CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ AN TOÀN THÔNG TIN TRONG IoT 1. Tổng quan về công nghệ, hệ thống IoT 1. Công nghệ IoT IoT được viết tắt bởi cụm từ Internet of Things – Công nghệ Internet vạn vật, mang ý nghĩa kết nối mọi thứ với Internet. Trong đó mọi vật đều sẽ được cung cấp các định danh khác nhau, có khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới không cần thông qua tương tác giữa máy tính với con người hay con người với con người.
Có thể khái quát rằng IoT đề cập đến những thiết bị vật lý ở tất cả mọi nơi có khả năng kết nối với nhau, với Internet để biến mọi thứ trở nên chủ động, thông minh hơn. IoT đã ảnh hưởng đến xã hội hiện đại ở nhiều khía cạnh khác nhau, bao gồm từ các dịch vụ chăm sóc sức khỏe cá nhân đến các sản phẩm sản xuất trong các ngành công nghiệp [10]. Ngoài ra, những tiến bộ về công nghệ như học máy, học sâu,… đã đóng góp không nhỏ dẫn đến sự phát triển của công nghệ IoT. Một số ứng dụng phổ biến trong IoT hiện có là hệ thống tự hành dành cho các phương tiện giao thông tự động, lưới điện siêu nhỏ phân tán để quản lý, phẩn bổ tài nguyên năng lượng, các máy bay không người lái để giám sát hoạt động trong các thành phố thông minh.
Có thể thấy, một hệ thống lưới điện siêu nhỏ đại diện cho một ví dụ điển hình về hệ thống mạng ở lớp vật lý: nó liên kết tất cả các nguồn năng lượng phân tán với nhau để cung cấp một giải pháp năng lượng toàn diện cho một khu vực địa lý. Ngoài ra, IoT cũng len lỏi, góp phần làm cho những lĩnh vực quen thuộc với đời sống hàng ngày của chúng ta trở nên hiện đại hơn, thông minh và thuận tiện hơn. Giáo dục không chỉ giới hạn trong những cách tiếp cận truyền thống, đặc biệt là sau đại dịch Covid-19 vừa rồi làm cho các lớp học trực tuyến trở nên ngày càng phổ biến. Bây giờ, chỉ với các thiết bị thông minh được kết nối mạng, cả giáo viên và học sinh đều thuận tiện hơn cho việc triển khai, tiếp cận các bài giảng từ bất cứ đâu mà không cần phải gặp mặt trực tiếp, có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian cho việc di chuyển.
Bên cạnh đó, các nền tảng giáo dục hiện đại đang điều chỉnh các thiết bị như sách điện tử có thể tải xuống và có sẵn các tính năng thu phóng và lưu, bảng thông minh thay vì bảng đen có thể 4 được sử dụng làm bảng trắng để viết bằng bút dạ và cũng có thể hiển thị hình ảnh liên quan đến chủ đề và đồ họa cho học sinh [11]. Ngoài ra, các ứng dụng dùng để triển khai học trực tuyến đều có các chức năng quản lí thời gian ra vào lớp học của học sinh dẫn đến sự thuận tiện hơn cho giảng viên về vấn đề quản lí lớp học. Tự Đo lường động thông Nơi ở Thông Quản lý Quản lý người báo thông năng cảm Kết nối Bảo vệ phòng Giải Bảo vệ trường Giáo dục Quản lý thông Lưới điện năng Theo dõi thông hoạt động Nhà thông Quản lý Thiết bị chất lượng Chống đeo thông trộm Quần áo Ứng dụng Quản lý IoT Nông nước thông nghiệp Tự động Thành Giao phố thông hoá thông Ô tô tự Chăm sóc lái sức khoẻ Quản lý rác Lịch sử thông Quản lý chất thăm lượng không Chăm Bảo vệ sóc Quản Quản lý thông lý đội bệnh nhân Chẩn đoán từ Giải CV2X Thông tin thời gian Hình 1. 1: Các ứng dụng phổ biến của IoT Bên cạnh giáo dục, lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cũng đã thay đổi với sự ra đời của IoT, những thiết bị đeo được dùng để quản lí tình trạng sức khỏe của người sử dụng được ứng dụng rộng rãi.
Vòng đeo thể dục, vòng bít theo dõi nhịp tim, vòng đo huyết áp, máy đo đường huyết và các thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh tiên tiến hơn được ra đời nhằm cung cấp cho bệnh nhân tình trạng sức khỏe được cá nhân hóa theo thời gian thực. Những thiết bị này nhắc nhở bệnh nhân kiểm tra thường xuyên mức tiêu thụ calo của họ, cải thiện thói quen tập thể dục, xác định xu hướng thay đổi huyết áp, v. Đối với bệnh nhân cao tuổi, điều quan trọng là phải theo dõi tình trạng sức khỏe của họ hàng ngày và các thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh giúp cuộc sống của họ dễ dàng hơn bằng cách 5 cho họ biết trước mọi nguy cơ có thể xảy ra. Các thiết bị này được tích hợp cảm biến IoT nhằm hỗ trợ các bác sĩ theo dõi tình trạng chẩn đoán y tế của bệnh nhân một cách hiệu quả.
Việc lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân, cảnh giác về những bệnh nhân cần điều trị y tế ngay lập tức đều có thể được thực hiện một cách dễ dàng. Với các cảm biến chất lượng vượt trội, các thiết bị đeo này thu thập dữ liệu từ các thiết bị khác nhau được yêu cầu để theo dõi mọi cải thiện hoặc diễn biến xấu đi dù nhỏ nhất liên quan tới sức khỏe của bệnh nhân. Chuyên gia chăm sóc sức khỏe có thể nhận thức rõ hơn về bệnh nhân và có thể chủ động kết nối với họ. Bên cạnh đó, các thiết bị IoT giúp lưu giữ hồ sơ có hệ thống và đơn giản về tiền sử bệnh trước đây của từng bệnh nhân để từ đó xác định phương pháp điều trị tốt nhất cho bệnh nhân [12].
Sơ lược lịch sử phát triển của IoT Một lĩnh vực khác cũng quan trọng không kém đó là nông nghiệp cũng có những bước chuyển mình rõ rệt với những ứng dụng của các thiết bị IoT. Nông nghiệp thông minh dựa trên công nghệ IoT cho phép người trồng trọt giảm chất thải và nâng cao năng suất, cho phép sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên như nước, điện,. Những điều này có được là nhờ một hệ thống được xây dựng để giám sát cánh đồng trồng trọt với sự trợ giúp của các cảm biến và tự động hóa hệ thống tưới tiêu. Nông dân có thể theo dõi các điều kiện đồng ruộng từ bất cứ đâu.
Họ cũng có thể chọn giữa các tùy chọn thủ công và tự động để thực hiện các hành động cần thiết dựa trên dữ liệu này. Ví dụ, nếu độ ẩm của đất giảm, người nông dân có thể triển khai các cảm biến để bắt đầu tưới tiêu. Nông nghiệp thông minh có hiệu quả cao khi so sánh với phương pháp thông thường. Có thể thấy được những lợi ích to lớn mà IoT mang lại đã góp phần làm cho cuộc sống trở 6 nên hiện đại và tiện lợi hơn ở mọi lĩnh vực.
Sơ lược lịch sử phát triển của IoT được thể hiện ở hình 1. Hệ thống IoT Kiến trúc IoT dựa trên hệ thống 4 lớp bao gồm một lớp nhận thức/ phần cứng, một lớp mạng/ giao tiếp và một lớp giao diện/dịch vụ. Các yếu tố tạo nên lên một hệ thống IoT là các phần cứng/thiết bị, các giao thức truyền thông và giao diện/dịch vụ [14]. Lớp nhận thức: Lớp nhận thức bao gồm các cảm biến và các thiết bị truyền động.
Các cảm biến cảm nhận môi trường xung quanh chúng trong khi đó các thiết bị truyền động đóng vai trò là bộ điều khiển để thực hiện các hành động. Các cảm biến còn được gọi là các nút. Lớp mạng: Lớp mạng gửi thông tin từ lớp cảm biến để xử lý thêm cho các đơn vị tính toán. Lớp hỗ trợ: Lớp hỗ trợ hoạt động giữa lớp mạng và lớp ứng dụng.
Lớp này giúp trong việc phân bổ tài nguyên, tính toán và lưu trữ dữ liệu Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng chứa các ứng dụng thông minh như thành phố thông minh, nhà thông minh, các dịch vụ chăm sóc sức khỏe thông minh,… Lớp này tương tác trực tiếp với người sử dụng các thiết bị, thường thông qua các ứng dụng phần mềm. Phần cứng, chẳng hạn như các cảm biến và bộ truyền động, bao gồm hầu hết các yếu tố quan trọng nhất trong IoT. Bộ vi xử lý điển hình được sử dụng ở lớp phần cứng thường dựa trên ARM, kiến trúc MIPS hoặc X86. Để bảo vệ các thiết bị này, các nhà phát triển nên kết hợp bảo mật phần cứng, có thể bao gồm bộ xử lý mật mã hoặc chip bảo mật.
Đối với hệ điều hành phần cứng, các thiết bị IoT thường sử dụng RTOS bao gồm một hạt nhân nhỏ, lớp trừu tượng phần cứng, trình điều khiển giao tiếp và các khả năng như cách ly quy trình, khởi động an toàn và hộp cát ứng dụng. Đối với lớp phần mềm ứng dụng, có các ứng dụng tùy chỉnh, giao thức mật mã, thư viện và trình điều khiển của bên thứ ba. 7 Đặc biệt, lựa chọn phần cứng là rất quan trọng để bảo mật các thiết bị IoT. Mối quan tâm liên quan đến phần cứng IoT là khả năng xác thực, mã hóa lưu lượng từ đầu đến cuối, tải khởi động an toàn quy trình, thực thi chữ ký số trong quá trình cập nhật chương trình cơ sở và thực hiện các giao dịch minh bạch.
Thành phần quan trọng tiếp theo của hệ thống IoT bao gồm các giao thức truyền thông và tin nhắn. Một mạng lưới các thành phần thông minh có thể giao tiếp trực tiếp với hệ thống đám mây thông qua một cổng vào, hay thông qua dịch vụ đám mây như Amazon Kinesis. Tuy nhiên, nội dung quan trọng của IoT là việc đang triển khai WSN trở thành công nghệ truyền thông chính trong IoT. WSN có các giao thức nhẹ để các thiết bị có thể giao tiếp với các thiết bị khác và với các cổng vào ở rìa.
Hơn nữa, WSN hỗ trợ truyền thông động, thường luôn luôn dựa trên chuẩn 802. Trong số các giao thức IEEE, 802.4 dành cho WPAN tầm thấp, phù hợp với yêu cầu đối với hệ thống IoT. Một số lợi thế của giao thức này là khả năng mở rộng của nó và thực tế là nó có thể tự duy trì, sử dụng ít năng lượng và có chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, Bluetooth, ZigBee, PLC, WiFi, 4G và 5G cũng có thể được chọn làm giao thức truyền thông, để phù hợp với nhu cầu của quy trình IoT.
Một thành phần quan trọng khác trong IoT là bộ tổng hợp, có thể là cổng vào cho một kiến trúc IoT, chẳng hạn như thiết bị định tuyến wifi. Các cổng vào cung cấp khả năng kết nối xuôi dòng cho nhiều nguồn, thiết bị, hệ thống khác nhau. Đám mây là một yếu tố cốt lõi khác trong hệ thống IoT. Một số CSP phổ biến là Amazon Web Services, Microsoft Azure, Google Cloud Platform và IBM Cloud.