Đề tài: Tìm hiểu về IoT| Thực tập cơ bản | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ----------
BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
Đề tài: Tìm hiểu về IoT
Giảng viên: TS. Nguyễn Thanh Bình
Họ và tên sinh viên: Trần Hồng Quân Mã số sinh viên: 20167348
Lớp: Điện tử-Viễn thông 05-K61 Hà Nội, tháng 8-2021 LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của Internet of Things (IoT) đã và
đang góp phần định hình xã hội thông tin tương lai. Internet kết nối vạn vật thay đổi cách
tiếp cận và ứng dụng của công nghệ nhưng đồng thời cũng tạo điều kiện phát sinh các
nguy cơ mới về an ninh, an toàn và bảo mật thông tin. Có thể thấy rằng với một môi
trường đa dạng, phức tạp, đa vật thể cùng các chuẩn kết nối không đồng nhất, việc đầu tư
nghiên cứu xây dựng một hệ thống hoàn thiện về an ninh vẫn chưa thực sự thuyết phục
được cộng đồng công nghệ.
Trong phạm vi bài viết, chúng tôi sẽ nêu ra một cái nhìn tổng quan về môi trường
Internet of Things, các vấn đề liên quan đến giải pháp an ninh hiện thời, những thách
thức và khó khăn phía trước trong lĩnh vực này.Cuối bài viết chúng tôi cũng đưa ra
những đề xuất về định hướng nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ chế an ninh của hệ thống Internet of Things
Bài báo này được tổ chức như sau :
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan về IoT.
Chương 2. Cơ sở kỹ thuật của IoT.
Chương 3. Cơ chế bảo mật và những thách thức an ninh trong IoT.
Chương 4. Công cụ triển khai dự án IoT.
Chương 5. Kỹ thuật triển khai một dự án IoT
Chương 6. Các thách thức trong nghiên cứu, triển khai dự án IoT
Chương 7. Đề xuất các hướng nghiên cứu cho nền tảng IoT
Do còn thiếu kinh nghiệm trong quá trình tìm hiểu nội dung, em mong nhận được sự
góp ý, bổ sung của thầy, cô để bài viết được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 2 MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................2
MỤC LỤC.................................................................................................................. 3
NỘI DUNG................................................................................................................6
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ IoT................................................6
1.1. Khái niệm.........................................................................................................6
1.2. Lợi ích của IoT.................................................................................................7
1.3. Các yêu cầu của một hệ thống IoT.................................................................10
1.4. Các đặc trưng cơ bản của IoT.........................................................................11
1.5. Ưu và nhược điểm của IoT.............................................................................12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA IoT...........................................................13
2.1. Kiến trúc hệ thống IoT...................................................................................13
2.1.1. Các tầng của kiến trúc IoT.......................................................................13
2.1.2. Các giai đoạn của kiến trúc IoT...............................................................14
2.2. Các giao thức IoT phổ biến............................................................................16
2.2.1. Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)....................................18
2.2.2. HyperText Transfer Protocol (HTTP)......................................................21
2.2.3. Constrained Application Protocol (CoAP)...............................................24
2.3. Yêu cầu về cơ sở hạ tầng kỹ thuật của hệ thống IoT......................................29
2.3.1. Năng lực truyền thông (Communication Capabilities).............................30
2.3.2. Công suất thiết bị (Device Power)...........................................................30
2.3.3. Công nghệ cảm biến (Sensor Technology)..............................................31
2.3.4. Thời gian đáp ứng....................................................................................32
2.4. Công nghệ kết nối trong IoT..........................................................................33
2.4.1. Nhận dạng tần số vô tuyến (RFID - Radio Frequency Identification)......33
2.4.2. Bluetooth.................................................................................................34
2.4.3. ZigBee.....................................................................................................35 3
2.4.4. Z-wave.....................................................................................................35
2.4.5. Ultra-wideband........................................................................................35
2.4.6. Wifi..........................................................................................................36
2.4.7. Lifi...........................................................................................................36
2.4.8. Công nghệ NB-IoT và LoRa....................................................................37
CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ BẢO MẬT VÀ NHỮNG THÁCH THỨC AN NINH
TRONG IoT..................................................................................................................... 37
3.1. Kiến trúc an ninh trong IoT............................................................................37
3.2. Cơ chế bảo mật trong IoT...............................................................................39
3.2.1. Phương pháp mã hóa................................................................................39
3.2.2. An ninh thông tin truyền thông................................................................41
3.2.3. An ninh dữ liệu cảm biến.........................................................................44
3.2.4. An ninh lớp hỗ trợ, điện toán đám mây....................................................45
3.2.5. An ninh lớp ứng dụng..............................................................................45
3.2.6. An ninh hệ thống IoT trên nền tảng IP.....................................................46
CHƯƠNG 4: CÔNG CỤ TRIỂN KHAI DỰ ÁN IoT..............................................48
4.1. Danh sách các thiết bị IoT hàng đầu...............................................................49
4.1.1. Tessel 2....................................................................................................49
4.1.2. Eclipse IoT...............................................................................................50
4.1.3. Arduino....................................................................................................50
4.1.4. Platform IoT.............................................................................................50
4.1.5. M2M Labs Mainspring............................................................................50
4.1.6. Kinoma....................................................................................................50
4.1.7. Device – Hive..........................................................................................51
4.1.8. Kaax.........................................................................................................51
4.1.9. Trợ lý tại nhà............................................................................................51
4.1.10. Net.........................................................................................................51
4.1.11. Raspbian................................................................................................51
4.2. IoT Platforms: Công cụ cho Internet of Things..............................................52
4.2.1. IoT Platform là gì?...................................................................................52 4
4.2.2. Hình thức kết nối thiết bị nào được hỗ trợ?..............................................53
4.2.3. Những giao thức truyền tin và công nghiệp nào có thể được dùng?........53
4.2.4. Mở rộng quy mô hệ thống và loại thiết bị khi có các yêu cầu thay đổi
trong tương lai........................................................................................................... 54
4.2.5. IoT Platform có thể giải quyết các vấn đề gì?..........................................54
4.2.6. Công nghệ của IoT Platform....................................................................60
4.2.7. Làm thế nào để chọn IoT Platform phù hợp?...........................................63
CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT TRIỂN KHAI MỘT DỰ ÁN IoT..................................68
5.1. Những thách thức của các dự án IoT..............................................................68
5.2. Cách triển khai dự án IoT thành công............................................................69
5.2.1. Tìm hiểu những điều cơ bản....................................................................69
5.2.2. Xác định ca sử dụng của bạn....................................................................69
5.2.3. Nghiên cứu và chọn một nền tảng / công cụ IoT......................................70
5.2.4. Chọn phần cứng IoT phù hợp cho dự án IoT của bạn..............................71
5.2.5. Xây dựng nguyên mẫu IoT đầu tiên của bạn............................................73
5.2.6. Tìm đối tác IoT (nghĩa là Xác định bộ kỹ năng của bạn và những gì bạn
đang thiếu)................................................................................................................74
CHƯƠNG 6: CÁC THÁCH THỨC TRONG NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI DỰ
ÁN IoT............................................................................................................................ 76
6.1. Chưa có một ngôn ngữ chung........................................................................76
6.2. Hàng rào subnetwork.....................................................................................76
6.3. Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương"............................................................77
6.4. Tiền và chi phí................................................................................................77
CHƯƠNG 7: ĐỀ XUẤT CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHO NỀN TẢNG IoT...77
7.1. Nghiên cứu về an ninh cho nền tảng IoT........................................................77
7.2. Nghiên cứu ứng dụng IoT trong tạo lập và quản lý tài nguyên số..................80
KẾT LUẬN.............................................................................................................. 83 5 NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ IoT 1.1. Khái niệm.
Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận
biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây là một
viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và
khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa
con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính. IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các
công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet. Cụm từ này được đưa 6
ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT.
"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ
tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi
lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà
có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới.
IoT phải có 2 thuộc tính:
Một là đó phải là một ứng dụng internet.
Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ.
Theo Liên minh Viễn thông quốc tế (International Telecommunication Union - ITU) định nghĩa
năm 2012: “Internet of Things là một cơ sở hạ tầng toàn cầu đối với xã hội thông tin làm
cho các dịch vụ tiên tiến có sẵn bằng cách liên kết đối tượng (vật lý hay ảo) thông qua các
thông tin và truyền thông công nghệ tương thích hiện có hoặc phát triển".
Như vậy, có thể hiểu IoT là khái niệm dùng để chỉ việc mọi vật được kết nối với nhau
qua mạng Internet, trong đó người dùng có thể chia sẻ, trao đổi, khai thác dữ liệu và kiểm
soát các thiết bị của mình qua mạng Internet. 1.2. Lợi ích của IoT.
Các ứng dụng công nghệ đến từ Internet vạn vật (IoT) hứa hẹn mang đến những
giá trị to lớn cho con người. Trong những năm gần đây, chúng ta đã thấy sự xuất hiện của
những hệ thống nhà thông minh hay các thiết bị gia dụng thông minh có điều khiển bằng
giọng nói. Tuy nhiên, McKinsey cũng đưa ra nhận định nhà thông minh mới chỉ là khởi 7
đầu của một thế giới internet vạn vật. Ứng dụng quan trọng nhất của IoT là số hóa quá
trình sản xuất trong các ngành kinh tế.
IoT đã được tìm thấy các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, bao
gồm cả chăm sóc sức khỏe ,những thành phố thông minh, xây dựng, năng lượng, mạng
lưới thông minh, công nghiệp tự động, dự báo thời tiết, kiểm soát môt trường, logistic,
quản lý tài nguyên, nông nhiệp, mua sắm thông minh, tự động và hơn thế nữa là do đặc
điểm và sự phổ biến của nó. Cùng tham khảo một số lĩnh vực công nghiệp đã và đang áp
dụng IoT tích hợp vào bên trong như thế nào. Ngành chế tạo
Các nhà sản xuất có thể đạt được lợi thế cạnh tranh bằng cách sử dụng giám sát dây
chuyền sản xuất để cho phép bảo trì chủ động trên thiết bị khi cảm biến phát hiện ra lỗi sắp xảy ra.
Các cảm biến thực sự có thể đo lường khi sản lượng sản xuất bị tổn hại. Với sự trợ
giúp của cảnh báo cảm biến, các nhà sản xuất có thể nhanh chóng kiểm tra độ chính xác 8
của thiết bị hoặc loại bỏ nó khỏi sản xuất cho đến khi nó được sửa chữa. Điều này cho
phép các công ty giảm chi phí hoạt động, có thời gian hoạt động tốt hơn và cải thiện quản lý hiệu suất tài sản. Ngành ô tô
Ngành công nghiệp ô tô đã nhận ra những lợi thế đáng kể từ việc sử dụng các ứng
dụng IoT. Ngoài những lợi ích của việc áp dụng IoT vào dây chuyền sản xuất, các cảm
biến có thể phát hiện lỗi thiết bị sắp xảy ra trên các phương tiện đã đi trên đường và có
thể cảnh báo cho người lái xe một cách chi tiết.
Nhờ thông tin tổng hợp được thu thập bởi các ứng dụng dựa trên IoT, các nhà sản
xuất và nhà cung cấp ô tô có thể tìm hiểu thêm về cách giữ cho xe chạy và thông báo cho
chủ xe về các thông tin phía trước. Giao thông vận tải
Các đội xe ô tô, xe tải và tàu chở hàng tồn kho có thể được định tuyến lại dựa trên
điều kiện thời tiết, tính sẵn có của xe hoặc tính khả dụng của tài xế, nhờ dữ liệu cảm biến
IoT. Bản thân hàng tồn kho cũng có thể được trang bị các cảm biến để theo dõi và kiểm soát nhiệt độ.
Các ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, hoa và dược phẩm thường là những
mặt hàng tồn kho nhạy cảm với nhiệt độ sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ các ứng dụng
giám sát IoT gửi thông báo khi nhiệt độ tăng hoặc giảm có thể ảnh hưởng đến sản phẩm. Ngành bán lẻ
Các ứng dụng IoT cho phép các công ty bán lẻ quản lý hàng tồn kho, cải thiện trải
nghiệm của khách hàng, tối ưu hóa chuỗi cung ứng và giảm chi phí hoạt động.
Ví dụ: kệ thông minh được trang bị cảm biến trọng lượng có thể thu thập thông tin
dựa trên RFID và gửi dữ liệu tới nền tảng IoT để tự động theo dõi hàng tồn kho và kích
hoạt cảnh báo nếu các mặt hàng sắp hết. Chăm sóc sức khỏe
IoT cung cấp nhiều lợi ích cho ngành chăm sóc sức khỏe. Bác sĩ, y tá thường cần
biết chính xác vị trí của các tài sản hỗ trợ bệnh nhân như xe lăn. Khi xe lăn của bệnh viện
được trang bị cảm biến IoT, chúng có thể được theo dõi từ ứng dụng giám sát tài sản IoT
để bất kỳ ai đang tìm kiếm đều có thể nhanh chóng tìm thấy chiếc xe lăn có sẵn gần nhất. 9
Nhiều tài sản của bệnh viện có thể được theo dõi theo cách này để đảm bảo sử dụng
hợp lý cũng như kế toán tài chính cho các tài sản vật chất trong mỗi khoa.
Hình 2: IoT cho phép mọi đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau
Kể từ thập kỷ trước, phân tích thị trường đã dự báo 26 tỷ đến 30,73 tỷ những thứ
cần được kết hợp với Internet như các thiết bị hỗ trợ IoT vào cuối năm 2020, con số này
sẽ tăng lên 75,44 tỷ con số vào năm 2025. Một trong những lĩnh vực phát triển nhanh
nhất để phát triển IoT là ngành công nghiệp ô tô. Các nhà phân tích thị trường đã dự đoán
rằng sẽ có khoảng 250 triệu phương tiện hỗ trợ IoT vào năm 2020.
Về giá trị kinh tế, báo cáo về IoT ô tô toàn cầu thị trường của Reuters cho thấy sự
tăng trưởng dự kiến đáng kể của giá trị thị trường IoT từ 20,49 tỷ đô la trong năm 2016
lên 100,93 tỷ USD vào năm 2023.
1.3. Các yêu cầu của một hệ thống IoT.
Các yêu cầu để có thể trở thiết lập một IoT sẽ rất cao và khắt khe với các tiêu chí như sau: 10
Có kết nối dựa trên sự nhận diện: Các đồ vật, máy móc, thiết bị thường gọi
chung là “Things” phải có tên hay địa chỉ IP riêng biệt. Hệ thống IoT cần hỗ trợ
các kết nối giữa các “Things” và kết nối được thiết lập dựa trên định danh IP của Things.
Khả năng quản lý: Hệ thống IoT làm việc tự động mà không cần sự tham gia
người, vì thế chúng cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things” để đảm bảo
mạng lưới hoạt động bình thường.
Khả năng bảo mật: Vì trong IoT có rất nhiều “Things” sẽ được kết nối với nhau,
làm tăng mối nguy trong bảo mật như lộ thông tin, xác thực sai, sai lệch dữ liệu,...
Bên cạnh đó, các “Things” trong hệ thống có thể thuộc nhiều chủ sở hữu khác
nhau và chứa thông tin cá nhân của họ. Vì thế, các hệ thống IoT cần bảo vệ sự
riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý.
Dịch vụ thỏa thuận: Dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập,
giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc được
thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người dùng.
Khả năng cộng tác: Khả năng này cho phép hệ thống IoT có khả năng tương tác
qua lại giữa các mạng lưới và Things một cách dễ dàng.
Khả năng tự quản của mạng lưới: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự khắc
phục lỗi, tự tối ưu hóa, tự có cơ chế bảo vệ... để mạng lưới có thể thích ứng với
các tên miền ứng dụng, môi trường truyền thông và nhiều loại thiết bị khác nhau…
Các khả năng dựa vào vị trí (location – based capabilities): Hệ thống IoT có
thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí này có thể
bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh.
Khởi động và sử dụng: Hệ thống IoT bắt buộc các “Things” phải được khởi động
và sử dụng một cách dễ dàng và tiện dụng.
1.4. Các đặc trưng cơ bản của IoT.
Hệ thống IoT sẽ bao gồm các đặc trưng như sau:
Tính kết nối liên thông: Với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau
thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
Tính thông minh: Các thiết bị IoT trên thị trường thường hay được gọi là thiết bị
thông minh. Các thiết bị được trang bị khả năng tính toán và kết nối mạng sẽ đem
lại tính năng ưu việt so với thiết bị truyền thống và có những tính năng mới mà
thiết bị truyền thống không thể có được. 11
Cảm biến môi trường: Các thiết bị IoT được trang bị rất nhiều cảm biến môi
trường khác nhau, chính những thông tin về môi trường xung quanh này giúp cho thiết bị thông minh hơn.
Giao diện với điện toán đám mây: Thiết bị IoT hoạt động như một cửa ngõ (tới
tài nguyên vô tận của điện toán đám mây, các tính năng mà người dùng tin không
bị giới hạn bởi khả năng của thiết bị.
Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT không đồng nhất vì nó có phần
cứng và mạng lưới khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng lưới có thể tương tác
với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới.
Tương tác với các thiết bị khác: Các thiết bị IoT có khả năng tính toán và kết
nối mới có thể tương tác với nhau cục bộ hoặc qua Internet. Việc các thiết bị
tương tác với nhau tạo ra những khả năng mới mà trước đây từng thiết bị không thể làm được.
Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, kết nối hoặc
ngắt, thay đổi vị trí thiết bị, thay đổi tốc độ…
Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với
nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện
nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người.
1.5. Ưu và nhược điểm của IoT.
Internet vạn vật IoT cũng tồn tại hai mặt ưu và nhược điểm như sau: Ưu điểm:
Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị.
Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối.
Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.
Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp. Nhược điểm:
Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị,
có thể lấy cắp thông tin bí mật.
Các doanh nghiệp có thể phải đối phó với số lượng lớn thiết bị IoT và việc thu
thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị đó sẽ là một thách thức.
Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng.
Vì không có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT, rất khó để các
thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau giao tiếp với nhau. 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA IoT
2.1. Kiến trúc hệ thống IoT
Sự phân mảnh là một trong hai thách thức lớn nhất cho IoT (cái còn lại là bảo mật).
Sự phân mảnh là cốt lõi của IoT do sự đa dạng của những thứ mà nó nhắm đến. Việc đưa
bất kỳ hệ thống IoT nào hoạt động đòi hỏi phải khai thác tất cả các tài nguyên, phần
cứng, phần mềm và hệ thống, sau đó kết hợp tất cả lại thành một khối duy nhất tạo thành
một giải pháp tích hợp, đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí. Nói một cách đơn giản, mọi
giải pháp IoT đều cần một kiến trúc IoT vững chắc để có thể phục vụ mục đích của nó.
Hiệu quả và khả năng ứng dụng của hệ thống phần lớn phụ thuộc vào chất lượng của cơ sở hạ tầng.
2.1.1. Các tầng của kiến trúc IoT.
Mặc dù không có một kiến trúc IoT được thống nhất trên toàn cầu, nhưng định dạng
cơ bản và được chấp nhận rộng rãi nhất là kiến trúc ba lớp. Mô hình được giới thiệu lần
đầu tiên ở các nghiên cứu sớm nhất về Internet of Things gồm ba tầng: Perception, Network, và Application. Application layer (Lớp ứng dụng) 13 Network layer (Lớp mạng truyền tải) Perception layer
(Lớp thiết bị cảm quan)
Perception: đây là lớp vật lý của kiến trúc, nơi các cảm biến và các thiết bị được
kết nối thu thập nhiều lượng dữ liệu khác nhau theo nhu cầu của dự án. Tầng này
bao gồm các thiết bị biên (edge), cảm biến và thiết bị truyền động tương tác với môi trường.
Network: dữ liệu được thu thập cần được truyền và xử lý. Lớp mạng kết nối các
thiết bị ở trên với các đối tượng thông minh, máy chủ và thiết bị mạng khác.
Application: Lớp ứng dụng chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ, ứng dụng cụ
thể cho người dùng tương tác. Ví dụ khi triển khai nhà thông minh, trong đó người
dùng nhấn vào một nút trong ứng dụng để bật máy pha cà phê.
2.1.2. Các giai đoạn của kiến trúc IoT.
Mặc dù mỗi hệ thống IoT đều khác nhau, nhưng nền tảng cho mỗi kiến trúc Internet
of Things cũng như luồng quy trình dữ liệu chung của chúng gần như giống nhau bao gồm 4 trạng thái: 14
Hình 2.. Mô hình các giai đoạn của kiến trúc IoT
2.1.2.1. Kết nối các cảm biến, bộ truyền động với vạn vật (things).
Là cơ sở cho mọi hệ thống IoT, các thiết bị được kết nối có trách nhiệm cung cấp dữ
liệu. Để thu nhận các thông số vật lý ở thế giới bên ngoài hoặc trong bản thân vật thể,
chúng cần các cảm biến được nhúng vào chính thiết bị hoặc được triển khai dưới dạng
các đối tượng độc lập để đo và thu thập dữ liệu từ xa. Ví dụ dùng để đóng van khi nước
đạt đến một mức nhất định hoặc đơn giản để tắt đèn khi mặt trời mọc.
Một yếu tố không thể thiếu khác của lớp này là các bộ truyền động. Cộng tác chặt
chẽ với các cảm biến, chúng có thể chuyển đổi dữ liệu thành hành động. Chẳng hạn một
hệ thống tưới cây thông minh có thể dựa trên các thông tin được cung cấp bởi các cảm
biến để ra lệnh cho bộ truyền động mở các van nước ở những nơi có độ ẩm đất dưới giá
trị cài đặt. Các van được giữ mở cho đến khi các cảm biến báo rằng các giá trị được khôi phục về mặc định.
Điều quan trọng nữa là các đối tượng được kết nối không chỉ cần giao tiếp với hệ
thống thu thập dữ liệu trên Internet mà còn cần chia sẻ thông tin và cộng tác với nhau.
Việc này khiến các thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng và băng thông, do đó, một kiến trúc
mạnh mẽ phải sử dụng các giao thức truyền thông phù hợp với mục đích, an toàn và nhẹ,
chẳng hạn như Lightweight M2M mà đã trở thành một giao thức tiêu chuẩn hàng đầu để
quản lý các thiết bị nhẹ năng lượng thấp.
2.1.2.2. Internet gateways.
Sau khi các cảm biến gửi dữ liệu, các cổng kết nối Internet (Internet Gateways) tổng
hợp và chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số để có thể xử lý, kết nối với phần còn lại của hệ
thống. Hơn nữa, người dùng có thể kiểm soát, lọc và chọn dữ liệu để giảm thiểu khối
lượng thông tin cần được chuyển tiếp lên đám mây, giúp tiết kiệm băng thông và
giảm thời gian phản hồi. 15
Một khía cạnh khác mà các cổng hỗ trợ là bảo mật. Bởi vì chúng chịu trách nhiệm
quản lý luồng thông tin theo cả hai hướng, do đó có thể ngăn chặn rò rỉ dữ liệu cũng như
giảm nguy cơ bị tấn công từ bên ngoài vào các thiết bị IoT.
2.1.2.3. Hệ thống biên (edge IT system).
Mặc dù không phải là một thành phần tất yếu của mọi kiến trúc IoT, nhưng các thiết
bị biên có thể mang lại những lợi ích đáng kể, đặc biệt là đối với các dự án IoT quy mô
lớn. Vì các hệ thống IoT thu thập một lượng dữ liệu do đó đòi hỏi nhiều băng thông, các
hệ thống biên đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tải cho cơ sở hạ tầng IT cốt
lõi. Chỉ những phần dữ liệu lớn hơn thực sự cần sức mạnh của Data center, Cloud
platform mới được chuyển tiếp đến đó, giảm thiểu tối đa tiếp xúc với mạng cục bộ, tăng
cường bảo mật, đồng thời giảm tiêu thụ điện năng và băng thông góp phần tận dụng hiệu
quả hơn các nguồn lực kinh doanh.
2.1.2.4. Data center,/ Cloud platform.
Dữ liệu cần được lưu trữ để phân tích sâu hơn, đó là lý do tại sao lưu trữ dữ liệu là
một giai đoạn quan trọng của kiến trúc IoT. Lưu trữ đám mây là phương pháp ưa thích và
được sử dụng rất nhiều trong triển khai IoT, nguyên nhân chính là do quá trình xử lý
chuyên sâu không yêu cầu phản hồi ngay lập tức. Ở đó, các hệ thống máy chủ với cấu
hình cao có thể quản lý, phân tích và lưu trữ dữ liệu an toàn hơn, ngoài ra hệ thống cũng
hỗ trợ cảm biến có thể được kết nối với các nguồn dữ liệu khác.
2.2. Các giao thức IoT phổ biến
Các thiết bị của IoT được tích hợp với các bộ cảm biến, bộ xử lý của máy tính và
những phần mềm có thể tương tác với nhau. Dữ liệu từ những thiết bị được kết nối sẽ
truyền tới các thiết bị khác tạo thành một quá trình được gọi là M2M (machine -to-
machine). Các thiết bị sẽ tự hoạt động trong hầu hết các khâu và sẽ kết nối trực tiếp với
nhau mà không cần tới sự can thiệp của con người. Mỗi thiết bị đều có khả năng chuyển
tiếp dữ liệu ngược lại với mô hình mạng tập trung, trong đó đa phần dữ liệu sẽ được đẩy
về một thiết bị trung tâm để được xử lý/ chuyển tiếp (như các bộ định tuyến hay máy chủ). Như vậy:
- Luồng dữ liệu tự động sinh ra từ các sự vật được gắn cảm biến theo thời gian thực. 16
- Hệ thống quản lý dữ liệu theo thời gian thực và các quyết định được đưa ra theo thời gian thực.
Từ đây sinh ra các giao thức giao tiếp khác nhau để đảm bảo hoạt động của hệ thống.
Có nhiều giao thức khác nhau cho các lớp khác nhau trong kiến trúc IoT và trong bài
này, chúng ta chỉ xem xét một vài giao thức trong số đó, bao gồm: MQTT, HTTP và CoAP. Tóm tắt Đặc tính MQTT HTTP CoAP Năm 1999 1997 2010 Hình thức Truyền tải bản tin từ Giao thức truyền Giao thức ứng dụng xa siêu văn bản ràng buộc Kiến trúc Client/Broker Client/Server Client/Server Mô hình Xuất bản/Đăng ký Yêu cầu/phản hồi Yêu cầu/phản hồi Kích thước 2 Byte Undefined 4 Byte Header
Kích thước bản tin Nhỏ và không xác Lớn và không xác Nhỏ và không xác định (tối đa 256MB) định (phụ thuộc định (thường nhỏ để vào Web Server) phù hợp với IP datagram) Phương pháp Connect, Disconnect, Get, Post, Head, Get, Post, Put, Publish, Subscribe, Put, Patch, Delete Unsubscribe, Close Options, Connect, Delete Hỗ trợ bộ nhớ Một phần Có Có cache và proxy Chất lượng QoS 0 – Truyền tối Giới hạn (thông Bản tin có thể xác (QoS)/Độ tin cậy đa 1 lần qua TCP) nhận hoặc không QoS 1 – Truyền thể xác nhận tối thiểu 1 lần QoS 2 – Truyền 17 duy nhất 1 lần Giao thức truyền TCP TCP UDP, (Stream Control Transmission Protocol) Bảo vệ TLS/SSL TLS/SSL DTLS, IPsec Cổng mặc định 1883/8883 80/443 (TLS/SSL) 5683 (UDP Port) (TLS/SSL) Định dạng mã hóa Nhị phân Văn bản Nhị phân Cấp phép Nguồn mở Miễn phí Nguồn mở Hỗ trợ tổ chức IBM, Facebook, Tiêu chuẩn giao Hỗ trợ cộng đồng Eurotech, Cisco, Red
thức web toàn cầu web rộng lớn,Cisco, Hat, Software AG, Contiki, Erika, Tibco, ITSO, M2Mi, IoTivity Amazon Web Services (AWS), InduSoft, Fiorano
2.2.1. Message Queuing Telemetry Transport (MQTT).
MQTT là một giao thức kết nối internet vạn vật trong các ứng dụng Machine to Machine (M2M).
Thế giới kết nối máy móc với máy móc
MQTT là một giao thức theo cơ chế xuất bản/đăng ký, ở đó máy client có thể xuất
bản hay nhận bản tin. Nó giúp giao tiếp dễ dàng giữa nhiều thiết bị.
Nó là một giao thức nhắn tin đơn giản được thiết kế cho các thiết bị bị hạn chế và có
băng thông thấp, vì vậy nó là một giải pháp hoàn hảo cho các ứng dụng internet vạn vật.
Nó là một giao thức cực kỳ nhẹ cho việc truyền tải bản tin đăng ký/xuất bản. Nó rất
hữu ích cho việc kết nối với vị trí ở xa nơi có băng thông không cao.
Đặc điểm của MQTT 18
MQTT có một số tính năng độc đáo khó có thể tìm thấy trong các giao thức khác.
Dưới đây là một số tính năng của MQTT:
Nó không yêu cầu cả Client và Server phải thiết lập kết nối cùng một lúc;
Nó cho phép Client đăng ký lựa chọn chủ đề để họ có thể nhận được thông tin
họ đang tìm kiếm nhanh chóng;
Nó cung cấp truyền dữ liệu nhanh hơn, giống như cách WhatsApp /
messenger cung cấp việc phân phối nhanh hơn. Đó là một giao thức nhắn tin thời gian thực;
Nó được thiết kế như một giao thức nhắn tin đơn giản và nhẹ sử dụng hệ
thống xuất bản / đăng ký để trao đổi thông tin giữa Client và Server;
Nó là một giao thức máy với máy, tức là nó cung cấp giao tiếp giữa các thiết bị. Kiến trúc MQTT
Để hiểu kiến trúc MQTT, trước tiên chúng ta xem xét các thành phần của MQTT: Message
Message là bản tin được truyền đi bởi giao thức trên toàn mạng cho ứng dụng. Khi
bản tin được truyền qua mạng, thì bản tin chứa các thông số sau:
Dữ liệu của thông tin muốn truyền Quality of Service (QoS) Thuộc tính Tên chủ đề Client
Trong MQTT, người đăng ký (subscriber) và người xuất bản (publisher) là hai vai
trò của máy client. Các client đăng ký các chủ đề để xuất bản và nhận bản tin. Nói một
cách dễ hiểu, chúng ta có thể nói rằng nếu bất kỳ chương trình hoặc thiết bị nào sử dụng
MQTT, thì thiết bị đó được gọi là Client. Một thiết bị là một Client nếu nó mở kết nối
mạng với máy chủ, xuất bản các bản tin mà các Client khác muốn xem, đăng ký nhận các
bản tin mà nó muốn nhận, hủy đăng ký các bản tin mà nó không muốn nhận và đóng kết nối mạng với máy chủ.
Trong MQTT, khách hàng thực hiện hai hoạt động:
Publish: Khi Client gửi dữ liệu đến máy chủ, thì hoạt động này là một Publish.
Subscribe: Khi Client nhận được dữ liệu từ máy chủ, thì hoạt động này là một Subscribe. 19 Server
Thiết bị hoặc một chương trình cho phép khách hàng xuất bản bản tin và đăng ký
nhận bản tin. Server chấp nhận kết nối mạng từ Client, chấp nhận các thông báo từ
Client, xử lý các yêu cầu đăng ký và hủy đăng ký, chuyển tiếp thông báo ứng dụng đến
Client và đóng kết nối mạng từ Client. Topic
Cấu trúc của một Topic
Nhãn được cung cấp cho bản tin được kiểm tra so với sự đăng ký được biết bởi Servergọi là Topic Ứng dụng của MQTT
Facebook hiện đang sử dụng MQTT cho ứng dụng Messenger của mình, không chỉ
vì giao thức tiết kiệm pin trong quá trình nhắn tin giữa điện thoại di động với điện thoại,
mà còn vì giao thức này cho phép gửi bản tin một cách hiệu quả trong mili giây (mili
giây), bất chấp kết nối internet không nhất quán trên toàn cầu .
Hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn, bao gồm Amazon Web Services
(AWS), Google Cloud, IBM Cloud và Microsoft Azure, đều hỗ trợ MQTT.
MQTT rất phù hợp với các ứng dụng sử dụng thiết bị M2M và IoT cho các mục đích
như phân tích thời gian thực, bảo trì phòng ngừa và giám sát môi trường, bao gồm nhà
thông minh, chăm sóc sức khỏe, hậu cần, công nghiệp và sản xuất.
Ưu điểm và nhược điểm của MQTT Ưu điểm
Truyền dữ liệu hiệu quả và thực hiện nhanh chóng do nó là một giao thức nhẹ;
Sử dụng mạng có băng thông thấp, do gói dữ liệu được giảm thiểu;
Phân phối dữ liệu hiệu quả; 20