Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính (mã số 9480101.01) của nghiên cứu sinh Mai Mạnh Trừng, thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đỗ Trung Tuấn và TS. Lê Phê Đô (bảo vệ năm 2024), có tên đề tài: “Nghiên cứu mật mã nhẹ, ứng dụng trên thiết bị thông minh”.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và mạng vạn vật kết nối (IoT) phát triển nhanh chóng, số lượng thiết bị vật lý kết nối vào mạng viễn thông gia tăng theo cấp số nhân, từ các vi điều khiển, thẻ thông minh, cảm biến đến thiết bị di động. Các nền tảng này có đặc điểm chung là bị hạn chế nghiêm ngặt về kích thước vật lý, tài nguyên tính toán, phân bổ dung lượng bộ nhớ (RAM, ROM) và nguồn điện năng cung cấp (chủ yếu hoạt động bằng pin). Đồng thời, mục tiêu tấn công mạng của tin tặc đang chuyển dịch mạnh mẽ từ các máy chủ, máy vi tính sang thiết bị di động và hạ tầng IoT, đặc biệt là các cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán (DDoS) và đánh cắp dữ liệu đường truyền.

Các hệ mật mã truyền thống (như DES, AES, RSA) đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn, cấu hình phần cứng cao và tiêu hao nhiều năng lượng, do đó không thích hợp để cài đặt trực tiếp trên các bộ vi điều khiển 4-bit, 8-bit hoặc các thiết bị nhúng có bộ nhớ RAM thấp. Mật mã nhẹ (Lightweight Cryptography) ra đời nhằm thỏa hiệp tối ưu giữa độ an toàn, chi phí phần cứng/phần mềm và mức tiêu thụ điện năng theo tiêu chuẩn ISO/IEC 29192. Tuy nhiên, nhiều thuật toán mật mã nhẹ hiện có vẫn bộc lộ hạn chế: một số thuật toán mã khối nhẹ (như NOEKEON, LED) cần các giải pháp cải tiến để tăng độ an toàn và nâng cao thời gian kháng thám mã; trong khi đó, các nghiên cứu ứng dụng mật mã đường cong elliptic (ECC) trên thiết bị tài nguyên hạn chế trước đây thường áp dụng phương trình có tổng số điểm quá nhỏ, dẫn đến không thể bao phủ toàn bộ tập ký tự văn bản cần mã hóa (đặc biệt là tiếng Việt) và tốn tài nguyên sinh chuỗi.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu độ an toàn của các hệ mật mã khối nhẹ, mật mã dòng nhẹ và hệ mật mã đường cong elliptic ứng dụng trên các thiết bị thông minh.

Để đạt được mục tiêu này, luận án xác định các nhiệm vụ cụ thể:

  1. Đánh giá một số hệ mật mã nhẹ phổ biến (thuật toán mã khối PRESENT, NOEKEON, LED và thuật toán mã dòng GRAIN) theo các tham số kỹ thuật chuẩn.
  2. Đề xuất giải pháp cải tiến đối với hai thuật toán mật mã khối nhẹ NOEKEON và LED nhằm tăng cường an ninh thông tin trên các thiết bị IoT.
  3. Đề xuất ba thuật toán mật mã trên đường cong elliptic có tên gọi CECC, AECC và VECC nhằm nâng cao tốc độ tính toán, giảm dung lượng bộ nhớ lưu trữ và hỗ trợ mã hóa bảng ký tự mở rộng.
  4. Triển khai cài đặt, thực nghiệm và đánh giá hiệu năng của các thuật toán đề xuất trên điện thoại thông minh và thiết bị nhúng thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thuật toán và nguyên thủy mật mã nhẹ (mã khối nhẹ, mã dòng nhẹ, mật mã đường cong elliptic); các tham số đánh giá phần cứng và phần mềm (kích thước mạch, diện tích cổng GE, bộ nhớ RAM/ROM, tốc độ xử lý, độ trễ, năng lượng tiêu thụ); kiến trúc an toàn cho thiết bị thông minh và mạng IoT.
  • Phạm vi không gian: Triển khai trên các thiết bị phần cứng thực tế gồm điện thoại thông minh (hệ điều hành Android) và thiết bị nhúng (bo mạch vi điều khiển Arduino, mô-đun truyền thông không dây Wi-Fi ESP8266, hệ thống robot thu phát thông tin); xử lý dữ liệu bản rõ là chuỗi văn bản ký tự (bao gồm bảng mã ký tự tiếng Việt có dấu).
  • Phạm vi thời gian và tài liệu: Khảo sát các tiêu chuẩn quốc tế và công trình khoa học từ năm 2000 đến năm 2023 (tiêu chuẩn ISO/IEC 29192, ISO/IEC 29167, các công bố của NIST, CRYPTREC và Thông tư số 39/2017/TT-BTTTT của Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả đã tổng hợp bức tranh toàn cảnh về quá trình chuẩn hóa và phát triển các nguyên thủy mật mã nhẹ trên thế giới:

  • Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ISO/IEC: Tiêu chuẩn ISO/IEC 29192 (gồm 6 phần) quy định các yêu cầu kỹ thuật: Phần 2 quy định mã khối PRESENT và CLEFIA, bổ sung SIMON và SPECK (2014); Phần 3 quy định mã dòng Enocoro và TRIVIUM; Phần 4 quy định các kỹ thuật bất đối xứng gồm cryptoGPS, ALIKE, IBS và sửa đổi bổ sung cơ chế ELLI dựa trên đường cong elliptic; Phần 5 quy định hàm băm PHOTON, SPONGENT, Lesamnta-LW; Phần 6 dành cho mã xác thực thông điệp (MAC). Tiêu chuẩn ISO/IEC 29167 cung cấp dịch vụ bảo mật cho thẻ RFID với các bộ thuật toán AES-128, PRESENT-80, ECC-DH, GRAIN-128a, AES OFB, ECDSA-ECDH, cryptoGPS và RAMON.
  • Ủy ban Nghiên cứu và Đánh giá Mật mã Nhật Bản (CRYPTREC): Báo cáo năm 2015 đã khảo sát, đánh giá việc triển khai các thuật toán mã khối nhẹ gồm AES, Camellia, CLEFIA, PRESENT, LED, Piccolo, TWINE và PRINCE.
  • Các nghiên cứu về mật mã khối và mã dòng: Fursan Thabit và cộng sự (2021) đề xuất thuật toán NLCA kết hợp cấu trúc SPN và Feistel cho điện toán đám mây; Lang Li và cộng sự (2018) đề xuất mô hình mã khối tận dụng cấu trúc SPN và Feistel; Lina Ding và cộng sự (2019) thiết kế mã dòng dựa trên chuỗi hỗn loạn Logistic kết hợp thanh ghi NFSR; Soumen Roy và cộng sự (2014) đề xuất thuật toán khối đối xứng xử lý dữ liệu nhỏ nhưng bị hạn chế trong bảng mã ASCII; Nilupulee A. Buchanan và Rameez Asif (2019) so sánh hiệu năng các mã khối nhẹ trên thiết bị IoT. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) công bố quyết định lựa chọn họ ASCON (gồm các biến thể ASCON-128, ASCON-128a, ASCON-80pq) làm tiêu chuẩn mật mã nhẹ vào tháng 2/2023.
  • Các nghiên cứu về mật mã đường cong elliptic (ECC): Nghiên cứu của Kinam (2014) sử dụng thuật toán sinh chuỗi kết hợp hàm mã hóa trên đường cong elliptic nhưng có hạn chế là tốn dung lượng lưu trữ, thời gian mã hóa kéo dài và phương trình có tổng số điểm nhỏ. Sravana Kumar và CH. Chandrasekhar (2011), cùng nghiên cứu của Arun Kumar Sharma và Nikhlesh Kumar Badoga (2020) xây dựng hệ mật ECC dùng khóa công khai nhưng áp dụng phương trình có số điểm nhỏ, chưa phủ hết tập ký tự cần mã hóa. David Ahlqvist nghiên cứu về nhóm cyclic trên đường cong elliptic nhưng chưa phân tích độ an toàn thực nghiệm; Jiaxu Bao (2022) so sánh ECC với RSA mà chưa đối sánh với các hệ mật ECC khác.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Tạ Thị Kim Huệ (2017) nghiên cứu hệ mật mã khối dựa trên hệ hỗn loạn rời rạc (ánh xạ Cat-Hadamard đa chiều), tuy nhiên phần đề xuất thay thế hộp S chưa rõ ràng và thiếu kiểm chứng thực nghiệm tham số.
  • Nguyễn Bùi Cường (2016) nghiên cứu thành phần mã khối nhẹ, phân lớp 302 lớp affine cho hộp S 4-bit và xây dựng ma trận MDS $4 \times 4$ trên trường hữu hạn $F_{2^4}$, nhưng chưa mở rộng cho các cấu trúc Feistel/ARX như họ SIMON và SPECK.
  • Nguyễn Bình (2021) nghiên cứu vành đa thức có hai lũy đẳng nguyên thủy cho giao thức Diffie-Hellman và ElGamal truyền thống, chưa định hướng cho thiết bị nhẹ.
  • Lê Thị Thanh Lưu và Hồ Văn Hương (2015) nghiên cứu an toàn dữ liệu đám mây dựa trên trao đổi khóa Diffie-Hellman kết hợp đường cong elliptic, chưa khảo sát trên thiết bị thông minh.
  • Đặng Minh Tuấn (2020) chứng minh tính chất kết hợp của phép cộng trên đường cong elliptic bằng phương pháp đại số thuần túy lý thuyết.
  • Đinh Quốc Tiến, Nguyễn Ngọc Vĩnh Hảo, Bùi Đức Chính (2020) nghiên cứu tấn công phân tích năng lượng đơn giản (SPA) lên hệ mật ECC với số nguyên tố lớn, không phù hợp cho phần cứng hạn chế.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị trọng tâm giải quyết các vấn đề chưa được xử lý trọn vẹn:

  1. Nâng cao độ mật cho thuật toán mã khối nhẹ NOEKEON thông qua cơ chế xáo trộn khóa mà không làm phức tạp hóa phần cứng.
  2. Nâng cao thời gian kháng thám mã cho thuật toán mã khối nhẹ LED mà không làm tăng không gian khóa bằng cách biến đổi cấu trúc hộp S.
  3. Giải quyết triệt để điểm nghẽn của các hệ mật ECC trước đây (Kinam, Sravana Kumar): mở rộng phương trình đường cong elliptic với số nguyên tố lớn để tăng tổng số điểm biểu diễn, loại bỏ thuật toán sinh chuỗi phức tạp tốn RAM/ROM, và kết hợp các nguyên lý mã hóa cổ điển (Caesar, Affine, Vigenere) với phép toán đường cong elliptic nhằm bảo mật văn bản tiếng Việt trên thiết bị nhúng và di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm sử dụng

  • Định nghĩa hệ mật mã: Hệ thống mật mã được định nghĩa là bộ 5 thành phần $(\mathcal{P}, \mathcal{C}, \mathcal{K}, \mathcal{E}, \mathcal{D})$, trong đó $\mathcal{P}$ là tập hữu hạn các ký tự bản rõ, $\mathcal{C}$ là tập bản mã, $\mathcal{K}$ là tập không gian khóa, $\mathcal{E}$ là phép lập mật mã $e_K: \mathcal{P} \to \mathcal{C}$, và $\mathcal{D}$ là phép giải mã $d_K: \mathcal{C} \to \mathcal{P}$ thỏa mãn hệ thức $d_K(e_K(x)) = x$ với mọi $x \in \mathcal{P}$.
  • Tính chất an toàn thông tin: Gồm 6 thuộc tính nền tảng: Tính bí mật/riêng tư, tính toàn vẹn, tính xác thực, tính không thể chối bỏ, tính nhận dạng và tính sẵn sàng.
  • Phân cấp tấn công và lớp bảo vệ: Mô hình an ninh mạng chia thành 4 cấp độ tấn công (Cấp 1: tấn công dịch vụ mạng cơ bản như Email/FTP/Web; Cấp 2: bẻ khóa mật khẩu chiếm tài khoản; Cấp 3: leo thang đặc quyền phát tán mã độc; Cấp 4: chiếm quyền điều khiển quản trị tối cao). Tương ứng là hệ thống 5 lớp bảo vệ (Lớp 1: tường lửa; Lớp 2: bảo vệ vật lý; Lớp 3: mã hóa dữ liệu; Lớp 4: kiểm soát tài khoản; Lớp 5: phân quyền truy cập tài nguyên).
  • Khung kiến trúc IoT và giao thức an ninh: Dựa trên mô hình khung của Timothy Chou (Vạn vật, Thu thập, Kết nối, Học, Làm) và cấu trúc mạng IoT 3 lớp/5 lớp. Luận án tổng hợp các chuẩn mật mã tích hợp trong giao thức mạng:
Lớp kiến trúc Giao thức / Công nghệ Thuật toán mật mã sử dụng
Vật lý (Physical) IEEE 802.15.4 AES (chế độ CCM, CTR)
Vật lý (Physical) Bluetooth Low Energy (BLE 4.2) AES, ECC / ECDH
Liên kết dữ liệu (Link Layer) WPA2 (IEEE 802.11) AES
Liên kết dữ liệu (Link Layer) WPA with TKIP (UMTS/LTE) RC4
Mạng (Network) RPL AES-CCM
Mạng (Network) IPSec, IPv6 AES, DES
Mạng (Network) 6LoWPAN ECC
Mạng (Network) 6LoWPSec AES
Mạng (Network) CoAP AES, ECC
  • Tham số đánh giá mật mã nhẹ: Đánh giá dựa trên diện tích chip tương đương cổng logic (Gate Equivalent - GE), kích thước bộ nhớ chương trình (Code Size - CS), dung lượng RAM và ROM tiêu thụ, hiệu quả phần cứng (HE), hiệu quả phần mềm (SE), điện năng tiêu thụ, độ trễ xử lý (Latency) và thông lượng dữ liệu (Throughput).
  • Lý thuyết đường cong elliptic: Xét đường cong elliptic $E$ xác định trên trường hữu hạn $\mathbb{F}_p$ ($p > 3$) có phương trình dạng Weierstrass: $$y^2 = x^3 + ax + b \pmod p$$ với điều kiện biệt thức $4a^3 + 27b^2 \not\equiv 0 \pmod p$. Tập hợp các điểm $P(x, y)$ thỏa mãn phương trình cùng với điểm vô cực $\mathcal{O}$ tạo thành một nhóm Abel hữu hạn dưới luật cộng điểm. Bài toán độ khó nền tảng là bài toán logarit rời rạc trên đường cong elliptic (ECDLP): cho trước hai điểm $P$ và $Q = k \cdot P$, tìm số nguyên $k$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp đồng bộ 4 phương pháp:

  1. Phương pháp tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân loại, đối chiếu các công trình nghiên cứu và tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và trong nước về mật mã khối, mật mã dòng và ECC.
  2. Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia: Trao đổi chuyên môn với các nhà khoa học trong các buổi seminar tại Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ.
  3. Phương pháp tham gia hội thảo, seminar: Báo cáo và tiếp thu ý kiến phản biện tại các hội nghị khoa học quốc gia (như Hội nghị FAIR, Hội nghị Một số vấn đề chọn lọc về CNTT & TT).
  4. Phương pháp thực nghiệm và chứng minh toán học: Chứng minh cơ sở toán học của các phép biến đổi đại số; lập trình hiện thực hóa thuật toán bằng ngôn ngữ phần mềm; xây dựng mô hình phần cứng thử nghiệm truyền thông tin bảo mật qua Wi-Fi.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong thực nghiệm bao gồm tập ký tự chuẩn ASCII và tập ký tự tiếng Việt mở rộng đầy đủ chữ hoa, chữ thường, chữ số và dấu thanh (đáp ứng biểu diễn bảng điểm trên đường cong elliptic có số điểm mở rộng $n = 131$). Dữ liệu đo kiểm thực tế được trích xuất từ quá trình truyền nhận dữ liệu chuỗi ký tự giữa các trạm robot phần cứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về mật mã nhẹ và ứng dụng trên thiết bị thông minh

Chương 1 thiết lập bức tranh tổng thể về mật mã học và bài toán an ninh trên thiết bị hạn chế tài nguyên. Tác giả phân tích chi tiết khái niệm thiết bị thông minh và cấu trúc mạng IoT, chỉ ra rằng các thiết bị này hoạt động với bộ nhớ hạn hẹp và nguồn pin nhỏ giọt, khiến việc triển khai các hệ mật mã cổ điển như RSA hay AES tiêu chuẩn gặp trở ngại lớn về độ trễ và tiêu hao năng lượng.

Nội dung chương đi sâu vào định nghĩa mật mã nhẹ theo tiêu chuẩn ISO/IEC 29192, đồng thời phân tích tam giác thỏa hiệp trong thiết kế mật mã nhẹ: chi phí chế tạo (kích thước mạch, diện tích silicon), hiệu năng thực thi (thông lượng, độ trễ) và độ an toàn bảo mật. Tác giả khảo sát các họ mật mã khối nhẹ tiêu biểu như SIMON, SPECK (phát triển bởi NSA), PRESENT, CLEFIA; các thuật toán mã dòng nhẹ như Enocoro, TRIVIUM, MICKEY; và giới thiệu sơ lược về mật mã đường cong elliptic với ưu điểm kích thước khóa nhỏ nhưng đạt độ an toàn tương đương các hệ mật khóa công khai truyền thống. Chương 1 đóng vai trò định hình các tiêu chí kỹ thuật cần tối ưu cho các thuật toán đề xuất ở các chương sau.

Chương 2. Hệ mật mã khối nhẹ, hệ mật mã dòng nhẹ

Chương 2 tập trung khảo sát cấu trúc toán học của các hệ mật mã đối xứng nhẹ tiêu biểu, phân tích các điểm yếu thám mã và đề xuất giải pháp cải tiến kỹ thuật cụ thể:

  • Phân tích thuật toán PRESENT: Khảo sát chi tiết mã khối SPN có kích thước khối 64-bit, chiều dài khóa 80-bit hoặc 128-bit, thực thi qua 31 vòng lặp. Cấu trúc gồm tầng thay thế phi tuyến sử dụng 16 hộp S 4-bit giống nhau và tầng hoán vị bit tuyến tính P-layer. Tác giả trình bày các kết quả thử nghiệm sinh khóa, thực thi mã hóa từng vòng và phân tích tính kháng thám mã vi sai, tuyến tính và tấn công bão hòa thống kê.
  • Đề xuất cải tiến thuật toán NOEKEON: Thuật toán NOEKEON có kích thước khối 128-bit, khóa 128-bit với 16 vòng biến đổi gồm các hàm Gamma, Theta, Pi1, Pi2. Luận án đề xuất giải pháp cải tiến bằng cách đưa thêm hàm Switch(key) vào sơ đồ xử lý. Hàm này thực hiện biến đổi, xáo trộn trực tiếp dữ liệu của khóa bí mật $K$ giữa các vòng lặp, từ đó nâng cao tính ngẫu nhiên của lịch trình khóa và tăng độ bảo mật tổng thể cho thuật toán mà không làm suy giảm đáng kể hiệu năng tính toán.
  • Đề xuất cải tiến thuật toán LED: Thuật toán LED là mã khối kích thước 64-bit với chiều dài khóa từ 64 đến 128-bit, cấu trúc lặp lại gồm 32 hoặc 48 vòng. LED sử dụng hộp S 4-bit tương tự PRESENT kết hợp ma trận MDS cho tầng khuếch tán. Luận án đề xuất giải pháp hoán đổi thứ tự bit bên trong cấu trúc hộp S của LED. Phân tích lý thuyết chỉ ra rằng việc hoán đổi này giữ nguyên kích thước không gian khóa nhưng làm tăng độ phức tạp và kéo dài thời gian thám mã, nâng cao khả năng kháng lại các kỹ thuật tấn công đại số và tấn công sai phân.
  • Khảo sát hệ mật mã dòng GRAIN: Nghiên cứu cấu trúc họ GRAIN (GRAIN-v1 khóa 80-bit, GRAIN-128 và GRAIN-128a khóa 128-bit hỗ trợ xác thực thông điệp). Cấu trúc phần cứng gồm hai thanh ghi dịch hồi tiếp: LFSR (tuyến tính) và NFSR (phi tuyến), kết hợp hàm lọc ngõ ra phi tuyến $h(x)$. Luận án thống kê chi tiết diện tích phần cứng (số cổng GE) của họ GRAIN khi thực thi các chức năng tạo khóa, xác thực và mã hóa; đồng thời tổng hợp các cuộc tấn công thám mã điển hình lên mã dòng nhẹ (tấn công phân biệt, tấn công khóa liên quan IV, tấn công kênh kề kết hợp phân tích năng lượng và lỗi).

Chương 3. Đề xuất các hệ mật mã trên đường cong elliptic và ứng dụng

Trọng tâm đóng góp của luận án nằm ở Chương 3 với việc xây dựng ba thuật toán mã hóa dữ liệu văn bản trên đường cong elliptic, khắc phục nhược điểm của việc sinh chuỗi tốn kém và không gian điểm hẹp:

  • Thuật toán sinh chuỗi điểm: Luận án đề xuất quy trình sinh chuỗi điểm rời rạc trên đường cong Weierstrass hữu hạn $\mathbb{F}_p$, lập bảng ánh xạ tương ứng 1-1 giữa tập ký tự ngôn ngữ tự nhiên và các điểm có tọa độ $(x, y)$ trên đường cong.
  • Thuật toán CECC (Caesar Elliptic Curve Cryptography): Kết hợp ý tưởng của mật mã dịch chuyển Caesar cổ điển với phép cộng điểm trên đường cong elliptic. Khóa bí mật đối xứng $K$ là một số nguyên dương. Mỗi ký tự bản rõ ứng với điểm $P$ trên đường cong sẽ được lập mã thành điểm bản mã $C$ bằng phép tịnh tiến theo khóa $K$ trên nhóm điểm: $$C = P + K \cdot G \quad \text{hoặc dịch chuyển vị trí điểm theo chỉ số khóa}$$ Quá trình giải mã thực hiện phép trừ điểm tương ứng để khôi phục điểm $P$ gốc.
  • Thuật toán AECC (Affine Elliptic Curve Cryptography): Kết hợp phép biến đổi Affine với đường cong elliptic. Khóa bí mật là một cặp số nguyên $K = (u, v)$ thỏa mãn điều kiện ước số chung lớn nhất $\gcd(u, n) = 1$, với $n = #E$ là tổng số điểm trên đường cong elliptic. Điểm bản rõ thứ $x$ được ánh xạ sang điểm bản mã thứ $y$ theo quy tắc: $$y = (u \cdot x + v) \pmod n$$ Phép giải mã sử dụng phần tử nghịch đảo $u^{-1} \pmod n$: $$x = u^{-1} \cdot (y - v) \pmod n$$
  • Thuật toán VECC (Vigenere Elliptic Curve Cryptography): Kết hợp nguyên lý mật mã nhiều bảng chữ cái Vigenere với đường cong elliptic. Khóa mã hóa $K$ là một chuỗi ký tự ngẫu nhiên có độ dài $m$. Các ký tự trong chuỗi văn bản được mã hóa lặp chu kỳ theo các ký tự của khóa thông qua việc cộng vị trí tương ứng trên đường cong elliptic modulo $n$.
  • Mở rộng số điểm trên đường cong elliptic với số nguyên tố lớn: Để mã hóa hoàn chỉnh văn bản tiếng Việt có dấu và các ký tự đặc biệt, tác giả thiết lập phương trình đường cong elliptic với số nguyên tố $p$ lớn hơn, tạo ra tổng số điểm $n = 131$ điểm (và mở rộng thêm). Tập hợp các điểm này phủ trọn vẹn toàn bộ bảng chữ cái tiếng Việt thường, hoa, chữ số và các ký tự quy ước, khắc phục triệt để hạn chế thiếu hụt điểm của các nghiên cứu [30], [31], [32].

Chương 4. Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu năng của các giải pháp đề xuất thông qua thực nghiệm phần mềm và phần cứng:

  • Thực nghiệm trên điện thoại thông minh: Xây dựng phần mềm ứng dụng trên điện thoại thông minh để kiểm thử ba thuật toán CECC, AECC và VECC. Kết quả thực nghiệm đo đạc thời gian mã hóa và giải mã chuỗi văn bản tiếng Việt cho thấy thuật toán hoạt động ổn định, tốc độ tính toán nhanh, giao diện người dùng đáp ứng tức thời và không gây tràn bộ nhớ RAM của thiết bị di động.
  • Thực nghiệm trên thiết bị nhúng và mạng cảm biến robot: Luận án thiết lập mô hình truyền tin bảo mật gồm 3 trạm Robot phần cứng hoạt động trên nền tảng bo mạch vi điều khiển Arduino kết hợp mô-đun Wi-Fi ESP8266:
    • Robot 1: Đóng vai trò nút phát, nhận bản rõ văn bản tiếng Việt, thực hiện mã hóa bằng thuật toán đề xuất và truyền gói tin bản mã qua sóng Wi-Fi.
    • Robot 2: Đóng vai trò nút trung gian chuyển tiếp, nhận bản mã từ Robot 1 và chuyển tiếp nguyên vẹn tới Robot 3.
    • Robot 3: Đóng vai trò nút đích, nhận gói tin bản mã từ Robot 2, thực thi giải mã và khôi phục chính xác bản rõ ban đầu.
  • Đánh giá hệ thống thực nghiệm: Luận án tiến hành đo lường và lập biểu đồ đối sánh giữa việc truyền dữ liệu không mã hóa và dữ liệu đã được mã hóa bởi thuật toán đề xuất:
    • Độ trễ truyền thông: Ước tính độ trễ tối thiểu và độ trễ trung bình của hệ thống khi mã hóa dữ liệu chỉ tăng nhẹ so với truyền bản rõ thông thường, nằm trong ngưỡng cho phép đối với các ứng dụng điều khiển nhúng thời gian thực.
    • Điện năng tiêu thụ: Ước tính mức tiêu hao năng lượng trên bo mạch Arduino và ESP8266 cho thấy thuật toán không gây sụt áp đột biến, phù hợp với các nút mạng IoT vận hành bằng pin độc lập.
  • Đánh giá độ an toàn bảo mật: Tác giả phân tích độ phức tạp tính toán khi thám mã vét cạn (brute-force). Đối với thuật toán VECC, giả sử chuỗi khóa có độ dài $m = 10$ ký tự chọn ngẫu nhiên trên đường cong có $n = 131$ điểm, số phương án tổ hợp khóa kẻ thám mã phải kiểm tra là: $$C_{131}^{10} = \frac{131!}{10! \cdot (131 - 10)!} = \frac{131!}{10! \cdot 121!} \approx \text{hàng tỉ tỉ phép thử}$$ Con số này chứng minh kẻ thám mã không thể dò tìm được khóa trong thời gian đa thức, bảo đảm an toàn trước các kỹ thuật thám mã thông thường.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới cụ thể như sau:

  1. Cải tiến hai hệ mật mã khối nhẹ đã có (NOEKEON và LED):
    • Đề xuất bổ sung hàm Switch(key) vào thuật toán NOEKEON nhằm xáo trộn dữ liệu khóa bí mật $K$, nâng cao tính ngẫu nhiên của các khóa con và tăng độ mật tổng thể.
    • Đề xuất kỹ thuật hoán đổi vị trí bit trong cấu trúc hộp S của thuật toán LED, giúp gia tăng đáng kể thời gian thám mã và chống lại các cuộc tấn công phân tích sai phân mà không làm tăng kích thước không gian khóa hay yêu cầu thêm tài nguyên phần cứng.
  2. Đề xuất ba thuật toán mật mã mới trên đường cong elliptic (CECC, AECC, VECC):
    • Kết hợp các nguyên lý mã hóa kinh điển (Caesar, Affine, Vigenere) với hình học đại số đường cong elliptic, tạo ra các thuật toán mã hóa đối xứng có tốc độ tính toán nhanh, yêu cầu tài nguyên lưu trữ RAM/ROM thấp, đáp ứng trực tiếp tiêu chuẩn hoạt động của thiết bị thông minh.
  3. Mở rộng không gian điểm trên đường cong elliptic phục vụ mã hóa tiếng Việt:
    • Đề xuất phương trình đường cong elliptic với tham số số nguyên tố lớn, mở rộng tổng số điểm $n \ge 131$, giải quyết triệt để hạn chế thiếu hụt điểm của các nghiên cứu quốc tế trước đây, cho phép ánh xạ và mã hóa trực tiếp bảng ký tự tiếng Việt có dấu cùng các ký tự điều khiển.
  4. Kiểm chứng thực nghiệm trên phần cứng thực tế:
    • Thiết kế và triển khai thành công hệ thống thử nghiệm truyền nhận dữ liệu mã hóa đa chặng giữa 3 robot sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino và Wi-Fi ESP8266, cung cấp các số liệu đo kiểm thực tế về độ trễ truyền thông và mức tiêu thụ điện năng.

Kiến nghị và đề xuất giải pháp

  • Khuyến nghị ứng dụng bộ ba thuật toán CECC, AECC, VECC cho các thiết bị cầm tay thông minh (điện thoại thông minh, máy tính bảng).
  • Khuyến nghị sử dụng thuật toán AECC và VECC cho các thiết bị nhúng và nút mạng cảm biến IoT nhờ ưu thế kích thước khóa ngắn, tính toán đơn giản và tiêu thụ năng lượng thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các thuật toán đề xuất (CECC, AECC, VECC) mới dừng lại ở mô hình mã hóa khóa đối xứng trên nhóm điểm đường cong elliptic; luận án chưa mở rộng nghiên cứu sâu sang cơ chế thiết lập khóa công khai bất đối xứng hoàn chỉnh cho các thuật toán này.
  • Mô hình thực nghiệm phần cứng mới thực hiện trên mạng thử nghiệm cục bộ quy mô nhỏ (gồm 3 nút robot với Arduino và ESP8266), chưa kiểm thử trên mạng cảm biến không dây diện rộng với hàng trăm nút cảm biến đồng thời.
  • Luận án chưa thực hiện các đo kiểm vật lý chuyên sâu về khả năng chống tấn công kênh kề (Side-Channel Attacks) như phân tích năng lượng sai phân (DPA) hay tấn công phân tích lỗi phần cứng trực tiếp trên chip vi điều khiển.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Luận án xác định ba hướng phát triển tiếp theo được tác giả nêu rõ:

  1. Nghiên cứu mô hình các hệ mật mã nhẹ sử dụng cấu trúc lai ghép giữa mạng thay thế hoán vị (SPN) và cấu trúc Feistel để thiết kế thuật toán mật mã khối nhẹ hoàn toàn mới.
  2. Đề xuất một số thuật toán mới về mật mã trên đường cong elliptic ứng dụng trong hạ tầng chính phủ điện tử và các lược đồ chữ ký điện tử trên thiết bị di động.
  3. Nghiên cứu mối quan hệ và khả năng kết hợp giữa mật mã đường cong elliptic với kỹ thuật giấu tin trong ảnh số.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Là tài liệu tham khảo hệ thống về chuyên ngành Khoa học máy tính, Kỹ thuật mật mã, An toàn thông tin và Mạng truyền thông; cung cấp phương pháp luận chi tiết từ việc phân tích cấu trúc đại số (nhóm điểm elliptic, hộp S, ma trận MDS) đến quy trình hiện thực hóa thuật toán.
  • Đối với giảng viên và cơ sở đào tạo: Cung cấp tài liệu giảng dạy chuyên đề cho các học phần Mật mã học nâng cao, An toàn bảo mật IoT, Hệ thống nhúng và Tính toán di động.
  • Đối với kỹ sư phát triển hệ thống và chuyên gia an ninh mạng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật có thể ứng dụng ngay vào việc bảo vệ dữ liệu truyền thông giữa các vi điều khiển giá rẻ (như họ Arduino, ESP8266, ESP32), bảo mật dữ liệu văn bản tiếng Việt trong các ứng dụng điều khiển tự động, giao thông thông minh (ITS) và hệ thống giám sát y tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba thuật toán mật mã đường cong elliptic do tác giả đề xuất (CECC, AECC, VECC) có điểm gì khác nhau về mặt nguyên lý và cấu trúc khóa?

Cả ba thuật toán đều hoạt động dựa trên việc ánh xạ ký tự văn bản lên các điểm của đường cong elliptic nhưng khác nhau về cơ chế biến đổi và dạng khóa đối xứng:

  • CECC: Dựa trên mật mã dịch chuyển Caesar, sử dụng khóa đối xứng $K$ là một giá trị số nguyên đơn lẻ để tịnh tiến điểm trên đường cong.
  • AECC: Dựa trên mật mã Affine, sử dụng cặp khóa đối xứng $K = (u, v)$ với điều kiện toán học $\gcd(u, n) = 1$ ($n$ là tổng số điểm trên đường cong), thực hiện biến đổi tuyến tính vị trí điểm theo modulo $n$.
  • VECC: Dựa trên mật mã Vigenere, sử dụng khóa đối xứng $K$ là một chuỗi ký tự ngẫu nhiên, thực hiện dịch chuyển vị trí điểm của bản rõ lặp theo chu kỳ của các ký tự khóa trên đường cong elliptic.

2. Tác giả đã thực hiện cải tiến kỹ thuật cụ thể nào trên hai thuật toán mã khối nhẹ NOEKEON và LED?

  • Với thuật toán NOEKEON, tác giả bổ sung hàm biến đổi Switch(key) vào quy trình xử lý nhằm xáo trộn dữ liệu của khóa bí mật $K$ qua các vòng lặp, từ đó nâng cao tính ngẫu nhiên của lịch trình khóa và tăng độ mật cho thuật toán.
  • Với thuật toán LED, tác giả thực hiện hoán đổi vị trí bit bên trong cấu trúc hộp S-box. Giải pháp này không làm thay đổi hay mở rộng không gian khóa nhưng làm tăng độ phức tạp của các phương trình đại số, kéo dài thời gian thám mã và tăng cường khả năng chống lại các cuộc tấn công phân tích sai phân.

3. Luận án đã giải quyết hạn chế nào của các nghiên cứu ứng dụng mật mã đường cong elliptic trước đó?

Các nghiên cứu của Kinam [30], Sravana Kumar [31] và Sharma [32] sử dụng các phương trình đường cong elliptic có tổng số điểm quá nhỏ, dẫn đến việc không thể bao phủ toàn bộ tập ký tự văn bản cần mã hóa và phải dùng các thuật toán sinh chuỗi phức tạp gây tiêu tốn bộ nhớ RAM/ROM và kéo dài thời gian xử lý. Luận án giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách thiết lập phương trình đường cong elliptic với số nguyên tố lớn để mở rộng tổng số điểm lên $n = 131$ (và lớn hơn), bao phủ trọn vẹn toàn bộ bảng chữ cái tiếng Việt đầy đủ dấu thanh, đồng thời loại bỏ sự phụ thuộc vào thuật toán sinh chuỗi cồng kềnh.

4. Mô hình thực nghiệm nhúng của tác giả được thiết kế như thế nào và đo lường những thông số kỹ thuật gì?

Mô hình thực nghiệm nhúng gồm 3 trạm robot phần cứng giao tiếp qua mạng không dây Wi-Fi: Robot 1 (mã hóa bản rõ và truyền bản mã), Robot 2 (nút trung gian chuyển tiếp bản mã), và Robot 3 (nhận bản mã và giải mã khôi phục bản rõ). Phần cứng mỗi trạm sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino kết hợp mô-đun Wi-Fi ESP8266. Các thông số kỹ thuật được đo lường và đánh giá gồm: độ chính xác giải mã bản rõ tiếng Việt, ước tính độ trễ truyền thông tối thiểu, độ trễ trung bình và mức tiêu thụ điện năng của hệ thống khi truyền dữ liệu đã mã hóa so với dữ liệu không mã hóa.

5. Độ an toàn của thuật toán VECC trước tấn công thám mã vét cạn được chứng minh bằng dữ kiện tính toán nào?

Độ an toàn của VECC được chứng minh qua độ phức tạp tổ hợp không gian khóa. Với giả thiết chuỗi khóa có độ dài $m = 10$ ký tự ngẫu nhiên và đường cong elliptic có tổng số điểm $n = 131$, số lượng tổ hợp khóa mà kẻ thám mã buộc phải kiểm thử khi thực hiện tấn công brute-force là: $$C_{131}^{10} = \frac{131!}{10! \cdot 121!} \approx \frac{131 \times 130 \times \dots \times 122}{3.628.800}$$ Phép toán này cho kết quả lên tới hàng tỉ tỉ phép thử, tạo ra rào cản tính toán vượt quá khả năng xử lý của các hệ thống thám mã thông thường trong thời gian cho phép.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Mai Mạnh Trừng đã giải quyết bài toán tối ưu hóa an toàn thông tin trên các thiết bị thông minh và mạng IoT có tài nguyên tính toán hạn chế. Bằng việc cải tiến cấu trúc khóa và hộp S của hai mã khối nhẹ NOEKEON và LED, đồng thời xây dựng ba thuật toán mật mã đường cong elliptic mới (CECC, AECC, VECC) với số điểm mở rộng, công trình đã làm chủ việc mã hóa dữ liệu văn bản tiếng Việt với tốc độ cao và mức tiêu thụ tài nguyên thấp. Các kết quả nghiên cứu được kiểm chứng chặt chẽ qua tính toán lý thuyết và thực nghiệm trên điện thoại thông minh cùng hệ thống vi điều khiển nhúng Arduino - ESP8266, cung cấp luận cứ khoa học và giải pháp kỹ thuật hữu ích cho lĩnh vực mật mã học ứng dụng.