Bàn về cơ chế bảo mật trong mạng IoT
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
Bàn về cơ chế bảo mật trong mạng IoT
Cung Quang Khang1,
THÔNG TIN BÀI BÁO
TÓM TẮT
Quá trình:
Trong trào lưu chuyển đổi số, các thiết bị trong đời sống nói chung và
thiết bị công nghiệp nói riêng đều có xu hướng trở thành thiết bị IoT
(Intrenet of Things). Mạng liên kết các thiết bị IoT dựa trên nền tảng
Internet, do vậy nhu cầu bảo mật thông tin cần được đặc biệt quan tâm.
Trong bài báo cáo này sẽ chỉ ra nhưng nguy cơ xâm phạm thông tin,
chiếm quyền điều khiển và tấn công hệ thống mạng đồng thời cũng gợi ý
một số cơ chế bảo mật thông tin. Từ đó, các nhà thiết kế thiết bị và hoạch
định mạng sẽ tìm ra các giải pháp bảo mật thông tin và đảm bảo an toàn
cho hệ thống IoT.
Nhận bài 15/04/2021
Chấp nhận 16/8/2021
Đăng online 19/12/2021
Từ khóa:
Bảo mật , IoT (Internet of
Things), API (Application
Programming Interface),
MUD (Manufacturer
Usage Description)
© 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.
khí đốt). Trong công nghiệp, IoT được sử dụng
rộng rãi trong kiểmsoát, điềuhành nhàmáy vàcác
dây chuyền sản xuất. Tương lai gần, IoT là một
thành phần thiết yếu của hệ sinh thái công nghiệp
4.0 cũng với trí tuệ nhân tạo (AI) mang lại lợi ích
to lớn.
1. Mở đầu
Sự ra đời và phát triển của công nghệ Internet
vạn vật (IoT - Internet of Things) cùng với các
mạng dịch vụ kết nối tốc độ cao như 5G, công nghệ
điện toán đám mây (Cloud Computer) cũng như
mô hình xử lý dữ liệu lớn (Big Data) mở ra kỷ
nguyên chuyển đổi số đang mang lại những lợi ích
lớn cho các doanh nghiệp và người dùng. Theo dự
báo của IDC (International Data Corporation - Tập
đoàn Dữ liệu Quốc tế), đến năm 2025 sẽ có hơn 40
tỷ thiết bị IoT được triển khai trên toàn thế giới
với một lượng dữ liệu cực lớn, có thể đạt tới 79
zetabytes (ZB) [1].
Cùng với việc triển khai công nghệ 5G, các thiết
bị IoT sẽ có mặt ở mọi lúc, mọi nơi của đời sống xã
hội. Thiết bị IoT ngày càng đa dạng, từ những thiết
bị phục vụ cuộc sống thường nhật (camera giám
sát, các thiết bị điều khiển nhà thông minh) cho
đến các thiết bị ứng dụng trong các hoạt động xã
hội thiết yếu (điều hành giao thông, an ninh, an
toàn, giám sát ô nhiễm môi trường, và các phương
tiện công cộng, xử lý rác thải, cung cấp nước, điện,
Tuy nhiên, cùng với những lợi ích mà thiết bị
IoT đem lại, những ứng dụng IoT cũng chứa đựng
nhiều nguy cơ về bảo mật thông tin, dữ liệu cũng
như chiếm quyền điều khiển. Đơn giản có thể chỉ
là lộ thông tin của người dùng thông qua camera
giám sát. Nguy cơ lớn hơn nhiều có thể là mất
kiểm soát một dây chuyền công nghiệp, mất an
toàn, an ninh dẫn đến những hậu quả nghiêm
trọng. Ví dụ, nếu một hệ thống điều hành giao
thông hay cung cấp năng lượng bị tin tặc tấn công
có thể làm tê liệt cả một đô thị lớn. Do đó, cần phải
có cơ chế để đảm bảo độ tin cậy cho các ứng dụng
IoT, bảo mật thông tin trong mạng IoT. Báo cáo
này có mục đích đề cập đến các nguy cơ tấn công
vào mạng IoT và xây dựng cơ chế bảo mật thông
tin cho mạng IoT.
148
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
2. Mạng IoT và các nguy cơ bị tấn công
b) Các quan hệ giữa các ứng dụng di động và phần
mềm điều khiển lệnh.
2.1 Mạng IoT
c) Các quan hệ giữa các API (Application
Programming Interface) đám mây và các dịch vụ
mạng liên quan. Các nhà phát triển có thể sử dụng
API đám mây để mã hóa và mỗi API có một dịch vụ
của nhà cung cấp đám mây.
Các thiết bị IoT được gắn kết với nhau tạo
thành mạng IoT hay là một hệ sinh thái, tùy thuộc
vào từng mục tiêu cụ thể của người dùng. Các
thành phần của hệ có thể mô tả trên hình sau.
d) Các giao thức truyền thông mạng có liên quan
đang được sử dụng, chẳng hạn như Ethernet, giao
thức mạng không dây 802.11 và giao thức truyền
thông liên thành phần (Zigbee, Z-Wave và
Bluetooth).
2.2 Các nguy cơ tấn công vào mạng IoT
Với cấu trúc nêu trên, mạng IoT có thể bị tấn
công từ nhiều hướng khác nhau. Có thể liệt kê các
con đường mà tin tặc có thể tấn công vào hệ, đó là:
Hình 1. Những thành phần chính của một mạng IoT
a) Tin tặc có thể chiếm quyền điều khiển các thiết
bị IoT triển khai trên thực địa: tấn công truy nhập
trực tiếp vào các thiết bị IoT.
Xét mạng IoT như trên hình 1, ta thấy các thiết
bị IoT (IoT Device) như camera giám sát, các trạm
đo, các cơ cấu điều khiển triển khai trên thực địa
gọi chung là các thiết bị trường, thông qua cảm
biến (sensor/actuator) đảm nhận thu thập dữ liệu
(Sense Data acquisition) và truyền tới cổng mạng
(gateway) đóng vai trò tổng hợp dữ liệu (Data
Aggregation) hoặc truyền trực tiếp thông qua
mạng truyền thông (3G/4G/5G) đến mạng truyền
(Data Transmission) dẫn lõi (core network). Từ
đây, các thông tin này sẽ được tới bộ phận xử lý và
lưu trữ dữ liệu (Data Store & Event Processing) tại
các máy chủ (Servers/Cloud) trên môi trường
điện toán đám mây. Những dữ liệu này sẽ được
khai thác bởi các ứng dụng (application) trên các
hệ thống nhúng, thiết bị di động hay các máy tính
(Embedded/Mobile/Destop): mỗi ứng dụng cung
cấp một hay nhiều dịch vụ giá trị gia tăng. Những
dịch vụ này có thể là tính hóa đơn (điện, nước, ga),
giám sát và điều khiển (giao thông, ô nhiễm môi
trường), can thiệp tại chỗ (camera giám sát).
Những ứng dụng cũng dùng mạng truyền thông
để gửi các mệnh lệnh điều khiển xuống các thiết bị
IoT. Quan hệ trong mạng IoT là khá phức tạp và có
thể là:
b) Tin tặc cũng có thể tập trung tấn công vào các
máy chủ trên môi trường điện toán đám mây.
c) Thông qua hệ sinh thái IoT đã bị tin tặc chiếm
vàlợi dụng đểtấncông các hệthống thông tinkhác
(ví dụ như tấn công từ chối truy cập thông qua hệ
thống đèn giao thông).
Những nguy cơ mất an toàn thông tin này là
đáng lo ngại vì bảo mật thường ít được chú trọng
trong quá trình phát triển các ứng dụng IoT.
Thống kê của các công ty chuyên ngành cho thấy,
phần lớn các thiết bị IoT có những lỗ hổng bảo mật
phần mềm nghiêm trọng như:
• Cấu hình không an toàn (không thay đổi mật
khẩu ngầm định khi cài đặt, không đóng giao diện
khi soát lỗi (debug));
• Yếu kém về quản trị thiết bị cho phép tin tặc truy
cập và chiếm điều khiển từ xa;
• Sử dụng các giải thuật mã hóa yếu dẫn tới các
thông tin quan trọng có thể dễ dàng truy nhập và
sửa đổi;
a) Các quan hệ giữa các thiết bị nhúng và các cảm
biến, máy thu thập dữ liệu và cơ cấu chấp hành có
liên quan.
• Mất kiểm soát trong quá trình cập nhật phần
mềm: một thiết bị IoT cần thiết được cập nhật
149
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
thường xuyên (firmware update) để cải thiện
- Cơ quan kiểm định phải có đủ năng lực kỹ thuật
và chất lượng (cụ thể là đạt chuẩn ISO/IEC
17025);
chức năng và sửa lỗi. Tin tặc có thể triển khai mã
độc trên tất cá các thiết bị tại bước này nếu khai
thác được lỗ hổng.
- Quy trình kiểm định phải hoàn toàn độc lập: nhà
sản xuất không thể tác động đến kết quả kiểm
định;
Trong các điểm yếu trên, việc quản trị, kiểm
soát và giám sát thiết bị có thể được xem là yếu tố
then chốt và có tính quyết định đến an toàn thông
tin của tổ chức. Sở dĩ việc kiếm soát và giám sát
thiết bị là quan trọng bởi số lượng các cuộc tấn
công từ chối dịch vụ kiểu phân tán DDoS
(Distributed Denial of Service) ngày càng nhiều,
mà nguyên nhân xuất phát từ việc không kiểm
soát và giám sát chặt chẽ thiết bị, khiến các thiết bị
này vô tình trở thành mạng lưới botnet cho các
cuộc tấn công từ chối dịch vụ, nhằm vào các mục
tiêu là hệ thống thông tin quan trọng quốc gia.
Theo thống kê của APNIC (Asia Pacific Network
Information Centre), tỉ lệ các cuộc tấn công liên
quan đến DDoS là rất cao, chiếm 87%. Do đó vấn
đề đặt ra là phải giám sát được các thiết bị IoT này,
trong đó ba yếu tố cần quan tâm đó là: ai đã truy
cập thiết bị; sau khi truy cập, đối tượng đã thao tác
gì trên thiết bị; và các tác vụ đã thực hiện trên thiết
bị ảnh hưởng như thế nào đối với hoạt động của
hệ thống mạng.
- Sản phẩm chỉ được lưu hành khi kết quả kiểm
định thỏa mãn các chỉ tiêu an toàn.
3.2 Kiểm soát thường xuyên tình trạng an ninh
mạng hạn chế tối đa quyền truy nhập, kết nối
các thiết bị IoT
Khi triển khai IoT, việc cài đặt các chốt chặn rủi
ro là cần thiết nhưng không đủ để bảo mật dữ liệu.
Các rủi ro mạng luôn luôn biến đổi và gia tăng, cần
thường xuyên theo dõi và cập nhật các chính sách
bảo mật. Do đó, các thiết bị IoT luôn được cập
nhập firmware mới, các bản vá lỗ hổng bảo mật.
Các thành phần kết nối trong mạng IoT cần
thường xuyên tuân thủ các tiêu chuẩn an ninh
mạng. Từ đó, cần thực hiện thay đổi thường xuyên
mật khẩu truy nhập trên các thiết bị IoT.
Thêm nữa, một trong các giải pháp bảo mật là
không có thiết bị nào có toàn quyền kết nối với
môi trường IoT của doanh nghiệp. Mỗi thiết bị cần
được ngăn chặn khỏi tin tặc bằng cách sử dụng địa
chỉ IP bảo mật không thể nhận diện từ mạng
Internet công cộng. Trong trường hợp một thiết bị
bị tấn công, giải pháp này đảm bảo tin tặc không
thể xâm nhập toàn bộ hệ thống thông qua thiết bị
đó.
Từ những nguy cơ trên, cần xây dưng cơ chế,
giải pháp bảo an toàn thông tin trong mạng IoT.
3. Các cơ chế nhằm bảo mật thông tin, nâng cao
độ tin cậy cho mạng IoT
Từ những mối quan hệ trong mạng IoT, chúng
ta có thể xây dựng cơ chế đảm bảo bảo mật cho hệ.
Đó là,
3.3 Sử dụng mã hóa bảo mật
3.1 Đảm bảo các thiết bị IoT đưa vào hệ có khả
năng bảo mật
Các thiết bị trong môi trường IoT thường có
hạn chế về năng lượng, khả năng xử lý và có bộ
nhớ thấp (thường từ vài KB RAM đến hàng chục
KB EEPROM). Một giải pháp là cung cấp cho thiết
bị IoT một mã định danh duy nhất và không thể
sao chép, bằng cách lấy mã này từ sự khác biệt vật
lý cực nhỏ giữa các chip silic được tạo ra bởi sự đa
dạng của quy trình sản xuất trên tấm wafer. Một
mãđịnh danh nhưvậycó thểthaythếcho các khóa
mã hóa cần lưu trữ, nên sẽ tiết kiệm bộ nhớ.
Khi triển khai các hệ thống mạng IoT, các thiết
bị IoT phải được kiểm định đảm bảo an toản bảo
mật. Do đó, cần xây dựng và triển khai những
phương pháp kiểm định an toàn thông tin độc lập
là giải pháp lâu dài để nâng cao độ tin cậy các ứng
dụng IoT. Cách tiếp cận này dựa trên những
nguyên tắc cơ bản sau:
- Nhà sản xuất cung cấp sản phẩm mẫu và thông
tin cần thiết cho cơ quan kiểm định;
Các thiết bị IoT với định danh duy nhất có thể
giao tiếp an toàn với các máy chủ dựa trên đám
150
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
mây thực hiện phân tích dữ liệu và ra quyết định
các API khiến dữ liệu dịch vụ nhạy cảm gặp rủi ro.
Điều này có nghĩa là các nhà cung cấp và ứng dụng
IoT phải xác định mức độ ưu tiên bảo mật của các
API đám mây. Khi đó, việc lựa chọn dịch vụ điện
toán đám mây an toàn là cơ chế đảm bảo bảo mật
thông tin của hệ sinh thái IoT.
trong hệ sinh thái IoT. Tuy nhiên, điều quan trọng
là các thiết bị và máy chủ có thể xác thực rằng
chúng đang giao tiếp với các thành viên hợp lệ
trong hệ sinh thái của chúng. Điều này thường
được xử lý bằng cách sử dụng chữ ký số và cơ sở
hạ tầng khóa công khai.
3.5 Giải pháp MUD trong bảo mật thông tin
mạng IoT
Do đó, giao thức trao đổi khóa cần sử dụng các
cơ chế hạng nhẹ bao gồm: khóa mật mã đối xứng
và sơ đồ dẫn xuất khóa dựa trên hàm băm (Hash
key derivation function - HKDF).
MUD là viết tắt của Manufacturer Usage
Descriptions, là giải pháp được sử dụng để giúp
quản trị hệ thống mạng phân loại các thiết bị IoT,
từ đó xác định các chính sách hay quyền (policies)
về quản lý truy cập thiết bị. Nguyên lý hoạt động
cơ bản của giải pháp được mô tả như hình sau:
Trong cấu hình bảo mật IoT đề xuất giao thức
trao đổi khóa hạng nhẹ, gồm 2 khóa chia sẻ giữa
thiết bị IoT và Gateway, trong đó sử dụng một
khóa chủ đối xứng dài hạn, ký hiệu là Km, và một
khóa chia sẻ ngắn hạn (khóa phiên) ký hiệu là Ks.
Khóa phiên khởi tạo được ký hiệu là Kiks. Cả khóa
chủ và khóa phiên khởi tạo được nhập thủ công
một lần vào trong bộ nhớ EEPROM của thiết bị IoT
và Gateway (cổng kết nối mạng). Mỗi Gateway xác
thực thiết bị IoT thông qua các Message (bản tin)
trao đổi giữa hai bên, các Message được mã hóa
bởi khóachủKm vàđược bămnhờ khóaKiks. Giao
thức này đảm bảo cả hai bên đều có khóa chia sẻ
Ks, được dùng để mã hóa và tính giá trị băm cho
Message phiên. Vấn đề này có thể đi sâu trong một
báo cáo khác về giao thức trao đổi khóa bảo mật
các thiết bị IoT.
Hình 2. Sơ đồ luồng dữ liệu trong MUD
Đầu tiên thiết bị IoT sẽ gửi định vị tài nguyên
thống nhất MUD-URL (MUD-Uniform Resource
Locator) đến thiết bị mạng. MUD-URL là đường
dẫn được nhà sản xuất lập trình để nhúng vào
thiết bị, được xem như chuỗi định danh thiết bị. Ba
phương thức được sử dụng để gửi MUD-URL từ
thiết bị IoT đến thiết bị mạng là LLDP (Link Layer
Discovery Protocol), DHCP (Dynamic Host
Configuration Protocol) và giao tiếp chuẩn 802.1x.
3.4 Lựa chọn nhà cung cấp dịch vụ điện toán
đám mây an toàn
Khi các thiết bị IoT liên kết thàng mạng và hệ
sinh thái IoT, lưu trữ đám mây là một trong những
thành phần quan trọng. Việc lựa chọn nhà cung
cấp dịch vụ này ảnh hưởng rất lớn đến bảo mật
thông tin hệ IoT.
Các thiết bị mạng sau khi nhận được MUD-URL
sẽ chuyển tiếp thông tin này đến MUD Controller
(được xem là bộ xử lý trung tâm). Sau đó, dựa trên
MUD URL, MUD controller sẽ kết nối đến MUD file
server của nhà sản xuất thiết bị IoT qua giao thức
https. Sau khi xác thực thành công, một file MUD
tương ứng sẽđược tải vềtừMUDFileServer (đám
mây lưu trữ). Thiết bị mạng sau khi nhận được file
MUD được chuyển tiếp từ MUD Controller đến sẽ
thực thi các chính sách quản lý danh sách truy cập
(access-list) tương ứng đối với thiết bị IoT đang
kết nối trên nó.
Mạng IoT thường sử dụng các dịch vụ mạng
khác nhau để điều khiển từ xa, thu thập dữ liệu và
quản lý sản phẩm. Nói chung, các dịch vụ mạng và
API(Application Programming Interface) đám
mây là những phần yếu nhất của hệ sinh thái IoT.
Cácnhàpháttriểncó thểsửdụngcác APIđámmây
để mã hóa và mỗi API có một dịch vụ của nhà cung
cấp đám mây. Trong khi đó, các API đám mây có
thể mang lại rủi ro bảo mật cho các ứng dụng đám
mây, vìcác tác nhânđedọa cóthểdễdàng tấncông
151
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
Dựa trên sơ đồ đường đi của luồng dữ liệu, có
4. Kết luận
Cùng với chuyển đổi số trong thời đại công
thể thấy được rằng MUD controller có vai trò quan
trọng nhất, làm nhiệm vụ chuyển đổi tập tin (file)
MUD nhận được từ File Server thành quyền
(policy) tương ứng. Khi đó, dựa trên các quyền
này, hệ thống chỉ mở một số cổng dịch vụ nhất
định và chỉ cho phép một số địa chỉ IP được phép
truy cập thiết bị. Trong trường hợp tin tặc muốn
tấn công, chiếm quyền điều khiển thiết bị IoT là
không thể, bởi địa chỉ IP của tin tặc đã bị chặn bởi
tập các quyền quản lý truy cập tạo bởi MUD. Điều
này phần nào giới hạn lại rủi ro và kiểm soát được
luồng dữ liệu truy cập vào thiết bị.
nghiệp 4.0, sự phát triển mạnh mẽ và đa dạng của
các ứng dụng IoT là xu hướng công nghệ tất yếu.
Ở Việt Nam nếu quá trình này không được quan
tâm đúng mức sẽ dễ dàng rơi vào bẫy của giới tin
tặc quốc tế. Các thiết bị IoT là loại thiết bị có khá
nhiều điểm yếu và rất dễ bị thỏa hiệp bởi tin tặc.
Do đó để nâng cao tính an toàn cho hệ thống,
người dùng, các tổ chức doanh nghiệp cần có hiểu
biết và xây dựng chính sách bảo mật thông tin trên
loại thiết bị này.
Thực hiện các cơ chế bảo mật trình bày trên
đây sẽ đảm bảo hệ sinh thái mạng IoT được an
toàn, mang lại hiệu quả đích thực của triển khai
các ứng dụng IoT cho doanh nghiệp và người
dùng. Với báo cáo này hy vọng các nhà phát triển
ứng dụng IoT, các doanh nghiệp và người dùng
quan tâm đúng mực tới vai trò bảo mật của mạng
IoT nhằm tránh các rủi ro cho hoạt động của hệ
thống.
Hãng cung cấp giải pháp mạng Cisco là đơn vị
tiên phong trong nghiên cứu và đề xuất giải pháp
MUD, nhằm gia tăng độ an toàn cho thiết bị IoT.
Tuy nhiên giải pháp MUD không mang tính độc
quyền trên dòng sản phẩm của hãng mà được sử
dụng như một tiêu chuẩn mở về an toàn thông tin
trên thiết bị IoT. Đối với các công ty chuyên về sản
xuất thiết bị IoT, việc cần làm là lập trình để nhúng
MUD-URL vào phần mềm firmware (điều khiển)
trên thiết bị, đồng thời thiết lập một máy chủ
mạng (đám mây) đóng vai trò MUD File Server
trên mạng Internet. Điều này phần nào sẽ giúp gia
tăng tính cạnh tranh về thiết bị IoT của chính
doanh nghiệp, do tính an toàn được chú trọng. Đối
với các doanh nghiệp khi mua sắm thiết bị IoT
cũng cầnchú ý đến khả năng hỗ trợ MUDtrênthiết
bị. Việc sửdụng các thiết bị IoT có hỗ trợMUDgiúp
doanh nghiệp hạn chế được các nguy cơ tin tặc
(hacker) chiếm quyền điều khiển thiết bị và sử
dụng thiết bị IoT của chính doanh nghiệp cho
mạng lưới botnet tấn công DDoS.
Tài liệu tham khảo
prUS45213219
2. Bin Rabiah, Ramakrishnan, Elizabeth Liri,
Koushik Kar, “A lightweight Authentication and
Key Exchange Protocol for IoT”, 2018, Sandiego,
USA.
3. Rafael Alvarez, Candido Caballero-Gil,
“Algorithms for LightweightKeyExchange”, 2017.
endpoint-security
152
5 trang
21040
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bàn về cơ chế bảo mật trong mạng IoT", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ban_ve_co_che_bao_mat_trong_mang_iot.pdf
