Tài liệu Nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật thông tin cho các thiết bị iot và ứng dụng

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ ANH DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP BẢO MẬT THÔNG TIN CHO CÁC THIẾT BỊ IOT VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của cá nhân dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Văn Tảo. Trong toàn bộ nội dung luận văn, nội dung được trình bày là của cá nhân hoặc tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau. Tất cả các tài liệu tham khảo đó đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, tháng 05 năm 2019 Tác giả Vũ Anh Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Văn Tảo - người thầy, người đã hướng dẫn khoa học, định hướng và nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn. Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông; Viện công nghệ thông tin thuộc Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong thời gian học tập. Xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp, ban cán sự và các học viên lớp cao học CK16H, những người thân trong gia đình đã động viên, chia sẻ, tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Thái Nguyên, tháng năm 2019 Tác giả Vũ Anh Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. iii MỤC LỤC .................................................................................................................... iv DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................vii MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IoT ........................................................................... 1 1.1. Định nghĩa về IoT .............................................................................................. 1 1.2. Kiến trúc IoT ...................................................................................................... 2 1.2.1. Application Layer........................................................................................ 3 1.2.2. Service support and application support layer ............................................ 3 1.2.3. Network layer .............................................................................................. 3 1.2.4. Device layer ................................................................................................ 4 1.3. Các mô hình truyền thông IoT ........................................................................... 4 1.3.1. Mô hình truyền thông thiết bị với thiết bị ................................................... 4 1.3.2. Mô hình truyền thông thiết bị với đám mây ............................................... 5 1.3.3. Mô hình truyền thông thiết bị với cổng giao tiếp ....................................... 6 1.3.4. Mô hình chia sẻ dữ liệu đầu cuối ................................................................ 6 1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 7 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KẾT NỐI IoT ....................................................................... 8 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình kết nối IoT .................................................................. 8 2.2. Phân lớp thiết bị IoT và ứng dụng...................................................................... 9 2.2.1. Phân lớp thiết bị IoT.................................................................................... 9 2.2.2. Ứng dụng của IoT ..................................................................................... 10 2.3. Kỹ thuật bảo mật trong IoT [5] ........................................................................ 11 2.3.1. Kỹ thuật mã hóa ........................................................................................ 12 2.3.2. Thuật toán mã hóa nhẹ tiêu chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard - AES) ............................................................................... 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v 2.3.3. Mô hình ứng dụng mã khối ....................................................................... 22 2.4. Tầm quan trọng của bảo mật IoTs. .................................................................. 25 2.5. Nguy cơ hệ thống và các hình thức tấn công ................................................... 26 2.5.1. Nguy cơ hệ thống ...................................................................................... 26 2.5.2. Các hình thức tấn công mạng [6]. ............................................................. 27 2.6. Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 32 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP BẢO MẬT ...................... 33 3.1. Giới thiệu mô hình bảo mật.............................................................................. 33 3.1.1. Mô hình chức năng.................................................................................... 33 3.2. Triển khai xây dựng giải pháp bảo mật thông tin các thiết bị IoT ................... 34 3.2.1. Bảo mật lớp vật lý ..................................................................................... 35 3.2.2. Bảo mật định tuyến IoT [11] ..................................................................... 36 3.2.3. Bảo mật lớp ứng dụng ............................................................................... 37 3.3. Triển khai bảo mật cho ngôi nhà thông minh .................................................. 40 3.3.1. Mô tả bài toán............................................................................................ 40 3.3.2. Giải quyết bài toán .................................................................................... 41 3.3.3. Mã hóa đầu cuối ........................................................................................ 42 3.3.4. Tạo khóa .................................................................................................... 42 3.3.5. Mô hình mã hóa ........................................................................................ 42 3.3.6. Môi trường và dữ liệu thực nghiệm .......................................................... 44 3.3.7. Thiết lập phần cứng ................................................................................... 45 3.3.8. Lưu đồ thuật toán ...................................................................................... 51 3.3.9. Kịch bản thực nghiệm ............................................................................... 56 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 60 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC VIẾT TẮT IoT Internet of Thinhs AES Advanced Encryption Standard RC4 Rivest Cipher 4 ECC Error Correcting Code ECB Electronic Codebook CBC Cipher Block Chaining DNS Domain Name System LLN Low-power and Lossy Network TCP Transmission Control Protocol ACK Acknowledgement OSI Open Systems Interconnection Reference Model PSTN Public Switched Telephone Network DSL Digital Subcriber Line LTE Long Term Evolution Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Kiến trúc IoT .................................................................................................3 Hình 1.2. Mô hình truyền thông thiết bị với thiết bị .....................................................5 Hình 1.3. Mô hình truyền thông thiết bị với đám mây .................................................5 Hình 1.4. Mô hình truyền thông thiết bị với cổng giao tiếp .........................................6 Hình 1.5. Mô hình chia sẻ dữ liệu đầu cuối ..................................................................6 Hình 2.1. Mô hình kết nối chung cho IoT .....................................................................8 Hình 2.2. Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ [3] .............................................9 Hình 2.3. Mã hóa đối xứng .........................................................................................13 Hình 2.4. Mã hóa bất đối xứng ...................................................................................15 Hình 2.5. Sơ đồ tổng quát quá trình mã hóa và giải mã ..............................................19 Hình 2.6. Hàm AddRoundKey ....................................................................................19 Hình 2.7. Hàm SubBytes ............................................................................................. 20 Hình 2.8. ShiftRows ....................................................................................................20 Hình 2.9. Hàm MixColumns .......................................................................................21 Hình 2.10. Mô hình ECBcuar mã khối .......................................................................22 Hình 2.11. Mã hóa ECB không che dấu hết thông tin [14] ........................................23 Hình 2.12. Mô hình CBC của mã khối .......................................................................24 Hình 2.13. Bức ảnh sau khi mã hóa dùng mô hình CBC [14] ....................................25 Hình 2.14. kỹ thuật đánh lừa .......................................................................................29 Hình 2.15. Tấn công DdoS ..........................................................................................30 Hình 2.16. Tấn công chuyển tiếp lựa chọn .................................................................31 Hình 2.17. Tấn công Wormhole ..................................................................................31 Hình 3.1. Sơ đồ khối chức năng ..................................................................................33 Hình 3.2. Kiến trúc ba lớp của mô hình IoT cơ bản ...................................................34 Hình 3.3. Xác thực và mã hóa dữ liệu .........................................................................35 Hình 3.4. Cấu trúc trường bảo mật trong RPL ............................................................ 37 Hình 3.5. Truyền thông lớp ứng dụng IoT với bảo mật MQTT .................................38 Hình 3.6. Truyền thông lớp ứng dụng IoT với bảo mật CoAP ...................................39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii Hình 3.7. Mô hình hoạt động của hệ thống .................................................................41 Hình 3.8. Mô hình mã hóa ..........................................................................................43 Hình 3.9. Quá trình thực hiện......................................................................................44 Hình 3.10. Sơ đồ khối phần cứng của hệ thống ..........................................................45 Hình 3.11. Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn ............................................................ 46 Hình 3.12. Sơ đồ mạch nguyên lý bàn phím ............................................................... 46 Hình 3.13 Sơ đồ mạch nguyên lý Module Sim ...........................................................47 Hình 3.14. Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến rung .......................................................47 Hình 3.15. Mạch nguyên lý khối hiển thị ...................................................................48 Hình 3.16 Sơ đồ mạch nguyên lý cơ cấu chấp hành ...................................................48 Hình 3.17. Sơ đồ mạch nguyên lý khối cảnh báo .......................................................49 Hình 3.18. Sơ đồ mạch nguyên lý Node MCU ...........................................................49 Hình 3.19. Sơ đồ mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm .............................................50 Hình 3.20. Sơ đồ nguyên lý của toàn hệ thống ...........................................................50 Hình 3.21. Lưu đồ thuật toán chương trình nhúng của phần cứng ............................. 52 Hình 3.22. Lưu đồ thuật toán gửi dữ liệu mã hóa lên Server ......................................53 Hình 3.23. Lưu đồ thuật toán mã hóa nhẹ AES ..........................................................54 Hình 3.24. Lưu đồ thuật toán giải mã nhẹ AES ..........................................................54 Hình 3.25. Hiển thị dữ liệu lên giao diện Web ...........................................................55 Hình 3.26. Hệ thống vô hiệu hóa trong 20s và còi kêu cảnh báo ............................... 56 Hình 3.27. Tin nhắn gửi tới người dùng khi nhập sai mật khẩu quá 03 lần ...............56 Hình 3.28. Nhập mã xác nhận nếu đúng là người dùng ..............................................57 Hình 3.29. Mã xác nhận được gửi từ hệ thống ...........................................................57 Hình 3.30. Tin nhắn cảnh báo từ hệ thống ..................................................................58 Hình 3.31. Trạng thái két khóa trên giao diện Web ....................................................59 Hình 3.32. Trạng thái két mở trên giao diện Web ......................................................59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Mô hình Internet of Things (IoT) đã trở nên phổ biến rất lớn trong những năm gần đây. Thiết bị IoT được trang bị là các cảm biến hoặc thiết bị truyền động [1] [2]. Các thiết bị IoT bao gồm máy tính cá nhân, máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại thông minh, PDA, thiết bị gia dụng thông minh và các thiết bị cầm tay khác [11 13]. Sự ra đời và phát triển theo cấp số nhân của các thiết bị kết nối Internet đã và đang làm thay đổi thế giới. Những vật dụng hàng ngày như xe hơi, tủ lạnh, thiết bị cảm biến nhiệt độ… đã có thể hoạt động như chiếc điện thoại thông minh. Các thiết bị IoT như vậy có khả năng tự động hóa và đơn giản hóa nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hàng ngày của con người. Chẳng hạn, với một ngôi nhà thông minh, người ta có thể điều chỉnh nhiệt độ ngôi nhà, bật/tắt bóng đèn từ xa; một chiếc xe hơi thông minh sẽ đưa con người tới nơi cần đến; những ứng dụng thông minh sẽ lên lịch trình đồ ăn trong tủ lạnh để đảm bảo luôn cung cấp đủ cho người dùng. Trong nông nghiệp, ứng dụng của IoT là những bộ cảm biến đặt trong lòng đất để theo dõi nhiệt độ và các thông số vật lý, hóa học giúp canh tác vụ mùa hiệu quả hơn. Trong y tế, đó là những thiết bị theo dõi đường huyết, kiểm tra huyết áp, và phát hiện hydrat hóa... của con người. Theo dự báo của Gartner, năm 2017 trên toàn cầu sẽ có khoảng 8,4 tỷ thiết bị IoT, tăng 31% so với năm 2016. Trong đó, 67% thiết bị IoT sẽ tập trung ở 3 khu vực là Trung Quốc, Bắc Mỹ và Tây Âu. Ước tính đến năm 2020, số lượng thiết bị IoT được đưa vào sử dụng có thể lên tới trên 20 tỷ thiết bị. Với IoT, nhiều thiết bị được kết nối với nhau và kết nối với mạng Internet. Chính điều này tiềm ẩn những nguy cơ về an ninh, an toàn, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực sai, dữ liệu bị thay đổi hoặc làm giả. Do các thiết bị này đều có chủ sở hữu và người sử dụng nó, nên dữ liệu thu thập được từ các thiết bị có thể chứa thông tin cá nhân liên quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó, chẳng hạn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn x như thói quen, sở thích, hồ sơ sức khỏe…. Vì thế, tiềm ẩn nguy cơ lộ những thông tin riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý thông tin của các thiết bị IoT. Xuất phát từ lý do trên đề tài “Nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật thông tin cho các thiết bị IoT ứng dụng” làm luận văn nghiên cứu. Luận văn tập trung tìm hiểu cấu trúc hệ thống IoT, các giải pháp bảo mật cho thiết bị IoT, các công cụ hỗ trợ bảo mật cho thiết bị IoT và tập trung nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật cho các thiết bị IoT trong gia đình (SmartHome) hoặc mô hình nông nghiệp thông minh. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - Kiến trúc hệ thống IoT; - Các giải pháp bảo mật cho thiết bị IoT; - Các công cụ hỗ trợ bảo mật cho thiết bị IoT. + Phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu bảo mật cho thiết bị IoT trong gia đình (SmartHome) hoặc trong mô hình nông nghiệp thông minh; - Nghiên cứu các mô hình kết nối IoT trong gia đình hoặc mô hình nông nghiệp thông minh. 3. Hướng nghiên cứu của đề tài Hướng nghiên cứu chính của đề tài là nghiên cứu các vấn đề lý thuyết liên quan như cấu trúc IoT, mô hình IoT, các giải pháp bảo mật thông tin trong IoT; trên cơ sở nội dung trên đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật cho các thiết bị IoT và ứng dụng thử nghiệm trong mô hình nhà thông minh hoặc mô hình nông nghiệp thông minh 4. Cấu trúc của luận văn Cấu trúc của luận văn gồm các phần chính như sau: Mở đầu: Trình bày tính cần thiết của đề tài, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài, hướng nghiên cứu và bố cục của luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xi Chương 1: Tổng quan về IoT Chương 2: Mô hình kết nối IoT Chương 3: Thiết kế và triển khai giải pháp bảo mật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IoT 1.1. Định nghĩa về IoT Thiết bị (device): Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống với chức năng bắt buộc là truyền thông và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thực thi,thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu. Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn virtual) dựa trên sự t n tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông. Things: Đối với Internet Of Things, “Thing” là một đối tượng của thế giới vật chất (physical things) hay thế giới thông tin ảo(virtual things). “Things” có khả năng được nhận diện, và “Things” có thể được tích hợp vào trong mạng lưới thông tin liên lạc [10]. Những năm trở lại đây, thế giới đã không còn xa lạ với một xu hướng công nghệ được gọi là Internet of things (IoT). Có rất nhiều định nghĩa, khái niệm về IoT, tuy nhiên vẫn chưa có một khái niệm về IoT được chấp nhận rộng rãi. Cụm từ “Internet of things” được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999, tiếp sau đó nó cũng được dung nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích. Họ cho rằng IoT là một hệ thống phức tạp, bởi nó là một lượng lớn các đường liên kết giữa máy móc, thiết bị và dịch vụ với nhau. Ban đầu, IoT không mang ý nghĩa tự động và thông minh. Về sau, người ta đã nghĩ đến khả năng kết hợp giữa hai khái niệm IoT - Autonomous control lại với nhau. Nó có thể quan sát sự thay đổi và phản hồi với môi trường xung quanh, cũng có thể tự điều khiển bản thân mà không cần kết nối mạng. Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dữ liệu điện tử của con người khi chúng ta tương tác với chúng. Xu hướng tất yếu trong tương lai, con người có thể giao tiếp với máy móc chỉ qua mạng internet không dây mà không cần thêm bất cứ hình thức trung gian nào khác [10]. Các định nghĩa về IoT từ một vài tổ chức tiêu biển: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2 + International Telecommunication Union (ITU-T): IoT là một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin, cho phép triển khai các dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối những vật thể (vật lý và ảo) dựa trên các thông tin hợp tác và công nghệ truyền thông sẵn có cũng như đang được phát triển. + Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): IoT là sự thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các trạm thuê bao với một máy chủ trong mạng lõi (thông qua một trạm cơ sở) mà không có sự tương tác của con người. + The European Telecomunication Standard Institute (ETSI): IoT là sự truyền thông giữa hai hay nhiều thực thể mà không nhất thiết cần đến sự can thiệp trực tiếp của con người. + Internet Engineering Task Force (IETF): IoT là một mạng toàn cầu kết nối các đối tượng với các địa chỉ riêng, dựa trên giao thức truyền thông tiêu chuẩn. + International Organisation for Standardisalion (ISO): IoT là một cơ sở hạ tầng dàng cho các vật thể, con người, hệ thống và các nguồn thông tin được kết nối với nhau, cùng với các dịch vụ thông minh cho phép chúng xử lý thông tin cũng như phản ứng về thế giới vật lý và thế giới ảo. + Internet Architecture Board (IAB): IoT cho thấy ở đó một lượng lớn thiết bị nhúng sử dụng dịch vụ thông tin liên lạc được cung cấp bởi các giao thức Internet. Hầu hết trong số đó được gọi là các đối tượng thông minh không được điều khiển trực tiếp bởi con người, nhưng chúng tồn tại như là thành phần trong các tòa nhà hoặc xe cộ hoặc ngoài môi trường 1.2. Kiến trúc IoT Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau [4]: + Application Layer (Lớp ứng dụng) Application Layer + Service support and application support layer (Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng) + Network Layer (Lớp mạng) + Device Layer (Lớp thiết bị) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3 Hình 1.1. Kiến trúc IoT 1.2.1. Application Layer Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương tác trực tiếp với người dùng để cung cấp một chức năng hay một dịch vụ cụ thể của một hệ thống IoT. 1.2.2. Service support and application support layer Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các ứng dụng IoT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu. Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IoT khác nhau sẽ có nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù. Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ thể riêng biệt là tính toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới nước hoặc bón phân. 1.2.3. Network layer Lớp Network có 2 chức năng [4]: + Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được ngu n tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 4 + Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc truyền thông tin của dịch vụ/ứng dụng IoT. 1.2.4. Device layer Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong hệ thống IOT. Device có thể phân thành hai loại như sau [4]: + Thiết bị thông thường: Device này sẽ tương tác trực tiếp với network: Các thiết bị có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp (nghĩa là không phải sử dụng gateway) và có thể trực tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ các network. Device này cũng có thể tương tác gián tiếp với network: Các thiết bị có thể thu thập và tải network gián tiếp thông qua khả năng gateway. Ngược lại, các thiết bị có thể gián tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ network. Trong thực tế, các Thiết bị thông thường bao g m các cảm biến, các phần cứng điều khiển motor, đèn,… + Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa device và network. Một Gateway hỗ trợ 2 chức năng sau: Có nhiều chuẩn giao tiếp: Vì các Things khác nhau có kiểu kết nối khác nhau, nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có dây đến không dây, chẳng hạn CAN bus, ZigBee, Bluetooth hoặc Wi-Fi. Tại Network layer, gateway có thể giao tiếp thông qua các công nghệ khác nhau như PSTN, mạng 2G và 3G, LTE, Ethernet hay DSL. Chức năng chuyển đổi giao thức: Chức năng này cần thiết trong hai tình huống là: (1) khi truyền thông ở lớp Device, nhiều device khác nhau sử dụng giao thức khác nhau, ví dụ, ZigBee với Bluetooth, và (2) là khi truyền thông giữa các Device và Network, device dùng giao thức khác, network dùng giao thức khác, ví dụ, device dùng ZigBee còn tầng network thì lại dùng công nghệ 3G. 1.3. Các mô hình truyền thông IoT 1.3.1. Mô hình truyền thông thiết bị với thiết bị Mô hình truyền thông thiết bị với thiết bị là mô hình bao gồm nhiều thiết bị End Device liên kết vào một thiết bị Router. Router là một nút có đầy đủ tính năng, gửi thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 5 Hình 1.2. Mô hình truyền thông thiết bị với thiết bị 1.3.2. Mô hình truyền thông thiết bị với đám mây Mô hình này sẽ gần giống với mô hình truyền thông thiết bị với thiết bị. Điểm khác ở đây là sẽ không cần gateway nữa. Các thiết bị sẽ trực tiếp kết nối lên server trên cloud. Yêu cầu để các thiết bị có thể làm được điều đó là các thiết bị phải sử dụng công nghệ kết nối trực tiếp được vào mạng internet như sử dụng kết nối Wifi, 2G, 3G, 4G, 5G,... Để cài đặt ban đầu cho các thiết bị này kết nối được mạng ta phải kết nối chúng với một thiết bị thông minh khác như điện thoại thông minh, máy tính bảng, vv. Sau đó cấu hình các cài đặt cần thiết để chúng có thể tự liên lạc được với thế giới. Hình 1.3. Mô hình truyền thông thiết bị với đám mây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 6 1.3.3. Mô hình truyền thông thiết bị với cổng giao tiếp Ở mô hình này, các thiết bị sẽ kết nối trực tiếp với gateway. Gateway sẽ có nhiệm vụ định tuyến, tiền xử lý dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu giữa 2 thành phần devices và server. Gateway thông thường sẽ kết nối với mạng internet bên ngoài bằng dây để đảm bảo đường truyền được ổn định nhất. Hình 1.4. Mô hình truyền thông thiết bị với cổng giao tiếp Với cách kết nối này thì các thiết bị truyền nhận dữ liệu với server là rất nhanh. Nhưng khoảng cách để truyền thì sẽ phụ thuộc vào công nghệ truyền tín hiệu mà thiết bị đó sử dụng. Trên thực tế sẽ có nhiều gateway để tăng tốc độ truyền tải dữ liệu cũng như mở rộng tầm hoạt động của hệ thống 1.3.4. Mô hình chia sẻ dữ liệu đầu cuối Ở mô hình này, các thiết bị vừa làm chức năng của thiết bị đầu cuối vừa có thể định tuyến cho dữ liệu gửi từ thiết bị khác về Gateway gốc. Gateway thì nó vẫn làm nhiệm vụ định tuyến, tiền xử lý dữ liệu và truyền nhận dữ liệu giữa các bên để giữ cho kết nối được thông suốt. Hình 1.5. Mô hình chia sẻ dữ liệu đầu cuối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 7 Đối với mô hình này thì các thiết bị có thế kết nối với khoảng cách cực xa. Bên cạnh đó thì độ trễ cũng là một vấn đề cần quan tâm. Khoảng cách xa thì độ trễ truyền nhận càng lớn. 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 tập trung tìm hiểu và làm rõ một số vấn đề liên quan đến IoT gồm: nguồn gốc ra đời; khái niệm về IoT; kiến trúc kết nối; mô hình truyền thông trong IoT. Thông qua đó giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về IoT. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 8 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KẾT NỐI IoT 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình kết nối IoT Hình 2.1. Mô hình kết nối chung cho IoT Cảm biến: Cảm biến có ở khắp mọi nơi, từ cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm đến các cảm biến sinh, trắc học để lấy thông tin về sức khoẻ của con người. Nhiệm vụ của cảm biến là thu thập mọi loại thông tin khác nhau và chia sẻ nó với IoT Gateway/Framework. IoT Gateway/Frameworks: IoT gateway là một cổng kết nối tới Internet cho tất cả các vật/thiết bị mà chúng ta muốn tương tác. Nhiệm vụ của IoT gateway là chuyển giao dữ liệu giữa các thiết bị cảm biến trong mạng nội bộ với mạng Internet hoặc World Wide Web. Cloud Server: Dữ liệu được truyền qua gateway được lưu trữ và xử lý một cách bảo mật bên trong một máy chủ Cloud server (hay còn gọi là Trung tâm dữ liệu). Các dữ liệu đã được xử lý sẽ được sử dụng để thực hiện cách hành động thông minh, biến các thiết bị thành thiết bị thông minh (Smart Devices). Ứng dụng di động: Các ứng dụng di động là phương tiện trực quan dành cho người dùng cuối, cho phép họ theo dõi và điều khiển các thiết bị từ bất cứ đâu thông qua Internet. Các ứng dụng này sẽ hiển thị các thông tin quan trọng lên thiết bị di Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 9 động của người dùng, ngoài ra nó còn cho phép người dùng gửi các lệnh điều khiển các thiết bị thông qua giao diện người dùng. Cơ chế hoạt động: Dữ liệu được thu thập thông qua các cảm biến và mọi dữ liệu được truyền đến cổng giao tiếp, sau đó dữ liệu được gửi lên đám mây,tại đây dữ liệu được lưu trữ, phân tích, xử lý nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau, hoặc dữ liệu được xử lý và ra quyết định điều khiển thiết bị hoặc thực hiện một chức năng cụ thể. 2.2. Phân lớp thiết bị IoT và ứng dụng 2.2.1. Phân lớp thiết bị IoT Hình 2.2. Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ [3] Các “Communication networks” chuyển dữ liệu được thu thập từ devices đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các network này cũng chuyển các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device. Vai trò của communication network là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy. Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp [3]. Thiết bị sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn