Chương 1. Vai trò của mật mã học ở thời điểm hiện tại. Mục tiêu nghiÊn CỨU. Kết quả nghiên cứu dự kiến.
_ Các nội dung chính và giới hạn đề tài. _ Nội dung 1: Kiến thức cơ bản và khái quát. Nội dung 2: Phát triển và mô phỏng code. Nội dung 3: Triển khai và thực hiện trên phần CỨNE.
Nội dung 4: Đánh giá và tôi ưu. Cac nghiên cứu liÊn Quañ.- c5 213211838113 E1 E1EEEErrrererre 7 Chương 2. CO SỞ LÝ THUYÊTT. Kiến trúc Mang có thê cấu hình lai chi tiết thô — Coarse-grained Reconfigurable Array (CGRA).-- LG LH HH ng TH HH kg 9 2.
Lịch sử phát triển của CGRA. Lý thuyết hoạt động tổng quan của một CGRA. Thuật toán SHA-3 .-- Ăn HH ng Hà HH HH 11 2. Nguyên lý vận hành SHA-3.
Ham thực thi f thuật toán SHA-3.- SH TH HH th 15 2. Thuật toán SPARKLE. cece HT n HH HH ng 16 2. LH HH HH TH ng HH HH net 16 2.
Ăn HH TH TH HH HH HH nh 19 2. Nguyên lý vận hành Esch-256. Thuật toán ROMULUS. ng ng ng Hy 21 2.
Ăn TH TH TH TH Tnhh 21 24.-- G1 TH TH HH Hy 27 2. _ Thuật toán SIPHASH và SPECK. _ Thuật toán SIPHASH. SG SH it 27 2.
_ Thuật toán SPEC(K.- Gv ni, 29 Chương 3. KIÊN TRÚC CRYPTO CGRA. Kiến trúc Mang có thé câu hình lại chi tiết thô phục vụ cho mật mã học — Crypto Coarse-grained Reconfigurable Array (Crypto CGR. Kiến trúc tổng quan Crypto CGRA oo.
Đơn vi xử lý — Processing Element (PE). Kếtnối hàng — Row Connection (R). Hoạt động tính toán của Crypto CGRA.- cty 41 Chương 4. DANH GIÁ KET QUA woeeeccccceccsccsssssessessessessessessessessesuessesseaessesseaees 45 4.
Van hành Crypto CGRA trên mô phỏng.-- - --- 55+ ++sss++s++se+sss2 45 4. Thư viện(C SimulafOr. Mô phỏng trên VIVaO.G vn ng key 46 4. Crypto CGRA vận hành thuật toán trên mô phỏng.
Crypto CGRA vận hành thuật toán thực. Vận hành và thấm định Crypto CGRA trên FPGA. Tài nguyên thiết kế. So sánh Kết Quả.---:- + + ++SE‡EEEEEEEEEEEEEEEE2E1211211211211 1e re,50 Chương 5.
_ Kết quả của khóa luận.-----¿- 2 +¿2++2E++EE++EEEtEE+SEEesrkrzrkrrrrrrrree 54 5. Phương hướng phát triỀn.---- 2-2 + + E+EE+EE+EE+EE+EEEEE+EEzEerrerrerree 54 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Biểu đồ mối liên hệ giữa Hiệu quả và Độ linh hoạt của các loại kiến trúc PHAN cứng.- - ¿+ +k9SE9Ek9E1EE1E7111111111111111111111111111 1111111111 g1 re.2: Mang có thé cấu hình lại chi tiết thô điên hình.3: Nguyên lý vận hành SHA -3.4: ARX-box Alzette 1n.5: Nguyên lý vận hành Esch-256 .- - ---- -- + + + + xxx v*kSrseeeerrereeee 20 Hình 2.6: Sơ đồ thứ tự hoạt động của Round function Skinny-I28-384.7: Ảnh hưởng của ART lên TKI, TK2 và TK3.8: Sơ đồ luồng tính toán của SIPHASH.9: Sơ đồ luồng tính toán của SPECK.1: Kiến trúc tong quan Crypto CGRA.2: Kiến trúc của một đơn vị xử 0.3: Don vị tính toán kép — DUAL-ALLU.4: Luồng hoạt động của Crypto CGRA ở mỗi chế độ .5: Kiến trúc ALU 3⁄2-bi(.-----2222-5+2522SE‡EE£EEEEEEEEESEEEEErEkerkerrerrkervee 38 Hình 3.6: Kiến trúc của Thanh Kết nối 1 trong Crypto CGRA.7: Kiến trúc Crypto CGRA ở cấp độ SoC.---- 2-2 s+cz+£z+z+zzxezreee 41 Hình 3.8: Sơ đồ xử lý dữ liệu lớn băng các phiên làm việc.9: Crypto CGRA thực hiện Pipeline theo thời g1an.1: Thư viện C_ SimulafOT.2: Mô tả vận hành Crypto CGRA thực tẾ .---- 2-2 2+5z+sz+Ezzczrczrezes 49 DANH MỤC BANG Bang 1.1: So sánh thông lượng mong muốn dat được trên TySOM-3A-ZU19EG Embedded FPGA va thông lượng thực trên CPU của các thuật toán.1: Quy định các thuộc tính SHA-3. ng re 12 Bang 2.2: Hằng số các vòng thực thi SHA-3 (Round constant). Chỉ số quay thuật toán SA -3.---2- 2 2 2+S£+E£+E++E2EE2EZErrrrerreee 14 Bang 2.4: Bang quy Ginh 00.5: Bang trạng thái giá trỊ DAM .6: Bảng trạng thái 'TÌK.
1311211391121 9111 1 9111 11H ng ngư 22 Bang 02/0851 38iri si: 109.8: Bảng trạng thái 'TÏK3.-- G1191 HH ng ng ng ngư 22 Bảng 2.9: Bảng Sbox S8 của Skinny-128-38⁄4.10: Bang Hang số Skinny-128-384.-2---2- 22 ©522cS+2cx2zxzrxrsrxrrrxee 23 Bảng 3.1: Định dạng lệnh thao tác với Khối lưu trữ dữ liệu nội bộ .2: Định dạng lệnh cấu hình các tính toán xử lý của PE.3: Phạm vi khai thác của các nhóm chuyên tiếp giá trị .4: Chức năng các Khối tính toán căn bản.5: Dinh dạng lệnh cấu hình Kết nối hang .1: Phân chia hoạt động của các thuật toán dựa trên Vòng lặp thực thi.2: Thông số vận hành thực tế của Crypto CGRA với những thuật toán được I{0180109ã149)158.3: Tài nguyên thiết kế Crypto CGRA.4: Bảng so sánh kết quả vận hành thuật toán giữa Crypto CGRA và các CPU .5: Bảng so sánh kết quả trên ASIC so với những nghiên cứu khác của 04051906.6: Thông tin phần cứng được so sánh.--- 2-2 2 +2 ++£++x++Ezxzxzxezxs 52 DANH MỤC TỪ VIET TAT STT | Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 |CGRA Coarse-Grained Reconfigurable Array 2 | FPGA Field-Programmable Gate Array 3 | IoT Internet of Things 4 |LDM Local Data Memory 5 | PE Processing Element 6 | PER Processing Element Row 7 | PL Programmable Logic 8 |PS Processing System 9 |RC Row Connection 10 | RCB Row Connection Bar TOM TAT KHÓA LUẬN Cùng với sự phát triển của công nghệ, nhu cầu sử ứng dụng những công nghệ tiên tiến vào đời sống xã hội ngày càng tăng và có sức ảnh hưởng to lớn đến hầu hết các ngành nghề khác, trao đổi thông tin giữa các thiết bị trở thành một trong những điều thiết yếu. Một trong những vấn đề đang cần được phát triển hiện nay là việc bảo mật dir liệu trên các thiết bị và trong trao đổi thông tin. Mặc dù đã có nhiều phương án bảo mật đữ liệu được phát triển và đang sử dụng rộng rãi nhưng vẫn chưa phù hợp hoàn toàn với nhiều thiết bị có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt và cần tốc độ xử lý nhanh. Từ đó cần có một phương án có thê giúp xử lý việc bảo mật thông tin có kích thước và tốc độ xử lý phù hợp với các thiết bị đó.
Khóa luận này nhằm vào việc phát triển một kiến trúc phần cứng trên hệ thống SoC có khả năng tính toán nhanh và linh hoạt mang tên Crypto CGRA. Phát triển phần cứng theo hướng bao mật dữ liệu bằng cách tích hợp thêm vào phan cứng khả năng xử lý các thuật toán mật mã học nồi tiếng và được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay. Từ những bước phát triển ban đầu của nhóm nghiên cứu trước chỉ có thé xử lý các thuật toán 32-bit và chưa hỗ trợ được nhiều thuật toán, khóa luận sẽ phát triển kiến trúc có thé thực hiện cả các thuật toán 64-bit và 32-bit mà vẫn giữ được độ ôn định ban đầu của các thuật toán cũ đã tích hợp trên kiến trúc. Hơn nữa, Crypto CGRA sẽ được tích hợp thêm 5 thuật toán mới, trong đó có 3 thuật toán có độ phức tap cao là SHA-3, Esch, Romulus và 2 thuật toán có độ phức tap thấp bù lại xử lý nhanh và dé ứng dụng vào nhiều nền tảng yêu cầu dit liệu có độ phức tạp thấp là SPECK va SIPHASH.
Việc hiện thực những điều vừa kể trên trải qua nhiều công đoạn và khó khăn bao gồm tìm hiểu lại kiến trúc của nghiên cứu trước và xây dựng lại nền tảng của kiến trúc, việc tìm hiểu cách hoạt động và đánh giá khả năng hoạt động của các thuật toán sau đó dùng môi trường của Crypto CGRA dé mô phỏng lại thuật toán. Việc đánh giá khả năng hoạt động của Crypto CGRA được thực hiện dựa trên khả năng chạy thực té của kiến trúc trong hệ thống SoC trên board TySOM-3A-ZU19EG Embedded FPGA. Kết quả vận hành thực tế của Crypto CGRA sẽ được so sánh khách quan với nhiều đối tượng từ đó mang lại giá trị tham khảo và kinh nghiệm cho những nghiên cứu về sau. Qua kết quả đánh giá, cho thấy Crypto CGRA có thê chạy tốt trong thực tế với những thuật toán đã được tích hợp.
Vai trò của mật mã học ở thời điểm hiện tại Trong bối cảnh xã hội hiện đại, mật mã học đóng vai trò vô cùng quan trọng và có những ứng dụng đặc biệt trong lĩnh vực bảo mật thông tin, đặc biệt là trong lĩnh vực Internet of Things (IoT). Trong những ứng dụng hàng ngày, mật mã hoc đảm nhận một sô vai trò tiêu biêu như sau: ° Bảo vệ dữ liệu cá nhân và tổ chức: Trong môi trường số ngày nay, đữ liệu cá nhân và tổ chức ngày càng trở nên quan trọng và dễ bị đánh cắp. Mật mã hóa giúp bảo vệ thông tin này khỏi các mối đe dọa bằng cách mã hóa dữ liệu khi chúng được truyền tải qua mạng hay lưu trữ trên các thiết bị điện tử. ° An toàn giao dịch và thanh toán điện tử: Các giao dịch tài chính trực tuyến, mua bán hàng hóa qua mạng và các dịch vụ ngân hàng điện tử đều cần sử dung mật mã hóa dé dam bao tính toàn vẹn của thông tin và ngăn chặn các hành vi lừa đảo.
° Bảo vệ quyền riêng tu và tuân thủ pháp luật: Mật mã hóa giúp bảo vệ quyền riêng tư của người dùng, bảo đảm rằng các dữ liệu nhạy cảm như thông tin y tế, thông tin cá nhân không bị truy cập trái phép hoặc lộ ra ngoài. ° An ninh mạng và ngăn chặn các cuộc tấn công: Trong môi trường mạng ngày nay, các cuộc tan công mạng ngày càng phức tạp và nguy hiểm hơn. Mật mã hóa đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hạ tầng mạng, ngăn chặn các cuộc tấn công và giúp phát hiện sớm các hành vi độc hại. Trong kỷ nguyên của xã hội 5.0, việc tích hợp công nghệ Blockchain vào các hệ thống Internet vạn vật (IoT) - từ thành phố thông minh, chăm sóc sức khỏe, quản lý chuỗi cung ứng đến phương tiện tự lái - đang ngày càng nổi bật.
Sự tích hợp nay đặc biệt nhân mạnh vai trò không thé thiếu của mật mã học trong việc bảo đảm an ninh và quyền riêng tư cho dữ liệu IoT. Một số ứng dụng đặc biệt của mật mã học trong lĩnh vực này như sau: ° Bảo mật dữ liệu truyền tải: loT kết nối rất nhiều thiết bị thông minh và cảm biến với nhau và với hệ thống trung tâm. Mật mã hóa giúp bảo vệ dữ liệu khi chúng được truyền tải qua mạng IoT, ngăn chặn các cuộc tấn công và lộ thông tin. ° Quản lý và bảo vệ khóa: Trong môi trường IoT phức tạp, quản lý khóa va xác thực là vấn đề quan trọng.
Mật mã hóa giúp bảo vệ các khóa và đảm bảo rằng chỉ có các thiết bị được ủy quyền mới có thể truy cập vào dữ liệu và điều khiển các thiết bị. ° Tăng cường an ninh thiết bị: Việc sử dụng mật mã hóa trong IoT giúp tăng cường an ninh cho từng thiết bị kết nối, ngăn chặn các cuộc tấn công từ xa và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.