Đánh giá mô hình bảo mật cho mạng vạn vật dựa trên OneM2M

Bài viết giới thiệu mô hình bảo mật cho mạng vạn vật dựa trên chuẩn OneM2M và đề xuất áp dụng mô hình trong hệ thống hỗ trợ giám sát, theo dõi sức khỏe bệnh nhân theo thời gian thực bằng hệ thống cảm biến y tế.

ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH BẢO MẬT CHO MẠNG VẠN VẬT

DỰA TRÊN OneM2M Nguyễn Văn Tánh, Nguyễn Gia Tuyến, Mạc Đình Hiếu, Bùi Trọng Tùng, Trần Quang Đức, Nguyễn Linh Giang

Trung tâm An toàn và An ninh thông tin, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

tanh.nguyenvan@hust.edu.vn, tuyenng299@gmail.com, hieumd@soict.hust.edu.vn, tungbt@soict.hust.edu.vn,

ductq@soict.hust.edu.vn, giangnl@soict.hust.edu.vn

TÓM TẮT: Mạng vạn vật (Internet of Things) đang được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống từ các hoạt động công nghiệp, tự động

hóa, giám sát môi trường, vận chuyển hàng hóa đến các hệ thống hỗ trợ cuộc sống như nhà thông minh, thành phố thông minh,

giám sát và chăm sóc sức khỏe,… Bên cạnh các lợi ích to lớn, IoT cũng tồn tại rất nhiều các thách thức như sự đa dạng và phức tạp

của các quy chuẩn kết nối, sự không đồng nhất về phần cứng, phần mềm, cơ chế liên lạc của các thiết bị IoT trong hạ tầng mạng

Các mô hình và giải pháp bảo mật truyền thống không còn phù hợp và hiệu quả với kiến trúc hạ tầng mạng trong môi trường IoT

Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu mô hình bảo mật cho mạng vạn vật dựa trên chuẩn OneM2M và đề xuất áp dụng mô hình

trong hệ thống hỗ trợ giám sát, theo dõi sức khỏe bệnh nhân theo thời gian thực bằng hệ thống cảm biến y tế Chúng tôi cũng tiến

hành triển khai một phiên bản thử nghiệm đơn giản của hệ thống trên trong môi trường thực tế để đánh giá tính khả thi của việc

truyền nhận dữ liệu bảo mật giữa các thiết bị cảm biến y tế và hệ thống OM2M bằng giao thức DTLS Các kết quả triển khai thực

nghiệm của hệ thống trong thực tế sẽ chỉ ra tính hiệu quả của mô hình đề xuất cũng như các thách thức cần giải quyết

Từ khóa: IoT, oneM2M, DTLS, OM2M, An toàn thông tin cho mạng vạn vật

I GIỚI THIỆU

Mạng vạn vật hay mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things - IoT) là khái niệm mở rộng của mạng

Internet, khi mà mạng Internet trở thành mạng lưới kết nối và giao tiếp giữa rất nhiều loại thiết bị khác nhau từ các

thiết bị đơn giản như thiết bị cảm biến cho đến các hệ thống tính toán phức tạp như siêu máy tính Hiện nay, các thiết

bị IoT đang được ứng dụng và triển khai trong rất nhiều lĩnh vực gồm giám sát theo dõi môi trường, hệ thống nhà

thông minh, thành phố thông minh, hệ thống quản lý và điều khiển tự động hóa trong công nghiệp, hệ thống quản lý y

tế, giám sát và chăm sóc sức khỏe,… Trong môi trường IoT, việc truyền thông giữa máy với máy (M2M – Machine to

Machine) là xương sống của hạ tầng mạng, các thiết bị giao tiếp với nhau để thu thập, lưu trữ và truyền tải thông tin

Việc giao tiếp thông thường được thực hiện thông qua các chuẩn kết nối với một chồng giao thức chung như trong

mạng Internet truyền thống các máy tính có thể kết nối với nhau bằng các chuẩn Wifi (IEEE 802.11), Ethernet (IEEE

802.3) hoặc truyền thông di động như 3G, LTE, Wimax,… nhưng đều sử dụng chung chồng giao thức TCP/IP Tuy

nhiên, do yêu cầu đặc biệt về tính năng của sản phẩm như nhỏ gọn, di động, tiêu thụ điện năng thấp, truyền thông tầm

ngắn và yêu cầu phần cứng đặc biệt khác mà các nhà sản xuất IoT sử dụng các chuẩn kết nối mới như NFC, BLE,

Zigbee, IEEE 802.15.4, LoRa, Sigfox, để tích hợp vào sản phẩm của mình Vì vậy IoT là sự kết nối của một tập các

mạng không đồng nhất với nhau như WSN, WPAN, WLAN Trong cùng một mạng, các thiết bị sẽ sử dụng chung một

bộ giao thức để kết nối và trao đổi thông tin và các mạng khác nhau sẽ giao tiếp thông qua các Gateway trung gian có

nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu giữa các giao thức [5]

Hiện có rất nhiều các công trình nghiên cứu đã được công bố [1-7], trong đó các tác giả đã tiến hành khảo sát và

đưa ra bức tranh tổng thể IoT, từ các kiến trúc mạng cơ bản, sự phân mảnh của công nghệ và chuẩn giao thức kết nối

cho đến các ứng dụng tiềm năng, các vấn đề tồn tại và thách thức cần giải quyết của IoT Hiện nay, do vẫn chưa có một

bộ tiêu chuẩn toàn cầu thống nhất nên các nhóm nghiên cứu, tổ chức khác nhau đã xây dựng, phát triển và đưa ra các

bộ tiêu chuẩn riêng cho IoT Các bộ tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi là AllSeen Alliance, OCF, OneM2M, Thread

Group, IEEE P2413 Working Group, IETF, ISO/IEC, IIC [2] Trong đó, bộ tiêu chuẩn oneM2M cho M2M và IoT của

tổ chức OneM2M [8], ra đời năm 2012 dưới sự hỗ trợ của 8 tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu (ARIB, ATIS, ETSI, …) và 6

tập đoàn công nghiệp lớn (AT&T, Adobe, Ericsson, IBM, …) cùng hơn 200 thành viên khác là được sử dụng rộng rãi

và phổ biến nhất OneM2M đề xuất các giao thức chuẩn cho IoT theo từng tầng của kiến trúc mạng như minh họa tại

hình 1.a Các giao thức này bao gồm các giao thức mạng truyền thống và các giao thức mạng mới được phát triển cho

“things” trong IoT Minhaj Ahmad Khan và các cộng sự [6] đã chỉ ra trong một mạng IoT điển hình sẽ bao gồm các

thiết bị không đồng nhất, trong đó bao gồm các thiết bị nhỏ gọn, hạn chế về năng lượng, tài nguyên tính toán và bộ

nhớ Chính vì sự hạn chế về phần cứng, các thiết bị này giao tiếp với nhau thông qua mạng cá nhân, không dây tốc độ

thấp LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Networks) và các giao thức mới được phát triển cho mạng năng

lượng thấp LPWAN (Low Power Wire Area Network) Trong mạng LR-WPAN và LPWAN, các thiết bị sử dụng các

giao thức được thiết kế để tiêu thụ ít năng lượng như giao thức IEEE 802.15.4 [9] định nghĩa lớp vật lý – Physic và lớp

điều khiển truy cập – MAC cho kết nối giao tiếp tầm ngắn (<100 m), tốc độ thấp (<250 kps), tiêu thụ năng lượng ít

(thời gian hoạt động tính theo tháng hoặc năm), nhỏ gọn (kích thước chồng giao thức <32 kb) phù hợp với các thiết bị

IoT trong các ứng dụng giám sát và điều khiển Trước đây, việc mở rộng IP cho mạng LPWPAN được xem là không

thực tế vì các mạng đó bị hạn chế về khả năng xử lý và phải hoạt động bằng pin trong một thời gian dài Tuy nhiên, sự

ra đời của giao thức 6LoWPAN đã tạo ra một lớp thích ứng cho phép giao tiếp hiệu quả IPv6 trên chuẩn IEEE 802.15.4

[10] 6LoWPAN đề xuất một cơ chế nén tiêu đề gói tin và cơ chế phân mảnh IPv6 datagram để truyền được gói tin

IPv6 trong các mạng không dây sử dụng chuẩn kết nối IEEE 802.15.4 với Maximum Transmission Unit (MTU) chỉ

127 byte IPv6 với số lượng địa chỉ gần như không giới hạn cho phép mỗi một thiết bị trong IoT được định danh bởi một địa chỉ duy nhất Các giao thức tầng ứng dụng truyền thống như HTTP và HTTPS không phù hợp để triển khai trên các thiết bị IoT do hạn chế về kích thước của gói tin của chuẩn IEEE 802.15.4 cũng như hạn chế về tài nguyên tính toán Tổ chức IETF đã xây dựng giao thức CoAP (Constrained Application Protocol) [11], một giao thức ứng dụng tương tự HTTP những đã được tối ưu cho các thiết bị IoT Giao thức CoAP được đóng gói trong giao thức UDP của tầng giao vận và tương thích với giao thức 6LoWPAN Tuy nhiên, với việc UDP thiếu tính tin cậy và các gói tin có thể mất mát trong quá trình truyền tin nên để có thể đảm bảo an toàn và bảo mật cho quá trình truyền tin các thiết bị này phải sử dụng giao thức DTLS Bên cạnh CoAP, trong chuẩn OneM2M cũng sử dụng giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) [12] cho quá trình trao đổi thông điệp giữa M2M và các thiết bị IoT MQTT là một giao thức gửi thông điệp theo cơ chế publish/subcscribe với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định

Chuẩn oneM2M cho phép xây dựng một nền tảng kết nối M2M để các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau được triển khai độc lập không bị phụ thuộc vào tầng mạng phía dưới, phát triển các dịch vụ ngang hàng (CSE- Common Service Capability) thay vì các triển khai các dịch vụ riêng lẻ trên một hạ tầng mạng IoT độc lập với nhau Tuy nhiên việc đảm bảo an toàn bảo mật cho toàn bộ hệ thống hay việc có thể triển khai các cơ chế bảo mật giữa các thiết bị không đồng nhất trong hệ thống vẫn là một thách thức lớn, đặc biệt khi triển khai trên các thiết bị trong môi trường thực tế Các tác giả [16], [17] đã đề xuất các cơ chế nén tiêu đề DTLS trên 6LoWPAN để giảm kích thước của các gói tin DTLS cho phép tích hợp được CoAP, DTLS trên các thiết bị IoT Tuy nhiên các tác giả không tiến hành đáng giá hiệu năng của các giao thức này trên một thiết bị thực tế nên không chứng minh được tính khả thi của cơ chế

đề xuất Perelman [18] và Glissa [19] đã triển khai các giao thức TLS/DTLS trên Contiki OS, hệ điều hành cho các thiết bị IoT Các tác giả đã đánh giá việc triển khai các giao thức này trên các thiết bị thực tế, tuy nhiên các thử nghiệm chỉ giới hạn trong phạm vi kết nối giữa 2 nút mạng sử dụng giao thức 6LoWPAN mà không đánh giá trong ngữ cảnh của một ứng dụng cụ thể Diogo và các cộng sự [20] đã đề xuất hệ thống giám sát theo thời gian thực dựa trên chuẩn oneM2M với giao thức MQTT và triển khai đánh giá trên các thiết bị thực tế, tuy nhiên hệ thống đề xuất lại thiếu các

cơ chế bảo mật cần thiết

Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu mô hình bảo mật cho IoT dựa theo chuẩn oneM2M và đề xuất áp dụng

mô hình này trong hệ thống hỗ trợ giám sát và theo dõi sức khỏe của bệnh nhân bằng các cảm biến y tế Hệ thống được triển khai dựa trên nền tảng mã nguồn mở OM2M và sử dụng bộ giao thức TLS/DTLS để đảm bảo an toàn cho việc tryền nhận dữ liệu điều khiển và các thông tin y tế giữa các thiết bị cảm biến và các ứng dụng quản lý Bài báo của chúng tôi gồm 4 nội dung chính Sau phần giới thiệu, phần II chúng tôi đề cập đến cơ sở lý thuyết Phần III chúng tôi trình bày cụ thể về mô hình bảo mật cho IoT và triển khai mô hình trong hệ thống hỗ trợ giám sát và theo dõi sức khỏe của bệnh nhận thông qua các cảm biến y tế Phần IV chúng tôi sẽ trình bày các thử nghiệm và đánh giá thực tế để chỉ ra được tính khả thi và hiệu quả của giải pháp cũng như các thách thức cần phải giải quyết Cuối cùng phần V là kết luận

và hướng phát triển trong tương lai

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Chuẩn oneM2M và nền tảng mã nguồn mở OM2M

OneM2M cung cấp một nền tảng dịch vụ M2M ngang hàng để có thể phát triển các dịch vụ một cách độc lập với các hạ tầng mạng phía dưới thuận tiện cho việc triển khai đồng thời các ứng dụng đặc thù trên cùng một mạng các thiết bị hỗn tạp như IoT Các dịch vụ được cung cấp thông qua kiến trúc RESTful cho phép các thiết bị IoT không đồng nhất có thể yêu cầu và truy cập các dịch vụ một các đơn giản và hiệu quả Chính vì vậy, các thiết bị hỗ trợ giao thức ứng dụng REST như HTTP hoặc CoAP có thể dễ dàng tương thích với OM2M Kiến trúc theo chức năng của oneM2M được minh họa tại hình 1.b gồm ba thực thể chức năng chính phân theo ba tầng Thứ nhất AE (Application Entity) là một thực thể đại diện cho một ứng dụng chuyên biệt trong các lĩnh vực khác nhau được cung cấp cho người dùng đầu cuối trong giải pháp M2M Mỗi AE có một định danh duy nhất là AE-ID Các ứng dụng như theo dõi các phương tiện giao thông, ứng dụng giám sát lượng đường trong máu từ xa, ứng dụng giám sát môi trường hoặc ứng dụng điều khiển

là các ví dụ tiêu biểu cho một AE Thành phần chức năng thứ 2 trong kiến trúc oneM2M là CSE (Common Services Entity) là các thực thể đại diện cho một tập hợp các dịch vụ được chia sẻ chung trong oneM2M Các dịch vụ như vậy kết nối với các thực thể khác thông qua điểm tham chiếu Mca và Mcc Điểm tham chiếu Mcn được sử dụng để truy cập dịch vụ mạng được cung cấp bởi các thực thể đại diện cho hạ tầng mạng ở phía dưới Mỗi CSE cũng được xác định với một CSE-ID duy nhất Ví dụ về chức năng, dịch vụ được cung cấp bởi CSE bao gồm: quản lý dữ liệu, quản lý thiết bị, quản lý đăng ký M2M Thực thể cuối cùng là thực thể NSE (Network Service Entity) cung cấp các dịch vụ từ hạ tầng mạng cơ sở cho các CSE

OM2M là dự án mã nguồn mở của Eclipse, được khởi xướng bởi LAAS-CNRS được triển khai dựa trên các chuẩn oneM2M và SmartM2M [13] OM2M được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Java sử dụng Maven và Tycho theo kiến trúc môđun dựa trên nền tảng OSGi OM2M cung cấp các CSE linh hoạt có thể dễ dàng triển khai trong một mạng M2M, một thiết bị hoặc một Gateway Mỗi CSE gồm một tập hợp các plugin khác nhau mà trong đó mỗi một

plugin sẽ cung cấp một chức năng cụ thể Các plugin này có thể điều khiển cài đặt, khởi tạo, dừng, cập nhập hay xóa từ

xa mà không yêu cầu hệ thống phải khởi động lại Vì vậy, OM2M cung cấp khả năng mở rộng thông qua các plugin và

có thể hỗ trợ các giao thức và các công nghệ khác [21] Trong mỗi CSE có một plugin CORE là plugin chính cung cấp một dịch vụ độc lập với các giao thức để xử lý các yêu cầu RESTful OM2M cũng cho phép triển khai việc truyền dữ liệu bảo mật giữa các thực thể bằng giao thức HTTPS, TLS-PSK một cách dễ dàng với plugin jetty hoặc một số plugin khác Bên cạnh đó, OM2M cũng hỗ trợ các thiết bị trong mạng giao tiếp với các thiết bị khác không thuộc OM2M một cách liền mạch thông qua các proxy là IPUs (Interworking Proxy Units)

Hình 1 a) Chồng giao thức cho IoT theo chuẩn OneM2M, b) Kiến trúc OneM2M theo chức năng

2.2 Giao thức TLS/DTLS

TLS (Transport Layer Security) là một trong những giao thức bảo mật được dùng nhiều nhất hiện nay trong các ứng dụng web, email, VoIP trên Internet Tiền thân của TLS là giao thức SSL (Secure Sockets Layer) được phát triển bởi Netscape Communications và ngày nay TLS được định nghĩa theo RFC 5246 [14] TLS hoạt động ở tầng phiên (thiết lập kênh truyền sử dụng mật mã bất đối xứng) và tầng trình diễn (mã hóa dữ liệu sử dụng mật mã đối xứng) Cùng với sự phát triển về chủng loại và số lượng thiết bị IoT, những ứng dụng dựa trên nền tảng UDP ngày càng trở nên phổ biến Những ứng dụng này không phù hợp với TLS do một số nguyên nhân cơ bản TLS giả thiết gói tin được gửi trên kênh truyền ổn định, vì vậy nó không thể thực hiện bắt tay nếu một trong các gói tin bắt tay bị mất Trong TLS, việc giải mã bản tin N+1 phụ thuộc vào bản tin N Sự phụ thuộc đó được được thể hiện thông qua ngữ cảnh mã hóa (định nghĩa tại trạng thái Cipher Block Chaining) và số thứ tự được đính kèm trong mỗi bản tin (định nghĩa tại Message Authentication Code)

DTLS (Datagram Transport Layer) được thiết kế tương tự như TLS Tuy nhiên, nó được thiết kế để phù hợp với ứng dụng sử dụng UDP và khắc phục các hạn chế của TLS DTLS thiết lập bộ đếm thời gian ở cả phía máy chủ và máy khách Nó thực hiện gửi lại các bản tin bị mất hoặc không nhận được khi bộ đếm thời gian hết hạn Tuy nhiên, bộ đếm này không áp dụng với bản tin HelloVerifyRequest để tránh việc phải thiết lập trạng thái trên máy chủ Các bản tin trong DTLS có một thứ tự nhất định Thứ tự này giúp máy chủ và máy khách xác định một bản tin nhận được có phải bản tin chúng đang đợi Nếu đúng, bản tin sẽ được xử lý Trong trường hợp sai, bản tin sẽ được lưu lại để xử lý sau Bản tin TLS và DTLS có thể lớn (lên đến 224

-1 byte) trong khi kích thước khung dữ liệu UDP bị giới hạn < 1500 byte DTLS thực hiện chia dữ liệu thành nhiều đoạn và đính kèm số thứ tự vào từng đoạn để phục vụ cho mục tiêu tổng hợp bản tin đã bị phân mảnh

III MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT 3.1 Mô hình bảo mật cho IoT dựa trên OneM2M và TLS/DTLS

Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày một mô hình bảo mật cho hệ thống IoT theo chuẩn oneM2M Mô hình được áp dụng cho các hệ thống IoT với nhiệm vụ giám sát, theo dõi, thu thập thông tin và tương tác với môi trường thực tế thông qua các hệ thống cảm biến Các thiết bị cảm biến này là các thiết bị hạn chế về năng lượng, khả năng tính toán và phân bố tại các vị trí khác nhau Trên cùng một hệ thống IoT có thể triển khai đồng thời nhiều ứng dụng tùy theo các yêu cầu đặc thù của từng lĩnh vực Kiến trúc tổng quan của mô hình được minh họa tại hình 2 Hệ thống sẽ gồm ba thành phần chính theo kiến trúc chuẩn của oneM2M, phần thứ nhất là các ứng dụng chuyên biệt đầu cuối cho người dùng Các ứng dụng này sẽ kết nối và truy cập các tài nguyên dịch vụ được cung cấp thông qua CSE trong các

IN (Infrastructure Node) và MN (Middle Node) của hệ thống M2M bằng RESTful API Các node này sẽ nằm trên các máy chủ vật lý và kết nối với nhau thông qua mạng core hay Internet Trong một hệ thống M2M sẽ chỉ có một IN đóng vai trò máy chủ trung tâm và được kết nối đến nhiều MN máy chủ cục bộ tại các vị trí khác nhau Phần thứ ba của hệ thống là các thiết bị cảm biến, có nhiệm vụ thu thập thông tin, theo dõi sự thay đổi của môi trường thực tế và chuyển chúng thành các dữ liệu số Các cảm biến trong cùng một khu vực sẽ được kết nối với một MN để các các tài nguyên của nó được cung cấp cho các ứng dụng hoặc người dùng đầu cuối thông qua CSE trong phạm vi mạng nội bộ và các

MN này sẽ kết nối IN để dữ liệu và tài nguyên này được cung cấp trong một phạm vi rộng rãi thông qua mạng M2M

Server Gateway

Device

AE

CSE

Underlying Network

AE

CSE

NSE

AE

CSE

NSE NSE Underlying Network NSE

Application layer

Service layer

Network layer

Application

HTTP/CoAP/MQTT

DTLS/TLS

UDP/TCP

IPv4/IPv6

(IETF 6LoWPAN)

3G/4G

IEEE 802.11 / IEEE 802.3

IEEE 802.15.4

Tuy nhiên do các cảm biến hay các thiết bị IoT này là các thiết bị hạn chế nên chúng sẽ giao tiếp với nhau thông qua giao thức cho mạng năng lượng thấp Vì vậy, để các thiết bị này có thể giao tiếp với MN sẽ cần có một Gateway trung gian ở giữa làm nhiệm vụ chuyển đổi thông điệp giữa các giao thức Trong hình 2 cũng đặc tả chi tiết chồng giao thức được sử dụng trong các thành phần của hệ thống Các thiết bị IoT sử dụng giao thức IEEE 802.15.4 tại tầng PHY/MAC cho kết nối tốc độ và năng lượng thấp và sử dụng giao thức 6LoWPAN tại tầng mạng để cho phép triển khai IPv6 trên các thiết bị này Mặt khác, tuy hạ tầng mạng IPv6 đã sẵn sàng triển khai trong thực tế, nhưng hiện nay mạng Internet vẫn chủ yếu sử dụng IPv4 Chính vì vậy, để các thiết bị cảm biến có thể kết nối đến Internet và giao tiếp với các hệ thống khác trên Internet, thì các thiết bị này sẽ kết nối với các Gateway hỗ trợ cả hai chuẩn IEEE 802.15.4 và chuẩn Wifi (IEEE 802.11) hoặc Ethernet (IEEE 802.3), cùng cơ chế ánh xạ giữa địa chỉ IPv4 và IPv6

Hình 2 Kiến trúc bảo mật cho hệ thống IoT theo chuẩn oneM2M

Để đảm bảo bảo mật cho hệ thống thì việc bảo mật cho quá trình truyền nhận dữ liệu hay thiết lập bảo mật đầu cuối cho hệ thống là một yêu cầu bắt buộc Trong mô hình bảo mật của oneM2M, giao thức TLS được sử dụng để thiết lập kênh truyền bảo mật giữa các thực thể trong hệ thống Tuy nhiên giao thức TLS sẽ không phù hợp cho việc truyền nhận dữ liệu an toàn giữa các thiết bị cảm biến với các node trong oneM2M vì sự hạn chế về năng lượng, tài nguyên tính toán của các thiết bị cảm biến Trong mô hình này, việc thiết lập kênh truyền bảo mật giữa các thiết bị cảm biến với các node trong mạng oneM2M sẽ dựa trên giao thức DTLS Như đã trình bày ở trên, DTLS không được thiết kế cho các thiết bị IoT hạn chế nên mặc dù hiện nay cũng có một công trình nghiên cứu đề xuất các cơ chế tinh chỉnh và tối ưu DTLS cho các thiết bị IoT nhưng việc triển khai DTLS trên các thiết bị đó trong thực tế vẫn gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là khi tích hợp DTLS với các giao thức khác như CoAP, 6LoWPAN Những vấn đề gặp phải trong quá trình triển khai thực tế sẽ được trình bày chi tiết trong phần thực nghiệm và đánh giá

Hình 3 Xây dựng Plugin để làm việc với giao thức DTLS

Trong phần MN của OM2M chúng tôi xây dựng một Plugin để làm việc với giao thức DTLS, mô tả được thể hiện thông qua hình 3 Module DTLS-Client là module dùng để giao tiếp với DTLS-Server trên sensor với kênh truyền bảo mật DTLS Module DTLS-Client được viết bằng ngôn ngữ C, sau đó build ra file thực thi rồi đưa vào MN làm một module trong đó DTLS-Client có mở một TCP socket dùng để đưa dữ liệu giao tiếp với DTLS-Server ra môi trường bên ngoài thông qua chuẩn Socket, module TCP Socket có nhiệm vụ làm cầu nối giữa OM2M với DTLS, module này

Middle Node Infrastructure Node

OneM2M

End Users

MN

Border Gateway

Gateway

Applications

Sensor

Sensor

Sensor DTLS

DTLS

Internet

Sensor

IN

TCP

IEEE 802.3 IEEE 802.11

TLS Applications

TCP

IPv4

IEEE 802.3

IEEE 802.11

Applications

TLS Applications

TCP

IPv4

IEEE 802.3 iEEE 802.11

TLS Applications

IPv4

IEEE 802.3 IEEE 802.11

DTLS Applications

UDP

6LoWPAN

IEEE 802.15.4

IPv4 6LoWPAN

IEEE 802.15.4

DTLS

UDP

sẽ giao tiếp với TCP Socket Server được mở trên DTLS-Server giúp việc kết nối trở nên dễ dàng và linh hoạt Thành phần tiếp theo trong plugin ở MN đó là Data model, dữ liệu sau khi lấy từ DTLS-Client rồi chuyển sang TCP Socket sẽ được chuẩn hóa theo cấu trúc đã được định nghĩa sẵn tại Data model

3.2 Ứng dụng quản lý và theo dõi sức khỏe bênh nhận qua hệ thống cảm biến y tế dựa trên mô hình đề xuất

Trong phần này chúng tôi sẽ áp dụng mô hình để giải quyết bài toán giám sát và theo dõi sức khỏe bệnh nhân qua hệ thống cảm biến y tế trong các bệnh viện Sự phát triển của IoT trong những năm gần đây đã tác động mạnh mẽ đến lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe Các ứng dụng IoT trong dịch vụ chăm sóc sức khỏe tạo ra mô hình kết nối liền mạch giữa bác sĩ, bệnh nhân, phòng khám và các tổ chức y khoa từ đó sẽ làm giảm chi phí vận hành, tăng cường khả năng cung cấp các dịch vụ y tế, chăm sóc sức khỏe theo yêu cầu Các thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh (smarth-health) như các thiết bị đeo tay thông minh có tích hợp cảm biến y tế, các thiết bị y tế đo đạc chuyên dụng được tích hợp các công nghệ kết nối không dây được đưa vào sử dụng trong thực tế hỗ trợ bác sĩ trong việc tạo hồ sơ y tế số cho từng bệnh nhân, theo dõi các thông số sinh lý, bệnh lý theo thời gian thực để có thể phát hiện và chuẩn đoán sớm bệnh cũng như đưa ra các phác đồ điều trị hợp lý và kịp thời đặc biệt trong các trường hợp bệnh lý có tính khẩn cấp Tuy nhiên một bệnh viện thường có hàng chục khoa khám chữa bệnh khác nhau với hàng trăm đến hàng nghìn giường bệnh

để đáp ứng khám và điều trị nội ngoại trú cho hàng nghìn bệnh nhân Vì vậy, khi triển khai các thiết bị cảm biến y tế để theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân theo thời gian thực thì hệ thống sẽ phải đối mặt với rất nhiều thách thức như việc có một cơ chế quản lý và vận hành hàng nghìn các thiết bị cảm biến kết nối trong mạng, cơ chế tương tác giữa bác

sĩ, bệnh nhân với các thiết bị cảm biến y tế, và đặc biệt là cơ chế bảo mật cho dữ liệu y tế vốn là loại dữ liệu nhạy cảm

và riêng tư

Hệ thống chúng tôi đề xuất được thiết kế theo mô hình phân cấp tương ứng với mô hình hành chính phân cấp của một bệnh viện Sơ đồ triển khai hệ thống được minh họa tại hình 4 Trong đó hệ thống bao gồm một máy chủ trung tâm chịu trách nhiệm quản lý cho toàn bộ bệnh viện, các tòa nhà hoặc các cơ sở tại địa điểm khác nhau sẽ có một máy chủ khu vực chịu trách nhiệm quản lý các thiết bị được sử dụng cho cơ sở đó Việc quản lý, kết nối giữa máy chủ trung tâm và máy chủ khu vực sử dụng nền tảng OM2M, trong đó máy chủ trung tâm đóng vai trò IN còn các máy chủ khu vực là MN Trong mỗi khoa hoặc một phòng ban, sẽ có một thiết bị Gateway cho phép các thiết bị cảm biến y tế theo chuẩn năng lượng thấp kết nối truyền nhận dữ liệu với hệ thống thông qua mạng LAN hoặc Internet Các thiết bị này kết nối với OM2M thông qua IPU (Interworking Proxy Unit), một proxy cho phép OM2M kết nối với các thiết bị không thuộc OM2M Để đảm bảo việc truyền nhận các dữ liệu y tế được bảo mật, tương tự như mô hình đề xuất ban đầu, hệ thống sử dụng DTLS để thiết lập kênh truyền bảo mật giữa cảm biến y tế và MN và dùng giao thức TLS trong việc kết nối và giao tiếp giữa các thực thể trong OM2M

Hình 4 Kiến trúc tổng thể hệ thống theo dõi và giám sát sực khỏe bệnh nhân theo thời gian thực

IV TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Môi trường và thiết bị triển khai thử nghiệm

Trong phần này chúng tôi sẽ tiến hành triển khai thử nghiệm hệ thống giám sát và theo dõi sức khỏe bệnh nhân bằng cảm biến y tế theo mô hình đề xuất Tuy nhiên phạm vi thử nghiệm của chúng tôi sẽ chỉ tập trung triển khai một phiên bản thử nghiệm đơn giản của hệ thống để đánh giá tính khả thi của cơ chế truyền nhận dữ liệu an toàn giữa các

Bệnh viện Tòa nhà/Cơ sở [1-n]

OM2M Platform

Máy chủ khu vực Máy chủ trung tâm

Bác sĩ

Khoa/Phòng Ban [1-n]

6LBR Gateway 802.15.4-ETH GW Cảm biến y tế

Router

Bệnh nhân

MN

CSE

MN-NSE

IN

CSE

MN-NSE TCP/UDP/IP

Thiết bị y tế

Out of Scope Ứng dụng quản lý

và theo dõi sức khỏe

IPE

mcc

mca mca

DTLS TLS

thiết bị cảm biến và OM2M bằng giao thức DTLS Hệ thống triển khai thử nghiệm của chúng tôi được minh họa như hình 5, gồm 3 thành phần chính như sau:

Bộ cảm biến y tế (Cụm a): bao gồm một cảm biến điện cơ, cảm biến ghi lại hoạt động căng trùng của cơ bắp nối với một mạch điều khiển eHealth eHealth là một bộ cảm biến y tế điện tử được phát triển và sản xuất bởi Công ty Libelium [22] Một mạch điều khiển eHealth có thể kết nối với 10 loại cảm biến y tế điện tử cầm tay như cảm biến huyết áp, nhịp tim, lượng đường trong máu, phế dung, điện cơ, … để có thể điều khiển đo đạc các thông số về sức khỏe của bệnh nhân một cách tự động và thu thập được các kết quả đo dưới dạng dữ liệu

số Mạch điều khiển eHealth được kết nối với một mạch Zolertia RE-Mote để có thể truyền và nhận dữ liệu thông qua chuẩn năng lượng thấp IEEE 802.15.4 RE-Mote [22] (vi xử lý CC2538 ARM Cortex-M3 32MHz, 512KB ROM, 32KB RAM) là một mạch phần cứng được phát triển bởi dự ánRERUM (REliable, Resilient and secUre IoT for sMart city applications)

Gateway (Cụm b) được tích hợp dựa trên Zolertia RE-Mote và ENC28J60 ENC28J60 hỗ trợ chuẩn RJ45, được kết nối trực tiếp đến một Wireless Router (Cụm c) và được gán với một địa chỉ IPv4 trong mạng Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây đều được gán địa chỉ IPv6 Nhiệm vụ của Gateway gồm định tuyến trong mạng cảm biến dựa trên giao thức RPL và làm cầu nối giữa hai mạng không đồng nhất

Thành phần IN và MN dựa trên mã nguồn mở OM2M được tích hợp tương ứng trên 2 máy tính với cấu hình Ubuntu 16.04, vi xử lý Inter Core i5, Ram 8GB Ứng dụng giám sát tình trạng sức khỏe được phát triển bởi ngôn ngữ PHP và được tích hợp trên cùng máy chủ vật lý với thành phần IN

Để thiết lập kênh truyền bảo mật giữa bộ cảm biến y tế và MN bằng giao thức DTLS, trên RE-Mote cần phải triển khai chương trình DTLS server và tích hợp DTLS client dưới dạng một plugin trong CSE của MN Thư viện được

sử dụng trong phần thử nghiệm là tinyDTLS [24] với phương thức bảo mật TLS_PSK_WITH_AES_128_CCM_8 và TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CCM_8 Nikitin và cộng sự [25] đã đề xuất sử dụng thư viện tinyDTLS nhưng thử nghiệm với khóa chia sẻ trước và không thể thực hiện xác thực thiết bị, vốn là yêu cầu rất quan trọng trong các ứng dụng y tế, trong đó dữ liệu gửi về phải đảm bảo tính toàn vẹn, xác thực và độ tin cậy cao Một số công trình khác đề cập khóa chia sẻ trước với các phương thức như AES-CCM hoặc AES-GCM Mặc dù đơn giản, AES-CCM và AES-GCM đòi hỏi phải xây dựng hệ thống quản lý khóa phù hợp tại máy chủ MN

Hình 5 Các thành phần trong hệ thống thử nghiệm

4.2 Kết quả thử nghiệm, so sánh, đánh giá và nhận xét

Bảng 1 minh họa thời gian xử lý tương ứng với từng bước của giao thức DTLS Việc đo đạc trên MN là không cần thiết do phân hệ này được triển khai trực tiếp trên máy tính với hiệu năng cao Vì thế, bảng 1 chỉ đưa ra các giá trị tương ứng với DTLS trên các thiết bị cảm biến gồm 8 bước Trong mô hình đề xuất, thiết bị cảm biến nhận và trả lời yêu cầu từ phân hệ MN nên đóng vai trò là máy chủ (server) trong mô hình khách/chủ Có thể thấy, thời gian xử lý chủ yếu tập trung vào hai bước: trao đổi khóa (ServerKeyExchange) (khoảng 20 giây) và thay đổi phương thức mã hóa (ChangeCipherSuite) (khoảng 10 giây) DTLS sử dụng thuật toán mã hóa dựa trên đường cong Elliptic (ECC) với độ dài khóa ngắn Tuy nhiên, vấn đề trao đổi khóa lại dựa trên tính một chiều của hàm logarit rời rạc với một số nguyên tố

đủ lớn, nên đòi hỏi nhiều phép tính phức tạp Bước (5) được bỏ qua do việc xác thực chữ ký số thường dẫn đến tràn bộ nhớ RAM và khởi tạo lại toàn bộ quá trình bắt tay Mặc dù vậy, việc gửi chứng thư của thiết bị vẫn được tiến hành tại Bước (3) với mục tiêu đảm bảo tính toàn vẹn và xác thực của dữ liệu khi nhận được tại MN

Bảng 1 Minh họa thời gian tính toán và xử lý được thực hiện tương ứng các bước trong quá trình bắt tay của DTLS tại thiết bị

(Đơn vị tính: miligiây)

Thời gian (miligiây) Thời gian (miligiây)

(1) HelloVerifyRequest 2 (5) CertificateRequest* (Không thực hiện)

* Tùy chọn (có thể không cần tích hợp)

Bảng 2 đưa ra các giá trị đo liên quan bộ nhớ ROM và RAM trong trường hợp truyền thông điệp với UDP thông thường và trường hợp có tích hợp DTLS Rõ ràng, tích hợp DTLS khiến bộ nhớ ROM tăng khoảng 28 KB và bộ nhớ RAM tăng khoảng 1,2 KB Mức tăng này là chấp nhận được với thiết bị như RE-Mote (512 KB ROM và 32 KB RAM)

Bảng 2 Bộ nhớ được sử dụng với thiết bị bình thường, thiết bị sử dụng DTLS với hai thư viện tinyDTLS và tinyECC

Thiết bị bình thường Thiết bị với DTLS

Những phân tích ở trên là cơ sở để chúng tôi tiến hành thiết lập các thông số cài đặt và cấu hình cần thiết cho hệ thống theo dõi sức khỏe của bệnh nhân bằng cảm biến y tế Một trong những thông số quan trọng nhất chính là thời gian duy trì phiên kết nối Thời gian này hoàn toàn phụ thuộc vào thiết bị cảm biến cần sử dụng Ví dụ, thời gian đo nhịp thở trung bình khoảng 5 phút (trong đó 3 phút là khoảng thời gian cần thiết để thiết bị hoạt động ở trạng thái ổn định) Đo huyết áp, phế dung, lượng đường trong máu cần 2 phút, trong khi thời gian để đo nhiệt độ cơ thể là khoảng 1 phút Nếu so sánh với quá trình đo đạc tại thiết bị cảm biến, thì thời gian 30 giây thực hiện bắt tay (DTLS handshake)

là có thể chấp nhận được Chúng tôi cũng tiến hành thực hiện hơn 1.000 phép đo đạc, trong đó trong một lần sẽ có 5 truy vấn được gửi đi đồng thời với 5 thiết bị khác nhau trên cùng một MN Tỷ lệ các truy vấn được thực hiện thành công và trả về kết quả là 100 %

Hình 6 Kích thước gói tin khi mã hóa DTLS

Khi sử dụng DTLS thì nội dung dữ liệu y tế khi truyền trên đường truyền sẽ được mã hóa giúp cho việc bảo vệ

dữ liệu không bị lộ thông tin và không bị sửa đổi Ví dụ thông tin đo nhiệt độ cơ thể gửi đi là 32,80

Hình 7 Kết quả giám sát thông tin trên môi trường truyền tải sử dụng cơ chế bảo mật DTLS

Nội dung dữ liệu đã được mã hóa thành 22 bytes và dữ liệu sau khi được mã hóa sẽ không thể đọc hiểu được Phương thức mã hóa sử dụng là TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CCM_8 như được mô tả trong hình 7 Với kịch bản không sử dụng DTLS mà chỉ sử dụng thuần UDP thì qua wireshare ta có thể thấy rằng dữ liệu không được mã hóa và có thể dễ dàng đọc hiểu và khai thác được, hơn nữa vì không có cơ chế bảo vệ nên sẽ dễ dàng bị giả mạo Ngoài ra ta có thể thấy là khi không mã hóa thì kích thước payload của phần dữ liệu là 6 bytes

Mặc dù đạt được kết quả khả quan, mô hình đề xuất vẫn tồn tại một số hạn chế Thứ nhất, nó chưa thể xây dựng được CoAP trên tầng ứng dụng CoAP khi tích hợp với DTLS thường dẫn đến tràn bộ nhớ RAM, dù đã được triển khai trên thiết bị RE-Mote (32KB RAM) Do đó không thể đảm bảo được đường truyền bảo mật thông suốt end-to-end giữa người dùng và thiết bị cảm biến đầu cuối Thứ hai, DTLS chỉ thực sự phù hợp với các thiết bị có cấu hình tương tự như RE-Mote Nó không thể tích hợp trên mạch khác như Zolertia Z1 hoặc Micaz (vi xử lý MSP430 8-16 MHz, 96KB ROM, 8KB RAM) Giá thành của RE-Mote cao (≥100 USD/thiết bị) sẽ khiến cho việc triển khai mở rộng hệ thống gặp nhiều khó khăn, thách thức

V KẾT LUẬN

Bài báo thực hiện đánh giá mô hình bảo mật cho mạng vạn vật dựa trên chuẩn oneM2M Trong đó chúng tôi tập trung vào hai nội dung chính là triển khai mô hình trong một ngữ cảnh thực tế là hệ thống giám sát và theo dõi sức khỏe bệnh nhân bằng cảm biến y tế đồng thời triển khai hệ thống thử nghiệm đơn giản bằng các thiết bị phần cứng IoT phổ biến hiện nay Chúng tôi tiến hành đánh giá tính khả thi việc đảm bảo an toàn cho quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị cảm biến không đồng nhất thông qua thử nghiệm điều khiển các thiết bị đo đạc thu thập các thông số sức khỏe qua nền tảng OM2M với giao thức bảo mật là TLS và DTLS Các kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng tuy có thể triển khai giao thức DTLS trên các thiết bị IoT nhưng vẫn còn tồn tại rất nhiều hạn chế như không thể tích hợp đồng thời giao thức tầng ứng dụng (CoAP), thời gian kết nối truyền nhận dữ liệu vẫn có một độ trễ nhất định Bên cạnh đó, chi phí của các thiết bị phần cứng đáp ứng được yêu cầu của DTLS cũng tạo ra rào cản trong việc triển khai hệ thống một cách rộng rãi

VI LỜI CẢM ƠN

Các nghiên cứu trong bài báo này được hỗ trợ của đề tài Nghị định thư năm 2016-2018 “Xây dựng kiến trúc hạ tầng an toàn thông tin cho mạng vạn vật trên nền điện toán đám mây” mã số NĐT.14.TW/16

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Stergiou, Christos, et al "Secure integration of IoT and cloud computing" Future Generation Computer Systems 78 (2018): 964-975

[2] Singh, Vaibhav Pratap, et al "IoT standardization efforts-An analysis" Smart Technologies For Smart Nation (SmartTechCon), 2017 International Conference On IEEE, 2017

[3] Ammar, Mahmoud, Giovanni Russello, and Bruno Crispo "Internet of Things: A survey on the security of IoT frameworks" Journal of Information Security and Applications 38 (2018): 8-27

[4] Borgia, Eleonora "The Internet of Things vision: Key features, applications and open issues" Computer Communications 54 (2014): 1-31

[5] Da Xu, Li, Wu He, and Shancang Li "Internet of things in industries: A survey" IEEE Transactions on industrial informatics 10.4 (2014): 2233-2243

[6] Khan, Minhaj Ahmad, and Khaled Salah "IoT security: Review, blockchain solutions, and open challenges" Future Generation Computer Systems (2017)

[7] "http://www.onem2m.org", accessed on 10th June, 2018

[8] Alaya, M Ben, et al "OM2M: Extensible ETSI-compliant M2M service platform with self-configuration capability" Procedia Computer Science 32 (2014): 1079-1086

[9] IEEE, IeEEE Standard for Local and metropolitan networks–Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), 2012 URL https://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.4-2011.html

[10] Shelby, Zach, and Carsten Bormann 6LoWPAN: The wireless embedded Internet Vol 43 John Wiley & Sons,

2011

[11] Shelby, Zach, Klaus Hartke, and Carsten Bormann "The constrained application protocol (CoAP)." (2014) [12] Hunkeler, Urs, Hong Linh Truong, and Andy Stanford-Clark "MQTT-S-A publish/subscribe protocol for Wireless Sensor Networks" Communication systems software and middleware and workshops, 2008 comsware 2008 3rd international conference on IEEE, 2008

[13] http://www.eclipse.org/om2m/, accessed on 10th June, 2018

[14] T Dierks and E Rescorla The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.2 RFC 5246 (Proposed Standard), August 2008 http://www.ietf.org/rfc/rfc5246.txt

[15] Rescorla, Eric, and Nagendra Modadugu "Datagram transport layer security version 1.2" (2012) https://tools.ietf.org/html/rfc6347

[16] Raza, Shahid, Daniele Trabalza, and Thiemo Voigt "6LoWPAN compressed DTLS for CoAP" Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), 2012 IEEE 8th International Conference on IEEE, 2012

[17] Haroon, Asma, et al "E-Lithe: A Lightweight Secure DTLS for IoT" Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), 2017 IEEE 86th IEEE, 2017

[18] Perelman, Vladislav "Security in IPv6-enabled wireless sensor networks: An implementation of TLS/DTLS for the Contiki operating system" PhD diss., MSc Thesis, Jacobs University Bremen (2012)

[19] Glissa, Ghada, and Aref Meddeb "6LowPSec: An End-to-End Security Protocol for 6LoWPAN" Ad Hoc Networks (2018)

[20] Diogo, Pedro, Nuno Vasco Lopes, and Luis Paulo Reis "An ideal IoT solution for real-time web monitoring" Cluster Computing 20.3 (2017): 2193-2209

[21] Sicari, Sabrina, et al "Secure OM2M service platform" Autonomic Computing (ICAC), 2015 IEEE International Conference on IEEE, 2015

[22] http://www.my-signals.com/, accessed on 11th June, 2018

[23] https://github.com/Zolertia/Resources/wiki/RE-Mote, accessed on 11th June, 2018

[24] Bergmann, Olaf "TinyDTLS" Web page: http://tinydtls sourceforge net/ Visited (2013): 02-15

[25] Nikitin, Kirill "DTLS Adaptation for Efficient Secure Group Communication" (2015)

REVIEW THE SECURITY MODEL FOR INTERNET OF THINGS (IOT) WITH OneM2M Nguyen Van Tanh, Nguyen Gia Tuyen, Mac D inh Hieu, Bui Trong Tung, Tran Quang Duc, Nguyen Linh Giang

ABSTRACT: The Internet of Things is being used extensively in life from industrial activities, automation, environmental

monitoring, transportation to life support systems such as smart homes, smart city, supervision and health care, etc Besides the tremendous benefits, IoT also has many challenges such as the variety and complexity of connectivity standards, heterogeneity hardware, software, communication mechanisms of IoT equipment in the network infrastructure Traditional security models and solutions are no longer relevant and effective with IOT network infrastructure In this paper, we introduce a security model for the OneM2M-based network and propose a model in a real-time monitoring system supporting patient monitoring with a sensor system medical We also implemented a simple test version of the above system in a realistic environment to evaluate the feasibility of secure data transmission between medical sensors and OM2M systems, DTLS protocol The experimental results of the system will

in fact show the effectiveness of the proposed model as well as the challenges that need to be addressed…

Keyword: IoT, oneM2M, DTLS, OM2M, Security for IoT.