Tiểu luận các vấn Đề hiện Đại của kỹ thuật máy tính Đề tài tiểu luận nghiên cứu về kiến trúc iot

• Đánh Giá Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển: Xác định lĩnh vực ứng dụng của IoT và dự đoán tiềm năng phát triển trong tương lai, nhấn mạnh vào những đóng góp tích cực của kiến trúc IoT..

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TIỂU LUẬN Các vấn đề hiện đại của Kỹ thuật máy tính

Đề tài tiểu luận : Nghiên cứu về kiến trúc IOT

Giảng viên đánh giá : TS Hoàng Gia Hưng

Sinh viên : Hà Quang Phong

Mã sinh viên :20020701 Lớp : K65-K

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em rất cảm kích và viết biết ơn Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN đã đưa môn học “Các vấn đề hiện đại của ngành Kỹ thuật máy tính” vào chương trình giảng dạy.Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn đến thầy Hoàng Gia Hưng đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian qua, cảm ơn thầy đã kết nối với các doanh nghiệp để chúng em có những trải nhiệm về môi trường làm việc Trong thời gian tham gia lớp học, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức gắn liến với thực tế, nó là hành trang quan trọng cho chúng em khi làm việc Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những điều mà các thầy

đã dành cho sinh viên

Với những kiến thức được học em viết bài tiều luận này để tổng hợp các kiến thức em đã tiếp thu được, em rất mong được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy

để giúp bài tiểu luận của em thêm hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu 6

1.1 Đặt vấn đề: 6

1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu: 6

Chương 2 : kiến trúc chung của IOT 7

2.1 Giới Thiệu về Cơ Bản về Kiến Trúc IoT: 7

2.2 Các Thành Phần Cơ Bản của Kiến Trúc IoT: 7

2.2.1 Thiết Bị (Devices): 7

2.2.2 Cảm Biến (Sensors): 7

2.2.3 Mạng Truyền Thông (Communication Network): 8

2.2.4 Hệ Thống Điều Khiển (Control System): 8

Chương 3: Giao Thức và Mô Hình Liên Kết trong Kiến Trúc IoT 9

3.1 Giao Thức Truyền Thông: 9

3.1.1 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): .9

3.1.2 CoAP (Constrained Application Protocol): 9

3.2 Mô Hình Liên Kết: 10

3.2.1 Mô Hình Liên Kết Trung Tâm: 10

3.2.2 Mô Hình Liên Kết Phân Tán: 10

3.3 Ảnh Hưởng của Giao Thức và Mô Hình Liên Kết: 10

Mục 4: An Ninh trong Kiến Trúc IoT 10

4.1 Thách Thức An Ninh trong IoT: 10

4.1.1 Sự Đa Dạng của Thiết Bị: 10

4.1.2 Quy Mô Lớn: 10

4.2 Biện Pháp An Ninh: 11

4.2.1 Mã Hóa Dữ Liệu: 11

4.2.2 Xác Thực Hai Yếu Tố: 11

4.2.3 Firewalls và Intrusion Detection Systems (IDS): 11

4.3 Quản Lý Danh Tính: 11

4.3.1 Quản Lý Danh Tính (IAM): 11

4.3.2 Mạng Riêng Ảo (VPN): 11

4.4 Ảnh Hưởng của Biện Pháp An Ninh: 11

Chương 5 : Quản lý dữ liệu trong môi trường IOT 12

5.1 Quá Trình Thu Thập Dữ Liệu: 12

5.1.1 Các Loại Dữ Liệu: 12

5.1.2 Môi Trường Thu Thập: 12

5.2 Xử Lý Dữ Liệu: 13

5.2.1 Edge Computing: 13

5.2.2 Fog Computing: 13

5.3 Lưu Trữ Dữ Liệu: 13

5.3.1 Hệ Thống Lưu Trữ: 13

5.3.2 Quản Lý Dữ Liệu: 13

5.4 Ảnh Hưởng của Quản Lý Dữ Liệu: 13

5.5 Chiến lược Quản Lý Dữ Liệu: 13

5.5.1 Mã Hóa Dữ Liệu: 14

5.5.2 Xác Thực và Ủy Quyền: 14

5.5.3 Quản Lý Được Bảo Mật: 14

5.6 Tiềm Năng Phát Triển của Quản Lý Dữ Liệu trong IoT: 14

Chương 6: Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển của Kiến Trúc IoT 14

6.1 Lĩnh Vực Ứng Dụng của IoT: 15

6.1.1 Y Tế: 15

6.1.2 Công Nghiệp: 15

6.1.3 Thành Phố Thông Minh: 15

6.2 Tiềm Năng Phát Triển của IoT: 15

6.2.1 Tương Tác Hệ Thống: 16

6.2.2 Phát Triển Công Nghệ: 16

6.2.3 An Ninh và Quản Lý Dữ Liệu: 16

6.3 Ảnh Hưởng của Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển: 16

Chương 7: Nhận Định và Tương Lai của Kiến Trúc IoT 17

7.1 Nhận Định Hiện Tại: 17

7.1.1 Tính Thịnh Hành của IoT: 17

7.1.2 Thách Thức An Ninh: 17

7.2 Xu Hướng Tương Lai: 18

7.2.1 Tích Hợp AI và Học Máy: 18

7.2.2 Mạng 5G: 18

7.2.3 Mô Hình Liên Kết Phân Tán: 18

7.3.1 Tiềm Năng Phát Triển Của IoT: 18

7.3.2 Thách Thức An Ninh và Quản Lý Dữ Liệu: 18

Chương 8: Đề Xuất Nghiên Cứu và Phát Triển trong Lĩnh Vực IoT 19

8.1 Hướng Nghiên Cứu: 19

8.1.1 Tối Ưu Hóa Tiêu Chuẩn Giao Thức: 19

8.1.2 Phương Pháp An Ninh Mới: 19

8.2 Nghiên Cứu Về Quản Lý Dữ Liệu: 19

8.2.1 Hệ Thống Quản Lý Dữ Liệu Thông Minh: 19

8.2.2 Tích Hợp Blockchain: 20

8.3 Phát Triển Ứng Dụng Thực Tế: 20

8.3.1 Y Tế Thông Minh: 20

8.3.2 Nông Nghiệp Công Nghệ Cao: 20

8.4 Hướng Phát Triển Tương Lai: 20

8.4.1 Tăng Cường Tích Hợp AI: 20

8.4.2 Phát Triển Công Nghệ Mạng: 20

9.Kết Luân 20

10 Tài liệu nghiên cứu tham khảo 21

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

1.1 Đặt vấn đề:

Trong thời đại ngày nay, sự bùng nổ của Internet of Things (IoT) đã mở ra một loạt các cơ hội và thách thức trong việc kết nối và tương tác giữa các thiết bị thông minh Đối với mọi lĩnh vực từ y tế, công nghiệp, đến cuộc sống hàng ngày, IoT không chỉ mang lại tiện ích mà còn đặt ra những thách thức đáng kể về an ninh, quản lý dữ liệu, và hiệu suất hệ thống Việc hiểu rõ và nghiên cứu về kiến trúc của IoT trở nên cực kỳ quan trọng để phát triển và triển khai hiệu quả các ứng dụng IoT

1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu:

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là:

• Nắm bắt Kiến Trúc Cơ Bản của IoT: Hiểu rõ cấu trúc và các thành phần chính của kiến trúc IoT bao gồm thiết bị, cảm biến, mạng truyền thông, và

hệ thống điều khiển

• Phân tích Giao thức và Mô hình Liên kết: Đánh giá sự ảnh hưởng của các giao thức như MQTT, CoAP và mô hình liên kết như Mô hình liên kết trung tâm và Liên kết phân tán đối với hoạt động của hệ thống IoT

• Tìm Hiểu về An Ninh trong IoT: Nghiên cứu các thách thức an ninh và bảo mật trong kiến trúc IoT và đề xuất các biện pháp bảo vệ như mã hóa, xác thực, và quản lý danh tính

• Quản lý Dữ liệu trong Môi Trường IoT: Phân tích quá trình thu thập, xử lý,

và lưu trữ dữ liệu trong môi trường IoT và tìm kiếm các chiến lược quản lý

dữ liệu hiệu quả

• Đánh Giá Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển: Xác định lĩnh vực ứng dụng của IoT và dự đoán tiềm năng phát triển trong tương lai, nhấn mạnh vào những đóng góp tích cực của kiến trúc IoT

❖ Bằng cách này, nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc và toàn diện về kiến trúc IoT, từ đó đóng góp vào việc tối ưu hóa triển khai và phát triển của các

hệ thống IoT hiện đại

Chương 2 : kiến trúc chung của IOT

2.1 Giới Thiệu về Cơ Bản về Kiến Trúc IoT:

Trong thế giới ngày nay, Internet of Things (IoT) đóng vai trò quan trọng như một

hệ thống kết nối thông tin từ hàng tỷ thiết bị, tạo ra một môi trường kỹ thuật số đa dạng và phức tạp Kiến trúc IoT không chỉ đơn giản là sự kết hợp của các thiết bị thông minh mà còn là một hệ sinh thái tổng hợp đầy đủ các thành phần quan trọng

để thu thập, xử lý và chia sẻ dữ liệu

2.2 Các Thành Phần Cơ Bản của Kiến Trúc IoT:

2.2.1 Thiết Bị (Devices):

Thiết bị IoT là những đối tượng thông minh được trang bị cảm biến và có khả năng kết nối mạng Chúng là những "nút" cơ bản trong mạng IoT, thu thập và truyền dữ liệu

2.2.2 Cảm Biến (Sensors):

Cảm biến chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh Các loại cảm biến khác nhau như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, và cảm

biến chuyển động đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin chi tiết

2.2.3 Mạng Truyền Thông (Communication Network):

Mạng truyền thông là một hạ tầng quan trọng, cho phép thiết bị IoT giao tiếp với nhau và với các hệ thống trung tâm Các giao thức truyền thông như MQTT, CoAP đảm bảo truyền dữ liệu một cách hiệu quả

2.2.4 Hệ Thống Điều Khiển (Control System):

• Hệ thống điều khiển quản lý và điều phối hoạt động của các thiết bị IoT Nó đảm bảo rằng dữ liệu được xử lý đúng cách và các hành động được thực hiện theo đúng quy trình

• Qua việc hiểu rõ về những thành phần cơ bản này, chúng ta có thể thấy rằng kiến trúc IoT không chỉ là sự kết hợp của các thiết bị, mà còn là một hệ

thống tổng thể, linh hoạt và mạnh mẽ, giúp thúc đẩy sự phát triển của môi trường số thông minh và tiện ích

• Chính sự tương tác phức tạp giữa những thành phần này tạo ra một hệ thống mạnh mẽ và đa chiều, làm nền tảng cho sự phát triển và triển khai các ứng dụng thông minh, từ nhà thông minh đến thành phố thông minh Điều này thúc đẩy sự hình thành của một môi trường số, đóng góp vào việc tiến bộ của xã hội thông tin

 Chính sự tương tác phức tạp giữa những thành phần này tạo ra một hệ thống mạnh mẽ và đa chiều, làm nền tảng cho sự phát triển và triển khai các ứng dụng thông minh, từ nhà thông minh đến thành phố thông minh Điều này thúc đẩy sự hình thành của một môi trường số, đóng góp vào việc tiến bộ của xã hội thông tin

Chương 3: Giao Thức và Mô Hình Liên Kết trong Kiến Trúc IoT

3.1 Giao Thức Truyền Thông:

3.1.1 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):

MQTT là một giao thức truyền thông nhẹ, mà hệ thống IoT thường sử dụng

để truyền tải thông tin giữa các thiết bị Nó giúp giảm thiểu băng thông và tiêu tốn năng lượng, làm cho việc truyền dữ liệu hiệu quả trong môi trường

có nhiều thiết bị đa dạng

3.1.2 CoAP (Constrained Application Protocol):

CoAP là một giao thức mạnh mẽ dành cho thiết bị có tài nguyên hạn chế và hoạt động trong môi trường mạng không ổn định Với cấu trúc đơn giản và khả năng mở rộng, CoAP là lựa chọn phổ biến cho việc giao tiếp trong các mạng IoT

3.2 Mô Hình Liên Kết:

3.2.1 Mô Hình Liên Kết Trung Tâm:

Mô hình liên kết trung tâm tập trung dữ liệu và quyết định ở một điểm trung tâm Điều này giúp quản lý dữ liệu và điều khiển thiết bị một cách hiệu quả, nhưng có thể tạo ra một điểm yếu nếu điểm trung tâm bị lỗi

3.2.2 Mô Hình Liên Kết Phân Tán:

Mô hình liên kết phân tán phân phối quyết định và xử lý dữ liệu trên nhiều thiết bị Điều này tăng tính linh hoạt và giảm áp lực cho một điểm trung tâm duy nhất Tuy nhiên, nó đòi hỏi sự đồng bộ giữa các thiết bị để đảm bảo tính nhất quán

3.3 Ảnh Hưởng của Giao Thức và Mô Hình Liên Kết:

• Sự lựa chọn giữa các giao thức và mô hình liên kết có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống IoT

• MQTT thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi truyền thông thường xuyên và có yêu cầu độ trễ thấp

• CoAP thích hợp cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế và yêu cầu môi

trường truyền thông linh hoạt

• Mô hình liên kết trung tâm thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi quản lý tập trung, trong khi mô hình liên kết phân tán phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu linh hoạt và phân phối

Mục 4: An Ninh trong Kiến Trúc IoT

4.1 Thách Thức An Ninh trong IoT:

4.1.1 Sự Đa Dạng của Thiết Bị:

Đa dạng về loại thiết bị và các hệ sinh thái trong IoT tạo ra thách thức trong việc triển khai mô hình an ninh đồng nhất và hiệu quả

4.1.2 Quy Mô Lớn:

Số lượng lớn các thiết bị kết nối trong môi trường IoT tăng cường nguy cơ tấn công và đòi hỏi hệ thống an ninh mạnh mẽ

4.2.3 Firewalls và Intrusion Detection Systems (IDS):

Triển khai firewalls và hệ thống phát hiện xâm nhập để ngăn chặn và cảnh báo về những hoạt động đáng ngờ

4.3 Quản Lý Danh Tính:

4.3.1 Quản Lý Danh Tính (IAM):

Thiết lập quản lý danh tính giúp xác định, xác thực và quản lý quyền truy cập của người dùng và thiết bị

4.3.2 Mạng Riêng Ảo (VPN):

Sử dụng VPN giúp tăng cường tính bảo mật khi dữ liệu được truyền qua mạng công cộng

4.4 Ảnh Hưởng của Biện Pháp An Ninh:

• Các biện pháp an ninh này giúp bảo vệ hệ thống IoT khỏi các mối đe dọa như xâm nhập, lừa đảo và lọc thông tin không mong muốn

• Mã hóa, xác thực hai yếu tố và quản lý danh tính đảm bảo rằng dữ liệu chỉ

có sẵn cho những người được ủy quyền

• Firewalls và hệ thống phát hiện xâm nhập giúp ngăn chặn và cảnh báo về các hoạt động đáng ngờ, bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa mạng

• Sự kết hợp của các biện pháp này tạo nên một mô hình an ninh toàn diện, tăng cường tính ổn định và tin cậy của kiến trúc IoT

Chương 5 : Quản lý dữ liệu trong môi trường IOT

5.1 Quá Trình Thu Thập Dữ Liệu:

5.1.1 Các Loại Dữ Liệu:

Dữ liệu trong môi trường IoT đa dạng, bao gồm thông tin từ cảm biến (nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng) và các dữ liệu hành vi từ thiết bị (thời gian sử dụng, tần suất

kết nối)

5.1.2 Môi Trường Thu Thập:

Quá trình thu thập dữ liệu xảy ra ở nhiều địa điểm khác nhau, từ cấp độ thiết

bị đến các nút mạng trung gian và cuối cùng là hệ thống trung tâm Điều này đòi

hỏi sự linh hoạt trong việc quản lý và đồng bộ hóa dữ liệu

5.4 Ảnh Hưởng của Quản Lý Dữ Liệu:

Quản lý dữ liệu trong môi trường IoT không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn đảm bảo rằng dữ liệu được sử dụng một cách hiệu quả và bảo vệ an toàn Sự tích hợp của edge computing và fog computing giúp giảm độ trễ và tăng cường khả năng xử lý, đặt ra nền tảng cho ứng dụng IoT linh hoạt và đáng tin cậy

5.5 Chiến lược Quản Lý Dữ Liệu:

5.5.3 Quản Lý Được Bảo Mật:

Hệ thống quản lý dữ liệu cần có các tính năng bảo mật như theo dõi và ghi nhật ký (logging), để có khả năng theo dõi và xác định những hoạt động không mong muốn

5.6 Tiềm Năng Phát Triển của Quản Lý Dữ Liệu trong IoT:

Quản lý dữ liệu trong môi trường IoT đang phát triển theo hướng tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy để tự động hóa quy trình quyết định và dự đoán xu hướng Điều này có thể tăng cường khả năng dự đoán và cung cấp giải pháp tự động trong các ứng dụng IoT

Chương 6: Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển của Kiến Trúc IoT

IoT chơi một vai trò quan trọng trong việc phát triển thành phố thông minh,

từ quản lý giao thông đến quản lý năng lượng và dịch vụ công cộng

6.2 Tiềm Năng Phát Triển của IoT:

6.2.1 Tương Tác Hệ Thống:

Tiềm năng phát triển của IoT nằm ở khả năng tương tác mạnh mẽ giữa các

hệ thống, từ đó tạo ra môi trường số mạnh mẽ và linh hoạt

6.2.2 Phát Triển Công Nghệ:

Sự phát triển liên tục của công nghệ như trí tuệ nhân tạo, học máy và mạng 5G sẽ làm tăng cường khả năng và hiệu suất của các hệ thống IoT

6.2.3 An Ninh và Quản Lý Dữ Liệu:

Tiềm năng phát triển còn liên quan đến việc ngày càng hoàn thiện an ninh và quản lý dữ liệu trong môi trường IoT, đảm bảo tính bảo mật và tuân thủ

6.3 Ảnh Hưởng của Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển:

• Việc triển khai IoT trong các lĩnh vực ứng dụng không chỉ tạo ra những tiện ích lớn mà còn mở ra những tiềm năng phát triển không ngừng

• Sự tương tác giữa các hệ thống thông qua IoT mang lại sự linh hoạt và khả năng đổi mới

• Sự phát triển của công nghệ và sự tiếp cận thông minh hóa càng mở rộng khả năng và tính ứng dụng của kiến trúc IoT

❖ Kết Luận:

Kiến trúc IoT không chỉ đóng vai trò là nền tảng cho các ứng dụng hiện tại

mà còn là động lực đằng sau sự phát triển không ngừng của công nghệ và xã hội Việc hiểu rõ về các thành phần, giao thức, và ứng dụng của kiến trúc IoT sẽ giúp chúng ta khám phá và khai thác được toàn bộ tiềm năng mà nó mang lại

Chương 7: Nhận Định và Tương Lai của Kiến Trúc IoT

7.1 Nhận Định Hiện Tại:

7.1.1 Tính Thịnh Hành của IoT:

Hiện nay, IoT đang trở thành một trong những xu hướng chính trong lĩnh vực công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Sự kết nối thông minh giữa các thiết bị đang thay đổi cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh

7.1.2 Thách Thức An Ninh:

Mặc dù IoT mang lại nhiều lợi ích, nhưng thách thức về an ninh vẫn là một điểm đáng quan ngại Các vấn đề liên quan đến bảo mật dữ liệu và quản lý danh tính đòi hỏi sự chú ý và nghiên cứu tiếp tục