MỞ ĐẦU Trong xu hƣớng phát triển của các hệ thống mạng thế hệ tiếp theo, các hệ thống Cyber- Physical (CPS) đƣợc kỳ vọng sẽ kết nối tất cả sự vật trong thế giới vật lý với không gian mạng. Truyền thông giữa Machine to Machine (M2M) là thành phần cơ bản của một hệ thống CPS. Giao tiếp M2M đa phần là các kết nối không dây đƣợc sử dụng để kết nối các thiết bị nhằm mục đích theo dõi các điều kiện vật lý hoặc môi trƣờng và trao đổi các thông tin đó với các hệ thống xử lý khác nhau mà không cần sự can thiệp của con ngƣời. Mặc dù M2M là một công nghệ có tiềm năng sẽ trở thành giao thức chính cho các hệ thống giám sát thời gian thực trong tƣơng lai tuy nhiên chúng còn phải đối mặt với rất nhiều thách thức an ninh.
Trên thực tế đã có rất nhiều các giải pháp đƣợc đƣa ra để giải quyết các vấn đề an toàn cho các hệ thống truyền thông M2M tuy nhiên hiện nay vẫn còn tồn tại các lỗ hỏng an ninh vẫn chƣa đƣợc giải quyết. Nguyên n truyền thông M2M một đề tài hấp dẫn thu hút nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Không nằm ngoài xu hƣớng đó trong nội dung luận văn này, học viên sẽ tập trung xây dựng, đề xuất các phƣơng pháp quản lý khóa, mã hóa sao cho vừa đáp ứng đƣợc tiêu chí đảm bảo an ninh lại vừa đảm bảo tính đơn giản, hiệu quả để có thể áp dụng với các thiết bị bị hạn chế về mặt tài nguyên cho hai mô hình truyền thông M2M đơn miền và M2M đa miền. Trong đó mô hình đơn miền thƣờng đƣợc triển khai trong các doanh nghiệp hay các hộ gia đình có quy mô nhỏ mang tính cục bộ, còn mô hình đa miền thƣờng đƣợc triển khai bởi các nhà khai thác dịch vụ nhằm đáp ứng cho số lƣợng lớn các khách hàng.
Luận văn một hệ thống CPS, bao g 4 chƣơng. Chƣơng 1: Nghiên cứu đánh giá tình hình và xu hƣớng ứng dụng giải pháp M2M trên thế giới trong mạng truyền thông ECC. Chƣơng 3: Các mô hình an ninh xác thực cho miền M2M đơn. Chƣơng 4: Mô hình an ninh xác thực cho các ứng dụng M2M đa miền.
Luan van LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Quốc tế và Sau Đại Học – Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông đã dạy bảo, giúp đỡ tôi trong suốt khóa học cao học. Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự động viên, giúp đỡ tận tình của TS Đặng Hoài Bắc, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Chính vì vậy tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ quý báu của thầy. Tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân, bạn bè và đồng nghiệp những ngƣời đã luôn bên cạnh cổ vũ, động viên tinh thần để tôi có thể vƣợt qua mọi khó khăn thách thức.
Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên Lê Công Hiếu Luan van i MỤC LỤC MỤC LỤC. i DANH MỤC BẢNG BIỂU. iii DANH MỤC HÌNH VẼ. iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.
v LỜI CAM ĐOAN. 1 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ TÌNH HÌNH VÀ XU HƢỚNG ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MACHINE-TO-MACHINE M2M TRÊN THẾ GIỚI .1 Tổng quan về M2M .2 Cơ cấu tổ chức M2M mức cao .3 Chính sách và sự khuyến khích của các nƣớc trên thế giới .4 Các tiêu chuẩn khi thiết kế một ứng dụng M2M.2 Xu hƣớng ứng dụng giải pháp M2M trên thế giới .1 Tình hình thị trƣờng M2M hiện nay trên thế giới .2 M2M dƣới góc nhìn của nhà mạng .3 Cơ hội phát triển .3 Đánh giá tình hình phát triển công nghệ M2M .1 Nhu cầu ứng dụng M2M .2 Đánh giá sự phát triển của công nghệ M2M .4 Các thách thức an ninh đối với các ứng dụng M2M .5 Tổng kết chƣơng .3 Đƣờng cong Elliptic trên trƣờng nhị phân hữu hạn GF (2m ) .3 Đƣờng cong Elliptic trong mã hóa – ECC .4 Tham số hệ mật mã Elliptic trên trƣờng Z p .5 Tham số hệ mật mã Elliptic trên trƣờng GF (2m ) .6 Các kiểu dữ liệu và cách chuyển đổi trong hệ mật mã ECC.7 Trao đổi khóa EC Diffie-Hellman .8 Mã hóa và giải mã EC.9 Sơ đồ mã hóa nhận thực đƣờng cong Elliptic – ECAES .10 Thuật toán chữ ký số đƣờng cong Elliptic – ECDSA. 42 Luan van ii 2.11 Ƣu điểm của hệ thông mã hóa đƣờng cong Elliptic .12 Triển khai hệ mật mã hóa công khai ECC vào mạng M2M local.1 Mô hình mạng .2 Phƣơng pháp quản lý khóa và nhận thực .3 Phân tích các khía cạnh an ninh của phƣơng pháp .13 Tổng kết chƣơng. 49 CHƢƠNG 3: CÁC MÔ HÌNH AN NINH XÁC THỰC CHO MIỀN M2M ĐƠN .1 Mô hình nhận thực dựa trên mã hóa động dành cho kết nối M2M .1 Mô hình hệ thống M2M đơn miền, đa miền .2 Các thông số và chức năng .3 Mô hình mã hóa động.2 Mô hình mã hóa ElGamal dựa trên đƣờng cong ECC sử dụng hệ mã hóa đối xứng không chứng thƣ (CL-PKC) .1 Các thông số và chức năng .2 Mô hình sử dụng CL EE.3 Đánh giá giao thức trong mô hình đề xuất bằng logic BAN: .4 Phân tích các khía cạnh an ninh của giao thức .3 Tổng kết chƣơng.
68 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH AN NINH XÁC THỰC CHO CÁC ỨNG DỤNG AN NINH M2M ĐA MIỀN .1 Thuật toán Logarithm rời rạc .2 Biến đổi Diffie-Hellman song tuyến tính .3 Các hàm chức năng và tham số.4 Phƣơng pháp mã hóa an ninh nhận thực không cần chứng thƣ tổng quát .5 Mô hình xác thực đề xuất.1 Pha khởi tạo hệ thống .3 Pha update khóa .6 Đánh giá tính logic của giao thức trong mô hình đề xuất bằng logic BAN:.7 Đánh giá an ninh của mô hình.1 Các thiết kế an ninh trong mô hình mã hóa nhận thực không sử dụng đến chứng thƣ .3 Khả năng chống lại nhiều kiểu tấn công khác nhau. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 96 Luan van iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỷ lệ % kết nối M2M theo vùng địa lý .2 Tỷ lệ % kết nối M2M .3 Các lũy thừa của đa thức sinh g .4 Các điểm thuộc đƣờng cong Elliptic y 2 xy x3 g 4 x 1 .1 Ký hiệu đƣợc dùng trong phƣơng pháp mã hóa động .2 Ký hiệu đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp CL-EE .1 Ký hiệu đƣợc dùng trong mô hình nhận thực an ninh đa miền. 73 Luan van iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kiến trúc chung của hệ thống CPS .2 Kiến trúc một hệ thống M2M.3 Bộ giao thức chung cho một ứng dụng M2M với lớp trên cùng là lớp ứng dụng M2M .4 Chồng giao thức của mô hình 6LoWPAN .5 Chồng giao thức HTTP và CoAP .6 Vị trí của các tổ chức chuẩn hóa trong một sơ đồ phân lớp ứng dụng M2M .7 Mô hình hoạt động của M2M .8 Ứng dụng nhà thông minh .9 Otô tự lái của Google .10 Số lƣợng thiết bị M2M trên một số quốc gia .5 Đƣờng cong y 2 xy x3 ax b trên trƣờng nhị phân hữu hạn .6 Quan hệ giữa các dạng dữ liệu trong hệ mật mã ECC .7 Mô hình ứng dụng M2M đa miền .8 Quá trình gia nhập của R vào mạng .9 Quá trình phát hiện node lân cận.
Mô hình hệ thống truyền thông M2M .2 Các bƣớc của quá trình nhận thực .3 Các bƣớc trong phƣơng pháp CL -EE .1 Tiến trình nhận thực.