Chương 1 của luận án trình bày những kiến thức chung về an toàn và bảo mật thông tin và mật mã nhẹ, trình bày các thiết bị thông minh, thiết bị có năng lực tính toán hạn chế. Chương này cũng trình bày các tham số đề đánh giá một thuật toán mật mã là thuật toán mật mã nhẹ; Chương2 trình bày một số hệ mật mã khối nhẹ tiêu biêu như PRESENT và mật mã dòng nhẹ tiêu biểu như GRAIN có đánh giá theo các tham số; Chương 3 của luận án trình bày đề xuất thuật toán mật mã đường cong elliptic ứng dụng trên các thiết bi di động; Chương 4 của luận án trình bày các kết quả nghiên cứu đối với bài toán mật mã nhẹ trên các thiết bị hạn chế dựa trên kết quả thực nghiệm. Dé tài nghiên cứu của luận án tham gia vào các nghiên cứu chung về mật mã nhẹ, hệ mật mã đường cong elliptic. Luận án có các đóng góp chính như sau: Luận án đề xuất cải tiến với hai hệ mật mã khối nhẹ đã có NOEKEON, LED nhằm dam bảo an ninh an toàn trên các thiết bị loT.
NOEKEON cải tiến tăng độ mật cho thuật toán vì xáo trộn dữ liệu khóa K. LED cải tiễn chống lại thám mã. Luận án đề xuất ba thuật toán mật mã trên đường cong elliptic với tên gọi CECC, AECC và VECC. Ba thuật toán đề xuất có tốc độ tính toán nhanh, độ an toàn cao, phù hợp với các thiết bị thông minh.
Hiện tại, ECC đứng sau AES về tốc độ trong khi nó tuân thủ các tiêu chuẩn của mật mã nhẹ. Điều cần thiết là các nhà thiết kế ECC phải giảm yêu cầu bộ nhớ, dé nó có thé yêu cầu ít RAM và ROM hơn cho các hoạt động của nó. Nếu ECC đáp ứng được những thách thức này, nó sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu trong các giải pháp bảo mật. TONG QUAN VE MAT MÃ NHẸ VÀ UNG DỤNG TREN THIET BI THONG MINH Chương này trình bày những kiến thức chung về mật mã va mật mã nhẹ, trình bày các thiết bị thông minh, thiết bị có năng lực tính toán hạn chế.
Ngoài ra, còn có các tham số dé đánh giá một thuật toán mật mã là thuật toán mật mã nhẹ và mục tiêu của luận án giải quyết các van dé này. Bài toán nghiên cứu Trên cơ sở thực tiễn nhiều hệ mật mã nhẹ được đề xuất nhưng chưa được đánh giá đầy đủ và cần phải tạo ra hệ mật mã nhẹ mới có hiệu suất cao, luận án đề ra cho mình nhiệm vụ đánh giá một số hệ mật mã mới, phố biến và đề xuất hệ mật mã nhẹ mới cho thiết bị thông minh. Mật mã nhẹ là một sự chuyên hướng mới so với mật mã truyền thong nhằm giảm thiểu mức độ yêu cầu cao về tài nguyên, do đó nó sẽ hoàn toàn phù hợp với môi trường IoT, thiết bị thông minh. Nền tảng IoT bi hạn chế về kích thước vật lý, dung lượng lưu trữ, phân bé lưu trữ khác như RAM/ROM và tốc độ dữ liệu.
Các thiết bi này thường chạy bằng pin, do đó việc duy trì năng lượng này là điều cần thiết. Với việc sử dụng mật mã truyền thống sẽ tiêu hao nhiều năng lượng. Tuy nhiên, việc cung cấp đủ mức độ bảo mật là một thách thức vì các phương pháp mã hóa hiện tại quá phức tạp để áp dụng trong IoT, trong thiết bị thông minh. Với những lý do trên, luận án nghiên cứu “Nghiên cứu mat mã nhẹ, ứng dụng trên thiết bị thông mình”.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Luận án tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước để nắm được dòng chảy nghiên cứu về lĩnh vực này. Qua đó làm cơ sở dé tìm ra khoảng trống nghiên cứu, cũng như đưa ra các đê xuât phù hợp cho luận án.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay, mật mã nhẹ phát triển rất nhanh chóng. Theo Viện tiêu chuẩn và Kỹ thuật quốc gia Hoa Kỳ NIST đưa ra tiêu chuẩn ISO/IEC 29192 [2] về mật mã nhẹ chuẩn gôm sáu phân đê chỉ định các thuật toán mật mã nhẹ với yêu câu bảo mật, xác thực, 4 nhận dạng, không chối bỏ và toàn vẹn. Chúng bao gồm: ° phần 1: Các thông tin chung yêu cầu về bảo mật, phân loại và thực hiện[2]; e phần 2: Quy định các mã khối PRESENT và CLEFIA [3] và một số sửa đôi của phần 2 đã được đề xuất vào năm 2014 bao gồm mật mã khối SIMON và SPECK |4] với các tổ hợp kích thước khối và khóa khác nhau.
Vào năm 2015, các dự thảo sửa đổi đầu tiên với SIMON va SPECK đã được khởi xướng; ° phần 3: Chỉ rõ các mật mã dòng Enocoro và TRIVIUM [5]; e phần 4: Chi rõ ba kỹ thuật bất đối xứng, đó là (i) lược đồ nhận dạng cryptoGPS, (ii) cơ chế xác thực và trao đổi khóa ALIKE, và (iii) lược đồ chữ ký IBS dựa trên ID [6] và một sửa đổi cho phần 4 bao gồm một lược đồ xác thực dựa trên đường cong elliptic được gọi là ELLI [7]; e phần 5: Chỉ định ba hàm băm: PHOTON, SPONGENT và LesamntaLW[S]; e phần 6: Dành riêng cho MAC và hiện đang được phát trién [9]. Theo tiêu chuẩn ISO/IEC 29167, kỹ thuật nhận dang tự động và thu thập dtr liệu, cung cấp các dịch vụ bảo mật cho REID [10]. Mô tả kiến trúc, tính năng bảo mật và các yêu cầu đối với dịch vụ bảo mật cho thiết bị RFID. Các thuật toán mã hóa được bồ sung bao gồm tám bộ chỉ định việc sử dụng các dịch vụ bao mật AES-128, PRESENT-80, ECC-DH, GRAIN-128A, AES OFB, ECDSA-ECDH, cryptoGPS va RAMON cho ứng dụng bảo mật được đưa ra trong [11-12].
Uy ban Nghiên cứu và Đánh giá Mật mã CRYPTREC của Nhật Bản đưa ra một dự án nhằm đánh giá và giám sát bảo mật. Chúng gồm các kỹ thuật mật mã được sử dụng trong các hệ thống Chính phủ điện tử của Nhật Bản [13]. CRYPTREC đưa ra ba loại danh sách mật mã: (i) Danh sách mật mã được sử dụng trong Chính phủ điện tử; (i) Danh sách mật mã được đề xuất cho các thành viên chính phủ và (11) Danh sách mật mã được giám sát các hoạt động của Chính phủ. Nhóm nghiên cứu mật mã nhẹ của CRYPTREC, được thành lập vào năm 2013, nham mục đích nghiên cứu và hỗ trợ các giải pháp mật mã nhẹ phù hợp cho các hệ thống chính phủ điện tử và bất kỳ ứng dụng nào cần các giải pháp nhẹ.
Họ đã khảo sát về tình trạng hiện tại trong mật mã nhẹ và các ứng dụng của nó. Ngoài ra, họ thực hiện đánh giá việc triển khai và đưa ra bản báo cáo [13] vào năm 2015. Các thuật toán thực hiện mục tiêu trên là là AES, Camellia, CLEFIA [14], PRESENT [15], LED [16], Piccolo [17], 5 TWINE [18], và PRINCE [19]. Năm 2021, nhóm nghiên cứu Fursan Thabit và cộng sự [20] đã đề xuất thuật toán mật mã nhẹ NLCA, với thuật toán này làm tăng cường bảo mật dir liệu trong điện toán đám mây, thuật toán sử dụng cau trúc SPN kết hợp với Feistel, kích thước khối là 128 hoặc 256 bit và kích thước khóa là 128 hoặc 256 bit.
Kích thước khóa lớn tăng độ bảo mật nhưng sẽ ảnh hưởng tới giá thành. Ngoài những mật mã nhẹ tiêu chuẩn còn có rất nhiều thuật toán mật mã nhẹ khác đã được đề xuất, chăng hạn như mật mã dòng MICKEY-128, GRAIN va mật mã dòng nhẹ WG (Welch-Gong); mật mã khối TEA, KATAN và KTANTAN (Chess 2011) KLEIN [21]. Vào năm 2018, nhóm nghiên cứu Lang Li và cộng sự [22] đã đưa ra thuật toán mật mã khối nhẹ mới. Họ đã đưa ra một phương pháp mã hóa khác đó là tận dụng lợi thế cả cấu trúc mang SPN và Feistel cho việc mở rộng khóa mã hóa và giải mã.
Vào năm 2019, nhóm nghiên cứu Lina Ding và cộng sự [23] đã đưa mật mã dòng nhẹ mới. Họ đã sử dụng hệ thong hỗn loạn thêm vào hệ thong mật mã dòng nhẹ. Số hóa chuỗi hỗn loạn Logistic và kết hợp nó với NFSRs và bộ ghép kênh tạo ra một hệ thong mat mã dòng nhẹ mới. Nhóm nghiên cứu Soumen Roy, Md Abu Sohaib, Md Khaled Kamal [24] đã đưa ra thuật toán mật mã khối, sử dụng khóa đối xứng cho sự phân tích mật mã dữ liệu nhỏ, tư tưởng thuật toán trong phần mã hóa, đầu tiên giá trị bảng mã ASCII của bản rõ được đưa ra.
Sau đó, giá trị nhị phân tương ứng của nó được tính toán. Sử dụng khối 8 bit dé được cụm bản rõ dạng bit và sử dụng phép toán Xor bit dé tìm ra bản mã. Hạn chế của thuật toán này này mới mã hóa được các ký tự trên bảng mã ASCII. Nhóm nghiên cứu Nilupulee A.
Buchanan and Rameez Asif [25] đã nghiên cứu đánh giá va so sánh các thuật toán mật mã khối (AES, Hight, Lblock, LED, Piccolo, PRESENT, PRINCE, SIMON, SPECK, TWINE) với các tham số kích thước khối, kích thước khóa, mức bảo mật. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm mang tính lý thuyết, ứng dụng và khả thi hơn phải được tiến hành nhiều hơn dé đạt được sự tối ưu hóa cuối cùng của việc đảm bảo an ninh và bảo vệ quyền riêng tư trong thế giới IoT. Thuật toán mật mã khối nhẹ NOEKEON được công bố vào năm 2000 [26]. Vấn đề đặt ra là có giải pháp nào dé tăng độ mật cho thuật toán nay.
6 Nghiên cứu [16] công bố thuật toán mật mã khối nhẹ LED vào năm 201 1. Thuật toán này sử dụng hộp S giống với mật mã nhẹ PRESENT. Vậy van đề đặt ra cần làm thế nào đề không tăng không gian khóa, nhưng cần tăng thời gian thám mã. Nghiên cứu [27] nghiên cứu mật mã nhẹ dé mã hóa dữ liệu mạng trên chip, cụ thể đánh giá hiệu suất việc sử dụng thuật toán mật mã khối nhẹ mã hóa dữ liệu trên chip.
Nghiên cứu nay đã tăng tính hiệu suất nhưng độ bảo mật lại chưa cao. Năm 2022, nhóm nghiên cứu Kyriaki Tsantikidou, Nicolas Sklavos [28] mới chỉ dừng ở việc đề xuất các thuật toán mật mã nhẹ đã có dé ứng dụng cho thiết bị loT trong việc chăm sóc sức khỏe. Vào tháng 2 năm 2023, NIST công bố quyết định lựa chọn họ ASCON tiêu chuẩn cho các ứng dụng mật mã nhẹ. Mục tiêu báo cáo của NIST là cung cấp một hồ sơ công khai của quá trình chuẩn hóa và giải thích việc đánh giá những nghiên cứu vào vòng chung kết dé được chọn là tiêu chuẩn hóa [29] được trình bày trong phần phụ lục của luận án.
Mật mã đường cong elliptic được sử dụng trong chính phủ Hoa Ky dé bảo vệ thông tin liên lạc nội bộ.