CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN Internet of Things (IOT) – là từ khóa đang ngày càng phổ biến trên thế giới, là xu hướng đang được các doanh nghiệp trong mọi lĩnh vực quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Cuộc đua nghiên cứu, tìm tòi, phát triển về “kết nối vạn vật” đang tăng một cách chóng mặt trong thị trường trong và ngoài nước. Đặc biệt hơn, khi con người đang tìm đến những công nghệ giúp họ tận hưởng những tiện nghi tốt nhất trong ngôi nhà của chính mình, và từ đó thuật ngữ “Smart Home” (còn được gọi là Home Automation) được ra đời. Theo một phân tích dự đoán của trang phân tích dataprot.net: thiết bị IOT dành cho người tiêu dùng sẽ thống trị trong năm 2021 với hơn 21 tỷ thiết bị được lắp đặt, dành cho công nghiệp là khoảng 3,17 tỷ.
Và sẽ tăng lên thành 25.4 tỷ thiết bị vào năm 2030, ngoài ra trang này cũng đưa ra một tính toán là sẽ có 152,200 thiết bị IOT kết nối với Internet mỗi phút. Các thiết bị IOT hiện nay được phân bổ rộng trên nhiều lĩnh vực: Với các thiết bị dành cho người dùng phổ thông, được xem là động lực tăng trưởng chính của IOT hiện nay, với khoảng 5.2 tỷ thiết bị trong năm 2017, và đã tăng lên 11,19 tỷ thiết bị vào năm 2018. Với người tiêu dùng, loại thiết bị chính là phương tiện giao thông (xe ô tô), smartTV và các loại set-top box kỹ thuật số. Với các thiết bị dành cho doanh nghiệp, các thiết bị như camera an ninh, hệ thống đo lượng điện tiêu thụ thông minh cũng gia tăng đáng kể về số lượng.
Trong tương lai, IOT tập trung vào các dịch vụ sản phẩm trong nhà (Connected Home), tích hợp vào hệ thống công nghệ thông tin và công nghê vận hành có sẵn (IT/OT Intergration) để nâng cao chất lượng quản lý và năng suất lao động. Học máy thống kệ, học dữ liệu, thuật toán phân tích và dự báo thông minh đang được IoT dựa vào để phụ vụ các nhu cầu khác nhau. Hai sản phẩm điển hình là Google Nest và Amazon Echo (Alexa). Các công ty lớn trong ngành cũng đã và đang đẩy mạnh đầu tư, xây dựng hệ sinh thái cho riêng mình và nghiên cứu để tạo ra các sản phẩm IoT mới 1 Thiết kế và triển khai framework bảo mật đa lớp cho mạng 6lowpan/ipv6 Một vấn đề bên cạnh sự phát triển rầm rộ của các thiết bị IOT, đó là vấn đề bảo mật.
Các khía cạnh bảo mật cần được quan tâm liên quan tới xác minh chủ thiết bị, an toàn khi truyền- nhận tin giữa chủ thiết bị tới thiết bị, an toàn khi truyền-nhận tin giữa các thiết bị với nhau… Khi các thiết bị được sử dụng nhiều hơn, người dùng không quá để tâm đến các vấn đề bảo mật, chỉ gần như chú trọng tới sự thuận tiện mà các thiết bị này đem lại, việc này sẽ trở thành miếng mồi ngon, miền đất hứa cho những hacker, tin tặc, kẻ xấu xâm phạm, chiếm quyền điều khiển các thiết bị này, gây khó khăn cho người dùng, phá hoại, làm trò tiêu khiển, nhưng nguy hiểm hơn, đó là đánh cắp, chiếm đoạt các thông tin nhạy cảm của chủ thiết bị (thông tin cá nhân, thông tin ngân hàng,…). Để tiếp cận và bắt kịp các xu hướng, vấn đề bảo mật trên, với sự hướng dẫn của TS. Võ Quế Sơn – giảng viên bộ môn viễn thông, em quyết định đi đến đề tài luận văn với tên “Thiết Kế Và Triển Khai Framework Bảo Mật Đa Lớp Cho Mạng 6lowpan/Ipv6”.2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Với những vấn đề bảo mật đáng chú ý khi sự nở rộ các thiết bị IOT trong cuộc sống con người hiện nay, thì việc nghiên cứu các phương pháp bảo mật trên mạng 6LoWPAN được sử dụng trên các hệ thống các thiết bị IOT, được xem là cấp thiết, khả thi và theo kịp xu hướng IOT ít nhất là ở Việt Nam. Dưới đây là nhiệm vụ đặt ra và hướng giải quyết của đề tài luận văn này.1 Nhiệm vụ của đề tài Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu các lỗ hổng, các dạng tấn công của tin tặc, hacker sẽ sử dụng để tấn công vào hệ thống IOT hiện nay, từ đó sẽ đo đạc, thiết kế, chạy thử nghiệm các phương pháp phòng ngự lại các kiểu tấn công này, sau đó ghi nhận lại kết quả khi chạy mô phỏng, thực tế.
Các nhiệm vụ được chia nhỏ như sau: Nắm rõ các giao thức ngăn xếp/lớp được phát triển trong hệ điều hành Contiki OS (bao gồm các lớp sau: Physical, Link, Network, Transport, Application và lớp AdaptiveSec - lớp bảo mật), đặc biệt là các giao thức của 6LoWPAN/IPv6 được tích hợp trong Lớp Network của Contiki OS. 2 Thiết kế và triển khai framework bảo mật đa lớp cho mạng 6lowpan/ipv6 Nghiên cứu các phương pháp tấn công vào hệ thống IOT hiện nay: Denial-of-Sleep Attack (HELLO Flood Attack, Yo-Yo Attack, Hidden Wormhole Attack) Nghiên cứu các phương pháp bảo mật đa lớp (lớp application và lớp link) để ngăn chặn, hạn chế các tấn công trên. Triển khai hệ thống, ghi nhận kết quả được mô phỏng trên phần mềm Cooja Simulator. Triển khai hệ thống, ghi nhận kết quả trên thiết bi thực tế.2 Giới hạn của đề tài Hệ thống được mô phỏng với số lượng các node tham gia lớn, từ đó phần mềm yêu cầu phần cứng cao, do hạn chế về phần cứng (chỉ sử dụng laptop cấu hình tầm trung) nên kết quả được ghi nhận phần mềm mô phỏng với thời gian hoạt động ngắn.
Ngoài ra cũng hạn chế về thiết bị thực tế, nên chỉ triển khai hệ thống trên một mô hình nhỏ, số lượng ít.3 Nội dung thực hiện Các nội dung cần thực hiện để hoàn thành đề tài luận văn bao gồm các công việc sau: Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết mạng cảm biến không dây, cấu trúc và các ứng dụng xung quanh. Ở nội dung này, em sẽ tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, các chuẩn giao tiếp chính hiện nay, mô hình mạng và các ứng dụng hiện nay để có cái nhìn tổng quan để tiến hành thực hiện đề tài này. Nội dung 2: Nghiên cứu Contiki OS bao gồm các lớp trong Contiki OS, các chuẩn giao thức của mạng 6LoWPAN, bảo mật. Contiki OS bao gồm rất nhiều giao thức và ngăn xếp/lớp khác nhau (theo mô hình OSI) trong đó nổi bật là giao thức 6LoWPAN/IPv6 mà em hướng đến, ngoài ra còn bảo mật cho mạng 6LoWPAN/IPv6.
Nội dung 3: Nghiên cứu về các phương pháp tấn công Denial-of-Sleep. 3 Thiết kế và triển khai framework bảo mật đa lớp cho mạng 6lowpan/ipv6 Tìm hiểu cách thức, cơ chế tấn công Denial-of-sleep (còn được gọi là từ chối ngủ) tác động lên các node trong mạng, làm cho chúng không thể “ngủ” khi không hoạt động, từ đó làm tiêu tốn nhiều năng lượng. Nội dung 4: Nghiên cứu về các phương pháp phòng thủ ở lớp application và lớp link. Từ việc phân tích cuộc tấn công ở trên, em sẽ tìm hiểu các phương pháp phòng thủ, làm hạn chế đi sự nguy hiểm mà cuộc tấn công đó đem lại.
Nội dung 5: Tiến hành mô phỏng, đo đạc các thông số, và chạy trên thiết bị thực tế. Chạy demo mô phỏng trên phần mềm Cooja, để kiểm nghiệm sự hiệu quả của các phương pháp phòng thủ. Từ đó chạy thực tế trên phần cứng để xác minh kết quả, cũng như kiểm tra các sai số nếu có giữa giữa môi trường thử nghiệm và môi trường thực tế. Nội dung 6: Viết báo cáo, chuẩn bị slide thuyết trình.
4 Thiết kế và triển khai framework bảo mật đa lớp cho mạng 6lowpan/ipv6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở chương 2 - Cơ sở lý thuyết này, em trình bày các lý thuyết của mạng cảm biến không dây cũng như giới thiệu về Contiki OS, các ngăn xếp giao thức có trong ContikiOs từ đó giới thiệu mạng 6LoWPAN/IPv6 trên nền tảng hệ điều hành cho các thiết bị IoT này.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾT KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bệnh nhân, quản lý thuốc trong các bệnh viên, quản lý kho hàng, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ. Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu,. đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập dữ liệu để đưa ra các quyết định về môi trường xung quanh.
Một trong những đặc điểm quan trọng là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất.
5 Thiết kế và triển khai framework bảo mật đa lớp cho mạng 6lowpan/ipv6 Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau: Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người. Truyền thông tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop. Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến. Giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
Chính những đặc tính này đã đưa ra những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 2.1 Tổng quan cấu trúc mạng cảm biến không dây Trong hệ thống mạng cảm biến không dây có các trạm gốc và trung tâm điều khiển. Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau. Các nút mạng truyền tin theo kiểu nhiều chặng, từ nút mạng này sang nút mạng khác và về trạm gốc.