Luận án tiến sĩ: Ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn trong mật mã dữ liệu ảnh

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CÁM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HÀM HỖN LOẠN VÀ ẢNH SỐ

1.1. Mật mã hiện đại và phân loại

1.2. Phân loại mật mã

1.3. Hệ thống hỗn loạn

1.3.1. Hệ hỗn loạn liên tục theo thời gian

1.3.2. Hệ hỗn loạn rời rạc theo thời gian

1.4. Hàm hỗn loạn Cat-Hadamard

1.5. Hàm Skew tent

1.6. Hàm hỗn loạn không gian-thời gian

1.7. Các thuộc tính của hàm hỗn loạn phù hợp cho ứng dụng trong mật mã

1.7.1. Các thuộc tính cơ bản

1.7.2. Các tham số và tính chất của hàm hỗn loạn dùng trong mật mã

1.8. Tạo chuỗi ngẫu nhiên dùng hàm hỗn loạn

1.8.1. Tạo chuỗi bit ngẫu nhiên

1.8.2. Tạo chuỗi số giả ngẫu nhiên

1.9. Ảnh số và các đặc điểm

1.9.1. Biểu diễn ảnh số

1.9.2. Các đặc trưng của dữ liệu ảnh

2. CHƯƠNG 2: MẬT MÃ ẢNH Ở MỨC BIT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HỖN LOẠN

2.1. Mô hình mật mã cấu trúc SPN

2.1.1. Hoán vị các điểm ảnh sử dụng hỗn loạn

2.1.1.1. Các cơ chế hoán vị dữ liệu cho ảnh

2.1.1.2. Luật hoán vị dựa vào biến trạng thái

2.1.1.3. Luật hoán vị dựa vào đặc tính động của hàm hỗn loạn rời rạc

2.1.1.4. Đánh giá hiệu năng của phép hoán vị

2.1.2. Phép thay thế sử dụng hỗn loạn

2.1.2.1. Phép thay thế không tạo ra lan truyền

2.1.2.2. Thay thế có lan truyền

2.1.3. Đề xuất các hệ mật mã hỗn loạn làm việc ở mức bit

2.1.3.1. Đề xuất 1: Hệ mật mã dựa trên tác động lên đặc tính động của hàm hỗn loạn

2.1.3.2. Bộ giải mật mã

2.1.3.3. Kết quả mô phỏng

2.1.3.4. Phân tích khả năng bảo mật

2.1.3.5. Kết quả thiết kế mạch cứng

2.1.4. Đề xuất 2: Hệ mật mã hỗn loạn cho ảnh ở mức bit

2.1.4.1. Giải thuật mật mã dùng hàm hỗn loạn Cat-Hadamard

2.1.4.2. Giải thuật giải mật

2.1.4.3. Chi phí tính toán

2.1.4.4. Giải thuật phân phối khóa

2.1.4.5. Phân tích khả năng bảo mật

3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH MẬT MÃ HỖN LOẠN CÓ CẤU TRÚC SPN

3.1. Một số qui ước trong phân tích mã

3.2. Mô tả hệ mật mã hỗn loạn được đề xuất bởi W

3.3. Đề xuất 3: Phân tích hệ mật mã hỗn loạn có cấu trúc SPN với một vòng lặp mã

3.3.1. Tấn công lựa chọn bản rõ

3.3.1.1. Tấn công vào quá trình hoán vị

3.3.1.2. Tấn công vào khuếch tán

3.4. Tấn công lựa chọn bản mã

3.4.1. Tấn công quá trình hoán vị ngược

3.4.2. Tấn công khuếch tán ngược

3.4.3. Ước lượng thời gian tấn công

3.4.3.1. Thời gian tấn công hoán vị

3.4.3.2. Thời gian tấn công khuếch tán

3.4.4. Một số bàn luận về tấn công một vòng lặp mã

3.5. Đề xuất 4: Phân tích mật mã hỗn loạn có cấu trúc SPN với nhiều vòng lặp mã

3.5.1. Giải thuật mật mã và giải mật nhiều vòng lặp mã

3.5.1.1. Nhận diện điểm yếu trong hệ mật mã

3.5.1.2. Khôi phục luật hoán vị

3.5.1.3. Đề xuất phương pháp nâng cao bảo mật cho hệ mật mã

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hàm hỗn loạn và ảnh số

Chương này giới thiệu tổng quan về hàm hỗn loạn và ảnh số, hai yếu tố cốt lõi trong nghiên cứu của luận án. Hàm hỗn loạn được phân loại thành hệ liên tục và rời rạc theo thời gian, với các ví dụ cụ thể như hàm Cat-Hadamard và Skew tent. Các thuộc tính của hàm hỗn loạn phù hợp cho mật mã được phân tích, bao gồm tính chất cơ bản và tham số. Ảnh số được biểu diễn dưới dạng ma trận điểm ảnh, với các đặc trưng như biểu diễn bit và tính chất động của dữ liệu ảnh. Phần này cũng đề cập đến việc tạo chuỗi ngẫu nhiên bằng hàm hỗn loạn, một yếu tố quan trọng trong mã hóa hình ảnh.

1.1 Hệ thống hỗn loạn

Hệ thống hỗn loạn được phân loại thành hệ liên tục và rời rạc theo thời gian. Hệ liên tục bao gồm các hàm như Logistic và Henon, trong khi hệ rời rạc tập trung vào các hàm như Cat-Hadamard và Skew tent. Các thuộc tính của hàm hỗn loạn, như tính nhạy cảm với điều kiện ban đầu và tính chất động, được phân tích để ứng dụng trong mật mã học.

1.2 Ảnh số và đặc điểm

Ảnh số được biểu diễn dưới dạng ma trận điểm ảnh, với các lớp bit khác nhau. Các đặc trưng của dữ liệu ảnh, như tính tự tương quan và phân bố giá trị điểm ảnh, được nghiên cứu để áp dụng trong mã hóa hình ảnh. Phần này cũng đề cập đến việc tạo chuỗi ngẫu nhiên bằng hàm hỗn loạn, một yếu tố quan trọng trong bảo mật dữ liệu.

II. Mật mã ảnh ở mức bit ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn

Chương này tập trung vào việc áp dụng kỹ thuật hỗn loạn trong mật mã dữ liệu ảnh ở mức bit. Mô hình mật mã cấu trúc SPN (Substitution-Permutation Network) được giới thiệu, với các cơ chế hoán vị và thay thế dựa trên hàm hỗn loạn. Các phương pháp hoán vị điểm ảnh và thay thế bit được đề xuất, cùng với đánh giá hiệu năng của các phương pháp này. Hai hệ mật mã hỗn loạn mới được đề xuất, với các giải thuật mã hóa và giải mã cụ thể, cùng với phân tích khả năng bảo mật và thiết kế phần cứng.

2.1 Mô hình mật mã cấu trúc SPN

Mô hình mật mã cấu trúc SPN được xây dựng dựa trên các lớp hoán vị và thay thế. Các cơ chế hoán vị điểm ảnh sử dụng hàm hỗn loạn được đề xuất, bao gồm luật hoán vị dựa trên biến trạng thái và đặc tính động của hàm hỗn loạn. Phương pháp đánh giá hiệu năng của phép hoán vị được thực hiện thông qua các chỉ số như PAPC và DBAP.

2.2 Đề xuất hệ mật mã hỗn loạn

Hai hệ mật mã hỗn loạn mới được đề xuất, với các giải thuật mã hóa và giải mã cụ thể. Hệ thứ nhất dựa trên tác động lên đặc tính động của hàm hỗn loạn, trong khi hệ thứ hai tập trung vào mã hóa ảnh ở mức bit. Các kết quả mô phỏng và phân tích khả năng bảo mật được trình bày, cùng với thiết kế phần cứng của hệ mật mã.

III. Phân tích mật mã hỗn loạn có cấu trúc SPN

Chương này tập trung vào phân tích các hệ mật mã hỗn loạn có cấu trúc SPN. Các phương pháp tấn công như tấn công lựa chọn bản rõ và bản mã được nghiên cứu, cùng với đánh giá thời gian tấn công. Các điểm yếu trong hệ mật mã được nhận diện, và các phương pháp nâng cao bảo mật được đề xuất. Phần này cũng bao gồm các kết quả mô phỏng và phân tích thống kê để đánh giá hiệu quả của các phương pháp tấn công và phòng thủ.

3.1 Tấn công lựa chọn bản rõ

Các phương pháp tấn công lựa chọn bản rõ được nghiên cứu, bao gồm tấn công vào quá trình hoán vị và khuếch tán. Các kết quả mô phỏng và phân tích thời gian tấn công được trình bày, cùng với các điểm yếu được nhận diện trong hệ mật mã.

3.2 Tấn công lựa chọn bản mã

Các phương pháp tấn công lựa chọn bản mã được nghiên cứu, bao gồm tấn công vào quá trình hoán vị ngược và khuếch tán ngược. Các kết quả mô phỏng và phân tích thời gian tấn công được trình bày, cùng với các phương pháp nâng cao bảo mật được đề xuất.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện tử: Ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn trong mật mã dữ liệu ảnh