(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn trong mạng Internet of Things

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN TÁNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP NÂNG CAO AN TOÀN TRONG MẠNG "INTERNET OF THINGS" LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN TÁNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP NÂNG CAO AN TOÀN TRONG MẠNG "INTERNET OF THINGS" Ngành: Kỹ thuật máy tính Mã số: 9480106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Linh Giang PGS.TS Đặng Văn Chuyết Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Văn Tánh, tác giả luận án tiến sĩ công nghệ thông tin với đề tài: Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn mạng "Internet of Things" Bằng danh dự trách nhiệm thân, xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi với hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Linh Giang PGS.TS Đặng Văn Chuyết với hợp tác cộng phịng Lab Trung tâm An tồn, an ninh thông tin Bách Khoa (BKCS), kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan, khơng có phần nội dung chép bất hợp pháp từ cơng trình nghiên cứu tác giả khác, kết nghiên cứu chưa dùng để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2022 Tập thể giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Linh Giang PGS.TS Đặng Văn Chuyết Tác giả luận án Nguyễn Văn Tánh LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án tiến sĩ với đề tài: Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn mạng "Internet of Things", nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện tập thể lãnh đạo, nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Công nghệ thông tin Truyền thông; Trung tâm An tồn an ninh thơng tin Bách Khoa (BKCS) tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Linh Giang, PGS.TS Đặng Văn Chuyết, PGS.TS Trương Diệu Linh, PGS.TS Ngô Quỳnh Thu, PGS.TS Ngô Hồng Sơn, PGS.TS Trần Quang Đức trường Đại học Bách Khoa Hà Nội TS Lê Quang Minh, Đại học Quốc gia Hà Nội – thầy cô giáo trực tiếp hướng dẫn bảo cho hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp công tác trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hoàn thành luận án TÁC GIẢ LUẬN ÁN NCS Nguyễn Văn Tánh I MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC HÌNH VẼ VI DANH MỤC BẢNG VII MỞ ĐẦU 1 IOT VÀ CÁC VẤN ĐỀ THÁCH THỨC 1.1 Tổng quan Internet of Things 1.1.1 Khái niệm Internet of Things 1.1.2 Công nghệ IoT 1.1.3 Nền tảng IoT 1.1.4 Các đặc tính IoT 1.2 Kiến trúc hệ thống an toàn bảo mật IoT 1.2.1 Kiến trúc IoT 1.2.2 Kiến trúc an toàn bảo mật an ninh IoT 10 1.3 Các chế an tồn bảo mật thơng tin IoT 11 1.3.1 Phương pháp mã hóa 11 1.3.2 An tồn bảo mật thơng tin lớp truyền thông 12 1.3.3 An tồn bảo mật thơng tin liệu cảm biến 14 1.3.4 An toàn bảo mật lớp hỗ trợ, hạ tầng mạng, điện tốn đám mây 15 1.3.5 An tồn bảo mật thông tin lớp ứng dụng 15 1.3.6 Mạng cảm biến không dây vấn đề an toàn bảo mật 16 1.4 Thiết bị IoT tài nguyên yếu vấn đề an tồn bảo mật 17 1.5 Tình hình nghiên cứu an ninh IoT giới Việt Nam 20 1.5.1 Tình hình nghiên cứu giới 21 1.5.2 An tồn bảo mật thơng tin IoT Việt Nam 22 1.5.3 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan an toàn IoT 23 1.5.4 Hạn chế tồn 28 1.6 Mục tiêu xây dựng toán an toàn IoT tài nguyên yếu 29 GIẢI PHÁP OVERHEARING PHỊNG CHỐNG TẤN CƠNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ 32 2.1 An toàn bảo mật mạng cảm biến không dây (WSN) 32 II 2.1.1 Giao thức Định tuyến RPL mạng cảm biến không dây 32 2.1.2 Tấn công từ chối dịch vụ (DoS) mạng cảm biến không dây 34 2.1.3 Các giải pháp chống công DoS vào mạng WSN 36 2.2 Các tiêu chí đo đạc đánh giá hiệu mạng 40 2.2.1 Tỉ lệ truyền nhận thành công (PDR) 41 2.2.2 Độ trễ trung bình (Latency) 42 2.2.3 Năng lượng tiêu thụ (E) 42 2.3 Giải pháp Overhearing phòng chống công DoS 44 2.3.1 Cơ chế Overhearing nguyên 44 2.3.2 Ý tưởng cải tiến chế Overhearing 46 2.3.3 Cơ chế Overhearing cải tiến phịng chống cơng DoS 47 2.4 Thí nghiệm mơ giải pháp Overhearing 54 2.4.1 Giới thiệu kịch mô thử nghiệm giải pháp 54 2.4.2 Xây dựng mơ hình tình thử nghiệm 55 2.4.3 Kết mô công, so sánh đánh giá 66 2.5 Kết luận 71 SỬ DỤNG MÃ HÓA NHẸ CHO CÁC THIẾT BỊ IOT TÀI NGUYÊN YẾU 73 3.1 Hạn chế IoT tài nguyên yếu an toàn bảo mật 73 3.2 Giải pháp an toàn bảo mật cho thiết bị IoT tài nguyên yếu 74 3.2.1 Giao thức bảo mật nhẹ Lightweight cho IoT 74 3.2.2 Các yêu cầu thiết kế mật mã hạng nhẹ cần 76 3.2.3 Các cơng trình tích hợp mã hóa hạng nhẹ 78 3.3 Giải pháp DTLS xác thực bảo mật cho thiết bị tài nguyên yếu 82 3.3.1 Triển khai giải pháp DTLS tảng Om2M 82 3.3.2 Mơ hình đề xuất 83 3.3.3 Thử nghiệm đánh giá mơ hình an ninh DTLS 87 3.3.4 Kết luận 91 3.4 Triển khai CurveCP mạng WSN 92 3.4.1 Tổng quan CurveCP 92 3.4.2 Thử nghiệm triển khai CurveCP với điều chỉnh 96 3.4.3 Kết thí nghiệm mơ với giải pháp điều chỉnh CurveCP 98 III 3.5 Giới thiệu hàm băm xác thực hạng nhẹ Quark 99 3.6 Đánh giá giải pháp, hướng nghiên cứu phát triển 100 MƠ HÌNH TÍCH HỢP NÂNG CAO AN TOÀN MẠNG IOT 102 4.1 Giải pháp tích hợp giao thức DTLS chế Overhearing 102 4.1.1 Triển khai giải pháp tích hợp DTLS Overhearing cải tiến 103 4.1.2 Mơ giải pháp tích hợp DTLS & Overhearing 106 4.1.3 Kết thí nghiệm mơ phỏng, so sánh đánh giá 112 4.1.4 Một số hạn chế tồn giải pháp triển khai 115 4.2 Tích hợp Quark vào DTLS với Overhearing 116 4.2.1 Giải pháp tích hợp Overhearing, Quark DTLS 116 4.2.2 Cải tiến DTLS Quark 117 4.2.3 Mơ giải pháp tích hợp an tồn IoT thiết bị tài nguyên yếu 118 4.2.4 Kết thí nghiệm mơ 119 4.2.5 Đánh giá giải pháp 120 KẾT LUẬN 123 Kết luận 123 Hạn chế luận án 124 Đề xuất, hướng nghiên cứu 124 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 PHỤ LỤC 136 IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh 6LoWPAN IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks Access Control Lists Advanced Encryption Standard Authentication Header Absolute Slot Number IPv6 qua Mạng cá nhân không dây công suất thấp Danh sách điều khiển truy cập Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao Tiêu đề xác thực Số khe tuyệt đối Bluetooth Năng lượng thấp Tổ chức cấp chứng số Mã hóa Khối chuỗi nối tiếp Kiểm tra tính quán Giao thức ứng dụng hạn chế DAO-ACK Bluetooth Low Energy Certification Authority Cypher Block Chaining Consistency Check The Constrained Application Protocol Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Direct Acyclic Graph Destination Advertisement Object DAO Acknowledgment DIO DODAG Information Object ACL AES AH ASN BLE CA CBC CC CoAP CSMA/CA DAG DAO DIS DODAG DoS DTLS E2E ECC ECDHE ECDSA ESP Ý nghĩa tiếng Việt Đa truy cập cảm ứng sóng mang tránh xung đột Đồ thị có hướng khơng chu kỳ Bản tin Quảng bá Điểm đến Bản tin Phản hồi Bản tin DAO Bản tin chứa thông tin Đồ thị Hướng đích đến khơng chu kỳ DODAG Information Bản tin đề nghị gửi Bản tin chứa Solicitation thông tin DODAG Destination Oriented Directed Đồ thị Hướng đích đến không chu Acyclic Graph kỳ Denial of Service Tấn công Từ chối dịch vụ Datagram Transport Layer An ninh Tầng Giao vận với Security Truyền thơng dịng End to End Quy trình đầu cuối Elliptic Curve Cryptography Mã hóa Đường cong Elliptic Elliptic Curve Diffie-Hellman Đường cong Elliptic thuật Algorithm with Ephemeral tốn Diffie-Hellman với Khóa keys ngắn Elliptic Curve Digital Thuật toán kỹ thuật số đường Algorithm cong elip Encapsulating Security Payload Cơ chế An ninh Đóng gói liệu V IEEE IETF IoT IPSec LoWPAN M2M MAC MIC MQTT Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Internet of Things Internet Protocol Security Low Power Wireless Personal Area Networks Machine-to-Machine Message Authentication Code Message Integrity Code Viện Kỹ Sư Điện Và Điện Tử Lực lượng đặc nhiệm kỹ thuật Internet Mạng Internet vạn vật Giao thức internet bảo mật Mạng Cá nhân Không dây lượng thấp Tương tác máy máy Mã Xác thực Thơng điệp Mã kiểm tra tính tồn vẹn thơng điệp Giao thức truyền thơng theo mơ hình xuất – theo dõi Đơn vị truyền tải tối đa Truyền thông tầm gần MTU NFC Message Queuing Telemetry Transport Max Transmission Unit Near Field Communications OSPF Open Shortest Path First OWASP Open Web Application Security Project Giao thức định tuyến link – state, tìm đường ngắn Dự án An toàn bảo mật cho Ứng dụng Website mở PHY RF Physical layer Radio Frequency Tầng Vật lý Tần số vô tuyến RFID RIP Radio Frequency Identification Routing Information Protocol ROLL TSCH Routing Over Low-power and Lossy Networks Routing Protocol for Low power and Lossy Networks Time Slotted Channel Hopping WSN Wireless Sensors Networks Nhận dạng qua tần số vô tuyến Giao thức định tuyến vector khoảng cách Định tuyến qua Mạng lượng thấp giảm hao tổn Giao thức định tuyến cho Mạng lượng thấp giảm hao tổn Giao thức Phân khe thời gian Nhảy kênh Mạng Cảm biến Không dây RPL VI DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình kiến trúc IoT tham khảo Hình 1.2 Mơ hình kiến trúc an tồn bảo mật IoT 10 Hình 1.3 Những thách thức an tồn bảo mật IoT 11 Hình 1.4 Các thành phần Node mạng cảm biến 16 Hình 1.5 Mơ hình mạng cảm biến không dây đơn giản 17 Hình 1.6 Những đặc điểm thiết bị tài nguyên yếu hệ thống IoT 18 Hình 2.1 Mơ hình đồ thị DAG giao thức RPL 33 Hình 2.2 Cơ chế bảo mật thơng điệp kiểm sốt RPL 34 Hình 2.3 Tấn công DoS giải pháp Overhearing WSN 59 Hình 2.4 Mơ hình tương tác với thiết bị Zolertia 61 Hình 2.5 Kết nối mơ giải pháp với thiết bị thực 63 Hình 2.6 Sơ đồ kết nối thiết bị mô 63 Hình 3.1 Kiến trúc mơ hình chuẩn giao thức OneM2M 83 Hình 3.2 Kiến trúc bảo mật cho hệ thống IoT theo chuẩn oneM2M 86 Hình 3.3 Xây dựng Plugin để làm việc với giao thức DTLS 86 Hình 3.4 Các thành phần hệ thống thử nghiệm 88 Hình 3.5 Các pha làm việc DTLS 90 Hình 3.6 Vị trí cài đặt Giao thức CurveCP 93 Hình 3.7 Cơ chế trao đổi khóa giao thức CurveCP 94 Hình 3.8 Sơ đồ hoạt động thuật tốn băm Quark 100 Hình 3.9 Kiến trúc chế bọt chồng thuật toán băm Quark 100 Hình 4.1 Mơ hình an toàn bảo mật CIA 104 Hình 4.2 Sơ đồ vị trí cài đặt Overhearing DTLS hệ thống mạng IoT 105 Hình 4.3 Kiến trúc mạng IoT kịch mơ 112 Hình 4.4 Sự xuất tin MDNS mạng cài DTLS 113 Hình 4.5 Mơ hình giải pháp an tồn IoT tích hợp Overhearing, DTLS Quark 116 ... Văn Chuyết Tác giả luận án Nguyễn Văn Tánh LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án tiến sĩ với đề tài: Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn mạng "Internet of Things" , nhận nhiều giúp... BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN TÁNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP NÂNG CAO AN TOÀN TRONG MẠNG "INTERNET OF THINGS" Ngành: Kỹ thuật máy tính Mã số: 9480106 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÁY TÍNH NGƯỜI... Giang PGS.TS Đặng Văn Chuyết Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Văn Tánh, tác giả luận án tiến sĩ công nghệ thông tin với đề tài: Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao an toàn mạng "Internet