Nghiên cứu vấn đề tấn công DDoS trong iot

Đồ án tốt nghiệp Đại học

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN INTERNET OF THINGS ....................................... 2
1.1 KHÁI NIỆM INTERNET OF THINGS ..................................................................... 2
1.1.1 Lịch sử hình thành ................................................................................................ 2
1.1.2 Định nghĩa Internet of Things............................................................................... 3
1.2 KIẾN TRÚC INTERNET OF THINGS ..................................................................... 5
1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA INTERNET OF THINGS..................................... 6
1.4 YÊU CẦU Ở MỨC CAO ĐỐI VỚI MỘT HỆ THỐNG IOT .................................... 7
1.5 ỨNG DỤNG CỦA INTERNET OF THINGS ........................................................... 8
1.6 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA IOT .................................................................... 26
1.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................ 28
CHƢƠNG 2: TRÌNH BÀY CÁC KỸ THUẬT TẤN CÔNG DDOS ........................... 30
2.1 TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ - DOS ................................................................ 30
2.1.1 Giới thiệu về DoS ............................................................................................... 30
2.1.2 Lịch sử các cuộc tấn công và phát triển của DoS ............................................... 30
2.1.3 Động cơ của tấn công DoS ................................................................................. 31
2.1.4 Mục đích của tấn công DoS và hiểm họa ........................................................... 32
2.1.5 Các hình thức tấn công DoS cơ bản ................................................................... 33
2.2 TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ PHÂN TÁN – DDOS ....................................... 35
2.2.1 Giới thiệu DDoS ................................................................................................. 35
2.2.2 Đặc tính của tấn công DDoS .............................................................................. 36
2.2.3 Kiến trúc tấn công DDoS .................................................................................... 37
Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

ii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

2.3 TẤN CÔNG DDOS PHẢN CHIẾU (DRDOS) ........................................................ 39
2.4 BOTNET ................................................................................................................... 40
2.4.1 Giới thiệu về bot và botnet ................................................................................. 40
2.4.2 Vai trò của bot và botnet trong tấn công DDoS ................................................. 42
2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................ 43
CHƢƠNG 3: NGUY CƠ TẤN CÔNG DDOS TRONG IOT ....................................... 44
3.1 ĐẶC TÍNH CỦA IOT LIÊN QUAN ĐẾN NGUY CƠ TẤN CÔNG DDOS .......... 44
3.1.1 Đặc tính bảo mật kém của thiết bị IoT ............................................................... 46
3.1.2 Đặc tính không đồng nhất của IoT ..................................................................... 48
3.2 CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG NGỪA .......................................................................... 50
3.2.1 Tăng cƣờng bảo mật thiết bị IoT ........................................................................ 50
3.2.2 Bảo mật định tuyến lớp mạng IoT ...................................................................... 51
3.2.3 Bảo mật tầng ứng dụng ....................................................................................... 52
3.3 BẢO VỆ H-IOT TRƢỚC DDOS VỚI MECSHIELD FRAMEWORK .................. 54
3.3.1 Giới thiệu MECshield framework ...................................................................... 54
3.3.2 Mạng H-IoT hỗ trợ MEC .................................................................................... 55
3.3.3 Các vấn đề an ninh liên quan .............................................................................. 57
3.3.4 MECshield framework........................................................................................ 59
3.3.5 Đánh giá hiệu suất .............................................................................................. 63
3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................ 68
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 70

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

iii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAL

Ambient Assisted Living
CipherBlock Chaining

Môi trƣờng hỗ trợ cuộc sống

AES

Advanced Encryption Standard

Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

AOSP

Android Open Source Project

Dự án mã nguồn mở Android

API

Application Progmraming

Interface

Giao diện chƣơng trình ứng dụng

CNTT

Công nghệ thông tin

CPU

Central Processing Unit

Khối xử lý trung tâm

DDoS

Distributed Denial of Service

Từ chối dịch vụ phân tán

DoS

Denial of Service

Từ chối dịch vụ

DNS

Domain Name System

Hệ thống tên miền

DRDoS

Distributed Reflection Denial of
Service

Từ chối dịch vụ phản chiếu phân tán

ECCDH

Elliptical Curved CryptographyDiffie Hellman

Mật mã đƣờng cong Elliptic theo cơ
chế Diffie Hellman

H-IoT

Heterogeneous IoT

IoT không đồng bộ

IACAC

Identity Authentication and
Control Access Capacity

IEEE

Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

iv


Đồ án tốt nghiệp Đại học

IIC

Industrial Internet Consortium

Hiệp hội Internet Công nghiệp

IoE

Internet of Energys

Mạng lƣới năng lƣợng kết nối
Internet

IoT

Internet of Things

Mạng lƣới vạn vật kết nối Internet

IPv6

Internet Protocol version 6

Giao thức liên mạng thế hệ 6

IRC

Internet Relay Chat

Giảo thức chat chuyển tiếp Internet

OIC

Open Internet Consortium

Hiệp hội Internet mở

M2M

Machine to Machine

Máy đến máy

MAC

Message Authentication Code

Mã xác thực bản tin

MEC

Mobile Edge Computing

Tính toán cạnh di động

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

RPL

Routing for Low power and Lossy
Networks

Định tuyến cho mạng năng lƣợng
thấp và mất mát

RSA

Thuật toán mã hóa công khai RSA

SDNFV

Software-Defined Network
Function Virtualization

Ảo hóa chức năng mạng đƣợc định

nghĩa bởi phần mềm

SOM

Self-Organizing Map

Bản đồ tự tổ chức

SHA

Secure Hash Algorithm

Giải thuật băm an toàn

SSL

Secure Sockets Layer

Giao thức bảo mật mạng SSL

VLAN

Virtual Local Access Network

Mạng truy nhập cục bộ ảo

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

v

Đồ án tốt nghiệp Đại học

WSN

Wireless sensor network

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

Mạng cảm biến không dây

vi


Đồ án tốt nghiệp Đại học

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hình minh họa tiêu chí của Internet of Things. .......................... 4
Hình 1.2: Thống kê của IoT Analytics các dự án IoT đƣợc chia sẻ toàn cầu.
......................................................................................................... 100
Hình 2.1: Kiến trúc tấn công DDoS trực tiếp. ......................................... 37
Hình 2.2: Kiến trúc tấn công DDoS gián tiếp hay phản chiếu. ................. 38
Hình 2.3: Mô hình t ấn công DDoS phản chiếu DNS. ............................... 40
Hình 3.1: Xác thực và mã hóa dữ liệu. ................................................... 51
Hình 3.2: Cấu trúc trƣ ờng bảo mật trong RPL. ....................................... 52
Hình 3.3: Truyền thông lớp ứng dụng IoT với bảo mật CoAP. ................. 53
Hình 3.4: Các kịch bản tấn công DDoS trong mạng H-IoT hỗ trợ MEC. ... 55
Hình 3.5: MECshield framework cho H-IoT. .......................................... 60
Hình 3.6: Thời gian phản ứng đến các mức tấn công khác nhau. .............. 66
Hình 3.7: Tỷ lệ phát hiện và Độ chính xác trong phân loại lƣu lƣợng bất

thƣờng với bản đồ SOM. ....................................................................... 66
Hình 3.8: Tiêu tốn CPU trong bộ điều khiển dƣới các cuộc tấn công DDoS.
........................................................................................................... 67

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

vii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tƣ đã và đang đến. Đây là cuộc cách mạng chƣa
từng có trong lịch sử nhân loại, nó sẽ diễn biến rất nhanh, là sự kết hợp của công nghệ
trong các lĩnh vực vật lý, số hóa và sinh học, tạo ra những khả năng hoàn toàn mới và có
tác động sâu sắc đối với các hệ thống chính trị, xã hội, kinh tế của thế giới.
Bƣớc vào cuộc cách mạng này, một cuộc cách mạng mới gắn liền với những đột phá
chƣa từng có về công nghệ, liên quan đến kết nối Internet, điện toán đám mây, in 3D,
công nghệ cảm biến, thực tế ảo,... Cuộc cách mạng mới này đƣợc dự đoán sẽ tác động
mạnh mẽ đến mọi quốc gia, chính phủ, doanh nghiệp và ngƣời dân khắp toàn cầu, cũng
nhƣ làm thay đổi căn bản cách chúng ta sống, làm việc và sản xuất. Bản chất của cách
mạng công nghiệp lần thứ tƣ là dựa trên nền tảng công nghệ số và tích hợp tất cả các công
nghệ thông minh để tối ƣu hóa quy trình, phƣơng thức sản xuất. Kỷ nguyên mới của đầu
tƣ, năng suất và mức sống gia tăng tất cả là nhờ vào sự sáng tạo của con ngƣời và sẽ tác
động sâu sắc đối với các hệ thống chính trị, xã hội, kinh tế của thế giới.
Cuộc cách mạng 4.0 mà chúng ta vừa bƣớc vào sẽ tạo ra một thế giới mà ở trong đó
các hệ thống ảo và vật lý của chuỗi sản xuất trên toàn cầu có thể hợp tác với nhau một
cách linh hoạt. Cách mạng 4.0 không đơn thuần chỉ là về các máy móc, hệ thống thông
minh và đƣợc kết nối, mà còn có phạm vi rộng lớn hơn nhiều. Đồng thời là các làn sóng

của những đột phá xa hơn trong các lĩnh vực khác nhau từ mã hóa chuỗi gen cho tới công
nghệ nano, từ các năng lƣợng tái tạo tới tính toán lƣợng tử. Nó đang và hứa hẹn sẽ tạo ra
các lợi ích hết sức to lớn và tác động mạnh mẽ tới kinh tế thế giới cũng nhƣ tới kinh tế
Việt Nam.
Cách mạng 4.0 trƣớc tiên sẽ tác động mạnh mẽ đến hoạt động sản xuất, tạo nên sự
thay đổi lớn trong phƣơng thức sản xuất, sự hội tụ giữa ứng dụng vật lý và ứng dụng kỹ
thuật số tạo nên sự xuất hiện Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) sẽ thay đổi nhanh
chóng, sâu rộng toàn bộ chuỗi giá trị từ nghiên cứu phát triển đến sản xuất, logistics đến
dịch vụ khách hàng, giảm đáng kể chi phí giao dịch, vận chuyển, dẫn đến những điều kỳ
diệu trong sản xuất và năng suất. Trong quá trình này, IoT sẽ tác động làm biến đổi tất cả
các ngành công nghiệp, từ sản xuất đến cơ sở hạ tầng đến chăm sóc sức khỏe. Với việc
thay đổi phƣơng thức sản xuất khi có những công nghệ hiện đại có thể kết nối thế giới
thực và ảo, để sản xuất con ngƣời có thể điều khiển quy trình ngay tại nhà mình mà vẫn
bao quát tất cả mọi hoạt động của nhà máy thông qua sự vƣợt trội về Internet.

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Có thể thấy rằng IoT đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cách mạng 4.0. Tuy
nhiên, đi cùng với đó là lo ngại hại bảo mật trong IoT cũng rất lớn. Hiện nay, có ít nhất 6
triệu thiết bị IoT mới xuất hiện mỗi ngày, điều này đồng nghĩa với sự xuất hiện các lỗ
hổng mới. Điển hình nhƣ năm 2016, tại hội nghị tin tặc thế giới DefCon, các nhà nghiên
cứu đã tìm thấy 47 lỗ hổng mới trong 23 thiết bị IoT của 21 nhà sản xuất.
Các thiết bị IoT dễ bị lỗ hổng có thể do một số yếu tố nhƣ các nhà sản xuất còn thiếu
kinh nghiệm trong việc bảo vệ sản phẩm, dung lƣợng giới hạn không cho phép thực hiện
các cơ chế bảo mật, các thủ tục cập nhật phần mềm phức tạp và ngƣời dùng thiếu chú ý

đến các mối đe dọa do các thiết bị IoT gây ra.
Thiết bị IoT luôn là môi trƣờng rất hấp dẫn và phổ biến cho hacker xâm nhập. Bởi lẽ
số lƣợng ngày càng tăng các thiết bị IoT sẽ dễ làm tin tắc tăng xác suất, tần số và mức độ
nghiêm trọng của các cuộc tấn công, bao gồm tấn công dữ liệu doanh nghiệp, thiết bị,
nhân viên và ngƣời tiêu dùng. Hacker sẽ nhanh chóng kiểm soát toàn bộ mạng hệ thống
và làm tê liệt nhiều thiết bị IoT cùng một lúc.
Sự yếu kém về bảo mật của IoT hình thành môi trƣờng vô cùng thuận lợi cho việc
phát triển số lƣợng cũng nhƣ khối lƣợng của các cuộc tấn công DDoS.
Nhằm tìm ra giải pháp cho việc ngăn ngừa việc phát triển của loại hình tấn công
DDoS trong IoT, đồ án đƣợc tiến hành nhằm phân tích các đặc điểm của IoT cũng nhƣ
những đặc tính kỹ thuật của các loại hình tấn công DDoS để đƣa ra các cách tiếp cận cũng
nhƣ giải pháp cụ thể cho việc giảm thiểu DDoS trong môi trƣờng IoT.
Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu và đƣa ra đƣợc các giải pháp phòng, chống, giảm nhẹ mối nguy hại tấn công
DDoS trong IoT.
Nhiệm vụ đồ án
Nghiên cứu tổng quát về IoT, kiến trúc tham chiếu, các đặc tính cơ bản, xu hƣớng
phát triển cũng nhƣ phạm vi ứng dụng của IoT để có cái nhìn tổng quan về IoT.
Nghiên cứu về đặc tính kỹ thuật của các loại hình tấn công DDoS, các thành phần cấu
than, cơ chế thực hiện, mục tiêu tấn công, động cơ, cùng các yếu tố liên quan.
Dựa trên các kiến thức tổng quát về IoT và DDoS trong chƣơng 1 và chƣơng 2, tiến
hành phân tích các nguy cơ đặc tính lỗ hổng bảo mật trong IoT có thể tạo điều kiện cho
tiến hành các cuộc tấn công DDoS. Xác định rõ rang nguyên nhân trực tiếp cũng nhƣ

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

khách quan để đƣa ra những giải pháp ngăn ngừa. Trình bày đƣợc một mô hình giải pháp
cụ thể nhằm giải quyết bài toán ngăn ngừa, giảm nhẹ nguy cơ tấn công DDoS trong IoT
Cấu trúc đồ án
Các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong các chƣơng, mục theo cấu trúc sau:
Chƣơng 1 với tiêu đề “Giới thiệu Internet of Things” trình bày tổng quan về Internet
of Things bao gồm khái niêm, kiến trúc, các đặc tính, và xu hƣớng của Internet of Things
trong đó nội dung kiến trúc và cac đặc tính có vai trò quan trọng trong việc thực hiện mục
tiêu của đồ án.
Chƣơng 2 với tiêu đề “Trình bày các kỹ thuật tấn công DDoS” trình bày các loại hình
tấn công DDoS từ trƣớc tới nay. Phân tích các khía cạnh của tấn công DDoS nhƣ mục tiêu
các yếu tố hình thành và đặc tính, cơ chế tiến hành, mức độ nguy hại.
Chƣơng 3 với tiêu đề “Nguy cơ tấn công DDoS trong IoT”. Nội dung chƣơng dựa
trên kiến thức ở chƣơng 1 thực hiện phân tích các đặc tính của IoT, từ đó chỉ ra các điểm
yếu của IoT khiến các các cuộc tấn công DDoS trở nên nguy hiểm và dễ thực hiện hơn.
Sau đó đƣa ra các cách tiếp cận nhằm xây dựng các giải pháp tăng cƣờng bảo mật IoT
chống lại DDoS. Cùng với đó trình bày một giải pháp giúp giảm thiểu nguy cơ DDoS
trong mạng H-IoT.

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN INTERNET OF THINGS
1.1 KHÁI NIỆM INTERNET OF THINGS

1.1.1 Lịch sử hình thành
Khoảng thời gian kể từ khi bắt đầu hình thành Internet of Things (IoT) không phải là
quá dài. Nhƣng những ý niệm về nó đã bắt đầu đƣợc hình thành từ những năm 1800. Máy
móc đã đƣợc cung cấp truyền thông trực tiếp kể từ khi điện báo (điện thoại cố định đầu
tiên) đƣợc phát triển trong những năm 1830 đến 1840. Đƣợc mô tả là "điện báo không
dây", việc phát sóng tiếng nói đầu tiên diễn ra vào ngày 3 tháng 6 năm 1900, cung cấp
một thành phần cần thiết khác cho việc phát triển Internet of Things. Cùng với đó là sự
phát triển của máy tính bắt đầu vào những năm 1950. Internet, bản thân nó là một thành
phần quan trọng của IoT, bắt đầu từ năm 1962, và phát triển thành ARPANET vào năm
1969. Vào những năm 1980, các nhà cung cấp dịch vụ thƣơng mại bắt đầu hỗ trợ sử dụng
ARPANET công cộng, cho phép nó để phát triển thành Internet hiện đại ngày nay.
Ý tƣởng về một mạng lƣới các thiết bị thông minh đã đƣợc thảo luận từ 1982, với một
máy bán nƣớc Coca-Cola tại Đại học Carnegie Mellon đƣợc tùy chỉnh khiến nó đã trở
thành thiết bị đầu tiên đƣợc kết nối Internet, có khả năng kiểm tra và báo cáo xem máy có
còn Coca-Cola hay không để quyết định bổ sung cùng với đó là độ lạnh của những chai
nƣớc mới bỏ vào máy. Đây đƣợc coi nhƣ là một trong những thiết bị IoT đầu tiên.
Khái niệm Internet of Things trở nên phổ biến trong năm 1999 sau khi tại buổi thuyết
trình tại công ty Procter & Gamble, nhà đồng sáng lập và giám đốc điều hành của trung
tâm Auto-ID tại viện công nghệ Massachusett - Kevin Ashton đề cập đến lần đầu tiên. Và
đây là cách Ashton giải thích về tiềm năng của Internet of Things:
“Ngày nay máy tính, và Internet hầu như hoàn toàn dựa vào con người mới có thông
tin. Gần như tất cả trong số khoảng 50 petabyte (1 petabyte là 1.024 terabyte) dữ liệu
trên Internet lần đầu tiên được con người nắm và tạo ra bằng cách đánh máy, nhấn nút
ghi âm, chụp ảnh hoặc quét mã vạch.
Vấn đề là, con người rất hạn chế về mặt thời gian, sự chú ý và chính xác – nghĩa là
con người không được tốt lắm trong việc lưu giữ dữ liệu về mọi thứ trên trong thế giới.
Nếu chúng ta có những chiếc máy biết mọi thứ - sử dụng được giữ liệu chúng ta thu thập
mà không cần sự giúp đỡ của con người thì chúng ta sẽ có thể theo dõi và đếm mọi thứ,
điều này sẽ giúp giảm rất lớn sự lãng phí, thất bại và chi phí. Chúng ta sẽ biết khi nào
mọi thứ cần thay thế, sửa chữa hoặc phục hồi và liệu chúng có thể còn tiếp tục hoạt động

tốt nhất nữa không.”
Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

1.1.2 Định nghĩa Internet of Things
Internet of Things là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phƣơng tiện vận tải (đƣợc
gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác đƣợc
nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng
kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu. Năm
2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) định nghĩa IoT
là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán)
chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) đƣợc kết nối với nhau nhờ vào công
nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu đƣợc tích hợp" và với mục đích ấy một "vật" là
"một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể
đƣợc nhận dạng và đƣợc tích hợp vào một mạng lƣới truyền thông". Hệ thống IoT cho
phép vật đƣợc cảm nhận hoặc đƣợc điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu,
tạo cơ hội cho thế giới thực đƣợc tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là
hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế đƣợc tăng cƣờng bên cạnh việc giảm thiểu sự can
dự của con ngƣời. Khi IoT đƣợc gia tốc cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở
thành một dạng thức của hệ thống ảo-thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả
những công nghệ nhƣ điện lƣới thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải
thông minh và thành phố thông minh. Mỗi vật đựoc nhận dạng riêng biệt trong hệ thống
điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu.
Các chuyên gia dự báo rằng Internet of Things sẽ ôm trọn chừng 30 tỉ vật trƣớc năm

2020.
Về cơ bản, Internet Vạn Vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và
dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vƣợt trội so với kiểu truyền tải máy-máy (M2M),
đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các thiết bị
nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh), đƣợc kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động
hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu nhƣ điện lƣới thông minh,
mở rộng tới những lĩnh vực khác nhƣ thành phố thông minh.
IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con ngƣời đƣợc cung cấp một
định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua
một mạng duy nhất mà không cần đến sự tƣơng tác trực tiếp giữa ngƣời với ngƣời, hay
ngƣời với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi
cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với
nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

Mục tiêu của IoT là hình thành một hệ thống rộng lớn mà ở đó mọi đối tƣợng (bao
gồm cả đối tƣợng vật lý và đối tƣợng ảo) có thể kết nối và tƣơng tác với nhau theo nhiều
tiêu chí: mọi vật, mọi ngƣời, mọi nơi, mọi lúc, mọi dịch vụ, mọi thành phần.

Hình 1.1: Hình minh họa tiêu chí của Internet of Things
Một vật trong IoT có thể là một ngƣời với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang
trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh

xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán đƣợc một địa chỉ IP
và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lƣới. Cho đến nay, IoT là những liên
kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lƣợng, kỹ nghệ xăng
dầu. Khả năng sản phẩm đƣợc tích hợp máy-đến-máy thƣờng đƣợc xem nhƣ là thông
minh. Với sự trợ giúp của công nghệ hiện hữu, các thiết bị này thu thập dữ liệu hữu ích
rồi sau đó tự động truyền chúng qua các thiết bị khác. Các ví dụ hiện thời trên thị trƣờng
bao gồm nhà thông minh đƣợc trang bị những tính năng nhƣ kiểm soát và tự động bật tắt
đèn, lò sƣởi (giống nhƣ bộ ổn nhiệt thông minh), hệ thống thông gió, hệ thống điều hòa
không khí, và thiết bị gia dụng nhƣ máy giặt/sấy quần áo, máy hút chân không, máy lọc
không khí, lò nƣớng, hoặc tủ lạnh/tủ đông có sử dụng Wi-Fi để theo dõi từ xa.

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

Khi tự động hóa có kết nối internet đƣợc triển khai đại trà ra nhiều lãnh vực, IoT
đƣợc dự báo sẽ tạo ra lƣợng dữ liệu lớn từ đa dạng nguồn, kéo theo sự cần thiết cho việc
kết tập dữ liệu nhanh, gia tăng nhu cầu đánh chỉ mục, lƣu trữ, và xử lý các dữ liệu này
hiệu quả hơn. Internet Vạn Vật hiện nay là một trong các nền tảng của Thành phố Thông
minh, và các Hệ thống Quản lý Năng lƣợng Thông minh.

1.2 KIẾN TRÚC INTERNET OF THINGS
Kiến trúc IoT đƣợc đại diện cơ bản bởi 4 phần:Vạn vật (Things), Truyền thông
(Communication), thành phần điện toán đám mây (Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch
vụ (Services-creation and Solutions Layers).

 Vạn vật (Things)
Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trƣờng gia dụng và công nghệ, ở
trong nhà hoặc trên tay của ngƣời dùng. Chẳng hạn nhƣ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị
đeo và điện thoại di động đang đƣợc kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không
dây và truy cập vào Internet. Chúng đƣợc gọi chung là các thiết bị IoT. Các thiết bị IoT
thƣờng bao gồm 2 phần: thành phần cảm biến, và thành phần xử lý cục bộ đi kèm với 1
bộ nhớ lƣu trữ.
Cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu tƣơng tự (analog) có đƣợc từ việc quét các
thông số của môi trƣờng sang dữ liệu số (digital), chúng không thực hiện bất kỳ quá trình
xử lý nào, và nhờ vậy các cảm biến không tiêu thụ nhiều năng lƣợng và có thể hoạt động
nhờ pin trong một khoảng thời gian dài. Cảm biến có mặt trong cuộc sống hàng ngày
nhiều hơn chúng ta nghĩ. Chúng xuất hiện ở lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, nhà ở,
vận tải hoặc điện thoại thông minh chẳng hạn. Các cảm biến là những công cụ giúp giám
sát môi trƣờng xung quanh, thu thập dữ liệu của môi trƣờng, hành động phù hợp với sự
trợ giúp của máy tính.
Dữ liệu sau khi đƣợc thu thập từ cảm biến sẽ đƣợc thực hiện lƣu trữ và xử lý cục bộ để
thu đƣợc thông tin có ích. Dữ liệu có ích này có thể cần thiết đƣợc chuyển tiếp hoặc
không tùy vào ứng dụng của thiết bị thông qua các kết nối.
Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh đƣợc sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu
một cách cục bộ, còn các thiết bị chƣa thông minh thì có thể kết nối đƣợc thông qua các
trạm kết nối.
 Thành phần truyền thông (Communication)

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP đƣợc kết
nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị
định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm
soát lƣu lƣợng dữ liệu lƣu thông và cũng đƣợc kết nối đến mạng lƣới viễn thông và cáp đƣợc triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. Hạ tầng mạng đóng vai trò đảm bảo kết nối
giữa các thành phần trong mạng bao gồm các thiết bị IoT và hệ thống Cloud
 Thành phần điện toán đám mây (Cloud)
Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện
toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lƣu trữ và mạng ảo hóa
đƣợc kết nối.
Đƣợc kết nối với các thiết bị IoT thông qua hạ tầng mạng. Cloud thu nhận thực hiện
xử lý, phân tích “big data” đƣợc gửi từ các thiết bị IoT trong mạng.
 Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers)
Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming
Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đƣa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị
trƣờng một cách chóng và tận dụng đƣợc hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ
thống và tài sản đang có sẵn.

1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA INTERNET OF THINGS
Hệ thống IoT có các đặc tính cơ bản sau:
 Tính kết nối liên thông (interconnectivity)
Với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lƣới thông tin và
cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
 Những dịch vụ liên quan đến “Things”
Hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn
nhƣ bảo vệ sự riêng tƣ và nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp
đƣợc dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải
thay đổi.
 Tính không đồng nhất

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau, và network
khác nhau. Các thiết bị giữa các network có thể tƣơng tác với nhau nhờ vào sự liên kết
của các network.
 Thay đổi linh hoạt
Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt,
vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lƣợng thiết bị có thể tự động
thay đổi.
 Quy mô lớn
Sẽ có một số lƣợng rất lớn các thiết bị đƣợc quản lý và giao tiếp với nhau. Số lƣợng
này lớn hơn nhiều so với số lƣợng máy tính kết nối Internet hiện nay. Số lƣợng các thông
tin đƣợc truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với đƣợc truyền bởi con ngƣời.

1.4 YÊU CẦU Ở MỨC CAO ĐỐI VỚI MỘT HỆ THỐNG IOT
Một hệ thống IoT ở mức cao phải thoả mãn các yêu cầu sau:
 Kết nối dựa trên sự nhận diện Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt. Hệ
thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối đƣợc thiết lập dựa
trên định danh (ID) của Things.
 Khả năng cộng tác:Hệ thống IoT khả năng tƣơng tác qua lại giữa các network và
Things.
 Khả năng tự quản của network:Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự chữa bệnh, tự

tối ƣu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để network có thể thích ứng
với các domains ứng dụng khác nhau, môi trƣờng truyền thông khác nhau, và
nhiều loại thiết bị khác nhau.
 Dịch vụ thoả thuận: Dịch vụ này để có thể đƣợc cung cấp bằng cách thu thập,
giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc
(rules) đƣợc thiết lập bởi ngƣời vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các ngƣời dùng.
 Các Khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities)
Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông
tin vị trí của Things và ngƣời sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách
tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải
tuân thủ các yêu cầu an ninh:

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

 Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” đƣợc kết nối với nhau. Chình điều này làm
tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn nhƣ bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực
sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.
 Bảo vệ tính riêng tư: Tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và ngƣời sử dụng của
nó. Dữ liệu thu thập đƣợc từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan
chủ sở hữu hoặc ngƣời sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tƣ trong
quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lƣu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự riêng tƣ
không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu.
 Plug and play: Các “Things” phải đƣợc plug-and-play một cách dễ dàng và tiện

dụng.
 Khả năng quản lý: Hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things”
để đảm bảo network hoạt động bình thƣờng. Ứng dụng IoT thƣờng làm việc tự
động mà không cần sự tham gia ngƣời, nhƣng toàn bộ quá trình hoạt động của họ
nên đƣợc quản lý bởi các bên liên quan.

1.5 ỨNG DỤNG CỦA INTERNET OF THINGS
Theo Gartner, Inc. (một công ty nghiên cứu và tƣ vấn công nghệ), sẽ có gần 26 tỷ
thiết bị trên IoT vào năm 2020. ABI Research ƣớc tính rằng hơn 30 tỷ thiết bị sẽ đƣợc kết
nối không dây với "Kết nối mọi thứ" (Internet of Everything) vào năm 2020. Theo một
cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây đƣợc thực hiện bởi Dự án Internet Pew Research,
một phần lớn các chuyên gia công nghệ đã hƣởng ứng tham gia sử dụng Internet of
Things với 83% đồng ý quan điểm cho rằng Internet / Cloud of Things, nhúng và tính
toán đeo (và các hệ thống năng động, tƣơng ứng)sẽ có tác động rộng rãi và mang lại lợi
ích đến năm 2025. Nhƣ vậy, rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lƣợng rất lớn các thiết bị
đƣợc kết nối với Internet.
Tích hợp với mạng Internet có nghĩa rằng thiết bị này sẽ sử dụng một địa chỉ IP nhƣ
là một định danh duy nhất. Tuy nhiên, do sự hạn chế không gian địa chỉ của IPv4 (cho
phép 4,3 tỷ địa chỉ duy nhất), các đối tƣợng trong IOT sẽ phải sử dụng IPv6 để phù hợp
với không gian địa chỉ cực kỳ lớn cần thiết. Các đối tƣợng trong IoT sẽ không chỉ có các
thiết bị có khả năng cảm nhận xung quanh, mà còn cung cấp khả năng truyền động (ví dụ,
củ hoặc khóa điều khiển thông qua Internet). Ở một mức độ lớn, tƣơng lai của Internet of
Things sẽ không thể không có sự hỗ trợ của IPv6; và do đó việc áp dụng toàn cầu của
IPv6 trong những năm tới sẽ rất quan trọng cho sự phát triển thành công của IOT trong
tƣơng lai.
Khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ giới hạn và năng
lƣợng bền bỉ. IoT đƣợc ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực. Hệ thống nhƣ vậy có thể có

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho
các tòa nhà và các nhà máy, do đó việc tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến
môi trƣờng và quy hoạch đô thị.
Mặt khác, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động, không chỉ cảm nhận
mọi thứ xung quanh. Hệ thống mua sắm thông minh, ví dụ, có thể theo dõi thói quen mua
ngƣời dùng cần ở một cửa hàng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ. Ngƣời
dùng sau đó có thể đƣợc cung cấp các cập nhật trên sản phẩm yêu thích của họ, hoặc thậm
chí là vị trí của các mục mà họ cần, hay tủ lạnh của họ cần. Tất cả đã tự động chuyển vào
điện thoại. Ví dụ bổ sung các cảm biến trong các ứng dụng phản ứng lại với nhiệt độ môi
trƣờng, điện và quản lý năng lƣợng, cũng nhƣ hỗ trợ hành trình của các hệ thống giao
thông vận tải.
Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong các lĩnh vực này. Trƣờng
hợp sử dụng chuyên ngành khác của IoT cũng có thể tồn tại. Một cái nhìn tổng quan về
một số lĩnh vực ứng dụng nổi bật nhất đƣợc cung cấp ở đây. Dựa trên các miền ứng dụng,
sản phẩm IoT có thể chia thành năm loại khác nhau: thiết bị đeo thông minh, nhà thông
minh, thành phố thông minh, môi trƣờng thông minh, và doanh nghiệp thông minh. Các
sản phẩm và giải pháp IoT trong mỗi thị trƣờng có đặc điểm khác nhau.
IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thứ nhƣ sau:










Quản lý chất thải.
Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị.
Quản lý môi trƣờng.
Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp.
Mua sắm thông minh.
Quản lý các thiết bị cá nhân.
Đồng hồ đo thông minh.
Tự động hóa ngôi nhà.

Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT nhanh chóng.
Để khắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các
nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT. Đại học British Columbia ở
Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ
bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng nhƣ giao thức phổ biến. Công ty nhƣ ioBridge
thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu nhƣ bất kì thiết bị nào có khả năng kết
nối Internet, kể cả đèn bàn, quạt máy,...

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

Broadcom mới đây cũng đã giới thiệu hai con chip có mức tiêu thụ điện thấp và giá rẻ
dành cho các thiết bị "Internet of things". SoC đầu tiên, BCM4390, đƣợc tích hợp một bộ
thu phát sóng Wi-Fi 802.11 b/g/n hiệu suất cao để có thể dùng với các vi điều khiển 8
hoặc 16-bit. Broadcom nói rằng sản phẩm này có thể dùng trong các nồi nấu ăn thông
minh, bóng đèn, hệ thống an ninh cũng nhƣ các thiết bị gia dụng có khả năng điều khiển
và quản lý từ xa. SoC thứ hai, BCM20732, thì đƣợc tích hợp bộ thu phát tín hiệu
Bluetooth và nhắm đến những máy móc nhƣ bộ đo nhịp tim, bộ đo bƣớc chạy, thiết bị
cảnh báo khi có vật gì đến gần hoặc ổ khóa cửa thông minh. Broadcom cũng đã đóng góp
các tập lệnh phần mềm hỗ trợ cho cả công nghệ Bluetooth thƣờng và Bluetooth Smart vào
dự án Android Open Source (AOSP). Hiện bản mẫu của hai con chip này đang đƣợc giao
đến đối tác phần cứng và dự kiến sẽ đƣợc sản xuất đại trà trong quý 4 năm nay.

Hình 1.2: Thống kê của IoT Analytics các dự án IoT được chia sẻ toàn cầu
Dƣới đây, theo thống kê của IoT Analytics các dự án IoT đƣợc chia sẻ toàn cầu là 10
ứng dụng có tiềm năng nhất vào IoT.
Chúng ta hãy xem xét một vài ứng dụng tiêu biểu cụ thể:
Thành phố thông minh
Đến năm 2020, chúng ta sẽ thấy sự phát triển của những hành lang Siêu thành phố và
các thành phố kết nối mạng, hợp nhất và có thƣơng hiệu. Với hơn 20% dân số thế giới dự
kiến sẽ sống ở các đô thị vào năm 2025, quá trình đô thị hóa sẽ là một xu hƣớng sẽ tác
Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

động đến cuộc sống và tính di động của các cá nhân trong tƣơng lai. Việc mở rộng ranh

giới thành phố nhanh chóng, do sự gia tang dân số và phát triển cơ sở hạ tầng, sẽ buộc các
ranh giới thành phố mở ra bên ngoài và bao chùm lên các thành phố vệ tinh xung quanh
để tạo thành các Siêu thành phố, với dân số trên 10 triệu ngƣời. Đến năm 2023, sẽ có 30
siêu thành phố trên toàn cầu, với 55% số đó là ở các nền kinh tế đang phát triển nhƣ Ấn
Độ, Trung Quốc, Nga và Mỹ Latinh. Điều này sẽ dẫn đến sự phát triển của các thành phố
thông minh với tám tính năng thông minh, bao gồm: Kinh tế thông minh (Smart
Economy), Tòa nhà thông minh (Smart Buildings), Di chuyển thông minh (Smart
Mobility), Năng lƣợng thông minh (Smart Energy), Công nghệ thông tin và Truyền thông
thông minh (Smart Information Communication and Technology), Quy hoạch thông minh
(Smart Planning), Công dân thông minh(Smart Citizen) và Chính phủ thông minh (Smart
Governance). Vào năm 2025, thế giới sẽ có khoảng 40 thành phố thông minh.
Vai trò của chính quyền thành phố sẽ đặc biệt quan trọng để triển khai IoT. Vận hành
các hoạt động hàng ngày của thành phố và tạo ra chiến lƣợc phát triển đô thị sẽ thúc đẩy
việc sử dụng IoT. Do đó, các thành phố và dịch vụ của chúng là một nền tảng gần nhƣ lý
tƣởng cho nghiên cứu IoT, có tính đến các yêu cầu của thành phố và biến chúng thành các
giải pháp đƣợc hỗ trợ bằng công nghệ IoT. Ở Châu Âu, các sáng kiến thành phố thông
minh nhất tập trung hoàn toàn vào IoT đƣợc thực hiện theo dự án Smart Santander của
Chƣơng trình Nghiên cứu khung 7 (PF7). Dự án này nhằm mục đích triển khai một cơ sở
hạ tầng IoT bao gồm hàng ngàn thiết bị IoT trải khắp một số thành phố (Santander,
Guildford, Luebeck và Belgrade). Điều này sẽ cho phép đồng thời phát triển và đánh giá
các dịch vụ và thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu khác nhau, qua đó hỗ trợ tạo ra một
môi trƣờng thành phố thông minh.
Tƣơng tự, dự án OUTSMART, một trong những dự án Internet Tƣơng lai trong PF7,
tập trung vào các tiện ích và môi trƣờng ở các thành phố và giải quyết vai trò của IoT
trong quản lý nƣớc thải, chiếu sáng công cộng và các hệ thống giao thông cũng nhƣ giám
sát môi trƣờng.
Dự án BUTLER đề xuất một tầm nhìn về thành phố thông minh nhƣ là "miền ngang",
trong đó nhiều kịch bản theo chiều dọc đƣợc tích hợp và đồng bộ để tạo khả năng cho
khái niệm về cuộc sống thông minh. Một kịch bản ngang dẫn đến việc sử dụng các công
nghệ truyền thông không đồng nhất và buộc ngƣời sử dụng tƣơng tác với các dịch vụ IoT

thông suốt và phổ biến. Trong bối cảnh này, có rất nhiều thách thức nghiên cứu quan
trọng đối với các ứng dụng IoT thành phố thông minh:

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

11


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

 Khắc phục phƣơng thức tổ chức theo hình ống truyền thống của các thành phố, với
mỗi đơn vị chịu trách nhiệm cho thế giới khép kín của họ. Mặc dù không phải là
vấn đề công nghệ, nhƣng đây là một trong những rào cản chính.
 Tạo các thuật toán và đề án để mô tả thông tin đƣợc tạo ra bởi cảm biến trong các
ứng dụng khác nhau để cho phép trao đổi thông tin hữu ích giữa các đơn vị khác
nhau của thành phố.
 Các cơ chế cho việc triển khai hiệu quả về chi phí và thậm chí duy trì quan trọng
hơn các thiết bị này, bao gồm thu thập năng lƣợng.
 Đảm bảo việc đọc tin cậy từ vô số bộ cảm biến và hiệu chuẩn hiệu quả của một số
lƣợng lớn các cảm biến đƣợc triển khai ở khắp mọi nơi từ cột đèn đến thùng rác.
 Giao thức và thuật toán năng lƣợng thấp.
 Các thuật toán để phân tích và xử lý dữ liệu thu đƣợc trong thành phố và làm cho
nó trở nên "có nghĩa".
 Triển khai và tích hợp IoT quy mô lớn.
Năng lượng thông minh và lưới điện thông minh
Nhận thức của công chúng ngày càng cao về mô hình chính sách thay đổi của chúng ta
trong cung cấp, tiêu thụ và cơ sở hạ tầng năng lƣợng. Vì một số lý do, cung cấp năng
lƣợng trong tƣơng lai của chúng ta không còn phải dựa vào nguồn tài nguyên hóa thạch.

Năng lƣợng hạt nhân cũng không phải là một lựa chọn trong tƣơng lai. Kết quả là việc
cung cấp năng lƣợng trong tƣơng lai cần đƣợc dựa chủ yếu vào các nguồn tái tạo khác
nhau. Chúng ta phải hƣớng sự tập trung ngày càng nhiều vào hành vi tiêu thụ năng lƣợng
của chúng ta. Do tính chất dễ biến mất nên việc cung cấp này đòi hỏi một mạng lƣới điện
thông minh và linh hoạt có thể phản ứng với những biến động nguồn điện bằng cách kiểm
soát các nguồn năng lƣợng điện (phát điện, lƣu trữ) và những nơi tiêu thụ (tải, lƣu trữ) và
bằng cách tái cấu trúc một cách thích hợp. Các chức năng nhƣ vậy sẽ dựa trên các thiết bị
thông minh đƣợc kết nối mạng (thiết bị gia đình, thiết bị vi sóng, cơ sở hạ tầng, sản phẩm
tiêu dùng) và các thành phần hạ tầng mạng lƣới, chủ yếu dựa trên các khái niệm IoT. Mặc
dù điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về mức tiêu thụ năng lƣợng tức thời của các phụ
tải riêng lẻ (ví dụ: thiết bị, đồ dùng hoặc máy móc công nghiệp) thông tin về việc sử dụng
năng lƣợng ở mức từng khách hang là cách tiếp cận phù hợp đầu tiên.
Các lƣới điện trong tƣơng lai đƣợc đặc trƣng bởi một số lƣợng lớn các nguồn năng
lƣợng và nhà máy điện phân tán quy mô nhỏ và trung bình có thể đƣợc kết hợp hầu nhƣ
ngẫu nhiên với các nhà máy điện ảo; Hơn nữa trong trƣờng hợp mất điện hoặc thiên tai,
các khu vực nhất định có thể bị cách ly khỏi lƣới điện và đƣợc cung cấp bằng các nguồn
năng lƣợng nội bộ nhƣ quang điện trên mái nhà, các nhà máy nhiệt và điện theo khối hoặc
các kho năng lƣợng của một khu dân cƣ ("biệt lập"). Một thách thức lớn đối với các công
Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

nghệ tạo khả năng nhƣ các hệ thống vật lý - không gian mạng (thực-ảo) là việc thiết kế và
triển khai một hạ tầng hệ thống năng lƣợng có khả năng sản xuất và phân phối điện năng
không gián đoạn, đủ linh hoạt để cho phép cung cấp năng lƣợng không đồng nhất hoặc rút

khỏi lƣới điện, và không chịu tác động của các thao tác tình cờ hoặc cố ý. Việc tích hợp
kỹ thuật và công nghệ các hệ thống thực - ảo vào mạng lƣới điện hiện tại và các hệ thống
tiện ích khác là một thách thức. Sự phức tạp gia tăng của hệ thống đặt ra những thách thức
về kỹ thuật cần phải đƣợc xem xét khi hệ thống đƣợc vận hành theo những cách không
không đƣợc đặt ra cho cơ sở hạ tầng ban đầu. Khi các công nghệ và hệ thống đƣợc kết
hợp, an ninh vẫn là mối quan tâm hàng đầu đối với việc giảm tính dễ bị tổn thƣơng của hệ
thống và bảo vệ dữ liệu của các bên liên quan. Những thách thức này cũng cần phải đƣợc
giải quyết bằng các ứng dụng IoT tích hợp các hệ thống thực - ảo không đồng nhất.
Lƣới điện thông minh đang phát triển, đƣợc dự kiến sẽ thực thi một khái niệm mới về
mạng truyền tải, có thể định tuyến năng lƣợng một cách hiệu quả từ các nhà máy tập
trung và phân tán đến ngƣời sử dụng cuối cùng với độ an toàn và các tiêu chuẩn chất
lƣợng cung cấp cao. Do đó, Lƣới điện thông minh đƣợc kỳ vọng là việc thực hiện một
loại "Internet", trong đó gói năng lƣợng đƣợc quản lý tƣơng tự nhƣ các gói dữ liệu - qua
các bộ định tuyến và cổng có thể tự quyết định đƣờng đi tốt nhất cho gói năng lƣợng để
đến đích với mức độ toàn vẹn tốt nhất.
Về mặt này, khái niệm "Internet Năng lƣợng" (IoE) đƣợc định nghĩa là một cơ sở hạ
tầng mạng dựa trên các bộ thu phát, cổng và giao thức tiêu chuẩn và khả năng tƣơng tác,
cho phép cân bằng trong thời gian thực giữa năng lực phát điện và lƣu trữ với nhu cầu về
năng lƣợng địa phƣơng và toàn cầu. Điều này cũng sẽ nâng cao nhận thức và sự tham gia
của ngƣời tiêu dùng. Internet Năng lƣợng cung cấp một khái niệm mới về phân phối điện,
lƣu trữ năng lƣợng, giám sát lƣới điện và liên lạc. Nó sẽ cho phép các đơn vị năng lƣợng
đƣợc chuyển đi khi nào và ở đâu là cần thiết. Việc giám sát mức tiêu thụ năng lƣợng sẽ
đƣợc thực hiện ở tất cả các cấp độ, từ các thiết bị cá nhân ở địa phƣơng đến mức quốc gia
và quốc tế. Tiết kiệm năng lƣợng dựa trên nhận thức của ngƣời tiêu dùng về năng lƣợng
tiêu thụ nhất thời là một trụ cột khác của các khái niệm về quản lý năng lƣợng trong
tƣơng lai. Đồng hồ đo điện thông minh có thể cung cấp thông tin về tiêu thụ năng lƣợng
tức thời cho ngƣời sử dụng, do đó cho phép nhận dạng và loại bỏ các thiết bị lãng phí
năng lƣợng và cung cấp các gợi ý để tối ƣu hóa sự tiêu thụ năng lƣợng cá nhân. Trong
kịch bản lƣới điện thông minh, tiêu thụ năng lƣợng sẽ bị tác động bởi giá năng lƣợng biến
đổi, dựa trên nhu cầu nhất thời (thông qua đồng hộ đo điện thông minh) và lƣợng năng

lƣợng sẵn có và năng lƣợng tái tạo. Trong thị trƣờng năng lƣợng ảo các đại lý có thể
thƣơng lƣợng giá năng lƣợng và đặt đơn đặt hàng năng lƣợng cho các công ty năng lƣợng.
Những quyết định này cần phải cân nhắc các thông tin môi trƣờng nhƣ dự báo thời tiết,

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

điều kiện địa phƣơng và mùa. Những quyết định này phải ở khung thời gian và phạm vi
không gian hẹp hơn nhiều.
Về lâu dài, di chuyển bằng điện sẽ trở thành một yếu tố quan trọng khác của lƣới điện
thông minh. Xe ô tô điện (EVs) có thể hoạt động nhƣ một phụ tải điện cũng nhƣ nguồn
lƣu trữ năng lƣợng di động liên kết nhƣ các phần tử IoT vào lƣới thông tin năng lƣợng
(lƣới điện thông minh). IoT cho phép việc kiểm soát lƣới điện thông minh có thể cần xem
xét nhu cầu và khả năng cung cấp năng lƣợng trong các khu dân cƣ và dọc theo các tuyến
đƣờng chính dựa trên dự báo giao thông. Xe ô tô điện sẽ có thể hoạt động nhƣ một bể hay
nguồn năng lƣợng dựa trên trạng thái nạp tích điện của chúng, lịch sử dụng và giá năng
lƣợng có thể phụ thuộc vào sự dồi dào năng lƣợng (tái tạo) trong lƣới điện. Đây là điểm
tiếp xúc từ đó các kịch bản IoT viễn tin theo sau sẽ hợp nhất với IoT lƣới điện thông
minh.
Kịch bản này dựa trên sự tồn tại của một mạng IoT với vô số cảm biến thông minh và
thiết bị truyền động có thể liên lạc một cách an toàn và đáng tin cậy. Khi đối phó với phần
quan trọng của hạ tầng công cộng, bảo mật dữ liệu là điều quan trọng nhất. Để đáp ứng
các yêu cầu cực kỳ cao về độ tin cậy của lƣới điện, các thành phần cũng nhƣ sự tƣơng tác
của chúng phải có độ tin cậy cao nhất.

Các chiến lƣợc tổ chức và học tập mới cho mạng cảm biến sẽ cần có để đối phó với
những thiếu sót của các khái niệm điều khiển theo thứ bậc cổ điển. Sự thông minh của các
hệ thống thông minh không nhất thiết cần phải đƣợc tích hợp vào các thiết bị ở các biên
của hệ thống. Tùy thuộc vào kết nối, các khái niệm IoT dựa trên đám mây có thể có lợi
khi xem xét việc tiêu hao năng lƣợng và nỗ lực phần cứng.
Việc lọc các dữ liệu tinh vi và linh hoạt, các quy trình và hệ thống xử lý và khai thác
dữ liệu sẽ trở nên cần thiết để xử lý lƣợng dữ liệu thô lớn đƣợc cung cấp bởi hàng tỷ
nguồn dữ liệu. Các mô hình hệ thống và dữ liệu cần hỗ trợ thiết kế của các hệ thống linh
hoạt đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và an toàn trong thời gian thực.
Một số thách thức nghiên cứu:








Liên lạc đảm bảo và an toàn tuyệt đối với các thành phần ở biên mạng.
Giải quyết khả năng tƣơng thích về khả năng mở rộng và tiêu chuẩn.
Bộ cảm biến / bộ truyền động thông minh mạnh mẽ và đáng tin cậy.
Các công nghệ cho ẩn danh dữ liệu giải quyết các vấn đề riêng tƣ.
Đối phó với độ trễ quan trọng, ví dụ trong vòng điều khiển.
Phân vùng hệ thống (thông minh dựa trên cục bộ / đám mây).
Xử lý, lọc và khai thác dữ liệu hàng loạt; tránh gây lụt mạng truyền thông.

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

14

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

 Các mô hình thời gian thực và các phƣơng pháp thiết kế miêu tả sự hợp nhất đáng
tin cậy của các hệ thống không đồng nhất (ví dụ nhƣ các hệ thống kỹ thuật / kinh tế
/ xã hội / môi trƣờng). Xác định và giám sát các yếu tố quan trọng của hệ thống.
Phát hiện kịp thời các trạng thái hệ thống quan trọng.
 Các khái niệm hệ thống hỗ trợ tự phục hồi và ngăn ngừa thiệt hại; chiến lƣợc để
quản lý sự cố hƣ hỏng.
 Khả năng mở rộng các chức năng an ninh.
 Các lƣới điện phải có khả năng phản ứng một cách chính xác và nhanh chóng với
sự biến động trong việc cung cấp điện từ các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ gió và
các thiết bị năng lƣợng mặt trời.
Giao thông và di chuyển thông minh
Sự kết nối của các phƣơng tiện giao thông với Internet tạo ra vô số những khả năng và
ứng dụng mới mang lại những chức năng mới cho cá nhân và / hoặc việc làm cho việc đi
lại, vận chuyển dễ dàng và an toàn hơn. Trong bối cảnh này, khái niệm Ô-tô Internet
(IoV) kết nối với Internet Năng lƣợng (IoE) thể hiện các xu hƣớng tƣơng lai cho các ứng
dụng giao thông và di chuyển thông minh.
Đồng thời, việc tạo ra các hệ sinh thái di động mới dựa trên sự tin cậy, an toàn và tiện
lợi cho các ứng dụng giao thông và dịch vụ di động/không tiếp xúc sẽ đảm bảo tính an
toàn, tính di động và tiện lợi cho các giao dịch và dịch vụ hƣớng vào ngƣời tiêu dùng.
Thể hiện hành vi của con ngƣời trong việc thiết kế, phát triển và vận hành các hệ
thống vật lý không gian mạng trong các phƣơng tiện tự trị là một thách thức. Kết hợp
đƣợc những cân nhắc con ngƣời trong vòng lặp là rất quan trọng đối với sự an toàn, tin
cậy và tính dự báo. Hiện tại, sự hiểu biết hạn chế về hành vi của lái xe sẽ bị ảnh hƣởng
bởi các hệ thống vật lý không gian điều khiển giao thông thích nghi. Ngoài ra, rất khó để
tính hết những ảnh hƣởng ngẫu nhiên của ngƣời lái xe trong môi trƣờng giao thông hỗn

hợp (tức là xe do ngƣời điều khiển và xe tự điều khiển) nhƣ trong các hệ thống vật lý
không gian mạng kiểm soát giao thông. Khi các hệ thống vật lý không gian mạng trở nên
phức tạp hơn và sự tƣơng tác giữa các thành phần gia tăng, an toàn và an ninh sẽ tiếp tục
là vấn đề cực kỳ quan trọng. Tất cả những yếu tố này đều vô cùng quan trọng đối với các
hệ sinh thái IoT đƣợc phát triển dựa trên các công nghệ tạo khả năng này.
Khi đề cập về IoT trong bối cảnh ô tô và viễn tin, chúng ta có thể tham khảo các kịch
bản ứng dụng sau:
 Các tiêu chuẩn phải đƣợc xác định liên quan đến điện áp sạc của các thiết bị
điện tử công suất lớn và phải có quyết định về việc liệu các quá trình nạp điện
Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

cần đƣợc kiểm soát bởi một hệ thống đặt trong xe hoặc đƣợc lắp đặt tại trạm
sạc điện.
 Cần phát triển các thành phần cho các hoạt động hai chiều và thanh toán điện
năng linh hoạt nếu xe điện đƣợc sử dụng làm phƣơng tiện lƣu trữ điện.
• IoT là một phần cố hữu của hệ thống quản lý và điều khiển xe: ngày nay các chức
năng kỹ thuật nhất định của các hệ thống trên xe có thể đƣợc giám sát trực tuyến bởi trung
tâm dịch vụ hoặc trạm sửa xe cho phép bảo dƣỡng đề phòng, chẩn đoán từ xa, hỗ trợ tức
thì và kịp thời có sẵn phụ tùng thay thế. Với mục đích này, dữ liệu từ các cảm biến trên xe
đƣợc thu thập bởi một thiết bị thông minh trên xe và đƣợc truyền qua Internet tới trung
tâm dịch vụ.
• IoT cho phép quản lý và kiểm soát giao thông: Ô tô có thể tự tổ chức để tránh tắc
nghẽn giao thông và tối ƣu hóa sử dụng năng lƣợng. Điều này có thể đƣợc thực hiện với

sự phối hợp và hợp tác của hạ tầng hệ thống quản lý và kiểm soát giao thông của thành
phố thông minh. Ngoài ra, phí đỗ xe và phí giao thông đƣờng bộ linh hoạt có thể là những
yếu tố quan trọng của hệ thống nhƣ vậy. Việc trao đổi thông tin giữa các phƣơng tiện với
cơ sở hạ tầng cho phép tăng đáng kể an toàn giao thông, góp phần giảm số vụ tai nạn giao
thông.
• IoT cho phép các kịch bản giao thông mới (vận tải đa phương thức): Trong các tình
huống nhƣ vậy, ví dụ các nhà sản xuất thiết bị ô tô coi họ là các nhà cung cấp dịch vụ di
động hơn là các nhà sản xuất phƣơng tiện. Ngƣời sử dụng sẽ đƣợc cung cấp một giải pháp
tối ƣu để đi A đến B, dựa trên tất cả các phƣơng tiện giao thông sẵn có và phù hợp. Do
đó, dựa trên tình huống giao thông nhấtthời, một giải pháp lý tƣởng có thể là sự kết hợp
của các phƣơng tiện cá nhân, đi chung xe, đƣờng sắt, và hệ thống công cộng. Để cho phép
sử dụng liền mạch và sự sẵn sang kịp thời của các yếu tố này (bao gồm cả không gian đỗ
xe), tính sẵn có cần đƣợc xác minh và đảm bảo bằng thủ tục đặt chỗ và đăng ký trực
tuyến, lý tƣởng là tƣơng tác với các hệ thống quản lý giao thông thành phố thông minh
nói trên.
Các kịch bản này không độc lập với nhau và thể hiện hết tiềm năng của chúng khi
đƣợc kết hợp và sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Trong một hệ sinh thái liên lạc dựa
trên Công nghệ điều khiển logic khả trình (PLC), các thành phần kỹ thuật của các hệ
thống này là điện thoại thông minh và các thiết bị thông minh trên xe thu thập thông tin từ
ngƣời dùng (ví dụ: vị trí, điểm đến và lịch trình) và từ các hệ thống trên xe (ví dụ: trạng
thái xe, vị trí, hồ sơ sử dụng năng lƣợng, hồ sơ lái xe). Chúng tƣơng tác với các hệ thống
bên ngoài (ví dụ: hệ thống kiểm soát giao thông, quản lý bãi đậu xe, quản lý việc đi chung

Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

16


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan Internet of Things

xe, cơ sở hạ tầng sạc cho xe điện). Hơn nữa chúng cần phải kích thoạt và thực hiện các
thủ tục thanh toán liên quan.
Các cảm biến thông minh trên đƣờng và các hạ tầng điều khiển giao thông cần phải
thu thập thông tin về tình trạng đƣờng xá và lƣu lƣợng xe, điều kiện thời tiết,... Điều này
đòi hỏi phải có cảm biến (và bộ truyền động) mạnh có thể cung cấp thông tin một cách tin
cậy đến các hệ thống đã đề cập ở trên. Sự liên lạc tin cậy nhƣ vậy cần phải dựa trên các
giao thức liên lạc M2M có tính đến các ràng buộc về thời gian, an toàn an ninh. Số lƣợng
dữ liệu kỳ vọng cao sẽ đòi hỏi các chiến lƣợc khai thác dữ liệu phức tạp. Tối ƣu hóa tổng
thể lƣu lƣợng giao thông và sử dụng năng lƣợng có thể đạt đƣợc bằng sự tổ chức tập thể
các phƣơng tiện cá nhân. Các bƣớc đầu tiên có thể là sự mở rộng dần dần DATEX-II bởi
các công nghệ và thông tin liên quan đến IoT. Tiêu chuẩn hóa (quốc tế) các lớp giao thức
và các giao diện có tầm quan trọng đặc biệt để cho phép cạnh tranh về kinh tế và đảm bảo
sự tƣơng tác thông suốt các sản phẩm của nhà cung cấp khác nhau.
Khi thực hiện các thông tin liên quan đến vị trí, điểm đến, lịch trình và thói quen của
ngƣời dùng, các vấn đề riêng tƣ đƣợc đặt ƣu tiên cao nhất. Chúng thậm chí có thể trở
thành những vật cản cho các công nghệ nhƣ vậy. Do đó không chỉ đƣờng liên lạc an toàn
mà cả các thủ tục đảm bảo ẩn danh và phi cá nhân hoá dữ liệu nhạy cảm là vấn đề cần
quan tâm. Một số thách thức nghiên cứu ở đây gồm:
 Liên lạc an toàn và đảm bảo với các thành phần biên mạng, liên lạc giữa các xe với
nhau và liên lạc giữa xe với cơ sở hạ tầng.
 Các cảm biến và bộ truyền động thông minh mạnh mẽ và đáng tin cậy trong xe và
cơ sở hạ tầng.
 Công nghệ cho ẩn danh dữ liệu giải quyết sự quan tâm về tính riêng tƣ.
 Phân vùng hệ thống (thông minh dựa trên địa phƣơng/đám mây điện toán).
 Xác định và giám sát các thành phần quan trọng của hệ thống. Phát hiện kịp thời
các trạng thái hệ thống quan trọng.
 Các công nghệ hỗ trợ tự tổ chức và hình thành năng động của các cấu trúc/tái cấu
trúc.

 Đảm bảo đủ mức độ tin cậy và an toàn cho trao đổi dữ liệu giữa các cơ sở hạ tầng
ICT khác nhau theo chiều dọc (ví dụ nhƣ kịch bản đa phƣơng thức).
Nhà ở thông minh, các tòa nhà và cơ sở hạ tầng thông minh
Sự gia tăng vai trò của Wi-Fi trong tự động hóa nhà ở chủ yếu bắt nguồn từ bản chất
nối mạng của các thiết bị điện tử triển khai, nơi các thiết bị điện tử (TV và máy thu AV,
thiết bị di động,...) bắt đầu trở thành một phần của mạng Internet gia đình và sự gia tăng
tỷ lệ sử dụng các thiết bị máy tính di động (điện thoại thông minh, máy tính bảng,...). Các
Hoàng Mạnh Tuấn, D13VT7

17