Luận án nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things

LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP NÂNG CAO AN TOÀN TRONG MẠNG "INTERNET OF THINGS" Hà Nội – 2022 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.V DANH MỤC HÌNH VẼ. VII DANH MỤC BẢNG.VIII MỞ ĐẦU. IOT VÀ CÁC VẤN ĐỀ THÁCH THỨC. Tổng quan về Internet of Things.

Khái niệm về Internet of Things. Công nghệ IoT. Nền tảng IoT. Các đặc tính cơ bản của IoT.

Kiến trúc hệ thống an toàn bảo mật IoT. Kiến trúc IoT. Kiến trúc an toàn bảo mật an ninh trong IoT. Các cơ chế an toàn bảo mật thông tin trong IoT hiện nay.

Phương pháp mã hóa. An toàn bảo mật thông tin lớp truyền thông. An toàn bảo mật thông tin dữ liệu cảm biến. An toàn bảo mật tại lớp hỗ trợ, hạ tầng mạng, điện toán đám mây.

An toàn bảo mật thông tin lớp ứng dụng. Mạng cảm biến không dây và các vấn đề an toàn bảo mật. Thiết bị IoT tài nguyên yếu và các vấn đề an toàn bảo mật. Tình hình nghiên cứu an ninh IoT trên thế giới và tại Việt Nam.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới. An toàn bảo mật thông tin IoT tại Việt Nam. Một số công trình nghiên cứu liên quan về an toàn IoT. Hạn chế tồn tại.

Mục tiêu xây dựng bài toán an toàn IoT tài nguyên yếu. GIẢI PHÁP OVERHEARING PHÒNG CHỐNG TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ. An toàn bảo mật trên mạng cảm biến không dây (WSN). Giao thức Định tuyến RPL trong mạng cảm biến không dây.

Tấn công từ chối dịch vụ (DoS) trên mạng cảm biến không dây. Các giải pháp chống tấn công DoS vào mạng WSN. Các tiêu chí đo đạc và đánh giá hiệu năng mạng. Tỉ lệ truyền nhận thành công (PDR).

Độ trễ trung bình (Latency). Năng lượng tiêu thụ (E). Giải pháp Overhearing phòng chống tấn công DoS. Cơ chế Overhearing nguyên bản.

Ý tưởng cải tiến cơ chế Overhearing. Cơ chế Overhearing cải tiến trong phòng chống tấn công DoS. Thí nghiệm mô phỏng giải pháp Overhearing. Giới thiệu các kịch bản mô phỏng thử nghiệm giải pháp.

Xây dựng các mô hình và tình huống thử nghiệm. Kết quả mô phỏng tấn công, so sánh đánh giá. SỬ DỤNG MÃ HÓA NHẸ CHO CÁC THIẾT BỊ IOT TÀI NGUYÊN YẾU73 3. Hạn chế của IoT tài nguyên yếu trong an toàn bảo mật.

Giải pháp an toàn bảo mật cho các thiết bị IoT tài nguyên yếu. Giao thức bảo mật nhẹ Lightweight cho IoT. Các yêu cầu thiết kế và mật mã hạng nhẹ cần. Các công trình tích hợp mã hóa hạng nhẹ.

Giải pháp DTLS xác thực và bảo mật cho các thiết bị tài nguyên yếu. Triển khai giải pháp DTLS trên nền tảng Om2M. Mô hình đề xuất. Thử nghiệm và đánh giá mô hình an ninh DTLS.

Triển khai CurveCP trên mạng WSN. Tổng quan về CurveCP. Thử nghiệm triển khai CurveCP với các điều chỉnh. Kết quả thí nghiệm mô phỏng với giải pháp điều chỉnh CurveCP.

Giới thiệu hàm băm xác thực hạng nhẹ Quark. Đánh giá về giải pháp, hướng nghiên cứu phát triển. MÔ HÌNH TÍCH HỢP NÂNG CAO AN TOÀN MẠNG IOT. Giải pháp tích hợp giao thức DTLS và cơ chế Overhearing.

Triển khai giải pháp tích hợp DTLS và Overhearing cải tiến. Mô phỏng giải pháp tích hợp DTLS & Overhearing. Kết quả thí nghiệm mô phỏng, so sánh đánh giá. Một số hạn chế tồn tại trong các giải pháp đã triển khai.

Tích hợp Quark vào DTLS với Overhearing. Giải pháp tích hợp Overhearing, Quark và DTLS. Cải tiến về DTLS và Quark. Mô phỏng giải pháp tích hợp an toàn IoT thiết bị tài nguyên yếu.

Kết quả thí nghiệm mô phỏng. Đánh giá về giải pháp. Hạn chế của luận án. Đề xuất, hướng nghiên cứu tiếp theo.124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.126 TÀI LIỆU THAM KHẢO.136 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt 6LoWPAN IPv6 over Low power Wireless IPv6 qua Mạng cá nhân không Personal Area Networks dây công suất thấp ACL Access Control Lists Danh sách điều khiển truy cập AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao AH Authentication Header Tiêu đề xác thực ASN Absolute Slot Number Số khe tuyệt đối BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth Năng lượng thấp CA Certification Authority Tổ chức cấp chứng chỉ số CBC Cypher Block Chaining Mã hóa Khối chuỗi nối tiếp CC Consistency Check Kiểm tra tính nhất quán CoAP The Constrained Application Giao thức ứng dụng hạn chế Protocol CSMA/CA Carrier Sense Multiple Đa truy cập cảm ứng sóng mang Access/Collision Avoidance và tránh xung đột DAG Direct Acyclic Graph Đồ thị có hướng không chu kỳ DAO Destination Advertisement Bản tin Quảng bá Điểm đến Object DAO-ACK DAO Acknowledgment Bản tin Phản hồi Bản tin DAO DIO DODAG Information Object Bản tin chứa thông tin Đồ thị Hướng đích đến không chu kỳ DIS DODAG Information Bản tin đề nghị gửi Bản tin chứa Solicitation thông tin DODAG DODAG Destination Oriented Directed Đồ thị Hướng đích đến không chu Acyclic Graph kỳ DoS Denial of Service Tấn công Từ chối dịch vụ DTLS Datagram Transport Layer An ninh Tầng Giao vận với Security Truyền thông dòng E2E End to End Quy trình đầu cuối ECC Elliptic Curve Cryptography Mã hóa Đường cong Elliptic ECDHE Elliptic Curve Diffie-Hellman Đường cong Elliptic bằng thuật Algorithm with Ephemeral toán Diffie-Hellman với Khóa keys ngắn ECDSA Elliptic Curve Digital Thuật toán kỹ thuật số đường Algorithm cong elip ESP Encapsulating Security Payload Cơ chế An ninh Đóng gói dữ liệu IEEE Institute of Electrical and Viện Kỹ Sư Điện Và Điện Tử Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Lực lượng đặc nhiệm kỹ thuật Force Internet IoT Internet of Things Mạng Internet vạn vật IPSec Internet Protocol Security Giao thức internet bảo mật LoWPAN Low Power Wireless Personal Mạng Cá nhân Không dây năng Area Networks lượng thấp M2M Machine-to-Machine Tương tác giữa máy và máy MAC Message Authentication Code Mã Xác thực Thông điệp MIC Message Integrity Code Mã kiểm tra tính toàn vẹn thông điệp MQTT Message Queuing Telemetry Giao thức truyền thông theo mô Transport hình xuất bản – theo dõi MTU Max Transmission Unit Đơn vị truyền tải tối đa NFC Near Field Communications Truyền thông tầm gần OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến link – state, tìm đường đi ngắn nhất đầu tiên OWASP Open Web Application Dự án An toàn bảo mật cho Ứng Security Project dụng Website mở PHY Physical layer Tầng Vật lý RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng qua tần số vô tuyến RIP Routing Information Protocol Giao thức định tuyến vector khoảng cách ROLL Routing Over Low-power and Định tuyến qua Mạng năng lượng Lossy Networks thấp và giảm hao tổn RPL Routing Protocol for Low Giao thức định tuyến cho Mạng power and Lossy Networks năng lượng thấp và giảm hao tổn TSCH Time Slotted Channel Hopping Giao thức Phân khe thời gian và Nhảy kênh WSN Wireless Sensors Networks Mạng Cảm biến Không dây DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.

Mô hình kiến trúc IoT tham khảo. Mô hình kiến trúc an toàn bảo mật trong IoT. Những thách thức an toàn bảo mật IoT. Các thành phần của Node mạng cảm biến.

Mô hình mạng cảm biến không dây đơn giản. Những đặc điểm thiết bị tài nguyên yếu trong hệ thống IoT. Mô hình đồ thị DAG của giao thức RPL. Cơ chế bảo mật của một thông điệp kiểm soát trên RPL.

Tấn công DoS và giải pháp Overhearing trên WSN. Mô hình tương tác với thiết bị Zolertia. Kết nối mô phỏng giải pháp với thiết bị thực. Sơ đồ kết nối các thiết bị mô phỏng.

Kiến trúc mô hình chuẩn và giao thức OneM2M. Kiến trúc bảo mật cho hệ thống IoT theo chuẩn oneM2M. Xây dựng Plugin để làm việc với giao thức DTLS. Các thành phần trong hệ thống thử nghiệm.

Các pha làm việc của DTLS. Vị trí cài đặt của Giao thức CurveCP. Cơ chế trao đổi khóa trong giao thức CurveCP. Sơ đồ hoạt động của thuật toán băm Quark.

Kiến trúc cơ chế nổi bọt chồng của thuật toán băm Quark. Mô hình an toàn bảo mật CIA. Sơ đồ vị trí cài đặt Overhearing và DTLS trong hệ thống mạng IoT. Kiến trúc mạng IoT trong các kịch bản mô phỏng.

Sự xuất hiện của các bản tin MDNS trong mạng cài DTLS. Mô hình giải pháp an toàn IoT tích hợp Overhearing, DTLS và Quark.116 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Phân loại các thiết bị tài nguyên yếu. Một số các thiết bị tài nguyên yếu phổ biến.

Một số cơ chế kỹ thuật an ninh bảo mật IoT hiện nay. Sự khác biệt giữa kiến trúc và cơ chế của tấn công DOS. Thống kê số nút bị gán nhãn Bot. Thống kê số gói tin gửi nhận trung bình trong mỗi nút mạng.

Kết quả thông số thí nghiệm kịch bản thí nghiệm mô phỏng. Kết quả thí nghiệm với các thiết bị thực tế. Đặc điểm của Mã hóa hạng nhẹ (LWC). Một số cấu trúc thuật toán mã hóa hạng nhẹ.

Một số hệ mật mã khối hạng nhẹ phổ biến hiện nay. Quá trình bắt tay của DTLS tại thiết bị. Bộ nhớ thiết bị sử dụng DTLS với hai thư viện tinyDTLS và tinyECC. Thành phần thông điệp trong của giao thức CurveCP.

Hoạt động của Box trong giao thức CurveCP. Kết quả đo thông số mạng IoT với CurveCP. Các đặc tính DTLS và cơ chế Overhearing. Kết quả đo thông số mạng IoT với DTLS & Overhearing.

Kết quả đo thông số mạng IoT với giải pháp an ninh tích hợp. Tính cấp thiết của đề tài Sự phát triển mạnh mẽ của Internet vạn vật hay Internet of Things (IoT) đã và đang góp phần định hình xã hội thông tin tương lai. Ngày nay, các thiết bị IoT được sử dụng phổ biến tại các tổ chức, doanh nghiệp thuộc nhiều quốc gia trên thế giới. Số lượng thiết bị IoT ngày càng tăng, theo số liệu cập nhật cuối năm 2019, con số này đã lên đến 4,8 tỷ thiết bị, tăng 21.5% so với cuối năm 2018.

Hiện tại, qua khảo sát trên hệ thống mạng của các doanh nghiệp có quy mô vừa, khoảng 30% các thiết bị kết nối trong hệ thống là thiết bị IoT [1][2]. Kết hợp với mạng 5G, điện toán đám mây và dữ liệu lớn đang mang lại những thay đổi lớn cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng. Ngày nay, các thiết bị IoT đã và đang được sử dụng phổ biến tại các tổ chức, doanh nghiệp ở nhiều quốc gia trên thế giới. Số lượng thiết bị IoT ngày càng gia tăng và theo dự đoán của tổ chức IoT Analytics, số lượng thiết bị IoT sẽ vượt mốc 12 tỷ thiết bị trong năm 2021.

Theo dự báo của IDC, đến năm 2025 sẽ có hơn 40 tỷ thiết bị IoT được triển khai trên toàn thế giới. Các thiết bị này sẽ thu thập một lượng dữ liệu kỷ lục - 79 Zettabytes. Theo kết quả nghiên cứu của IHS Markit, số thiết bị kết nối IoT sẽ tăng trung bình 12% mỗi năm và dự kiến lên tới 125 tỷ năm 2030. Với sự phát triển nhanh chóng này, IoT cũng đã trở thành mục tiêu hấp dẫn cho tin tặc.