa là nhận được testcase ((2,3,5),5). Tương tự đối với những đường thực thi khác. Nghĩa là chúng ta đã xác định được dữ liệu kiểm thử một cách tự động hoàn toàn theo tiêu chí bao phủ tất cả các đường thực thi.

5. Kết luận

Với cách biểu diễn thuật toán bằng đồ thị ngay trong giai đoạn thiết kế, chúng ta có thể thu được nhiều thông tin hơn về đồ thị nhận được, từ đó có thể giải quyết bài toán sinh dữ liệu kiểm thử tự động một cách dễ dàng hơn. Hướng phát triển tiếp theo là xem xét việc giải quyết bài toán sinh dữ liệu kiểm thử trong các trường hợp phức tạp và xem xét việc sinh mã nguồn tự động dựa trên đồ thị biểu diễn thuật toán.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Arthur H. Watson and Thomas J. McCabe. “Structured Testing: A Testing Methodology Using the Cyclomatic Complexity Metric”. NIST Special Publication 500-235, 1996.

• Dechter, Rina. Constraint processing. Morgan Kaufmann, 2003.

• Apt, Krzysztof. Principles of constraint programming. Cambridge University Press, 2003.

• Lecoutre, Christophe. Constraint Networks: Techniques and Algorithms. ISTE/Wiley, 2009.

• Phil McMinn. Search-based Software Test Data Generation: A Survey. Software Testing Verification and Reliability, Wiley. 2004.

• Chayanika Sharma, Sangeeta Sabharwal, Ritu Sibal. A Survey on Software Testing Techniques using Genetic Algorithm. IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol. 10, Issue 1, No 1, January 2013.

• Ian Sommerville. Software Engineering (9th Edition). Pearson Education, Addison-Wesley, 2010.

• Anshul, Sompal, Vikas Sheoran. Automatic Code Generation Using Uml To Xml Schema Transformation. International Journal of Advancement in Engineering Technology, Management and Applied Science, Volume 1, Issue 2, 2014.

68                                                                 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải           Số 54 – 4/2018

Tải xuống tài liệu học tập PDF miễn phí