Một hướng phân tích an ninh cho hệ thống IoT theo kiến trúc mạng mới

- MỘT HƯỚNG PHÂN TÍCH AN NINH CHO HỆ THỐNG IOT THEO KIẾN TRÚC MẠNG MỚI.
- Việc đảm bảo an ninh an toàn cho các thành phần tham gia kết nối trong môi trường IoT là một nhu cầu cấp bách và là thách thức to lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu và phát triển.
- Nhiều nghiên cứu được thực hiện, đề xuất xây dựng kiến trúc IoT dựa trên SDN nhằm nâng cao chính sách an ninh an toàn trong IoT, nhưng kiến trúc tích hợp này vẫn tiềm ẩn những rủi ro đáng lo ngại.
- Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất hướng phân tích an ninh cho hệ thống IoT theo kiến trúc mạng mới SDN (IoT-SDN) sử dụng công cụ TMT của Microsoft, nhằm xác định các mối đe dọa tiềm ẩn và đưa ra các kiến nghị phòng ngừa, giảm thiểu các nguy cơ đe dọa an ninh mạng.
- Kết quả thực nghiệm đã chứng minh được sự tồn tại khách quan các mối nguy hiểm trong các hệ thống thực tế.
- Trong bối cảnh bùng nổ Internet vạn vật như hiện nay, từ các thiết bị cảm biến, thiết bị y tế, xe tự lái [2] cho đến nhà thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh, công nghiệp thông minh,… đều được kết nối với nhau, thì vấn đề đảm bảo an ninh càng là vấn đề cấp thiết và cần được đặt lên quan tâm hàng đầu.
- Thiếu an toàn trong hệ thống IoT có thể là nguy cơ trực tiếp ảnh hưởng đến cuộc sống của con người..
- Trong khi đó, hệ thống IoT bao gồm nhiều thiết bị không đồng nhất sử dụng đa giao thức, mỗi giao thức có cơ chế truy cập và các biện pháp an ninh khác nhau.
- Nhưng chưa có một cơ chế an ninh hợp nhất trong IoT.
- Các tiêu chí tiếp cận bảo mật thông thường như phát hiện xâm phạm và hệ thống phòng ngừa (IPS/IDS), tường lửa, được triển khai tại các thiết bị trong mạng để bảo vệ trước các cuộc tấn công từ bên ngoài hệ thống.
- Nhưng trong trường hợp của IoT, nơi mà sự truy cập mạng là không giới hạn và không biên giới, việc kiểm soát hệ thống càng trở nên khó khăn hơn..
- Hơn nữa, với sự gia tăng số lượng lớn các thiết bị IoT, số lượng dữ liệu được thu thập và tạo ra là rất lớn làm cản trở việc giám sát, quản lý, kiểm soát và bảo mật các thiết bị IoT trong mạng, việc xây dựng các giải pháp đảm bảo an ninh an toàn cho các thiết bị này trở thành một vấn đề thách thức đối với các nhà nghiên cứu và phát triển..
- Với việc áp dụng kiến trúc SDN, vấn đề cấu hình và quản lý các thiết bị trong hệ thống IoT được đơn giản hóa đáng kể.
- Ngoài ra, SDN cung cấp khả năng phản ứng nhanh với các mối đe dọa an ninh, lọc lưu lượng truy cập cụ thể và triển khai chính sách an ninh.
- Vì thế, kiến trúc tích hợp IoT dựa trên SDN được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm, mở ra một hướng đi mới trong việc đảm bảo an ninh an toàn trong hệ thống IoT..
- Kiến trúc tích hợp IoT dựa trên SDN (IoT-SDN) là kiến trúc được khuyến cáo là khá tối ưu trong việc cải tiến an ninh an toàn cho hệ thống IoT nhưng vẫn tiềm ẩn nhiều rủi ro đáng lo ngại.
- Trong bài báo này, chúng tôi thảo luận những thách thức an ninh còn tồn tại, đồng thời đề xuất phương pháp phân tích an ninh cho kiến trúc IoT-SDN thông qua công cụ TMT của microsoft, tìm ra các mối nguy hiểm tiềm ẩn trong hệ thống, từ đó đề xuất biện pháp phòng ngừa và ngăn chặn đe dọa an ninh phù hợp, góp phần cải tiến an toàn bảo mật cho công nghệ mới này..
- Kiến trúc IoT.
- IoT là hệ thống gồm các đối tượng được tích hợp liền mạch vào mạng thông tin.
- Các đối tượng tham gia có thể là thiết bị vật lý hoặc ảo được xác định là duy nhất trên mạng, kết nối với nhau thông qua Internet [1].
- Các thiết bị sử dụng đa giao thức không đồng nhất, mỗi giao thức có cơ chế truy cập và các biện pháp an ninh khác nhau.
- Kiến trúc IoT điển hình gồm 3 lớp:.
- Lớp cảm nhận (Perception layer): Chịu trách nhiệm về gửi và thu thập dữ liệu từ thiết bị và con người đưa vào IoT.
- Kiến trúc mạng truyền thống có thành phần điều khiển (quản lý lưu lượng) và thành phần chuyển tiếp (chuyển tiếp gói tin) tập trung trong một thiết bị.
- Vì thế, thiết bị thường chậm hơn, đắt tiền không linh hoạt và khó mở rộng.
- Do đó, SDN có chính sách an ninh chủ động thông minh..
- Lớp điều khiển (control layer): chịu trách nhiệm về việc kiểm soát và ra quyết định về cách chuyển tiếp các gói tin trên một hoặc nhiều hơn các thiết bị mạng.
- Công việc chính của tầng điều khiển là tinh chỉnh các bảng chuyển tiếp trong các thiết bị mạng dựa trên topo mạng hoặc yêu cầu từ các dịch vụ;.
- Kiến trúc SDN 2.3.
- Đây là các phương thức tấn công an ninh mạng phổ biến.
- Mô hình STRIDE được dùng để xây dựng sơ đồ luồng dữ liệu (DFD - Data Flow Diagram) của hệ thống bị tấn công..
- Kiến trúc IoT dựa trên SDN (IoT-SDN).
- SDN có thể sử dụng như một lớp phủ nhằm đảm bảo cho việc thích ứng của các thiết bị IoT trong ứng dụng thực tế.
- Kiến trúc IoT-SDN điển hình như hình 2 [17] bao gồm 4 lớp.
- Lớp thấp nhất là lớp thiết bị, gồm các thiết bị cảm biến, dùng để thu thập một lượng lớn dữ liệu từ các ứng dụng khác nhau trong IoT.
- Lớp giao vận gồm Gateways, thiết bị định tuyến và chuyển mạch SDN, Data Storage.
- Kiến trúc IoT dựa trên SDN.
- Trong kiến trúc IoT- SDN, bộ điều khiển SDN không chỉ quản lý các thiết bị không đồng nhất trong hệ thống IoT mà còn giám sát, theo dõi lưu lượng.
- Bộ điều khiển SDN góp phần đảm bảo an toàn hiệu quả cho hệ thống IoT khỏi các cuộc tấn công từ bên trong và bên ngoài hệ thống.
- Để thực hiện được điều này, bộ điều khiển trung tâm được thiết lập để kết nối với thiết bị chuyển mạch qua giao thức OpenFlow [12].
- Giao thức OpenFlow được bổ sung vào các thiết bị mạng như bộ chuyển mạch (switch), bộ định tuyến (router) và các điểm truy cập không dây (AP) nhằm cung cấp một một giao thức mạng để người quản trị mạng có thể thiết kế, lập trình việc quản lý lưu lượng truy cập trực tiếp giữa các thiết bị định tuyến và các thiết bị chuyển mạch trong mạng đang hoạt động..
- Vấn đề an ninh trong IoT.
- Hệ thống IoT bao gồm nhiều thiết bị được kết nối với nhau và kết nối với mạng Internet.
- Do các thiết bị này đều có chủ sở hữu, nên dữ liệu thu thập được từ các thiết bị có thể chứa thông tin cá nhân liên quan đến người sử dụng nó, chẳng hạn 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 [14], [15].
- Thách thức an ninh đối với hệ thống IoT gồm: xác thực đối tượng, bảo mật và toàn vẹn, xác thực ủy quyền, phần mềm độc hại..
- Hệ thống IoT nói chung gồm thiết bị phần cứng, phần mềm, dịch vụ.
- Các lỗ hổng kỹ thuật thường xảy ra do điểm yếu của người thiết kế hệ thống.
- Việc bảo đảm an ninh đòi hỏi phải bảo vệ các thiết bị lẫn dịch vụ IoT từ việc truy cập trái phép từ bên ngoài thiết bị, bảo vệ các dịch vụ, tài nguyên phần cứng, thông tin và dữ liệu, trong quá trình chuyển đổi và lưu trữ.
- Trong quá trình này thông tin/dữ liệu có thể giả danh, can thiệp/sửa đổi, đánh cắp thông tin, từ chối dịch vụ,… phân tích an ninh đối với hệ thống trong trường hợp này là tìm những rủi ro tiềm ẩn đối với mỗi thành phần, từ đó xây dựng kịch bản giảm thiểu khi có sự cố xảy ra.
- Bảo mật thông tin là một vấn đề quan trọng trong các thiết bị và dịch vụ IoT do tính phổ biến của kiến trúc IoT..
- Việc xác định sớm các mối đe dọa tiềm ẩn trong hệ thống sẽ giảm chi phí, tránh.
- Vì thế, được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm để nghiên cứu tích hợp kiến trúc IoT dựa trên kiến trúc mạng mới SDN để cải tiến an ninh an toàn cho hệ thống..
- Trong đó, [17] đã đưa ra mô hình IoT-SDN chung, nhưng các phân tích mới mang tính biện luận, chưa có các phương pháp phân tích cụ thể, không phù hợp với điều kiện triển khai IoT trong thực tế, [6] đề xuất giải pháp thực hiện đảm bảo an ninh cho IoT qua việc triển khai tường lửa, IPS, IDS, với chính sách an ninh được cài đặt vào các thiết bị chuyển mạch OpenFlow.
- Tuy nhiên, thiết bị xác thực mạng, người dùng và các đối tượng với người dùng trong IoT đang dùng các công nghệ không đồng nhất dẫn đến các rủi do tiềm ẩn trong hệ thống IoT - SDN..
- Ngoài ra, có nhiều nghiên cứu về cải tiến an ninh trên kiến trúc tích hợp IoT - SDN với giải pháp sử dụng một bộ điều khiển tập trung SDN .
- Nếu cuộc tấn công xảy ra tại bộ điều khiển SDN, hệ thống có thể bị kiểm soát hoàn toàn, gây hậu quả nghiêm trọng.
- Khi một trong các bộ điều khiển SDN bị lỗi, bộ điều khiển khác có thể kiểm soát các lỗi của hệ thống.
- Tuy nhiên việc sử dụng nhiều bộ điều khiển sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống..
- Như vậy, kiến trúc IoT- SDN đề ra tuy đạt được nhiều hiệu quả về cải tiến an ninh an toàn cho hệ thống IoT, nhưng chưa có phương pháp phân tích cụ thể và vẫn tồn tại những mối đe dọa tiềm ẩn.
- Trong phạm vi nghiên cứu, chúng tôi đề xuất sử dụng công cụ TMT của Microsoft để xây dựng mô hình đe dọa của kiến trúc IoT-SDN điển hình, đồng thời phân tích an ninh trên hệ thống đó, xác định những rủi ro tiềm ẩn trong hệ thống, qua đó đề xuất một số biện pháp điển hình để giảm thiểu rủi ro..
- PHÂN TÍCH AN NINH CHO HỆ THỐNG IOT-SDN 4.1.
- Phân tích an ninh cho hệ thống IoT-SDN điển hình.
- Trong thực tế, các thiết bị IoT tham gia kết nối có thể có hoặc không có khả năng SDN.
- Nếu các thiết bị IoT được tích hợp khả năng SDN, sẽ kết nối trực tiếp với bộ điều khiển SDN Controllers và nhận sự điều khiển trực tiếp từ lớp này mà không cần thông qua lớp giao vận (Communication layer), đối với các thiết bị IoT không được tích hợp SDN, các thiết bị này cần được kết nối thông qua các thiết bị chuyển mạch có hỗ trợ SDN..
- Trong phạm vi nghiên cứu, chúng tôi phân tích an ninh cho kiến trúc IoT theo kiến trúc mạng mới SDN (IoT- SDN), kiến trúc này tương đồng với kiến trúc IoT- SDN trong [17] gồm bốn lớp: Lớp chứa các thiết bị IoT (Device IoT), lớp giao vận (switch, router, data storage), lớp chứa bộ điều khiển SDN (SDN controllers), lớp chứa các ứng dụng, dịch vụ của các nhà phát triển và khai thác (sevice, sevice application).
- Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, các thiết bị IoT mặc định không có khả năng SDN, vì vậy cần kết nối qua thiết bị chuyển mạch hỗ trợ SDN để đảm bảo kết nối với tầng điều khiển bên trên.
- Mô hình DFD kiến trúc IoT - SDN.
- Đối với các thiết bị IoT có tích hợp SDN có thể đối xử như là kết nối qua chuyển mạch SDN với một cổng ra, qua đó có thể áp dụng nguyên sơ đồ DFD đã được phân tích ở trên..
- Mô hình TMT do Microsoft đề xuất, được sử dụng phổ biến rộng rãi, nhưng chưa được ứng dụng trong phân tích an ninh cho mô hình IoT-SDN.
- Các phiên bản được cải tiến trong nhiều năm, phiên bản mới nhất năm 2016 cho phép xây dựng sơ đồ luồng dữ liệu DFD của hệ thống một cách dễ dàng, tự động phân tích an ninh dựa trên sự tương tác giữa thành phần của mô hình để đưa ra các rủi ro có liên quan đến hệ thống, tự động phân loại các mối đe dọa xác định được theo cách tiếp cận của mô hình STRIDE..
- Với kiến trúc IoT- SDN như trên, chúng tôi xây dựng mô hình đe dọa như hình 4.
- Các mối đe dọa ảnh hưởng đến các thành phần của hệ thống được TMT tự động phân tích và xác định như sau:.
- Danh sách các mối đe dọa của hệ thống IoT-SDN.
- Như vậy, kiến trúc IoT-SDN tuy đạt hiệu quả hơn so với kiến trúc IoT truyền thống (khi chưa tích hợp SDN) về bảo đảm an ninh an toàn hệ thống.
- Tuy nhiên, thông qua việc phân tích an ninh cho mô hình DFD của hệ thống IoT- SDN điển hình bằng công cụ TMT, phát hiện được 35 lỗi tiềm ẩn trong các thành phần của hệ thống (hình 5).
- Các mối đe dọa được thống kê và phân tích cụ thể khi tác động đến những thành phần của kiến trúc (Sevice, SDN Controller, Data Storage, Switch, Router hoặc Device IoT): có 20 mối đe dọa Spoofing (Giả danh), có 3 mối đe dọa Tampering (Can thiệp/sửa đổi), 4 mối đe dọa Information Disclosure (Đánh cắp thông tin), 4 mối đe dọa Denial of Service (Từ chối dịch vụ), 4 mối đe dọa Elevation of Privilege (Giả quyền)..
- Trong hệ thống IoT nói chung, các thiết bị IoT chứa lớp cảm nhận gồm số lượng lớn các thiết bị dùng để thu thập dữ liệu từ môi trường bên ngoài theo thời gian thực: Smart card, Reader, RFID, sensor.
- Mỗi thiết bị chứa các lỗ hổng dẫn đến vấn đề mất an toàn cho hệ thống IoT như hiểm họa từ tin tặc, các cuộc tấn công đến các bộ cảm biến,….
- các vấn đề tồn tại trong các thiết bị đầu cuối bao gồm sự rò rỉ thông tin, giả mạo [21], [22].
- Vì vậy, trong phạm vi nghiên cứu, chúng tôi đặc biệt chú trọng vào vấn đề đảm bảo an toàn bảo mật cho các thiết bị IoT.
- Kết hợp với kết quả phân tích an ninh cho hệ thống IoT- SDN nêu trên, các mối đe dọa tiềm ẩn trong hệ thống được xác định, trên cơ sở đó, chúng tôi đề xuất một số biện pháp điển hình để giảm thiểu rủi ro cho các thiết bị như sau:.
- Gán danh tính cho các thiết bị và xác thực thiết bị: Khi thay đổi thiết bị hoặc một phần của thiết bị so với một số thiết bị khác, do vậy rất khó để phân biệt được đang giao tiếp với thiết bị nào? Xác thực thiết bị bằng cách sử dụng bảo mật lớp giao vận (TLS) hoặc giao thức an toàn IPSec, hoặc cơ sở hạ tầng phải hỗ trợ sử dụng khóa chia sẻ trên các thiết bị.
- Biện pháp này cho phép giảm thiểu được mối đe dọa S (Spoofing) xảy ra đối với thiết bị..
- Áp dụng các cơ chế giả mạo cho thiết bị, bằng cách làm cho khó có thể trích xuất các khóa và các tài liệu mã hóa khác từ thiết bị: Nguy cơ là nếu ai đó giả mạo thiết bị (nhiễu vật lý), làm thế nào để chắc chắn thiết bị đó không bị giả mạo.
- Biện pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là modul nền tảng tin cậy cho phép lưu trữ các khóa trong mạch, trên chip mà không thể đọc được nhưng chỉ có thể được sử dụng cho các hoạt động mã hóa mà sử dụng khóa nhưng không bao giờ tiết lộ khóa, gọi là mã hóa bộ nhớ của thiết bị và quản lý khóa cho thiết bị.
- Biện pháp này cho phép giảm thiểu được mối đe dọa T, R, I, D (Tampering, Repudiation, Information Disclosure, Denial of Service) xảy ra đối với thiết bị..
- Quyền kiểm soát truy cập vào các thiết bị: Nếu thiết bị cho phép các hành động riêng lẻ được thực hiện dựa trên các lệnh từ nguồn bên ngoài hoặc thậm chí các bộ cảm biến bị xâm phạm, nó cho phép cuộc tấn công thực hiện, các hoạt động khác không thể truy cập được.
- Biện pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là có kế hoạch ủy quyền cho các thiết bị, qua đó giảm thiểu được mối đe dọa E (Elevation of Privilege) với thiết bị..
- Mã hóa lưu lượng truy cập: Tin tặc có thể lắng nghe hoặc can thiệp vào việc giao tiếp giữa thiết bị IoT với thiết bị chuyển mạch hay bộ định tuyến hoặc đọc dữ liệu khi chuyển tiếp giữa các thiết bị, dẫn đến dữ liệu bị giả mạo, gây quá tải đối với thiết có thêm kết nối mới.
- Biện pháp giảm thiểu hiệu quả là bảo mật ở cấp giao thức, qua đó cho phép giảm thiểu được mối đe dọa T, I, D (Tampering, Information Disclosure, Denial of Service) xảy ra đối với thiết bị..
- Với những đề xuất trên, chúng tôi áp dụng vào kiến trúc IoT- SDN điển hình như đã nêu, đồng thời sử dụng công cụ TMT để phân an ninh và xác định những lỗ hồng còn lại sau đề xuất, kết quả thu được: có 6 mối đe dọa được giảm thiểu, hệ thống còn 29 mối đe dọa tồn tại, giảm 8,3 % so với tổng số lượng mối đe dọa ban đầu.
- Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được sự tồn tại khách quan các mối đe dọa trong các hệ thống thực tế, các biện pháp đề xuất đã làm thay đổi rõ rệt đến hệ thống thông qua các mối đe dọa thống kê được.
- Việc phát hiện sớm và có biện pháp giảm thiểu kịp thời sẽ góp phần cải tiến an toàn bảo mật cho hệ thống..
- Tính bảo mật của các hệ thống IoT rất phức tạp, do có số lượng lớn các thành phần tham gia kết nối, khả năng tương tác giữa các thành phần của hệ thống cũng khác nhau, vì thế luôn tiềm ẩn những nguy cơ về mất an toàn thông tin.
- Sơ đồ rủi ro này là điểm khởi đầu để tiếp tục xây dựng mô hình hóa rủi ro liên quan đến hệ thống IoT sau này.
- Bắt đầu với mô hình đe dọa càng sớm càng tốt để đảm bảo tính an toàn bảo mật cho hệ thống mà không tốn thêm chi phí là mối quan tâm hàng đầu của người sử dụng cũng như các tổ chức, doanh nghiệp..
- Trong khuôn khổ nghiên cứu, bài báo đã phân tích được các nguy cơ đe dọa hệ thống IoT - SDN, là hệ thống được khuyến cáo có nhiều tính năng nâng cao an ninh an toàn cho hệ thống IoT, từ đó có được cái nhìn toàn cảnh về các mối đe dọa tiềm ẩn, đồng thời bước đầu đưa ra những khuyến cáo nhằm gia tăng an ninh an toàn cho hệ thống IoT..
- Việc ứng dụng công cụ TMT cho phép xây dựng được mô hình đe dọa, tổng hợp các nguy cơ đe dọa tiềm ẩn và phân tích các mối đe dọa ảnh hưởng đến các thành phần để có biện pháp cải tiến, đảm bảo an ninh an toàn cho hệ thống.
- Các biện pháp đề xuất giảm thiểu rủi ro bước đầu cho kết quả khả quan với số lượng các rủi ro giảm xuống, mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo cho nhóm tác giả tập trung vào việc giảm thiểu rủi ro cho các thành phần khác của hệ thống.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt