Luận văn thạc sĩ về điều khiển truy cập trong hệ thống IoT sử dụng công nghệ blockchain

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích máy tính điều khiển truy cập trong hệ thống internet vạn vật sử dụng công nghệ blockchain, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Đỗ Ngọc Nhuận
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hoàng Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Điều khiển truy cập trong hệ thống internet vạn vật sử dụng công nghệ blockchain
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, IoT (Internet of Things) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, việc bảo mật thông tin trong các hệ thống IoT đang gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc quản lý truy cập. Luận văn này nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ blockchain vào lĩnh vực này nhằm tăng cường tính bảo mật và linh hoạt cho các hệ thống IoT. Các giải pháp quản lý truy cập truyền thống thường dựa trên kiến trúc tập trung, dẫn đến nhiều vấn đề như rủi ro bảo mật và thất bại đơn điểm. Do đó, việc áp dụng blockchain không chỉ giúp khắc phục những hạn chế này mà còn mang lại tính minh bạch và tính toàn vẹn cho dữ liệu. Hệ thống blockchain cho phép các thực thể trong IoT có thể tương tác mà không cần phụ thuộc vào một bên thứ ba, từ đó giảm thiểu nguy cơ lạm dụng quyền hạn.

1.1 Lý do và động lực thực hiện đề tài

Sự phát triển mạnh mẽ của IoT đi kèm với việc gia tăng số lượng thiết bị kết nối đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về các giải pháp bảo mật. Các thiết bị IoT thường chứa dữ liệu nhạy cảm, do đó, truy cập an toàn là yếu tố quan trọng cần được xem xét. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các giải pháp quản lý truy cập hiện tại không đủ mạnh để bảo vệ các hệ thống này. Việc áp dụng công nghệ blockchain vào quản lý truy cập có thể cung cấp các giải pháp hiệu quả, đảm bảo tính bảo mật IoT và bảo vệ quyền riêng tư của người dùng. Luận văn này không chỉ khảo sát các công nghệ hiện có mà còn đề xuất một mô hình mới nhằm cải thiện tính linh hoạt và bảo mật trong quản lý truy cập cho các hệ thống IoT.

1.2 Mục tiêu giới hạn và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển một giải pháp điều khiển truy cập cho IoT dựa trên công nghệ blockchain, nhằm khắc phục các hạn chế của các giải pháp quản lý truy cập tập trung. Đối tượng nghiên cứu bao gồm các hệ thống IoT có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu nhạy cảm. Giới hạn nghiên cứu tập trung vào việc thực hiện và đánh giá một mô hình quản lý truy cập dựa trên blockchain, trong đó các chính sách có thể được viết mã và thực thi một cách phân tán. Mô hình này sẽ được thử nghiệm trên các thiết bị IoT giả lập để đánh giá tính khả thi và hiệu suất trong điều kiện thực tế.

II. Tổng quan

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về sự phát triển của blockchain và ứng dụng của nó trong quản lý truy cập cho IoT. Công nghệ blockchain đã được chứng minh là có khả năng cải thiện tính bảo mật và tin cậy cho các hệ thống phân tán. Các mô hình quản lý truy cập như ABAC (Attribute-Based Access Control) có thể được kết hợp với blockchain để tạo ra các giải pháp linh hoạt hơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng smart contracts trong blockchain có thể giúp tự động hóa quá trình xác thực và thẩm định quyền truy cập, từ đó nâng cao tính minh bạch và tính toàn vẹn của hệ thống. Hệ thống IoT với blockchain có thể tạo ra một môi trường an toàn hơn cho việc chia sẻ dữ liệu và tương tác giữa các thiết bị, đồng thời giảm thiểu rủi ro từ các cuộc tấn công mạng.

2.1 Sự phát triển của blockchain

Sự phát triển của blockchain bắt đầu từ nền tảng của Bitcoin, nhưng đã nhanh chóng mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm IoT. Với khả năng cung cấp một hệ thống phân tán, blockchain cho phép các thiết bị IoT hoạt động mà không cần sự can thiệp của bên thứ ba. Điều này không chỉ giúp tăng cường tính bảo mật IoT mà còn tạo ra một môi trường tin cậy cho việc chia sẻ dữ liệu. Các ứng dụng của blockchain trong IoT đã được nghiên cứu và triển khai trên nhiều nền tảng khác nhau, cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong việc giải quyết các vấn đề bảo mật và quản lý truy cập.

2.2 Hệ thống điều khiển truy cập

Hệ thống điều khiển truy cập là một phần quan trọng trong việc bảo vệ dữ liệu và tài nguyên trong các hệ thống IoT. Các mô hình truyền thống như DAC, MAC và RBAC đã chứng minh sự hạn chế trong khả năng mở rộng và bảo mật. ABAC nổi lên như một giải pháp tiềm năng, cho phép quản lý quyền truy cập dựa trên thuộc tính của người dùng và đối tượng. Việc kết hợp blockchain với ABAC có thể tạo ra một mô hình mạnh mẽ hơn, giúp cải thiện tính linh hoạt và bảo mật trong quản lý truy cập cho các hệ thống IoT.

III. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống quản lý truy cập cho IoT dựa trên công nghệ blockchain được xây dựng trên nền tảng Substrate Framework. Mô hình này cho phép các thực thể trong hệ thống có thể tương tác một cách an toàn và hiệu quả. Các chính sách quản lý truy cập được viết mã dưới dạng smart contracts, giúp tự động hóa quá trình xác thực và thẩm định quyền truy cập. Hệ thống cũng cho phép người dùng và thiết bị có thể tùy chỉnh các chính sách theo nhu cầu sử dụng của họ. Đặc biệt, việc sử dụng DID (Decentralized Identifier) giúp xác thực danh tính của các thực thể trong hệ thống, từ đó đảm bảo tính bảo mật và minh bạch trong quản lý truy cập.

3.1 Kiến trúc hệ thống tổng quát

Kiến trúc hệ thống được thiết kế với các thành phần chính bao gồm các thiết bị IoT, blockchain và các smart contracts. Các thiết bị IoT sẽ gửi yêu cầu truy cập đến blockchain, nơi các smart contracts sẽ thực hiện việc xác thực và thẩm định quyền truy cập dựa trên các thuộc tính đã được định nghĩa. Kiến trúc này cho phép các thiết bị tương tác mà không cần sự can thiệp của bên thứ ba, từ đó tăng cường tính bảo mật và tin cậy của hệ thống.

3.2 Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống được xây dựng với mục tiêu tối ưu hóa tính linh hoạt và bảo mật. Các chính sách quản lý truy cập có thể được viết mã và triển khai trên blockchain, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu. Hệ thống cũng đảm bảo tính tính toàn vẹn của dữ liệu thông qua việc sử dụng blockchain. Các thiết bị IoT được trang bị khả năng xác thực và thẩm định quyền truy cập một cách tự động, giúp giảm thiểu rủi ro từ các cuộc tấn công mạng.

IV. Hiện thực và đánh giá

Phần này trình bày quá trình hiện thực hóa thiết kế hệ thống quản lý truy cập cho IoT và đánh giá hiệu suất của nó. Việc hiện thực hóa được thực hiện trên nền tảng Substrate Framework, cho phép phát triển một hệ thống blockchain tùy chỉnh phù hợp với nhu cầu của các thiết bị IoT. Các thử nghiệm hiệu suất cho thấy hệ thống có khả năng đáp ứng yêu cầu thời gian thực, đồng thời đảm bảo tính bảo mật và tin cậy. Đánh giá tính linh hoạt của hệ thống cũng được thực hiện thông qua các trường hợp sử dụng thực tế, cho thấy khả năng thích ứng với các tình huống khác nhau trong quản lý truy cập.

4.1 Hiện thực thiết kế

Quá trình hiện thực hóa thiết kế hệ thống quản lý truy cập dựa trên blockchain đã được thực hiện với sự hỗ trợ của Substrate Framework. Thiết kế này cho phép các thiết bị IoT giao tiếp và tương tác một cách an toàn. Các smart contracts được triển khai để tự động hóa quá trình xác thực và thẩm định quyền truy cập, giúp giảm thiểu nguy cơ từ các cuộc tấn công mạng. Hệ thống cũng cho phép người dùng tùy chỉnh các chính sách theo nhu cầu riêng, từ đó nâng cao tính linh hoạt trong quản lý truy cập.

4.2 Đánh giá hiệu suất

Đánh giá hiệu suất của hệ thống được thực hiện thông qua các thử nghiệm trên môi trường thực tế. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng xử lý các yêu cầu truy cập trong thời gian thực, đồng thời duy trì tính bảo mật và tin cậy. Các chỉ số hiệu suất như thời gian phản hồi và khả năng mở rộng cũng được xem xét, cho thấy rằng hệ thống có thể đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT quy mô lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI dụng blockchain. • Chương 3 - Mô tả chi tiết về thiết kế ĐTKC cho IoT áp dụng công nghệ blockchain được đề xuất trong luận văn này. • Chương 4 - Hiện thực thiết kế, đánh giá hiệu suất, đánh giá tính linh hoạt, tính tin cậy và tính bảo mật.

• Phần Kết luận - tổng kết về những điều đã thực hiện và trình bày; đề ra một số hướng phát triển. 8 Chương 2 Tổng quan Như là phần tiên quyết trong các công trình khoa học, các khảo sát liên quan đến đề tài ĐKTC cho IoT áp dụng công nghệ blockchain được trình bày trong chương này.1 trình bày tổng quát sự phát triển của blockchain.2 trình bày các lược đồ ĐKTC phổ biến, chúng được áp dụng cả trong các hệ thống tập trung và phi tập trung. Các giải pháp để áp dụng công nghệ blockchain vào việc ĐKTC được khảo sát trong mục 2. Cuối cùng, mục 2.4 khảo sát các thiết kế ĐKTC dựa trên công nghệ blockchain trong lĩnh vực đặc thù là IoT.1 Sự phát triển của blockchain Blockchain thế hệ đầu tiên được phát triển trong lĩnh vực tiền số, lĩnh vực tài chính và sau đó được phát triển rộng khắp nhờ các tính chất ưu việt của nó.

Tính bảo mật (security) nhờ cơ chế đồng thuận (concensus) trên kiến trúc phi tập trung (decentralized) giúp nó loại bỏ được điểm yếu thất bại đơn điểm (single- point-of-failure) và có khả năng kháng lại các bên thứ ba tham gia hệ thống nhằm mục đích tiêu cực (malicious third parties). Tính bất biến (immutability) bởi dữ liệu khi lưu vào hệ thống sẽ không thể thay đổi được. Tính minh bạch (transparency) bởi người dùng có thể truy cập vào tất cả bản ghi dữ liệu của hệ thống, do vậy các tất cả các giao dịch là minh bạch. Nhờ tính bất biến và tính 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN minh bạch trong tất cả các giao dịch, blockchain được tin cậy (trust) sử dụng trong các lĩnh vực có yêu cầu khắt khe về bảo mật như tài chính. Hơn thế nữa, các thế hệ blockchain tiếp theo có thêm các tính chất mới [3]. Tính khả lập trình với sự ra đời của công nghệ Smart Contract cho phép phát triển các logic ứng dụng phức tạp hơn trên hệ thống blockchain. Tính riêng tư có được nhờ sự ra đời của các nền tảng blockchain mới dạng blockchain riêng tư (private), blockchain liên hiệp (consortium).

Thời gian đào ra block mới cũng được rút ngắn nhờ sự ra đời của các cơ chế đồng thuận mới (proof-of-stake, proof-of-authority,. Nó ngày càng được mở rộng ứng dụng sang nhiều lĩnh vực mới như chính phủ điện tử, chăm sóc sức khỏe, giải trí, công nghiệp IoT,. Trong các giải pháp áp dụng blockchain cho các lĩnh vực mới, cộng đồng nghiên cứu đang có nhiều sự quan tâm cho việc phát triển các hệ thống điều khiển truy cập sao cho bảo mật và hiệu quả nhờ các đặc điểm ưu việc của giao dịch (transaction) và gần đây là công nghệ Smart Contract. Cơ chế động thuận quyết định các tính chất cốt lõi của hệ thống blockchain, sự phát triển của blockchain cũng đi kèm với sự ra đời của các giải thuật đồng thuận mới phù hợp hơn.

• PoW (Proof-of-work) - mỗi một giao dịch tương ứng với một câu đố, tất cả các validator (nút thẩm định) tiến hành cùng giải câu đố đó. • PoS (Proof-of-stake) - các nút cọc (stake) các tài sản số trên blockchain để được ưu tiên tham gia vào quá trình thẩm định giao dịch. • PoA (Proof-of-authority) - các nút là validator được liên kết với một danh tính (authority) có danh tiếng (reputation) tương ứng. Danh tiếng này được xác định bởi các lịch sử thẩm định giao dịch và quyết định sự tin cậy của kết quả thẩm định giao dịch của một validator.

Tính tin cậy, tính bảo mật và hiệu suất là 3 khía cạnh (trilemma) một cơ chế động thuận và đó là một sự thương lượng. Thuở ban đầu, blockchain chỉ được áp dụng trong lĩnh vực tiền mã hóa và số lượng người dùng chưa đông đảo. Giải 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN thuật PoW được áp dụng phổ biến nhờ tính bảo mật tối đa nhưng vô cùng hạn chế về hiệu suất.

Khi blockchain được áp dụng rộng rãi kéo theo số lượng truy cập tăng lên nhanh chóng, các giải thuật tối ưu về hiệu năng và vẫn có tính bảo mật tốt như PoS, PoA ngày càng trở nên phổ biến.2 Hệ thống điều khiển truy cập Điều khiển truy cập (ĐKTC) là một kỹ thuật bảo mật, nó quy định ai hoặc cái gì có thể xem hoặc sử dụng các tài nguyên trong môi trường tính toán (computing environment). Mục tiêu của hệ thống ĐKTC là tối thiểu hóa các rủi ro của các truy cập không qua xác thực (unauthorized access) vào hệ thống, cũng như bảo vệ các thông tin cẩn mật (confidential information). Do vậy, hầu hết các ứng dụng trong môi trường tính toán đều cần có các cơ chế ĐKTC để kiểm soát, giới hạn sự truy cập không mong muốn vào mạng lưới, hệ thống máy tính, tập tin, các dữ liệu nhạy cảm,. Có nhiều mô hình ĐKTC khác nhau đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi.

• Discretionary Access Control (DAC) là một mô hình ĐKTC dựa trên định danh (identity-based), nó cung cấp cho người dùng (user) những quyền hạn nhất định để kiểm soát tài nguyên, dữ liệu của họ. Người sở hữu dữ liệu có thể đặt ra các giấy phép truy cập (access permissions) cho một người dùng hoặc nhóm người dùng khác. Các giấy phép truy cập này thường được lưu trữ trong một danh sách ĐKTC (access control list). Ưu điểm của DAC là thân thiện người dùng bởi thiết kế đơn giản, tính chi tiết cao (ganular) bởi người dùng có thể cấu hình các thông số truy cập trên từng mẫu dữ liệu của họ.

Nhược điểm của DAC là người dùng có thể tùy ý cấu hình quyền truy cập trên dữ liệu, tài nguyên của họ, khi hệ thống lớn hơn gồm có nhiều người dùng, nhiều dữ liệu, nhiều nhu cầu thay đổi quyền truy cập thì việc duy trì (maintain) DAC trở nên rất khó khăn. 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN Hình 2.1: Mô hình Discretionary Access Control. • Mandatory Access Control (MAC) là một hình ĐKTC dạng thứ bậc (hi- erarchical model).

Thứ bậc được quy định theo mức độ bảo mật (security level). Tất cả các người dùng (user) đều được cấp một mức độ bảo mật. Tất cả các đối tượng (object) cũng được cấp một nhãn bảo mật (security label). Người dùng chỉ có thể truy cập vào tài nguyên tương ứng có nhãn bảo mật bằng hoặc thấp hơn cái mà họ đang có.

Ngoài ra, mô hình ĐKTC này cũng cung cấp cho người quản trị (administrator) quyền điều khiển toàn bộ các sự truy cập, người dùng không thể tự cấu hình các giấy phép của họ. Thế nên, MAC được xem là mô hình có độ bảo mật rất cao. Tuy nhiên, đặc điểm đó cũng có thể là một hạn chế đối với các hệ thống MAC. Chúng có thể trở nên khá "cồng kềnh" để quản lý.

Điều này là bởi vì người quản trị phải cấp phép tất cả các giấy phép cho người dùng và đối tượng trong hệ thống. Họ có thể bị quá tải nếu hệ thống phát triển quá nhanh. • Role-based Access Control (RBAC) là một mô hình ĐKTC dựa trên vai trò (role) và trách nhiệm (responsibility) của người dùng. Thay vì cấp quyền truy cập cho người dùng, RBAC cấp quyền truy cập cho các role, các role được dùng để cấp cho người dùng.

Người dùng được cấp role nào sẽ có các quyền truy cập tài nguyên hệ thống của role đó. RBAC có một số biến thể tiêu biểu gồm: RBAC dạng phẳng (flat RBAC), RBAC dạng thứ bậc (Hierarchical RBAC), RBAC ràng buộc (Constrained RBAC). RBAC có 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN Hình 2.2: Mô hình Mandatory Access Control.

nguyên lý đơn giản thân thiện người dùng, phù hợp các hệ thống vừa và nhỏ. Bởi tính chất cố định (static) nó không phù hợp với các hệ thống cấp quyền truy cập theo các thông số động (dynamic).3: Mô hình Role-based Access Control. • Attribute-based Access Control (ABAC) là một mô hình ĐKTC dựa trên các thuộc tính. Các thuộc tính này có thể là của người dùng, của tài nguyên hệ thống hoặc môi trường.

ABAC có thể cung cấp khả năng ĐKTC tinh vi (fine-grained) và theo ngữ cảnh. Nó cho phép nhiều thông số đầu vào và tạo ra một số lượng tổ hợp cực lớn của các biến đó. Điều này cho thấy nó 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN có khả năng định nghĩa các quy tắc, chính sách ĐKTC một cách chi tiết và linh hoạt.

ABAC cho phép người quản trị có thể định nghĩa các chính sách ĐKTC (access control policy) mà không cần biết trước các đối tượng truy cập (subject)cụ thể. ABAC cũng có thể cung cấp khả năng ĐKTC một cách linh động (dynamic) bởi nó cho phép sử dụng các thuộc tính từ môi trường như thời gian, không gian, địa chỉ IP,. Quyết định truy cập có thể bị thay đổi giữa các yêu cầu truy cập khi các giá trị thuộc tính này thay đổi. Do hoạt động dựa trên các thuộc tính từ nhiều nguồn khác nhau, ABAC có tính trực quan thấp (low visibility) - khó khăn để xác định được vùng đặc quyền (privileges) của một người dùng cụ thể.

Điều này cũng dẫn đến khó khăn cho việc xác định các rủi ro bảo mật trên toàn hệ thống.4: Mô hình Attribute-based Access Control. • Capability-based Access Control (CapBAC) là mô hình ĐKTC dựa trên "khả năng" (capability). Capability là một token, nó nắm giữ các đặc quyền (privilege) đã được cấp cho người dùng. Khi người dùng muốn thực hiện các hành động liên quan, họ cần gửi yêu cầu (request) kèm với token tới bên cung cấp dịch vụ (provider/gatekeeper).

Các thực thể này chỉ cần kiểm tra tính hợp lệ của token để cho phép hoặc từ chối yêu cầu. Trong trường hợp token là hợp lệ và toàn vẹn, yêu cầu có thể được chấp nhận mà không cần xác 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN thực hoặc kiểm tra các đặc quyền (privilege) của bên yêu cầu (requester), vì những việc này đã được thực hiện và token được phát hành bởi máy chủ tin cậy (authorization server). Thủ tục này làm cho hệ thống có tính tinh giản, không cần duy trì danh sách người dùng, danh sách quy tắc truy cập (access rule) tại các điểm truy cập (point of access control).

Cơ chế hoạt động bằng cách phát hành token bởi máy chủ tin cậy (authentication server) và kiểm tra token hợp lệ tại các bên cung cấp dịch vụ (provider/gatekeeper) làm cho việc thu hồi token theo thời gian thực là một giới hạn của CapBAC.5: Mô hình Capability-based Access Control. Tùy thuộc vào các ứng dụng, điều kiện cụ thể mà các mô hình điều khiển có thể được lựa chọn triển khai cho phù hợp.