Luận án tiến sĩ kỹ thuật máy tính: Giải pháp nâng cao an toàn mạng Internet of Things (IoT) tài nguyên yếu của tác giả Nguyễn Văn Tánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN TÁNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP NÂNG CAO AN TOÀN TRONG MẠNG "INTERNET OF THINGS" Ngành: Kỹ thuật máy tính Mã số: 9480106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Linh Giang 2. Đặng Văn Chuyết Hà Nội – 2022 luan an I MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. IV DANH MỤC HÌNH VẼ.

VI DANH MỤC BẢNG. VII 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). 32 luan an II 2.

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 YẾU 73 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. 98 luan an III 3. 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.

IOT VÀ CÁC VẤN ĐỀ THÁCH THỨC 1. Tổng quan về Internet of Things 1. Khái niệm về Internet of Things Internet of Things (IoT) được hiểu một cách đơn giản là một mạng lưới vạn vật kết nối với nhau thông qua Internet. Chúng bao gồm các đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin hay dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hoặc người với máy tính.

IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và quan trọng hơn là sự có mặt của Internet. Nói đơn giản IoT là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối mọi thứ lại với nhau với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. IoT hứa hẹn cung cấp những tiến bộ trong tự động hóa công nghiệp, y tế, bảo tồn năng lượng, nông nghiệp, giao thông, quản lý đô thị, kinh doanh, thương mại điện tử cũng như nhiều ứng dụng và lĩnh vực khác [3] [4] [5] [6]. Công nghệ IoT Liên minh Viễn thông quốc tế IoT (trong Khuyến nghị IoT-T IoT.2060) đã định nghĩa IoT như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối “vạn vật” (cả vật lý lẫn ảo) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin đó và dựa trên các công nghệ truyền thông.

Thông qua việc khai thác khả năng nhận biết, thu thập xử lý dữ liệu, công nghệ IoT tận dụng mọi thứ để cung cấp dịch vụ cho tất cả các loại ứng dụng. Tuy nhiên để giải quyết tất cả những phức tạp của việc cho phép giao tiếp, kết nối, dịch vụ và đám mây cho các thiết bị này, một nền tảng IoT sẽ là một giải pháp trung gian, một phần mềm hỗ trợ giao tiếp, kết nối phần cứng, điểm truy cập và phần cứng mạng dữ liệu với các phần khác [7]. Nền tảng IoT phải đảm bảo tích hợp liền mạch với các phần cứng khác nhau bằng cách sử dụng một loạt các giao thức truyền thông phổ biến, áp dụng các kiểu hình thái mạng khác nhau và sử dụng các công cụ, phần mềm dùng để phát triển ứng dụng thông qua một nền tảng nhất định khi cần thiết. Nền tảng IoT Để đạt được giá trị từ IoT, cần phải có một nền tảng để tạo và quản lý ứng dụng, chạy các phân tích, lưu trữ và bảo mật dữ liệu.

Giống như một hệ điều hành dành cho máy tính, một nền tảng làm rất nhiều thứ đằng sau đó, tạo tra môi trường cho các nhà phát triển, giúp nhà quản lý và người dùng sử dụng dễ dàng hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Nhìn chung, nền tảng IoT đề cập đến các thành phần phần mềm cung cấp giao diện giữa các cảm biến và ứng dụng, các giao tiếp, luồng dữ liệu, quản lý thiết bị, và các chức năng của phần mềm trung gian lớp giữa. Một nền tảng không phải là ứng dụng riêng, mặc dù nhiều ứng dụng có thể được xây dựng hoàn toàn trong khuôn khổ một nền tảng IoT [8]. Các đặc tính cơ bản của IoT Hệ thống IoT sẽ bao gồm các đặc trưng như sau: - Tính không đồng nhất: các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau cũng như mạng khác nhau.

Các thiết bị giữa các mạng có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng. - Tính kết nối liên thông: với hệ thống IoT thì bất cứ điều gì, vật gì, máy móc gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể. - Những dịch vụ liên quan đến “vạn vật”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “vạn vật” chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa thiết bị thực và ảo. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và phần mềm sẽ phải thay đổi.

- Sẽ có quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị, máy móc, được quản lý và giao tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người. - Có thể thay đổi linh hoạt: các trạng thái của các thiết bị điện tử, máy móc có thể tự động thay đổi như ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi, và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi tùy vào cách mà chúng ta muốn [9] [10].

Kiến trúc hệ thống an toàn bảo mật IoT 1. Kiến trúc IoT Yashaswini đã mô tả kiến trúc tổng quát của IoT bao gồm 4 thành phần cơ bản như minh họa tại Hình 1.1: [11] Các vật thể kết nối Internet: đề cập đến các thiết bị có khả năng kết nối, truyền thông tin và thực hiện nhiệm vụ được xác định của nó như đồng hồ, điện thoại thông minh, đồ gia dụng, đèn chiếu sáng, đo năng lượng hoặc các thiết bị cảm biến để thu thập thông tin khác. Các cổng kết nối (Gateway): đóng vai trò là một trạm trung gian, tạo ra kết nối giữa các vật thể với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. Gateway là cửa sổ của hệ thống IoT nội bộ với thế giới bên ngoài.

Các công nghệ truyền dữ liệu được sử dụng như GSM, GPRS, cáp quang hoặc các công nghệ internet khác. Hạ tầng mạng và điện toán đám mây: Cơ sở hạ tầng mạng bao gồm thiết bị định tuyến, chuyển mạch, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác được dùng để kiểm soát lưu lượng dữ liệu, được kết nối đến mạng lưới viễn thông và triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. Trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và kết nối các mạng ảo hóa. Công nghệ không dây như Bluetooth, Smart, Zigbee, subGhz, Wi-Fi giúp tạo ra kết nối giữa các thiết bị hoặc giữa thiết bị với mạng Internet.