Chương 1 AN TOÀN BẢO MẬT MẠNG INTERNET OF THINGS Trong chương này luận án tập trung nghiên cứu phân tích, đánh giá những đặc trưng của mạng IoT và những yêu cầu bảo mật cho mạng IoT. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất giải pháp sử dụng mật mã dòng nhẹ để đảm bảo an toàn bảo mật thông tin cho mạng IoT bằng cách xây dựng thuật toán mã hóa dựa trên sử dụng thanh ghi LFSR và phương pháp tạo, trao đổi khóa phù hợp. Tổng quan mạng Internet of Things và giải pháp bảo mật 1. Khái quát về mạng Internet of Things và ứng dụng Mạng Internet of Things (IoT) hay mạng của vạn vật là thuật ngữ xuất hiện từ những năm 1999 do Kevin Ashton là nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Massachusetts đưa ra [3], hiện có nhiều khái niệm khác nhau về thuật ngữ này và chưa thống nhất.
Trong luận án, cách hiểu chung về mạng IoT là: Mạng IoT là một mạng lưới mở với số lượng thiết bị lớn và thông minh được kết nối, chia sẻ thông tin tự động và tự tương tác để điều khiển lại thế giới “thực”, tạo liên kết giữa thế giới “thực” và thế giới “ảo” dựa trên các công nghệ thông tin và công nghệ truyền thông tiên tiến. Không gian mạng nói chung, mạng vạn vật nói riêng có nguy cơ ảnh hưởng đến an ninh của một quốc gia [3], mạng IoT với hàng tỉ thiết bị được kết nối đồng nghĩa với rất nhiều nguy cơ rủi ro xảy ra và ngày càng tăng lên trong khi khả năng bảo mật các thiết bị của mạng này hạn chế. Bên cạnh đó, kiến trúc và cách kết nối các thiết bị trong mạng IoT cũng có nhiều mô hình khác nhau, đây cũng là nguyên nhân dẫn đến những nguy cơ lộ lọt thông tin dữ liệu, xung đột dữ liệu, tạo cơ hội để tin tặc xâm nhập trái phép vào hệ thống. Kiến trúc của mạng IoT có thể chia thành 3 lớp, 4 lớp hoặc 5 lớp tùy theo cách tiếp cận.
Các nghiên cứu [25], [27], [43] cho thấy mạng IoT tối thiểu có 3 lớp cơ bản (lớp thiết bị, lớp mạng và lớp ứng dụng) như trong Hình 1. và cách kết nối các 18 thiết bị trong mạng IoT cũng rất đa dạng (thiết bị - thiết bị, thiết bị - cổng trung gian, thiết bị - cloud). Lớp Thiết bị gồm các thiết bị vật lý cảm nhận thu thập dữ liệu tương tự, sau đó số hóa cho mục đích vận chuyển. Các giao thức cơ sở hạ tầng như ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Low Energy (BLE), WiFi và LTE-A chạy trong lớp Mạng.
Lớp Ứng dụng là giao diện để người dùng cuối truy cập dữ liệu và giao tiếp với các thiết bị IoT của mạng, lớp này hỗ trợ các giao thức tiêu chuẩn như: Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP), Giao thức ứng dụng ràng buộc (CoAP), Vận chuyển từ xa hàng đợi tin nhắn (MQTT), Giao thức hiện diện và nhắn tin mở rộng (XMPP), Giao thức xếp hàng tin nhắn nâng cao (AMQP) và Dịch vụ phân phối dữ liệu (DDS). Mô hình kiến trúc tối thiểu của mạng IoT Theo Ammar và cộng sự [21] có một số nền tảng mạng IoT phổ biến được ứng dụng phổ biến hiện nay, được trình bày trong phụ lục 2 của luận án có những đặc điểm chung như: tính không đồng nhất của nền tảng phần cứng với những chuẩn khác nhau; tính kết nối liên thông giữa mạng IoT với các mạng truyền thông có sẵn; quy mô số lượng thiết bị IoT có xu hướng gia tăng đồng 19 nghĩa với tăng lưu lượng kết nối, tăng nguy cơ mất an toàn thông tin trong mạng; tính linh hoạt của mạng (thiết bị rất nhỏ gọn có thể gắn theo người như điện thoại di động, thiết bị bảo vệ sức khỏe,…; đặt trong môi trường khắc nghiệt hay gắn ngoài trời,…); các giao thức bảo mật đa dạng và sử dụng nhiều loại mật mã để mã hóa đều là những dòng mã hóa khóa đối xứng, cũng như các nguyên thủy mật mã để phù hợp với kiến trúc phần cứng của các thiết bị IoT. Nguy cơ mất an toàn trong mạng Internet of Things Theo khoản 1 Điều 3 Luật an toàn thông tin mạng năm 2015 khái niệm an toàn thông tin: “An toàn thông tin mạng là sự bảo vệ thông tin, hệ thống thông tin trên mạng tránh bị truy nhập, sử dụng, tiết lộ, gián đoạn, sửa đổi hoặc phá hoại trái phép nhằm bảo đảm tính nguyên vẹn, tính bảo mật và tính khả dụng của thông tin”. Bảo mật thông tin được hiểu là bảo vệ thông tin dữ liệu của cá nhân, tổ chức nhằm tránh khỏi sự “đánh cắp, ăn cắp” bởi những kẻ xấu hoặc tin tặc gây mất an toàn thông tin.
Yêu cầu an toàn, bảo mật của mạng IoT Những thách thức về an toàn và bảo mật cho mạng IoT là vấn đề quan tâm lớn của người dùng, nhà sản xuất, các tổ chức và chính phủ các quốc gia, đặt ra 20 các yêu cầu về đảm bảo an toàn, bảo mật thông tin cho mạng IoT như trong Hình 1.2, gồm [5]: tính bảo mật, tính toàn vẹn, vấn đề ủy quyền và xác thực, tính sẵn sàng sử dụng thông tin dữ liệu, tính riêng tư, yêu cầu về cập nhật hệ thống. Trong đó, yêu cầu về bảo mật, tính toàn vẹn và ủy quyền xác thực đều cần đến các giải pháp mật mã hóa thông tin trên các lớp trong hệ thống mạng IoT như thể hiện trong Bảng 1. Yêu cầu bảo mật các lớp trong mạng IoT Lớp Yêu cầu về bảo mật Mã hóa nhẹ Cảm biến Xác thực (Preception) Thỏa thuận khóa Bảo mật dữ liệu Bảo mật kết nối Mạng Bảo mật định tuyến (Network) Thỏa thuận khóa Phát hiện xung đột Xác thực Ứng dụng Bảo vệ riêng tư (Application) Quản lý bảo mật thông tin Mạng IoT có những nguy cơ bị tấn công dưới hình thức chủ động hoặc bị động theo một số kiểu phổ biến như [35]: Tấn công tại lớp cảm biến: tấn công sao chụp các nút mạng (node capture); tấn công từ chối dịch vụ (Denial of Service attack); tấn công từ chối việc nghỉ (Denial of sleep); tấn công từ chối dịch vụ phân tán (Distributed Denial of service); tạo danh tính giả (Fake Node/Sybil attack); tấn công lặp lại (Relay attack); đe doạ định tuyến (Routing threats); tấn công kênh kề (Silde- chanel attack); và tấn công xác thực nút khối (Mass Node Authentication). Từ 21 các rủi ro nêu trên, yêu cầu đặt ra là cần phải nâng cao an toàn bảo mật các nút trong mạng IoT bằng mã hóa dữ liệu để bảo vệ chúng trong quá trình truyền thông trên mạng.
Tấn công tại lớp mạng: Trong lớp này, một số công nghệ mạng được sử dụng cho các mạng IoT gồm các công nghệ cho liên lạc di động (2G, 3G, 4G và 5G) và mạng không dây (Bluetooth, WiMAX, WiFi, LoRaWAN, v.) dựa trên nền tảng IPv6. Các kiểu tấn công phổ biến như: Tấn công kẻ đứng giữa (Man-in-the-Middle - MITM), tấn công từ chối dịch vụ (DoS), nghe trộm (Eavesdropping), tấn công định tuyến (Routing attack). Các cuộc tấn công tiềm ẩn như mô tả trên của lớp mạng đặt ra các yêu cầu cần mã hóa điểm đến điểm, xác thực điểm đến điểm, quản lý và thỏa thuận khóa, định tuyến bảo mật và phát hiện xâm nhập. Tấn công tại lớp ứng dụng: Lớp này sử dụng các giao thức cho gói tin đi qua (CoAP, MQTT, XMPP, AMQP, v.) và có một số dạng tấn công phổ biến như: tấn công giả mạo người dùng, tấn công vào quyền riêng tư và nhận dạng dữ liệu, tấn công vào khả năng xử lý dữ liệu lớn của hệ thống.
Yêu cầu bảo mật của lớp ứng dụng là rất cần thiết để đảm bảo sự toàn vẹn của thông tin dữ liệu. Việc bảo mật thông tin cho hệ thống IoT có vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện nay có một số giải pháp thường sử dụng như [1, 2, 3, 5, 6, 7, 8]: (1) Cập nhật phần mềm: Đảm bảo rằng tất cả các thiết bị IoT luôn được cập nhật phần mềm mới nhất, bao gồm cả phần sụn (firmware) và phần mềm ứng dụng. Các cập nhật thường chứa các bản vá lỗi và cải thiện tính bảo mật.
(2) Mã hóa dữ liệu: Sử dụng mã hóa để bảo vệ dữ liệu khi di chuyển qua mạng và lưu trữ trên các thiết bị IoT, điều này đảm bảo rằng dữ liệu chỉ có thể đọc được bởi những người hoặc thiết bị được ủy quyền. Mã hóa thường được sử dụng để bảo mật trong mạng IoT là mã hóa nhẹ và hiện có nhiều công bố khoa học đề xuất đưa ra những thuật toán mới phù hợp với môi trường thiết bị trong hệ thống mạng IoT [80], [84], [86]. 22 (3) Xác thực và ủy quyền: Đảm bảo rằng chỉ các thiết bị và người dùng được xác thực và ủy quyền mới có thể truy cập vào các dịch vụ và chức năng của hệ thống IoT. (4) Phân chia mạng (Network segmentation): Chia mạng IoT thành các phân đoạn (segment) riêng biệt để giảm thiểu tác động của một cuộc tấn công trong trường hợp một phần của hệ thống bị nhiễm mã độc (malware) hay bị tấn công.
(5) Giám sát hành vi: Theo dõi các hoạt động của các thiết bị IoT trong thời gian thực để phát hiện các hành vi bất thường. Một giải pháp đưa ra là dựa trên độ tin cậy của các thiết bị trong mạng như được đề xuất trong [CT4]. Giải pháp này hoạt động dựa trên mô hình dữ liệu phân tán tại các nút mạng, điều đó sẽ giảm việc tính toán tại thiết bị trung tâm và có khả năng đảm bảo tính bí mật khi thực hiện xác thực do không phải truyền các khóa mã trên đường truyền. Tuy nhiên, với hình thức này yêu cầu các điểm trong mạng phải có khả năng xử lý tính toán tốt nên cần có nhiều cải tiến giải pháp trong [CT4] để tối ưu chi phí tính toán cho phù hợp với mô hình mạng IoT.
(6) Kiểm tra an toàn thiết bị (Device hardening): Cấu hình các thiết bị IoT với mức độ bảo mật cao nhất có thể và vô hiệu hóa các tính năng không cần thiết. (7) Bảo mật mạng: Sử dụng tường lửa và các giải pháp bảo mật mạng để giảm thiểu khả năng tấn công từ bên ngoài và phân tán mã độc. (8) Sử dụng các giao thức bảo mật: Sử dụng các giao thức bảo mật, như TLS/SSL để bảo vệ dữ liệu truyền qua mạng. (9) Xây dựng hệ thống sao lưu và khôi phục: Đảm bảo có hệ thống sao lưu dữ liệu thường xuyên và kế hoạch khôi phục dự phòng trong trường hợp hệ thống gặp sự cố hoặc bị tấn công.