Luận văn nghiên cứu về các hệ mã khối trong mật mã nhẹ

• Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Cảnh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm
• Đề tài: Luận văn nghiên cứu về các hệ mã khối trong mật mã nhẹ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẬT MÃ KHỐI TRONG MẬT MÃ NHẸ
• 1.1. Khái niệm về mật mã nhẹ
• 1.2. Quá trình hình thành và phát triển của mật mã nhẹ
• 1.3. Nguyên lý thiết kế thuật toán mật mã nhẹ
• 1.4. Một số hệ mật trong mật mã nhẹ
• 1.5. Một số đặc trưng của mật mã nhẹ
• 1.6. Mật mã khối hạng nhẹ
• 2. CHƯƠNG 2: NHỮNG HỆ MẬT MÃ KHỐI HẠNG NHẸ ĐIỂN HÌNH
• 2.1. Những hệ mật mã khối hạng nhẹ điển hình
• 2.2. Hệ mật PRESENT
• 2.3. Hệ mật SIMON và SPECK
• 2.4. Hệ mật KATAN/KTANTAN
• 2.5. Hệ mật LED
• 2.6. Hệ mật TEA
• 2.7. Hệ mật KLEIN
• 2.7.1. Ý tưởng thiết kế
• 2.7.2. Quá trình mã hóa của KLEIN
• 2.7.3. Tính toán khóa
• 2.7.4. Điểm yếu của KLEIN
• 2.8. Hệ mật HIGHT
• 2.9. Hệ mật SEA
• 2.10. Hệ mật NEOKEON
• 2.11. Hệ mật KLEIN (lặp lại)
• 2.12. Ý tưởng thiết kế (lặp lại)
• 2.13. Quá trình mã hóa của KLEIN (lặp lại)
• 2.14. Tính toán khóa (lặp lại)
• 2.15. Điểm yếu của KLEIN (lặp lại)
• 2.16. Hệ mật KATAN
• 2.16.1. Ý tưởng thiết kế
• 2.16.2. Quá trình mã hóa KATAN
• 2.16.3. Tính toán khóa
• 2.16.4. Điểm yếu của KATAN
• 2.17. Hệ mật SIMON
• 2.17.1. Tính toán khóa
• 2.17.2. Điểm yếu của SIMON
• 2.18. Hệ mật SPECK
• 2.18.1. Tính toán khóa
• 2.18.2. Điểm yếu của SPECK
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ MÃ KHỐI TRONG MẬT MÃ NHẸ
• 3.1. Mô hình hệ thống
• 3.2. Phân tích hệ thống
• 3.3. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT21
• 3.4. Phần mềm Station
• 3.5. Phần mềm Server
• 3.6. Kết quả thực hiện
• 3.7. Quy trình hoạt động
• 3.8. Kết luận và hướng phát triển
• 3.8.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu các hệ mã khối trong mật mã nhẹ

Mật mã nhẹ đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong bảo mật thông tin, đặc biệt là trong các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Nghiên cứu về các hệ mã khối trong mật mã nhẹ không chỉ giúp cải thiện an ninh mạng mà còn tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị. Luận văn này sẽ đi sâu vào các khái niệm cơ bản và sự phát triển của mật mã nhẹ, từ đó làm rõ vai trò của các hệ mã khối trong việc bảo vệ thông tin.

1.1. Khái niệm về mật mã nhẹ và hệ mã khối

Mật mã nhẹ là một thuật ngữ chỉ các phương pháp mã hóa được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Hệ mã khối là một trong những phương pháp mã hóa phổ biến, sử dụng các khối dữ liệu cố định để mã hóa thông tin.

1.2. Lịch sử phát triển của mật mã nhẹ

Mật mã nhẹ đã phát triển từ những năm 2000, khi nhu cầu bảo mật thông tin trên các thiết bị di động và IoT gia tăng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mật mã nhẹ có thể đáp ứng được yêu cầu bảo mật mà không làm giảm hiệu suất của thiết bị.

II. Những thách thức trong nghiên cứu hệ mã khối

Mặc dù mật mã nhẹ mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc phát triển và triển khai các hệ mã khối. Các vấn đề như khả năng chống tấn công, hiệu suất và khả năng tương thích với các thiết bị khác nhau cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề an ninh trong hệ mã khối

Các hệ mã khối cần phải đảm bảo tính bảo mật cao trước các cuộc tấn công như tấn công brute-force hay tấn công phân tích. Việc thiết kế các thuật toán mã hóa mạnh mẽ là rất cần thiết để bảo vệ thông tin.

2.2. Hiệu suất và tài nguyên hệ thống

Một trong những thách thức lớn nhất là làm sao để các hệ mã khối hoạt động hiệu quả trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tối ưu hóa thuật toán để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng và bộ nhớ.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ mã khối trong mật mã nhẹ

Để nghiên cứu các hệ mã khối trong mật mã nhẹ, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp phân tích hiệu suất mà còn đánh giá tính bảo mật của các hệ mã khối.

3.1. Phân tích thuật toán mã hóa

Phân tích thuật toán mã hóa là một bước quan trọng trong việc đánh giá tính bảo mật của hệ mã khối. Các nhà nghiên cứu thường sử dụng các công cụ và kỹ thuật để kiểm tra khả năng chống lại các cuộc tấn công.

3.2. Mô phỏng và thử nghiệm thực tế

Mô phỏng và thử nghiệm thực tế giúp đánh giá hiệu suất của các hệ mã khối trong môi trường thực tế. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định được các vấn đề tiềm ẩn và cải thiện thiết kế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ mã khối trong mật mã nhẹ

Các hệ mã khối trong mật mã nhẹ đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ bảo mật thông tin cá nhân đến an ninh mạng. Những ứng dụng này không chỉ giúp bảo vệ dữ liệu mà còn nâng cao hiệu suất của các thiết bị.

4.1. Bảo mật thông tin cá nhân

Mật mã nhẹ được sử dụng để bảo vệ thông tin cá nhân trên các thiết bị di động, giúp người dùng yên tâm hơn khi sử dụng các dịch vụ trực tuyến.

4.2. An ninh mạng trong IoT

Trong bối cảnh Internet of Things (IoT), mật mã nhẹ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị kết nối, đảm bảo an toàn cho dữ liệu truyền tải.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hệ mã khối

Nghiên cứu về các hệ mã khối trong mật mã nhẹ đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp bảo mật hiệu quả hơn cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế.

5.1. Xu hướng phát triển trong mật mã nhẹ

Các xu hướng mới trong mật mã nhẹ sẽ tập trung vào việc cải thiện tính bảo mật và hiệu suất, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Thách thức và cơ hội trong nghiên cứu

Mặc dù có nhiều thách thức, nhưng cũng có nhiều cơ hội cho các nhà nghiên cứu trong việc phát triển các hệ mã khối mới, đáp ứng nhu cầu bảo mật trong thời đại số.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và truyền thông, nhu cầu bảo mật dữ liệu trên các thiết bị có cấu hình nhỏ gọn, năng lượng hạn chế ngày càng tăng cao. Theo ước tính, đến năm 2020, hơn 50 tỷ thiết bị IoT sẽ được kết nối Internet, đòi hỏi các giải pháp mã hóa phù hợp với giới hạn về tài nguyên phần cứng và năng lượng. Mật mã nhẹ (lightweight cryptography) ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu này, tối ưu hóa sự gọn nhẹ của hệ mật để có thể cài đặt hiệu quả trên các thiết bị nhỏ bé, hạn chế về năng lượng và bộ nhớ như thẻ RFID, cảm biến không dây, thiết bị điều khiển vi mô.

Luận văn tập trung nghiên cứu các hệ mã khối hạng nhẹ trong mật mã nhẹ, với mục tiêu phân tích, đánh giá đặc điểm, hiệu quả và xây dựng chương trình mã hóa, giải mã ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị IoT. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thuật toán mã khối điển hình như KLEIN, KATAN/KTANTAN, SIMON, SPECK, LED, PRESENT, được khảo sát và triển khai trên nền tảng phần cứng Arduino kết hợp cảm biến nhiệt độ-độ ẩm DHT21. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy, bảo mật thông tin cho các thiết bị IoT, đồng thời góp phần phát triển các giải pháp mật mã phù hợp với môi trường hạn chế tài nguyên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình mật mã nhẹ, tập trung vào:

• Mật mã nhẹ (Lightweight Cryptography): Là loại mật mã được thiết kế tối ưu cho các thiết bị có giới hạn về năng lượng, bộ nhớ và khả năng xử lý. Tiêu chuẩn ISO/IEC 29192-1 định nghĩa mật mã nhẹ dùng để bảo mật, xác thực trong môi trường hạn chế tài nguyên.

• Mã khối hạng nhẹ (Lightweight Block Cipher): Thuật toán mã hóa dữ liệu theo khối cố định, với các vòng lặp và phép biến đổi đơn giản nhằm giảm thiểu diện tích chip, năng lượng tiêu thụ và thời gian thực thi. Các thuật toán điển hình gồm KLEIN, KATAN/KTANTAN, SIMON, SPECK, LED, PRESENT.

• Mô hình hệ thống mã hóa: Bao gồm các thành phần phần cứng (Arduino, cảm biến DHT21) và phần mềm (giao diện mã hóa, giải mã, truyền nhận dữ liệu), đảm bảo tính bảo mật và hiệu quả trong môi trường IoT.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: vòng mã hóa (round), S-box (bảng thay thế), phép biến đổi bit (bitwise operations), độ khó thuật toán (security level), tiêu thụ năng lượng (power consumption), kích thước bộ nhớ (RAM, ROM).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn quốc tế, các bài báo khoa học về mật mã nhẹ và mã khối hạng nhẹ. Thực nghiệm xây dựng mô hình demo trên nền tảng Arduino kết nối cảm biến DHT21.

• Phương pháp phân tích: So sánh đặc điểm kỹ thuật, hiệu suất, độ an toàn của các thuật toán mã khối hạng nhẹ dựa trên các chỉ số: diện tích chip (GE), tốc độ mã hóa (KB/s), số vòng lặp, kích thước khóa, tiêu thụ năng lượng (mW, µW), thời gian thực thi (ms). Phân tích điểm yếu, ưu nhược điểm từng thuật toán qua các nghiên cứu tấn công và đánh giá bảo mật.

• Timeline nghiên cứu:

  • Giai đoạn 1 (3 tháng): Tổng quan lý thuyết, khảo sát thuật toán.
  • Giai đoạn 2 (4 tháng): Thiết kế và xây dựng chương trình mã hóa, giải mã.
  • Giai đoạn 3 (3 tháng): Thực nghiệm, thu thập số liệu, đánh giá hiệu quả.
  • Giai đoạn 4 (2 tháng): Viết báo cáo, hoàn thiện luận văn.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều lần chạy mã hóa, giải mã trên các thuật toán khác nhau để đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm và hiệu suất các hệ mã khối hạng nhẹ:

   • KLEIN có 12-20 vòng mã hóa, kích thước khối 64 bit, khóa 64-96 bit, tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các thiết bị IoT nhỏ gọn. Tốc độ mã hóa đạt khoảng 79-96 vòng với thời gian thực thi nhanh, tiêu thụ năng lượng chỉ vài microwatt.

   • KATAN/KTANTAN có kích thước khối 32-64 bit, khóa 80 bit, số vòng mã hóa 254, tốc độ mã hóa từ 18,8 đến 25,1 KB/s, diện tích chip từ 588 đến 1054 GE, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu bảo mật vừa phải.

   • SIMON và SPECK được phát triển bởi NSA, có độ bảo mật cao, linh hoạt về kích thước khối và khóa (32-128 bit), tốc độ mã hóa nhanh, dễ triển khai trên phần cứng và phần mềm. SPECK tối ưu cho phần mềm, SIMON tối ưu cho phần cứng.

   • PRESENT là thuật toán mã khối nhẹ phổ biến với kích thước khối 64 bit, khóa 80 hoặc 128 bit, 31 vòng mã hóa, tiêu thụ năng lượng thấp, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị RFID và cảm biến.

2. Hiệu quả thực nghiệm trên hệ thống demo:

   • Chương trình mã hóa, giải mã trên Arduino với cảm biến DHT21 cho thấy thời gian mã hóa trung bình dưới 20 ms cho các thuật toán KLEIN và SPECK, tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với yêu cầu IoT.

   • So sánh hiệu suất giữa các thuật toán cho thấy SPECK có tốc độ xử lý nhanh hơn khoảng 15-20% so với KLEIN, trong khi KATAN có diện tích chip nhỏ hơn nhưng tốc độ thấp hơn.

3. Đánh giá bảo mật và điểm yếu:

   • Các thuật toán như KLEIN và KATAN đã bị phát hiện một số điểm yếu qua các cuộc tấn công phân tích sai cắt ngắn, giảm số vòng mã hóa cần thiết để phá mã từ 31 xuống còn khoảng 12-16 vòng.

   • SIMON và SPECK có độ bảo mật cao hơn, chưa bị tấn công thành công trên phạm vi khóa chuẩn, tuy nhiên cần tiếp tục theo dõi các nghiên cứu mới.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy mật mã nhẹ, đặc biệt là các hệ mã khối hạng nhẹ, là giải pháp tối ưu cho các thiết bị IoT và hệ thống nhúng có giới hạn tài nguyên. Việc cân bằng giữa độ an toàn, hiệu suất và chi phí phần cứng là thách thức lớn trong thiết kế thuật toán. Các thuật toán như KLEIN, SIMON, SPECK thể hiện sự cân đối tốt giữa các yếu tố này, phù hợp với nhiều ứng dụng thực tế.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã bổ sung thêm phần xây dựng và thử nghiệm thực tế trên nền tảng Arduino, cung cấp số liệu cụ thể về thời gian thực thi và tiêu thụ năng lượng, giúp minh họa rõ nét hơn hiệu quả ứng dụng của các thuật toán. Biểu đồ so sánh tốc độ mã hóa và tiêu thụ năng lượng giữa các thuật toán được trình bày chi tiết, giúp người đọc dễ dàng đánh giá và lựa chọn giải pháp phù hợp.

Tuy nhiên, điểm yếu về bảo mật của một số thuật toán như KATAN cần được lưu ý khi triển khai trong các môi trường đòi hỏi an toàn cao. Việc tiếp tục nghiên cứu, cải tiến thuật toán và kết hợp nhiều lớp bảo mật là cần thiết để đảm bảo an toàn thông tin trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng thuật toán SIMON và SPECK cho các thiết bị IoT có giới hạn tài nguyên nhằm tối ưu hóa hiệu suất mã hóa và tiết kiệm năng lượng, với thời gian triển khai trong vòng 6 tháng bởi các nhà phát triển phần mềm nhúng.

2. Phát triển thư viện mã hóa mã khối hạng nhẹ tích hợp trên nền tảng Arduino và các vi điều khiển phổ biến, giúp đơn giản hóa việc triển khai bảo mật cho các ứng dụng IoT, hoàn thành trong 1 năm bởi nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm.

3. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về mật mã nhẹ trong cộng đồng kỹ thuật và an ninh mạng, nhằm thúc đẩy việc áp dụng các giải pháp bảo mật phù hợp, tổ chức các khóa học, hội thảo định kỳ hàng năm.

4. Tiếp tục nghiên cứu và cải tiến các thuật toán mã khối hạng nhẹ để nâng cao độ an toàn, đặc biệt chú trọng vào việc khắc phục các điểm yếu đã được phát hiện, với mục tiêu công bố các kết quả nghiên cứu mới trong vòng 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật phần mềm, an toàn thông tin: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mật mã nhẹ, các thuật toán mã khối hạng nhẹ, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu tiếp theo.

2. Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng và IoT: Tham khảo để lựa chọn và triển khai các thuật toán mã hóa phù hợp với thiết bị có giới hạn tài nguyên, tối ưu hiệu suất và bảo mật.

3. Chuyên gia an ninh mạng và bảo mật thông tin: Hiểu rõ các đặc điểm, ưu nhược điểm của các thuật toán mật mã nhẹ, từ đó xây dựng chiến lược bảo mật hiệu quả cho hệ thống IoT.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị IoT và vi điều khiển: Áp dụng các giải pháp mã hóa nhẹ để nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm, đảm bảo an toàn dữ liệu và tuân thủ các tiêu chuẩn bảo mật quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Mật mã nhẹ khác gì so với mật mã truyền thống?
   Mật mã nhẹ được thiết kế tối ưu cho các thiết bị có giới hạn về năng lượng, bộ nhớ và khả năng xử lý, trong khi mật mã truyền thống thường yêu cầu tài nguyên lớn hơn. Ví dụ, AES tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với SPECK hay KLEIN trên các thiết bị nhỏ.

2. Tại sao cần sử dụng mã khối hạng nhẹ trong IoT?
   Thiết bị IoT thường có cấu hình hạn chế, không thể chạy các thuật toán mã hóa phức tạp. Mã khối hạng nhẹ giúp bảo vệ dữ liệu hiệu quả mà không làm tăng chi phí phần cứng hay tiêu thụ năng lượng quá mức.

3. Các thuật toán mã khối hạng nhẹ phổ biến hiện nay là gì?
   Các thuật toán như KLEIN, KATAN/KTANTAN, SIMON, SPECK, LED, PRESENT được sử dụng rộng rãi do cân bằng tốt giữa bảo mật và hiệu suất.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của một thuật toán mã khối hạng nhẹ?
   Thông qua các chỉ số như diện tích chip (GE), tốc độ mã hóa (KB/s), số vòng mã hóa, tiêu thụ năng lượng (mW, µW), thời gian thực thi (ms) và độ an toàn trước các cuộc tấn công.

5. Có thể áp dụng các thuật toán này cho các thiết bị không phải IoT không?
   Có thể, nhưng mật mã nhẹ chủ yếu tối ưu cho thiết bị có giới hạn tài nguyên. Với thiết bị mạnh hơn, các thuật toán truyền thống như AES có thể phù hợp hơn.

Kết luận

• Luận văn đã tổng quan và phân tích chi tiết các hệ mã khối hạng nhẹ trong mật mã nhẹ, bao gồm KLEIN, KATAN, SIMON, SPECK, LED, PRESENT.
• Xây dựng thành công chương trình mã hóa, giải mã demo trên nền tảng Arduino kết hợp cảm biến DHT21, chứng minh tính khả thi và hiệu quả ứng dụng.
• Đánh giá ưu nhược điểm, hiệu suất và độ an toàn của từng thuật toán, cung cấp cơ sở lựa chọn phù hợp cho các thiết bị IoT.
• Đề xuất các giải pháp triển khai và nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao bảo mật và tối ưu hiệu suất cho hệ thống mã hóa nhẹ.
• Khuyến khích áp dụng mật mã nhẹ trong các thiết bị giới hạn tài nguyên để đảm bảo an toàn thông tin trong kỷ nguyên IoT phát triển mạnh mẽ.

Next steps: Tiếp tục mở rộng nghiên cứu về các thuật toán mới, tối ưu hóa phần mềm và phần cứng, đồng thời triển khai thử nghiệm trên các nền tảng đa dạng hơn.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp mật mã nhẹ phù hợp với yêu cầu thực tế, góp phần bảo vệ an toàn thông tin trong môi trường IoT ngày càng phổ biến.