Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ.Theo Liên minh Viễn thông quốc tế International Telecommunication Union - ITU định nghĩanăm 2012: “Internet of Things là một cơ sở hạ tần
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Lớp: Điện tử-Viễn thông 05-K61
Hà Nội, tháng 8-2021
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của Internet of Things (IoT) đã vàđang góp phần định hình xã hội thông tin tương lai Internet kết nối vạn vật thay đổi cáchtiếp cận và ứng dụng của công nghệ nhưng đồng thời cũng tạo điều kiện phát sinh cácnguy cơ mới về an ninh, an toàn và bảo mật thông tin Có thể thấy rằng với một môitrường đa dạng, phức tạp, đa vật thể cùng các chuẩn kết nối không đồng nhất, việc đầu tưnghiên cứu xây dựng một hệ thống hoàn thiện về an ninh vẫn chưa thực sự thuyết phụcđược cộng đồng công nghệ.
Trong phạm vi bài viết, chúng tôi sẽ nêu ra một cái nhìn tổng quan về môi trườngInternet of Things, các vấn đề liên quan đến giải pháp an ninh hiện thời, những tháchthức và khó khăn phía trước trong lĩnh vực này.Cuối bài viết chúng tôi cũng đưa ranhững đề xuất về định hướng nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ chế an ninh của hệthống Internet of Things
Bài báo này được tổ chức như sau :Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về IoT.Chương 2 Cơ sở kỹ thuật của IoT.
Chương 3 Cơ chế bảo mật và những thách thức an ninh trong IoT.Chương 4 Công cụ triển khai dự án IoT.
Chương 5 Kỹ thuật triển khai một dự án IoT
Chương 6 Các thách thức trong nghiên cứu, triển khai dự án IoTChương 7 Đề xuất các hướng nghiên cứu cho nền tảng IoT
Do còn thiếu kinh nghiệm trong quá trình tìm hiểu nội dung, em mong nhận được sựgóp ý, bổ sung của thầy, cô để bài viết được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 31.2 Lợi ích của IoT 7
1.3 Các yêu cầu của một hệ thống IoT 10
1.4 Các đặc trưng cơ bản của IoT 11
1.5 Ưu và nhược điểm của IoT 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA IoT 13
2.1 Kiến trúc hệ thống IoT 13
2.1.1 Các tầng của kiến trúc IoT 13
2.1.2 Các giai đoạn của kiến trúc IoT 14
2.2 Các giao thức IoT phổ biến 16
2.2.1 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) 18
2.2.2 HyperText Transfer Protocol (HTTP) 21
2.2.3 Constrained Application Protocol (CoAP) 24
2.3 Yêu cầu về cơ sở hạ tầng kỹ thuật của hệ thống IoT 29
2.3.1 Năng lực truyền thông (Communication Capabilities) 30
2.3.2 Công suất thiết bị (Device Power) 30
2.3.3 Công nghệ cảm biến (Sensor Technology) 31
2.3.4 Thời gian đáp ứng 32
2.4 Công nghệ kết nối trong IoT 33
2.4.1 Nhận dạng tần số vô tuyến (RFID - Radio Frequency Identification) 33
2.4.2 Bluetooth 34
2.4.3 ZigBee 35
Trang 42.4.4 Z-wave 35
2.4.5 Ultra-wideband 35
2.4.6 Wifi 36
2.4.7 Lifi 36
2.4.8 Công nghệ NB-IoT và LoRa 37
CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ BẢO MẬT VÀ NHỮNG THÁCH THỨC AN NINHTRONG IoT 37
3.1 Kiến trúc an ninh trong IoT 37
3.2 Cơ chế bảo mật trong IoT 39
3.2.1 Phương pháp mã hóa 39
3.2.2 An ninh thông tin truyền thông 41
3.2.3 An ninh dữ liệu cảm biến 44
3.2.4 An ninh lớp hỗ trợ, điện toán đám mây 45
3.2.5 An ninh lớp ứng dụng 45
3.2.6 An ninh hệ thống IoT trên nền tảng IP 46
CHƯƠNG 4: CÔNG CỤ TRIỂN KHAI DỰ ÁN IoT 48
4.1 Danh sách các thiết bị IoT hàng đầu 49
Trang 54.2.2 Hình thức kết nối thiết bị nào được hỗ trợ? 53
4.2.3 Những giao thức truyền tin và công nghiệp nào có thể được dùng? 53
4.2.4 Mở rộng quy mô hệ thống và loại thiết bị khi có các yêu cầu thay đổitrong tương lai 54
4.2.5 IoT Platform có thể giải quyết các vấn đề gì? 54
4.2.6 Công nghệ của IoT Platform 60
4.2.7 Làm thế nào để chọn IoT Platform phù hợp? 63
CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT TRIỂN KHAI MỘT DỰ ÁN IoT 68
5.1 Những thách thức của các dự án IoT 68
5.2 Cách triển khai dự án IoT thành công 69
5.2.1 Tìm hiểu những điều cơ bản 69
5.2.2 Xác định ca sử dụng của bạn 69
5.2.3 Nghiên cứu và chọn một nền tảng / công cụ IoT 70
5.2.4 Chọn phần cứng IoT phù hợp cho dự án IoT của bạn 71
5.2.5 Xây dựng nguyên mẫu IoT đầu tiên của bạn 73
5.2.6 Tìm đối tác IoT (nghĩa là Xác định bộ kỹ năng của bạn và những gì bạnđang thiếu) 74
CHƯƠNG 6: CÁC THÁCH THỨC TRONG NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI DỰÁN IoT 76
6.1 Chưa có một ngôn ngữ chung 76
6.2 Hàng rào subnetwork 76
6.3 Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương" 77
6.4 Tiền và chi phí 77
CHƯƠNG 7: ĐỀ XUẤT CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHO NỀN TẢNG IoT 77
7.1 Nghiên cứu về an ninh cho nền tảng IoT 77
7.2 Nghiên cứu ứng dụng IoT trong tạo lập và quản lý tài nguyên số 80
KẾT LUẬN 83
Trang 7ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâmAuto-ID ở đại học MIT.
"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộtiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khilốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra màcó thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu quamạng lưới
IoT phải có 2 thuộc tính:
Một là đó phải là một ứng dụng internet Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ.
Theo Liên minh Viễn thông quốc tế (International Telecommunication Union - ITU) định nghĩa
năm 2012: “Internet of Things là một cơ sở hạ tầng toàn cầu đối với xã hội thông tin làmcho các dịch vụ tiên tiến có sẵn bằng cách liên kết đối tượng (vật lý hay ảo) thông qua cácthông tin và truyền thông công nghệ tương thích hiện có hoặc phát triển".
Như vậy, có thể hiểu IoT là khái niệm dùng để chỉ việc mọi vật được kết nối với nhauqua mạng Internet, trong đó người dùng có thể chia sẻ, trao đổi, khai thác dữ liệu và kiểmsoát các thiết bị của mình qua mạng Internet.
1.2 Lợi ích của IoT.
Các ứng dụng công nghệ đến từ Internet vạn vật (IoT) hứa hẹn mang đến nhữnggiá trị to lớn cho con người Trong những năm gần đây, chúng ta đã thấy sự xuất hiện củanhững hệ thống nhà thông minh hay các thiết bị gia dụng thông minh có điều khiển bằnggiọng nói Tuy nhiên, McKinsey cũng đưa ra nhận định nhà thông minh mới chỉ là khởi
Trang 8đầu của một thế giới internet vạn vật Ứng dụng quan trọng nhất của IoT là số hóa quátrình sản xuất trong các ngành kinh tế
IoT đã được tìm thấy các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, baogồm cả chăm sóc sức khỏe ,những thành phố thông minh, xây dựng, năng lượng, mạnglưới thông minh, công nghiệp tự động, dự báo thời tiết, kiểm soát môt trường, logistic,quản lý tài nguyên, nông nhiệp, mua sắm thông minh, tự động và hơn thế nữa là do đặcđiểm và sự phổ biến của nó Cùng tham khảo một số lĩnh vực công nghiệp đã và đang ápdụng IoT tích hợp vào bên trong như thế nào.
Ngành chế tạo
Các nhà sản xuất có thể đạt được lợi thế cạnh tranh bằng cách sử dụng giám sát dâychuyền sản xuất để cho phép bảo trì chủ động trên thiết bị khi cảm biến phát hiện ra lỗisắp xảy ra
Trang 9Các cảm biến thực sự có thể đo lường khi sản lượng sản xuất bị tổn hại Với sự trợgiúp của cảnh báo cảm biến, các nhà sản xuất có thể nhanh chóng kiểm tra độ chính xáccủa thiết bị hoặc loại bỏ nó khỏi sản xuất cho đến khi nó được sửa chữa Điều này chophép các công ty giảm chi phí hoạt động, có thời gian hoạt động tốt hơn và cải thiện quảnlý hiệu suất tài sản.
Ngành ô tô
Ngành công nghiệp ô tô đã nhận ra những lợi thế đáng kể từ việc sử dụng các ứngdụng IoT Ngoài những lợi ích của việc áp dụng IoT vào dây chuyền sản xuất, các cảmbiến có thể phát hiện lỗi thiết bị sắp xảy ra trên các phương tiện đã đi trên đường và cóthể cảnh báo cho người lái xe một cách chi tiết
Nhờ thông tin tổng hợp được thu thập bởi các ứng dụng dựa trên IoT, các nhà sảnxuất và nhà cung cấp ô tô có thể tìm hiểu thêm về cách giữ cho xe chạy và thông báo chochủ xe về các thông tin phía trước.
Giao thông vận tải
Các đội xe ô tô, xe tải và tàu chở hàng tồn kho có thể được định tuyến lại dựa trênđiều kiện thời tiết, tính sẵn có của xe hoặc tính khả dụng của tài xế, nhờ dữ liệu cảm biếnIoT Bản thân hàng tồn kho cũng có thể được trang bị các cảm biến để theo dõi và kiểmsoát nhiệt độ
Các ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, hoa và dược phẩm thường là nhữngmặt hàng tồn kho nhạy cảm với nhiệt độ sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ các ứng dụnggiám sát IoT gửi thông báo khi nhiệt độ tăng hoặc giảm có thể ảnh hưởng đến sản phẩm.
Chăm sóc sức khỏe
IoT cung cấp nhiều lợi ích cho ngành chăm sóc sức khỏe Bác sĩ, y tá thường cầnbiết chính xác vị trí của các tài sản hỗ trợ bệnh nhân như xe lăn Khi xe lăn của bệnh viện
Trang 10được trang bị cảm biến IoT, chúng có thể được theo dõi từ ứng dụng giám sát tài sản IoTđể bất kỳ ai đang tìm kiếm đều có thể nhanh chóng tìm thấy chiếc xe lăn có sẵn gần nhất.Nhiều tài sản của bệnh viện có thể được theo dõi theo cách này để đảm bảo sử dụnghợp lý cũng như kế toán tài chính cho các tài sản vật chất trong mỗi khoa.
Hình 2: IoT cho phép mọi đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhauKể từ thập kỷ trước, phân tích thị trường đã dự báo 26 tỷ đến 30,73 tỷ những thứcần được kết hợp với Internet như các thiết bị hỗ trợ IoT vào cuối năm 2020, con số nàysẽ tăng lên 75,44 tỷ con số vào năm 2025 Một trong những lĩnh vực phát triển nhanhnhất để phát triển IoT là ngành công nghiệp ô tô Các nhà phân tích thị trường đã dự đoánrằng sẽ có khoảng 250 triệu phương tiện hỗ trợ IoT vào năm 2020.
Về giá trị kinh tế, báo cáo về IoT ô tô toàn cầu thị trường của Reuters cho thấy sựtăng trưởng dự kiến đáng kể của giá trị thị trường IoT từ 20,49 tỷ đô la trong năm 2016lên 100,93 tỷ USD vào năm 2023
Trang 111.3 Các yêu cầu của một hệ thống IoT.
Các yêu cầu để có thể trở thiết lập một IoT sẽ rất cao và khắt khe với các tiêu chí nhưsau:
Có kết nối dựa trên sự nhận diện: Các đồ vật, máy móc, thiết bị thường gọi
chung là “Things” phải có tên hay địa chỉ IP riêng biệt Hệ thống IoT cần hỗ trợcác kết nối giữa các “Things” và kết nối được thiết lập dựa trên định danh IP củaThings.
Khả năng quản lý: Hệ thống IoT làm việc tự động mà không cần sự tham gia
người, vì thế chúng cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things” để đảm bảomạng lưới hoạt động bình thường.
Khả năng bảo mật: Vì trong IoT có rất nhiều “Things” sẽ được kết nối với nhau,
làm tăng mối nguy trong bảo mật như lộ thông tin, xác thực sai, sai lệch dữ liệu, Bên cạnh đó, các “Things” trong hệ thống có thể thuộc nhiều chủ sở hữu khácnhau và chứa thông tin cá nhân của họ Vì thế, các hệ thống IoT cần bảo vệ sựriêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý.
Dịch vụ thỏa thuận: Dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập,
giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc đượcthiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người dùng.
Khả năng cộng tác: Khả năng này cho phép hệ thống IoT có khả năng tương tác
qua lại giữa các mạng lưới và Things một cách dễ dàng.
Khả năng tự quản của mạng lưới: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự khắc
phục lỗi, tự tối ưu hóa, tự có cơ chế bảo vệ để mạng lưới có thể thích ứng vớicác tên miền ứng dụng, môi trường truyền thông và nhiều loại thiết bị khácnhau…
Các khả năng dựa vào vị trí (location – based capabilities): Hệ thống IoT có
thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động Các dịch vụ dựa trên vị trí này có thểbị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh.
Khởi động và sử dụng: Hệ thống IoT bắt buộc các “Things” phải được khởi động
và sử dụng một cách dễ dàng và tiện dụng.1.4 Các đặc trưng cơ bản của IoT.
Hệ thống IoT sẽ bao gồm các đặc trưng như sau:
Tính kết nối liên thông: Với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau
thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
Trang 12Tính thông minh: Các thiết bị IoT trên thị trường thường hay được gọi là thiết bị
thông minh Các thiết bị được trang bị khả năng tính toán và kết nối mạng sẽ đemlại tính năng ưu việt so với thiết bị truyền thống và có những tính năng mới màthiết bị truyền thống không thể có được.
Cảm biến môi trường: Các thiết bị IoT được trang bị rất nhiều cảm biến môi
trường khác nhau, chính những thông tin về môi trường xung quanh này giúp chothiết bị thông minh hơn.
Giao diện với điện toán đám mây: Thiết bị IoT hoạt động như một cửa ngõ (tới
tài nguyên vô tận của điện toán đám mây, các tính năng mà người dùng tin khôngbị giới hạn bởi khả năng của thiết bị.
Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT không đồng nhất vì nó có phần
cứng và mạng lưới khác nhau Các thiết bị giữa các mạng lưới có thể tương tácvới nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới.
Tương tác với các thiết bị khác: Các thiết bị IoT có khả năng tính toán và kết nối
mới có thể tương tác với nhau cục bộ hoặc qua Internet Việc các thiết bị tương tácvới nhau tạo ra những khả năng mới mà trước đây từng thiết bị không thể làmđược.
Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, kết nối hoặc
ngắt, thay đổi vị trí thiết bị, thay đổi tốc độ…
Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với
nhau Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiệnnay Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với đượctruyền bởi con người.
1.5 Ưu và nhược điểm của IoT.
Internet vạn vật IoT cũng tồn tại hai mặt ưu và nhược điểm như sau:
Ưu điểm:
Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị. Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối. Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.
Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp.Nhược điểm:
Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị, có thể lấy cắp thông tin bí mật.
Trang 13 Các doanh nghiệp có thể phải đối phó với số lượng lớn thiết bị IoT và việc thu thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị đó sẽ là một thách thức.
Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng. Vì không có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT, rất khó để các
thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau giao tiếp với nhau.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA IoT
2.1 Kiến trúc hệ thống IoT
Sự phân mảnh là một trong hai thách thức lớn nhất cho IoT (cái còn lại là bảo mật).Sự phân mảnh là cốt lõi của IoT do sự đa dạng của những thứ mà nó nhắm đến Việc đưabất kỳ hệ thống IoT nào hoạt động đòi hỏi phải khai thác tất cả các tài nguyên, phầncứng, phần mềm và hệ thống, sau đó kết hợp tất cả lại thành một khối duy nhất tạo thànhmột giải pháp tích hợp, đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí Nói một cách đơn giản, mọigiải pháp IoT đều cần một kiến trúc IoT vững chắc để có thể phục vụ mục đích của nó.Hiệu quả và khả năng ứng dụng của hệ thống phần lớn phụ thuộc vào chất lượng của cơsở hạ tầng.
2.1.1 Các tầng của kiến trúc IoT.
Mặc dù không có một kiến trúc IoT được thống nhất trên toàn cầu, nhưng định dạngcơ bản và được chấp nhận rộng rãi nhất là kiến trúc ba lớp Mô hình được giới thiệu lầnđầu tiên ở các nghiên cứu sớm nhất về Internet of Things gồm ba tầng: Perception,Network, và Application.
Trang 14 Perception: đây là lớp vật lý của kiến trúc, nơi các cảm biến và các thiết bị được
kết nối thu thập nhiều lượng dữ liệu khác nhau theo nhu cầu của dự án Tầng nàybao gồm các thiết bị biên (edge), cảm biến và thiết bị truyền động tương tác vớimôi trường.
Network: dữ liệu được thu thập cần được truyền và xử lý Lớp mạng kết nối các
thiết bị ở trên với các đối tượng thông minh, máy chủ và thiết bị mạng khác.
Application: Lớp ứng dụng chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ, ứng dụng cụ
thể cho người dùng tương tác Ví dụ khi triển khai nhà thông minh, trong đó ngườidùng nhấn vào một nút trong ứng dụng để bật máy pha cà phê.
2.1.2 Các giai đoạn của kiến trúc IoT.
Mặc dù mỗi hệ thống IoT đều khác nhau, nhưng nền tảng cho mỗi kiến trúc Internetof Things cũng như luồng quy trình dữ liệu chung của chúng gần như giống nhau baogồm 4 trạng thái:
Applica琀椀on layer(L p ng d ng)ớ ứ ụ
Network layer(L p m ng truyềền t i)ớ ạ ả
Percep琀椀on layer(L p thiềết b c m quan)ớ ị ả
Trang 15Tin tặc có thể khai thác để gửi các lệnh đặc biệt gây tràn bộ nhớ đệm và thực thi cácmã tùy ý trong tiến trình Hypervisor của thiết bị đầu cuối.
Những năm trở lại đây, rất nhiều cuộc tấn công mạng với quy mô lớn đã xảy ra trênthế giới Theo như phân tích của iot-analytics.com, cuối năm 2016, các cuộc tấn côngDDoS quy mô lớn vào các máy chủ của DYN (nhà cung cấp dịch vụ DNS lớn của Mỹ)đã làm suy giảm nhiều dịch vụ trực tuyến phổ biến ở Mỹ, cho thấy các thiết bị IoT có thểtrở thành công cụ cho các tin tặc thực hiện tấn công mạng.
Tại Việt Nam, cuối năm 2014, thông tin của hơn 1.000 hệ thống camera đã bị đánhcắp và công bố rộng rãi.
Nguyên nhân là do người dùng chưa quan tâm đúng mức đến cơ chế bảo mật và anninh, không thay đổi mật khẩu mặc định của hệ thống trước khi kết nối Internet.
Theo thống kê của hãng Kaspersky và Symantec, tổng số mẫu phần mềm độc hạinhắm mục tiêu đến các thiết bị thông minh đã lên tới hơn 7.000, trong đó hơn một nửa sốnày xuất hiện vào năm 2017 và Việt Nam nằm trong số các nước có số người dùng diđộng bị mã độc tấn công nhiều nhất thế giới.
Thời gian vừa qua, tập đoàn VNPT cũng ghi nhận nhiều cuộc tấn công từ chối dịchvụ phân tán (DDoS) từ thiết bị IoT vào các trang thương mại điện tử, tài chính, ngânhàng hoặc thậm chí là nhà cung cấp dịch vụ ISP
Theo thống kế của VNPT, số máy chủ C&C (command and control) điều khiểnmạng bonet đã lên tới hơn 100 và có khả năng tăng cao trong các năm tiếp theo.
Rõ ràng, IoT là lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng nhưng cũng ẩn chứa nhiều thách thứccần giải quyết cụ thể như sau:
1 Kiến trúc an ninh IoT: Mặc dù vẫn được duy trì một cách ổn định nhưng việc xâydựng một kiến trúc an toàn với các cơ chế bảo mật theo chiều sâu của hệ thốngvẫn là nhiệm vụ quan trọng mà các nhà nghiên cứu cần phải giải quyết.
2 Cơ chế trao đổi và quản lý khóa: Đây là cơ sở quan trọng để nâng cao khả năngbảo mật nhưng cũng là khía cạnh khó khăn nhất của an ninh mật mã Thuật toánhạng nhẹ hoặc các thiết bị cảm biết có hiệu năng cao vẫn chưa được triển khaitrong thực tế tạo ra thách thức thực sự với cộng đồng phát triển IoT.
3 Luật an ninh và các quy định: Hiện tại luật pháp vẫn chưa quan tâm đúng mức đếncác vấn đề kỹ thuật của các hệ thống IoT, đặc biệt là các vấn đề liên quan đếnthông tin quốc gia, bí mật doanh nghiệp và sự riêng tư cá nhân Đưa ra các quyđịnh thúc đẩy sự phát triển IoT đúng hướng, mạnh mẽ và hiệu quả là một trongnhững đòi hỏi cấp thiết hiện nay.
4 Yêu cầu đối với các ứng dụng đang phát triển: với sự phát triển của mạng cảmbiến không dây, công nghệ điện toán đám mây, công nghệ truyền thông mạng, lý
Trang 16thuyết điều khiển phối hợp thời gian thực và RFID, IoT đã và đang phát triểnmạnh mẽ.
5 Các ứng dụng cũng được tập trung đầu tư nhưng việc thiếu quy trình kiểm định vàđánh giá tính an toàn của ứng dụng đã làm phát sinh các lỗ hổng bảo mật mới.6 Công tác quản lý IoT chưa được thực hiện đúng cách Bên cạnh đó những vấn đề
về bảo mật cũng trở nên phức tạp và khó khăn hơn khi liên quan đến các thiết bịvốn có ràng buộc chặt chẽ về tài nguyên và năng lượng.
Thiết kế giao thức bảo mật cần chú ý các vấn đề như hiệu năng, giao tiếp, xử lý dữliệu và cách thức phân mảnh các gói tin để hạn chế tấn công DoS.
CHƯƠNG 4: CÔNG CỤ TRIỂN KHAI DỰ ÁN IoT
Ngày nay trong thế giới định hướng bởi internet, IoT đã nhấn chìm ngành công nghệthông tin và là từ thông dụng mới nhất Nó đã mở ra nhiều chân trời mới cho các công tyvà nhà phát triển làm việc trên IoT Nhiều sản phẩm đặc biệt đã được phát triển do pháttriển ứng dụng IoT Các công ty cung cấp giải pháp Internet of Things đang tạora các thiết kế phần cứng và phần mềm để giúp các nhà phát triển IoT tạo ra các thiết bịvà ứng dụng IoT mới và đáng chú ý.
Trang 174.1 Danh sách các thiết bị IoT hàng đầu
4.1.1 Tessel 2
Tessel 2 được sử dụng để xây dựng các nguyên mẫu và ứng dụng IoT cơ bản Nógiúp thông qua nhiều module và cảm biến của nó Sử dụng bo mạch Tessel 2, nhà pháttriển có thể tận dụng kết nối Ethernet, kết nối Wi-Fi, hai cổng USB, một cổng microUSB, 32 MB Flash, 64 MB RAM Các mô-đun bổ sung cũng có thể được tích hợp nhưmáy ảnh, gia tốc kế, RFID, GPS, v.v.
Tessel 2 có thể hỗ trợ Node.JS và có thể sử dụng các thư viện của Node.JS Nó chứahai bộ vi xử lý, phần cứng của nó sử dụng 48MHz Atmel SAMD21 và 580.
Bộ đồng xử lý MHz MediaTek MT7620n Một bộ xử lý có thể giúp chạy các ứngdụng phần sụn ở tốc độ cao và bộ xử lý còn lại giúp quản lý hiệu quả năng lượng và thựchiện kiểm soát đầu vào / đầu ra tốt.
Trang 184.1.2 Eclipse IoT
Công cụ hoặc công cụ này cho phép người dùng phát triển, áp dụng và quảng bá cáccông nghệ IoT nguồn mở Nó phù hợp nhất để xây dựng các thiết bị IoT, nền tảng Đámmây và cổng Eclipse hỗ trợ các dự án khác nhau liên quan đến IoT Các dự án này baogồm triển khai mã nguồn mở của các giao thức IoT, các khung ứng dụng và dịch vụ cũngnhư các công cụ để sử dụng ngôn ngữ lập trình Lua được quảng cáo là ngôn ngữ lập trìnhphù hợp nhất cho IoT
4.1.3 Arduino
Arduino là một công ty CNTT có trụ sở tại Ý chuyên xây dựng các đối tượng tươngtác và bảng vi điều khiển Nó là một nền tảng tạo mẫu mã nguồn mở cung cấp cả phầncứng và phần mềm IoT Thông số kỹ thuật phần cứng có thể được áp dụng cho thiết bịđiện tử tương tác và phần mềm bao gồm Môi trường phát triển tích hợp (IDE) Nó là IDEthích hợp nhất trong tất cả các công cụ phát triển IoT Nền tảng này rất dễ sử dụng và đơngiản.
4.1.4 Platform IoT
Platform IoT là một IDE IoT đa nền tảng Nó đi kèm với trình gỡ lỗi tích hợp Đâylà cách tốt nhất để phát triển ứng dụng di động và các nhà phát triển có thể sử dụng môitrường IoT thân thiện để phát triển Nhà phát triển có thể chuyển IDE trên trình chỉnh sửaAtom hoặc có thể cài đặt nó dưới dạng một plugin Nó tương thích với hơn 400 bảngnhúng và có hơn 20 khung và nền tảng phát triển Nó cung cấp một giao diện đáng chú ývà dễ sử dụng.
4.1.5 M2M Labs Mainspring
M2M Labs Mainspring là một nền tảng IoT và một khung ứng dụng mã nguồnmở Nó được sử dụng để xây dựng các ứng dụng máy móc (M2M) có thể được sử dụngtrong các lĩnh vực giám sát từ xa và quản lý đội tàu Nó hỗ trợ nhiều chức năng như xácnhận và chuẩn hóa dữ liệu, cấu hình thiết bị, quy trình truy xuất dữ liệu và mô hình hóathiết bị linh hoạt Nó dựa trên cơ sở dữ liệu Apache, Cassandra, NoSQL và Java.
4.1.6 Kinoma
Kinoma là một nền tảng tạo mẫu phần cứng bán dẫn Marvell Nó cho phép ba dự ánkhác nhau Để hỗ trợ các dự án này, hai sản phẩm có sẵn Kinoma Create và ElementBoard Kinoma Create là một bộ phần cứng để tạo mẫu thiết bị điện tử và thiết bị hỗ trợIoT Bộ dụng cụ hỗ trợ các yếu tố cần thiết như Bluetooth Low Energy (BLE), Wi-Fi tíchhợp, loa, micrô và màn hình cảm ứng Element Board là nền tảng sản phẩm IoT nhỏ nhấtđược hỗ trợ bởi JavaScript.
Trang 194.1.7 Device – Hive
Device – Hive dựa trên AllJoyn của Data Art Nó là một M2M mã nguồn mở miễnphí tức là khung giao tiếp máy với máy Nó được ra mắt vào năm 2012 và được coi lànền tảng phát triển ứng dụng IoT ưa thích nhất Device – Hive có API dựa trên cloud cóthể được điều khiển từ xa bất kể cấu hình mạng Thư viện, giao thức và cổng quản lý củaDevice – Hive được kiểm soát theo cách tương tự Device – Hive phù hợp nhất cho cácứng dụng liên quan đến công nghệ nhà thông minh, bảo mật, tự động hóa và cảm biến.
4.1.8 Kaax
Kaax cung cấp hỗ trợ đầu cuối cho các thiết bị IoT được kết nối trên cloud Do phầnmềm trung gian đa năng, Kaax cho phép người dùng xây dựng các ứng dụng được kếtnối, ứng dụng IoT và nhiều sản phẩm thông minh Bộ nguồn mở có thể giao tiếp với bấtkỳ phần cứng nào như cảm biến, cổng và các thiết bị khác Nó giúp các nhà phát triểnphân phối các bản cập nhật firmware từ xa và cho phép khả năng tương tác đa nền tảng.
4.1.9 Trợ lý tại nhà
Nó là một công cụ mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng cho các chức năng dựa trênhệ thống mã hóa Python và tự động hóa gia đình Các trình duyệt trên máy tính để bàn vàthiết bị di động giúp kiểm soát hệ thống IoT của họ Nó rất dễ thiết lập và nổi tiếng vềhoạt động trơn tru, tiêu chuẩn riêng tư và bảo mật Nó có thể hỗ trợ các hệ thống chạytrên Python 3.
4.1.10 Net
Net là một giải pháp tích hợp cho các nhà phát triển IoT Nó cung cấp các dịch vụnhư tích hợp Cloud và BI (business intelligent) để cung cấp cả công nghệ web và phầncứng Bộ công cụ phát triển của nó được cung cấp dưới dạng một nền tảng như một dịchvụ, tức là PaaS cho phép các nhà phát triển sử dụng hiệu quả sức mạnh của nó cho mụcđích phát triển.
4.1.11 Raspbian
IDE này được tạo cho bảng Raspberry Pi Raspbian có hơn 35000 gói và với sự trợgiúp của phần mềm được biên dịch sẵn, nó cho phép cài đặt nhanh chóng Nó khôngđược tạo ra bởi tổ chức mẹ mà bởi những người đam mê công nghệ IoT Để làm việc vớiRaspberry Pi, đây là IDE phù hợp nhất hiện có.
Trang 204.2 IoT Platforms: Công cụ cho Internet of Things
IoT Platform là một thành phần quan trọng của hệ sinh thái IoT và một thị trườngđang phát triển nhanh, dự kiến sẽ vượt 22 tỷ USD vào năm 2023 Các IoT Platform cungcấp một lượng giá trị khổng lồ cho các doanh nghiệp – cho phép họ giảm chi phí pháttriển, tăng tốc khởi chạy và hợp lý hóa các quy trình Tuy nhiên, nhiều người vẫn chưa rõIoT Platform chính xác là gì, chúng làm gì và khi nào doanh nghiệp nên sử dụng nền tảngnày.
4.2.1 IoT Platform là gì?
IoT Platform bắt nguồn từ dạng phần mềm trung gian IoT, mục đích hoạt động nhưmột trung gian giữa phần cứng và lớp ứng dụng Các nhiệm vụ chính của nó bao gồm thuthập dữ liệu từ các thiết bị qua các giao thức và cấu trúc liên kết mạng khác nhau, cấuhình và điều khiển thiết bị từ xa, quản lý thiết bị và cập nhật chương trình cơ sở quamạng.
Để được sử dụng trong các hệ sinh thái IoT không đồng nhất ngoài đời thực, phầnmềm trung gian IoT dự kiến sẽ hỗ trợ tích hợp với hầu hết mọi thiết bị được kết nối vàhòa hợp với các ứng dụng của bên thứ ba được thiết bị sử dụng Sự độc lập này so vớiphần cứng cơ bản và phần mềm thay thế cho phép một IoT Platform duy nhất quản lý bấtkỳ loại thiết bị được kết nối nào theo cùng một cách đơn giản.
Hình 1.1 Nguồn: kaaproject
Trang 21Các IoT Platform hiện đại tiến xa hơn và giới thiệu nhiều tính năng có giá trị vào cảlớp phần cứng và ứng dụng Họ cung cấp các thành phần cho giao diện người dùng vàphân tích, xử lý dữ liệu trên thiết bị và triển khai dựa trên đám mây Một số trong số đócó thể xử lý việc triển khai giải pháp IoT đầu cuối từ đầu đến cuối.
4.2.2 Hình thức kết nối thiết bị nào được hỗ trợ?
IoT Platform sẽ cho phép khả năng tương tác giữa nhiều công nghệ kết nối:
Mạng di động truyềnthống
Mạng di động LPWAMạng không di độngLPWA
Vệ tinh
Mạng dây LAN
Mạng không dây
4.2.3 Những giao thức truyền tin và công nghiệp nào có thể được dùng?
Nếu IoT Platform là cốt lõi trong giải pháp, thì các giao thức là ngôn ngữ giao tiếp.Cũng giống như các trường hợp sử dụng mới đang xuất hiện trong ngành công nghiệpIoT, các giao thức IoT phù hợp với mục đích để triển khai của chúng đang xuất hiện.Điều thực sự cần thiết là chọn giao thức phù hợp nhất với nhu cầu và yêu cầu kinh doanh(nhu cầu bảo mật, chất lượng dịch vụ, bộ nhớ và điện năng tiêu thụ) và dựa trên nền tảnghỗ trợ nó.
Lý tưởng nhất là nền tảng loT sẽ hỗ trợ các giao thức như MQTT, CoAP, AMQP,HTTP cũng như các giao thức truyền thông kế thừa chủ yếu được sử dụng cho các quytrình tự động hóa công nghiệp như Modbus TCP, Modbus RTU, Profibus, Profinet,EtherCAT, CAN, OPC-UA.
Trang 224.2.4 Mở rộng quy mô hệ thống và loại thiết bị khi có các yêu cầu thay đổitrong tương lai.
Khi các doanh nghiệp phát triển, các yêu cầu cũng vậy Vì vậy, cần phải có sự kếtnối giữa mọi thứ, bất kể phần cứng nào cũng được sử dụng Thông qua kiến trúc bất khảtri, IoT Platform sẽ cung cấp khả năng tương tác và đảm bảo bằng chứng trong tương lairằng các giao thức mới sẽ được hỗ trợ và dễ dàng tích hợp Lợi thế cạnh tranh có thể đạtđược nhờ một loạt các công cụ thúc đẩy khả năng tương tác xuyên suốt giải pháp IoT vàgiữa một hỗn hợp thiết bị không đồng nhất.
4.2.5 IoT Platform có thể giải quyết các vấn đề gì?
4.2.5.1 Những thách thức trong việc hiện thực hóa IoT cóthể trở nên phổ biến
Quản lý phức tạp
Nhiều thách thức trong số này cuối cùng bắt nguồn từ vấn đề phức tạp đượcđề cập trước đó Sự phức tạp này bắt nguồn từ một số yếu tố, ví dụ như: Chuỗi cung ứng và hệ sinh thái bị phân mảnh
Tiêu chuẩn và công nghệ đa dạng.
Sự cần thiết phải thay đổi các quy trình kinh doanh hoặc tổ chức cơ bản. Thiếu kinh nghiệm phát triển các sản phẩm và dịch vụ được kết nối Môi trường pháp lý đôi khi không chắc chắn
Khó xác định lợi tức đầu tư
Tạo và duy trì kết nối đáng tin cậy
Việc tạo và duy trì các kết nối đáng tin cậy ngày càng trở nên quan trọng khi các hệthống IoT được nhúng vào cơ sở hạ tầng quan trọng và các miền ca sử dụng chính Có rấtnhiều tiêu chuẩn và công nghệ kết nối để lựa chọn và điều này làm trầm trọng thêmnhững thách thức phức tạp được đề cập ở trên.
Nói chung, các nhà phát triển và triển khai IoT có bốn lớp công nghệ kết nối sau đểlựa chọn: đường dây, SRW (bao gồm mạng chia lưới), không dây tầm xa (bao gồm mạngdi động và mạng diện rộng công suất thấp) và vệ tinh Trong mỗi lớp là nhiều công nghệvà tiêu chuẩn cụ thể
Đảm bảo riêng tư và bảo mật dữ liệu
Khi các ứng dụng IoT thâm nhập vào ngành công nghiệp và xã hội, các ứng dụngnày ngày càng tạo ra sự phụ thuộc quan trọng.
Các rủi ro do bảo mật IoT không đầy đủ thường như sau:
Đánh cắp dữ liệu từ hệ thống hoặc đánh cắp các vật phẩm quan trọng dothông tin thu được bất hợp pháp từ các hệ thống bị xâm nhập.
Trang 23 Nguy hiểm đối với sức khỏe và sự an toàn từ các hệ thống bị xâm nhập khônghoạt động theo cách đã định.
Mất năng suất do các hệ thống bị xâm nhập không hoạt động theo cách đãđịnh.
Mất quyền riêng tư đối với thông tin thu được từ hệ thống bị xâm nhập hoặctruy cập bất hợp pháp vào thông tin về hoạt động của hệ thống.
Không tuân thủ luật hoặc quy định do mất dữ liệu từ một hệ thống bị xâmnhập.
Danh tiếng bị tổn hại do mất dữ liệu nhạy cảm của khách hàng hoặc gây tổnhại cho khách hàng từ các hệ thống bị xâm phạm.
Bảo mật IoT phải được triển khai ở cấp thiết bị và trong hệ thống mạng, đám mây vàhệ thống back-end của doanh nghiệp Bảo mật phải được đảm bảo cho dữ liệu ở trạngthái nghỉ (dữ liệu được lưu trữ), dữ liệu đang sử dụng (trên một thiết bị) và dữ liệu đangchuyển động (dữ liệu được truyền qua mạng) Tuy nhiên, làm như vậy đặc biệt khó khănđối với các ứng dụng IoT do một số yếu tố:
Kẻ tấn công thường có thể truy cập vật lý vào các thiết bị từ xa không đượcgiám sát.
Các thiết bị và cảm biến từ xa chạy bằng pin, chi phí thấp thường thiếu đủ sứcmạnh xử lý để lưu trữ các cơ chế bảo mật máy khách-máy chủ truyền thống. Các nhà phát triển thiếu kinh nghiệm liên quan đến các phương pháp hay nhất
về an ninh mạng, vốn phổ biến tại các công ty chuyển từ các phương pháptiếp cận công nghệ và mô hình kinh doanh truyền thống sang mô hình IoT. Làm gia tăng các vectơ đe dọa do dịch vụ tấn công mở rộng khi số lượng và
loại thiết bị và hệ thống từ xa tăng lên Mã hóa tạo thành cơ sở chính để triểnkhai an ninh mạng IoT Hệ thống an ninh mạng cố gắng đảm bảo:
Xác thực đảm bảo rằng thiết bị hoặc đối tượng được mô tả.
Tính khả dụng đảm bảo quyền truy cập vào thông tin và dịch vụ do thiết bịcung cấp.
Tính bảo mật đảm bảo tính riêng tư của dữ liệu trên thiết bị hoặc chuyển độnggiữa các thiết bị.
Tính toàn vẹn đảm bảo rằng thiết bị đang hoạt động và giao tiếp một cáchđáng tin cậy.
Mặc dù các cơ chế mật mã có thể được thực hiện trong thiết bị từ xa trong phầnmềm, ngày càng có nhiều sự công nhận rằng các hệ thống chỉ sử dụng phần mềm cungcấp mức độ bảo mật không đầy đủ Hai cách tiếp cận dựa trên phần cứng chính đangđược sử dụng: một là triển khai mật mã và các kỹ thuật bảo mật không gian mạng khác
Trang 24trong một bộ đồng xử lý bảo mật độc lập chạy cùng với bộ xử lý máy chủ chính và cáchkhác là triển khai các phương pháp này trong mạch phần cứng được thiết kế trực tiếp vàobộ xử lý máy chủ.
Sử dụng tối ưu dữ liệu
Một lĩnh vực phức tạp cụ thể cản trở thị trường IoT là việc quản lý và sử dụng tối ưudữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các thiết bị và cảm biến được kết nối Sựphức tạp này thể hiện trong bảy lĩnh vực chính của việc sử dụng dữ liệu:
Bảo mật dữ liệu Khối lượng dữ liệu Đa dạng dữ liệu Tốc độ dữ liệu Phân tích dữ liệu Kinh tế học dữ liệu Hậu cần dữ liệu
Cho phép hệ sinh thái IoT mở
Hệ sinh thái mở và sự hợp tác xuyên dọc, chuỗi giá trị chéo là rất quan trọng trongIoT bởi vì phần lớn sự đổi mới và giá trị được đề xuất là do “kết hợp” (ví dụ: tích hợp)dữ liệu từ các nguồn khác nhau, từ dữ liệu máy móc và cảm biến được kết nối, phươngtiện truyền thông xã hội và hệ thống ERP / CRM truyền thống để mở cơ sở dữ liệu củachính phủ.
Giả sử các mối quan tâm về bảo mật, quyền riêng tư và khuyến khích được giảiquyết, hệ sinh thái mở cho phép chia sẻ dữ liệu giữa các nhà phát triển / triển khai chính(đã triển khai các máy và cảm biến được kết nối và sở hữu dữ liệu kết quả) và các nhàphát triển / triển khai thứ cấp (bên thứ ba sử dụng lại dữ liệu từ chính nhà phát triển /người triển khai vào các ứng dụng mới).
Các nhà cung cấp được hưởng lợi nhiều hơn nữa khi tham gia vào một hệ sinh tháimở, thành công bằng cách tận hưởng một thị trường tiềm năng lớn hơn có thể giải quyếtđược so với những gì họ có thể có khi cố gắng tự cung cấp giải pháp tích hợp theo chiềudọc.
4.2.5.2 IoT platforms là một giải pháp quan trọng
Không có bất kỳ bản sửa lỗi nhanh nào cho những thách thức mà thị trường IoT phảiđối mặt Chắc chắn, ít công ty có thể ảnh hưởng đáng kể đến các sáng kiến quy địnhchính Tuy nhiên, các IoT Platform là một công cụ chính để cải thiện và khắc phục nhữngthách thức được mô tả trong bài viết này Chính xác thì “IoT Platform” là gì? Đây là mộtcâu hỏi phức tạp do sự mơ hồ về cách sử dụng đa dạng của thuật ngữ này bởi vô số ngườichơi trong thị trường IoT.
Trang 25IHS định nghĩa IoT Platform là “các gói phần mềm dựa trên đám mây và dựa trêntiền đề và các dịch vụ liên quan cho phép và hỗ trợ các dịch vụ IoT tinh vi” Trong mộtsố trường hợp, các IoT Platform cho phép các nhà phát triển ứng dụng hợp lý hóa và tựđộng hóa các tính năng phổ biến mà nếu không sẽ đòi hỏi thêm thời gian, công sức và chiphí đáng kể Trong các trường hợp khác, IoT Platform cho phép doanh nghiệp quản lýhàng nghìn, hàng triệu, thậm chí hàng tỷ thiết bị và kết nối trên nhiều công nghệ và giaothức Cuối cùng, trong một số trường hợp, phần mềm IoT cho phép các nhà phát triển kếthợp dữ liệu thiết bị và kết nối với dữ liệu ERP và khách hàng cụ thể của doanh nghiệpcũng như dữ liệu từ các nguồn của bên thứ ba như dữ liệu xã hội và thời tiết để tạo ra cácứng dụng IoT có giá trị hơn.
Bằng cách phân tích hàng chục nhà cung cấp thông qua các phương pháp nghiên cứusơ cấp và thứ cấp, IHS đã phát triển phân loại các chức năng liên quan đến phần mềmbao gồm những gì IHS coi là toàn bộ IoT Platform Ở cấp độ cao nhất, phân tích này chothấy rằng một nền tảng phần mềm IoT sẽ kết hợp một số sự kết hợp của năm lĩnh vựcchức năng sau đây Mỗi điều này phải được giải quyết để phát triển, trên tàu, vận hành vàquản lý một ứng dụng IoT:
Các dịch vụ trung tâm dữ liệu / đám mây hiện là một yếu tố quan trọng trongviệc cung cấp dịch vụ ICT nói chung khi ngày càng có nhiều tổ chức dựa vàotài nguyên lưu trữ dữ liệu và máy tính được lưu trữ Amazon Web Services,Google và Microsoft là một trong những nhà cung cấp dịch vụ điện toán đámmây lớn nhất trên toàn cầu Điện toán đám mây là bắt buộc đối với các ứngdụng IoT.
Quản lý dữ liệu tập trung vào việc quản lý các luồng dữ liệu giữa các ứngdụng và từ góc độ không gian địa lý Một khía cạnh quan trọng của điều nàyliên quan đến IoT là “kết hợp” dữ liệu từ máy móc và cảm biến với dữ liệu từcác hệ thống CRM / ERP truyền thống, cơ sở dữ liệu mở của chính phủ vàphương tiện truyền thông xã hội.
Hỗ trợ ứng dụng đòi hỏi các công cụ hỗ trợ các nhà phát triển và triển khaiIoT trong việc tạo mẫu, xây dựng, tích hợp và quản lý các ứng dụng IoT mộtcách nhanh chóng và hiệu quả Các nền tảng hỗ trợ ứng dụng (AEP) thườngđược cung cấp trên cơ sở độc lập ngoài việc là một phần của IoT Platform lớnhơn Về cơ bản, chúng cung cấp logic kinh doanh, chẳng hạn như khả năngxác định các quy tắc và cảnh báo, vốn phổ biến đối với hầu hết các ứng dụngIoT, cho phép nhà phát triển tập trung vào các khía cạnh khác biệt của ứngdụng duy nhất trên thị trường.
Quản lý kết nối được áp dụng đặc biệt trong bối cảnh các dịch vụ kết nối diđộng được xếp hạng, nhưng cũng cần thiết trong bối cảnh các mạng riêng,