Nghiên Cứu Hệ Mật ACORN Nhúng Vào Thẻ Chip và Đề Xuất Ứng Dụng

Mật mã hạng nhẹ ngày càng được quan tâm bởi khả năng hoạt động hiệu quả trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Nhiều thuật toán mật mã đã được đề xuất. ECRYPT đã giới thiệu 4 loại nguyên thủy mật mã hạng nhẹ (mã khối, mã dòng, hàm băm và mã xác thực thông báo). Năm 2015, NIST bắt đầu thiết lập các tiêu chuẩn đánh giá mật mã hạng nhẹ. Các thiết bị như thiết bị giao thông, y tế, ngân hàng hưởng lợi từ chi phí thấp và năng lượng tiêu thụ thấp của mật mã hạng nhẹ. Mật mã hạng nhẹ hứa hẹn là nền tảng bảo mật cho các dịch vụ mạng thế hệ mới như IoT.

ACORN là một thuật toán mã hóa có xác thực với dữ liệu liên kết hạng nhẹ, được giới thiệu bởi Hongjun Wu trong cuộc thi CAESAR. ACORN có cấu trúc mã dòng, sử dụng khóa và vector khởi tạo 128 bit. Đầu vào có thể bao gồm dữ liệu liên kết AD (0 < adlen < 264). Dữ liệu này không cần mã hóa nhưng cần đảm bảo tính toàn vẹn. Đầu ra bao gồm bản mã C (< 264 bit) và thẻ xác thực T (64 < t < 128). Nên dùng thẻ 128 bit để đảm bảo xác thực tốt nhất. Trạng thái ACORN được tạo từ 6 LFSR (61, 46, 47, 39, 37 và 59 bit) và 4 bit đệm, tổng cộng 293 bit.

Thẻ chip thông minh ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong thanh toán trực tuyến. Cùng với sự phát triển của công nghệ, thẻ chip tiềm ẩn nhiều nguy cơ bảo mật. Một số tấn công vào thẻ chip thông minh có thể khai thác các lỗ hổng phần cứng hoặc phần mềm để đánh cắp thông tin nhạy cảm. Vì vậy, việc hiểu rõ cấu tạo thẻ chip và các nguy cơ bảo mật là rất quan trọng để phát triển các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

JavaCard là một nền tảng công nghệ cho phép phát triển và triển khai các ứng dụng trên thẻ chip. JavaCard cung cấp một môi trường an toàn và linh hoạt để các nhà phát triển tạo ra các ứng dụng thanh toán, nhận dạng và bảo mật. JavaCard sử dụng máy ảo để chạy các ứng dụng, giúp bảo vệ thẻ chip khỏi các tấn công phần mềm độc hại. JavaCard là một lựa chọn phổ biến để phát triển các ứng dụng thẻ chip an toàn và đáng tin cậy.

Giao tiếp giữa thẻ JavaCard và thiết bị đầu cuối (ví dụ: máy POS) diễn ra thông qua các đơn vị dữ liệu giao thức ứng dụng (APDU). APDU bao gồm một tiêu đề và dữ liệu tùy chọn. Tiêu đề APDU chứa thông tin về lệnh và các tham số. Dữ liệu APDU chứa dữ liệu được truyền giữa thẻ và thiết bị đầu cuối. Cấu trúc APDU được chuẩn hóa để đảm bảo khả năng tương tác giữa các thẻ và thiết bị đầu cuối khác nhau. Việc bảo mật quá trình truyền nhận dữ liệu này rất quan trọng để ngăn chặn các cuộc tấn công như nghe lén hoặc giả mạo.

Quá trình cài đặt thuật toán ACORN bao gồm việc chuyển đổi mã nguồn ACORN sang ngôn ngữ lập trình JavaCard. Sau đó, thuật toán được nhúng vào một applet JavaCard. Cần chú ý đến việc tối ưu hóa mã để đảm bảo hiệu suất trên thẻ chip có tài nguyên hạn chế. Công cụ phát triển thẻ Java (JCKit) được sử dụng để hỗ trợ quá trình này. Thiết kế phần cứng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của quá trình thực thi.

Để sử dụng thuật toán ACORN trên thẻ chip, cần xây dựng một giao diện cho phép người dùng thực hiện các thao tác mã hóa và giải mã. Giao diện này có thể được triển khai bằng JavaCard và có thể tương tác với các ứng dụng trên thiết bị đầu cuối thông qua các lệnh APDU. Thiết kế giao diện cần đảm bảo tính bảo mật và dễ sử dụng.

Đánh giá hiệu năng ACORN trên thẻ chip bao gồm đo thời gian mã hóa và giải mã các khối dữ liệu khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng bao gồm tốc độ xử lý của chip, kích thước bộ nhớ và mức độ tối ưu hóa mã. So sánh hiệu năng ACORN với các thuật toán khác như AES cũng rất quan trọng để đánh giá tính cạnh tranh của ACORN.

Tấn công side-channel là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với các thuật toán mật mã được thực thi trên phần cứng. Phân tích độ an toàn ACORN trước các tấn công side-channel như phân tích công suất (SPA/DPA) là rất quan trọng để đảm bảo tính bảo mật của hệ mật. Các biện pháp phòng ngừa (countermeasures) có thể được áp dụng để giảm thiểu rủi ro bị tấn công side-channel.

Hệ mật ACORN có thể được sử dụng để bảo vệ thông tin thanh toán và xác thực người dùng trong các giao dịch trực tuyến và ngoại tuyến. Việc sử dụng ACORN có thể giúp ngăn chặn các hành vi gian lận và bảo vệ quyền riêng tư của người dùng. ACORN cung cấp một giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả cho các thuật toán truyền thống như DES và AES trong các ứng dụng thanh toán.

IoT là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng với nhiều thiết bị kết nối internet. Việc bảo mật dữ liệu trong các thiết bị IoT là rất quan trọng. Hệ mật ACORN được nhúng trong thẻ chip có thể được sử dụng để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm được lưu trữ và truyền tải bởi các thiết bị IoT. Điều này có thể giúp tăng cường bảo mật IoT và bảo vệ người dùng khỏi các mối đe dọa an ninh mạng.

Luận văn đã trình bày chi tiết quá trình nghiên cứu và thực thi hệ mật ACORN trên thẻ chip JavaCard. Các kết quả thực nghiệm cho thấy ACORN có hiệu năng chấp nhận được và tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. So sánh với các thuật toán khác, ACORN có ưu điểm về tính gọn nhẹ và tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu năng và tăng cường độ an toàn của ACORN.

Các hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các biện pháp phòng ngừa tấn công side-channel tiên tiến hơn, tối ưu hóa mã nguồn và thiết kế phần cứng để tăng cường hiệu năng ACORN. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng mới của ACORN trong các lĩnh vực khác như điện toán nhúng và bảo mật IoT cũng rất quan trọng. Cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu mật mã, kỹ sư phần cứng và các nhà phát triển ứng dụng để khai thác tối đa tiềm năng của hệ mật ACORN.