Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các thiết bị mật mã trong thực tế luôn được triển khai trên nền tảng phần cứng hoặc phần mềm của các thực thể vật lý. Quá trình xử lý mật mã tạo ra các tương tác vật lý như thời gian thực thi, bức xạ điện từ và năng lượng tiêu thụ, hình thành các kênh rò rỉ thông tin (kênh kề). Tấn công phân tích năng lượng là dạng tấn công kênh kề không xâm lấn, nguy hiểm và có hiệu quả cao với chi phí thực hiện không quá lớn. Tác giả dẫn chứng kết quả nghiên cứu cho thấy chỉ cần 13 vết năng lượng tiêu thụ thu được là có thể khôi phục thành công khóa bí mật của thẻ thông minh cài đặt thuật toán Chuẩn mã hóa tiên tiến (AES).

Thẻ thông minh là thiết bị điện tử có vi mạch tích hợp hoặc vi điều khiển an toàn, thường được ứng dụng trong các nhiệm vụ cơ động tại những khu vực không được thiết lập chế độ bảo vệ vật lý nghiêm ngặt như các thiết bị mật mã cố định. Mặc dù AES là thuật toán mã khối phổ biến nhờ tính bảo mật và hiệu năng cao, thuật toán này không có khả năng tự kháng lại tấn công phân tích năng lượng.

Các nghiên cứu chống tấn công phân tích năng lượng hiện hữu tập trung vào hai hướng tiếp cận chính: ẩn (hiding) và che mặt nạ (masking). Trong đó, phương pháp ẩn không thể loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc của dữ liệu vào năng lượng tiêu thụ. Phương pháp mặt nạ làm cho giá trị trung gian độc lập với năng lượng tiêu thụ thực tế, nhưng các lược đồ đã công bố đều tồn tại những hạn chế kỹ thuật:

  • Phương pháp mặt nạ cố định (FiM) và mặt nạ đầy đủ (FuM) đòi hỏi dung lượng bộ nhớ lớn và thời gian tính toán phức tạp.
  • Phương pháp mặt nạ nhân (MM) không kháng được tấn công giá trị zero (Zero Value Attack - ZVA) do giá trị $0$ nhân với mặt nạ bất kỳ đều bằng $0$.
  • Phương pháp mặt nạ biến đổi số học (AtM) phải hạ bậc trường nhiều lần, làm gia tăng thời gian thực thi và tài nguyên phần cứng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: Cần xây dựng một phương pháp mặt nạ mới kết hợp cơ sở toán học biến đổi trường - vành nhằm khắc phục điểm yếu của các lược đồ mặt nạ trước đó, vừa kháng được tấn công phân tích năng lượng và tấn công giá trị zero, vừa tối ưu hóa tài nguyên để thực thi khả thi trên thẻ thông minh.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, xây dựng phương pháp chống tấn công phân tích năng lượng cho thuật toán AES dựa trên kỹ thuật mặt nạ nhúng biến đổi trường vành; từ đó xây dựng thuật toán AES cải tiến có mặt nạ (AES-EM) đảm bảo an toàn và phù hợp thực thi trên thiết bị thẻ thông minh.

Mục tiêu cụ thể gồm 3 nội dung được đánh số theo văn bản:

  1. Phát triển cơ sở lý thuyết cho kỹ thuật mặt nạ nhúng biến đổi trường vành bao gồm phương pháp biểu diễn dữ liệu và các phép biến đổi trên trường hữu hạn để xây dựng lớp thuật toán mặt nạ mới có khả năng đảm bảo an toàn cho thuật toán AES trước tấn công phân tích năng lượng, đồng thời chống được tấn công giá trị zero.
  2. Đề xuất lược đồ mặt nạ nhúng FREM để che mặt nạ cho phép nghịch đảo trong biến đổi SubBytes của thuật toán AES, từ đó kết hợp các phương pháp chống tấn công dựa trên mặt nạ đầy đủ, mặt nạ nhân và lược đồ mặt nạ nhúng FREM để xây dựng phương pháp chống tấn công phân tích năng lượng mới cho thuật toán AES trên thẻ thông minh.
  3. Xây dựng, thực thi thử nghiệm thuật toán AES có mặt nạ bảo đảm an toàn, hiệu năng và khả thi khi triển khai cho thẻ thông minh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Thuật toán mã khối AES; thiết bị thẻ thông minh; các phương pháp tấn công và chống tấn công phân tích năng lượng.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Lý thuyết toán học: Đại số trừu tượng (nhóm, vành, trường hữu hạn $GF(2^8), GF(2^4), GF((2^4)^2)$, vành thương đa thức $\mathcal{R}$), lý thuyết xác suất và thống kê toán học (kiểm định giả thuyết, quá trình ngẫu nhiên).
    • Mật mã học: Độ an toàn của các hệ mật mã khối, kỹ thuật tấn công kênh kề (phân tích năng lượng đơn giản SPA, phân tích năng lượng vi sai DPA, phân tích tương quan CPA, tấn công giá trị zero ZVA).
    • Kỹ thuật điện tử và đo lường: Cấu trúc phần cứng vi điều khiển ATmega8515 trên thẻ thông minh, module đo chuyên dụng Sakura-G và Sakura-W, kỹ thuật lấy mẫu tín hiệu, xử lý tín hiệu và đồng bộ vết năng lượng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Tác giả đã điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước:

  • Nền tảng tấn công kênh kề và phân tích năng lượng: Paul Kocher, Joshua Jaffe và Benjamin Jun (1998, 1999) lần đầu công bố khái niệm tấn công phân tích năng lượng (SPA, DPA), thực nghiệm thành công trên gần 50 thiết bị mật mã và đề xuất các giải pháp kỹ thuật thuộc nhóm ẩn (giảm biên độ tín hiệu, tăng nhiễu, thiết kế phần cứng tiêu thụ ít năng lượng). Jean-Sébastien Coron (1999) phân tích tấn công phân tích năng lượng lên hệ mật đường cong Elliptic (ECC) và các giao thức trao đổi khóa Diffie-Hellman, El-Gamal trên thẻ thông minh. William Hnath (2010) tại Đại học Bách khoa Worcester nghiên cứu các mô hình tấn công DPA.
  • Kỹ thuật chống tấn công bằng mặt nạ: Thomas Messerges (2000) đề xuất phương pháp bảo vệ thuật toán AES bằng cách dùng mặt nạ logic cho đầu vào, đầu ra và bảng S-box. Jean-Sébastien Coron và Louis Goubin (2000) nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi qua lại giữa mặt nạ logic (Boolean) và mặt nạ số học (Arithmetic). Giraud (2005) xây dựng phương pháp mặt nạ cho DES và phép biến đổi SubBytes của AES trên thẻ thông minh. Stefan Mangard, Elisabeth Oswald và Thomas Popp (2007) thuộc Đại học Kỹ thuật Graz phân tích nguyên lý DPA và đề xuất mô hình mặt nạ đầy đủ (FuM).
  • Mặt nạ nhân và mặt nạ biến đổi số học: Elena Trichina và cộng sự, cùng Xiaoan Zhu và cộng sự đề xuất các sơ đồ mặt nạ nhân cải tiến (MM) nhằm tối ưu hóa phép nhân trên trường hữu hạn $GF(2^4)$ thay cho $GF(2^8)$. Johannes Wolkerstorfer và cộng sự (2002) đưa ra phương pháp mặt nạ biến đổi số học (AtM) dựa trên việc phân rã trường $GF(2^8)$ thành tháp trường mở rộng $GF(2^4)$ và $GF(2^2)$ để thực hiện phép nghịch đảo bằng phép bình phương ($x^{-1} = x^2$).
  • Ý tưởng mặt nạ nhúng: Christophe Tymen và Jovan Golic (2002) đưa ra ý tưởng ánh xạ dữ liệu từ trường $GF(2^8)$ sang vành đa thức $\mathcal{R} = GF(2)[x]/PQ$ để phân tán phần tử zero thành nhiều giá trị ngẫu nhiên, sau đó được phát triển ứng dụng trên phần cứng (2004).
  • Các nghiên cứu tại Việt Nam: Loạt công trình của Nguyễn Hồng Quang (2014, 2015, 2017, 2019) công bố trên Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự và Tạp chí Khoa học ĐH Sư phạm Hà Nội. Các công trình này mô phỏng tấn công DPA, chứng minh khả năng phá khóa AES bằng 13 vết năng lượng, đồng thời thực nghiệm đánh giá phương pháp mặt nạ đầy đủ FuM (2017) và mặt nạ nhân MM (2019) trên thẻ thông minh.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng hợp các công trình trên cho thấy:

  1. Phương pháp ẩn và các kỹ thuật phần cứng không triệt tiêu được sự phụ thuộc dữ liệu.
  2. Phương pháp mặt nạ cố định và mặt nạ đầy đủ chiếm dụng bộ nhớ RAM/ROM vượt quá dung lượng thực tế của vi điều khiển thẻ thông minh 8-bit.
  3. Mặt nạ nhân giải quyết được bài toán gỡ mặt nạ ở phép nghịch đảo SubBytes nhưng tồn tại lỗ hổng toán học trước tấn công giá trị zero (xác suất lộ dữ liệu $\Pr = 1/256$).
  4. Kỹ thuật nhúng trường - vành của Tymen và Golic mới dừng lại ở mức ý tưởng toán học và ứng dụng phần cứng, chưa có lược đồ hoàn chỉnh cho phần mềm thuật toán AES trên thẻ thông minh.

Luận án lựa chọn giải quyết việc hoàn thiện cơ sở toán học nhúng trường - vành, thiết kế lược đồ mặt nạ nhúng FREM cho hộp thế SubBytes, tích hợp vào cấu trúc mặt nạ đầy đủ để tạo ra giải pháp FuFA và thuật toán AES-EM đáp ứng đồng thời yêu cầu an toàn và hiệu năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết đại số trừu tượng: Biểu diễn các phần tử của trường hữu hạn $GF(2^8)$ thông qua trường kết hợp (trường tháp) $GF((2^4)^2)$. Sử dụng đa thức bất khả quy $m(x)$ bậc 8 trên $GF(2)$ và đa thức $n(x)$ bậc 4 trên $GF(2^4)$. Vành thương đa thức $\mathcal{R} = GF(2^4)[x]/P(x)Q(x)$, trong đó $P(x)$ là đa thức bất khả quy bậc 2, $Q(x)$ là đa thức bất khả quy bậc $l$, và $R(x)$ là đa thức bất khả quy bậc $h < (l - 2)$.
  • Các toán tử và ánh xạ toán học:
    • Ánh xạ $map: GF(2^8) \to GF((2^4)^2)$ và ánh xạ ngược $map^{-}$.
    • Ánh xạ nhúng $\rho: GF((2^4)^2) \to \mathcal{R}$ theo quy tắc $\rho(X) = X \oplus RP \pmod{PQ}$ và phép chiếu ngược $\rho^{-}$.
    • Ánh xạ $\delta: \mathcal{R} \to GF((2^4)^2) \times GF((2^4)^k)$.
  • Mô hình rò rỉ năng lượng và tấn công phân tích sai khác năng lượng (CPA):
    • Mô hình trọng số Hamming (Hamming Weight - HW): $h_{i,j} = HW(v_{i,j})$, ánh xạ giá trị trung gian giả định $v_{i,j}$ sang mức năng lượng tiêu thụ ước lượng $h_{i,j}$.
    • Hệ số tương quan Pearson giữa ma trận năng lượng giả định $[\mathbf{H}]$ và ma trận vết năng lượng thực tế $[\mathbf{T}]$:

$$r_{i,j} = \frac{\sum_{a=1}^{D} (h_{a,i} - \bar{h}i)(t{a,j} - \bar{t}j)}{\sqrt{\sum{a=1}^{D} (h_{a,i} - \bar{h}i)^2 \sum{a=1}^{D} (t_{a,j} - \bar{t}_j)^2}}$$

Trong đó $D$ là số lượng bản rõ (số vết), $\bar{h}_i$ và $\bar{t}_j$ là các giá trị trung bình mẫu.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết toán học và phương pháp thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp lý thuyết: Chứng minh toán học tính khả nghịch, tính bảo toàn cấu trúc mật mã của các phép biến đổi trường - vành; phân tích xác suất xuất hiện giá trị zero nhằm chứng minh tính an toàn lý thuyết trước tấn công CPA bậc một và ZVA.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Cài đặt phần mềm mã hóa thuật toán AES-128 tiêu chuẩn và thuật toán AES-EM trên thẻ thông minh chứa vi điều khiển ATmega8515.
    • Thiết lập hệ thống đo thực tế: điều khiển nguồn, cấp xung nhịp ổn định, kích hoạt chân tín hiệu kích (trigger), thu thập vết năng lượng tiêu thụ qua dao động ký số khi thẻ thực hiện mã hóa các khối bản rõ ngẫu nhiên.
    • Xử lý dữ liệu đo, thực thi thuật toán tấn công CPA theo 5 bước đối với 16 byte khóa trên cả hai chương trình (AES-128 chuẩn và AES-EM) với các tập dữ liệu 480 vết, 1500 vết và 3000 vết để so sánh hệ số tương quan.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Cơ sở dữ liệu vết năng lượng thu thập trực tiếp từ module phần cứng chuẩn SAKURA (Sakura-G, Sakura-W) và thẻ thông minh ATmega8515 tại Trung tâm Thực hành Kỹ thuật mật mã - Học viện Kỹ thuật mật mã.
  • Các bộ công cụ và mã nguồn thuật toán kiểm chứng: Thuật toán FuM (Phụ lục 1), Thuật toán MM (Phụ lục 2), Phương pháp tính toán mặt nạ AtM (Phụ lục 3), Thuật toán AtM (Phụ lục 4).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ VỀ TẤN CÔNG VÀ CHỐNG TẤN CÔNG PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG CHO THUẬT TOÁN AES TRÊN THẺ THÔNG MINH

Chương 1 trình bày tổng quan cấu trúc mã hóa AES-128, nguyên lý các kỹ thuật tấn công kênh kề và phân tích chi tiết quy trình tấn công CPA theo chiến thuật 5 bước:

  1. Bước 1: Lựa chọn giá trị trung gian mục tiêu tại đầu ra của hộp thế S-box đầu tiên: $f(a, k) = Sbox(a \oplus k)$.
  2. Bước 2: Đo năng lượng tiêu thụ khi mã hóa $D$ bản rõ ngẫu nhiên $a = (a_1, \dots, a_D)$, xây dựng ma trận mẫu $[\mathbf{T}]$ kích thước $D \times T$ ($T$ là độ dài vết lấy mẫu).
  3. Bước 3: Tính ma trận giá trị trung gian giả định $[\mathbf{V}]$ kích thước $D \times K$ với $K = 256$ giá trị khóa giả định cho mỗi byte khóa.
  4. Bước 4: Ánh xạ $[\mathbf{V}]$ sang ma trận năng lượng giả định $[\mathbf{H}]$ bằng mô hình trọng số Hamming ($h_{i,j} = HW(v_{i,j})$).
  5. Bước 5: Tính ma trận hệ số tương quan $[\mathbf{R}]$ kích thước $K \times T$ để xác định khóa đúng $c_k$ và thời điểm $c_t$ tương ứng với đỉnh tương quan $r_{ck, ct}$ cực đại.

Chương này đánh giá các phương pháp chống tấn công hiện có:

  • Phương pháp ẩn: Thực hiện trên miền thời gian (chèn hoạt động giả, xáo trộn thứ tự) và miền biên độ (san bằng mức tiêu thụ năng lượng). Kết luận phương pháp ẩn không loại bỏ được bản chất phụ thuộc dữ liệu.
  • Phương pháp mặt nạ: Phân tích 4 nhóm phương pháp:
    • Mặt nạ cố định (FiM): Dùng $q$ bộ mặt nạ sinh trước; nhược điểm là tốn 65.792 bytes bộ nhớ ($256 + 256 \times 256$), không khả thi trên thẻ thông minh.
    • Mặt nạ đầy đủ (FuM): Dùng 6 mặt nạ ($m, m'$ cho SubBytes và $m_1', m_2', m_3', m_4'$ từ phép MixColumns); chiếm dụng 3.795 bytes ROM và nhiều RAM.
    • Mặt nạ nhân (MM): Gồm MM thích nghi (dùng biến ngẫu nhiên phụ $Y$) và MM cải tiến (Elena Trichina, Xiaoan Zhu). Nhược điểm là tồn tại lỗ hổng tấn công giá trị zero (ZVA) với xác suất $\Pr = 1/256$ khi $a = p \oplus k = 0$.
    • Mặt nạ biến đổi số học (AtM): Hạ bậc trường từ $GF(2^8)$ xuống $GF(2^4)$ và $GF(2^2)$ của Johannes Wolkerstorfer; thao tác chuyển đổi nhiều tầng làm tăng độ trễ và dung lượng.
Tiêu chí Mặt nạ cố định (FiM) Mặt nạ đầy đủ (FuM) Mặt nạ nhân (MM) Mặt nạ biến đổi toán học (AtM)
An toàn An toàn An toàn Chịu tấn công zero An toàn
Chống tấn công zero Có Có Không Có
Phương pháp mặt nạ cho S-box Tính trước bảng $S_k[x] = S[v \oplus m_k] \oplus m_k$ Tính trước bảng $S_m(v \oplus m) = S(v) \oplus m'$ Biến đổi về phép nhân $f^{-1}(v \times m) = f^{-1}(v) \times f^{-1}(m)$ Biến đổi về trường kết hợp $GF(2^4)$ và $GF(2^2)$
Mặt nạ cho thuật toán 1 bộ (tính trước) 4 bộ (on fly) Chưa hoàn chỉnh Chưa hoàn chỉnh
Dung lượng Tốn nhiều tài nguyên Tốn nhiều tài nguyên Tốn ít tài nguyên Tốn tài nguyên
Tính linh hoạt Dựa vào $q$ bộ mặt nạ Linh hoạt, dễ điều chỉnh Ít linh hoạt Tương đối linh hoạt

Cuối chương, tác giả giới thiệu ý tưởng nhúng trường - vành của Tymen và Golic ($\rho(X) = X \oplus RP \pmod{PQ}$) làm cơ sở giải quyết triệt để bài toán ZVA và tối ưu tài nguyên.

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TẤN CÔNG PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG CHO THUẬT TOÁN AES TRÊN THẺ THÔNG MINH DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẶT NẠ NHÚNG

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học và cấu trúc thuật toán đề xuất:

  • Phát triển cơ sở toán học: Xây dựng hệ thống các phép ánh xạ chuyển đổi dữ liệu từ trường $GF(2^8)$ về trường kết hợp $GF((2^4)^2)$ thông qua toán tử $map$ và $map^{-}$. Ánh xạ các phần tử từ $GF((2^4)^2)$ sang vành thương $\mathcal{R} = GF(2^4)[x]/P(x)Q(x)$ bằng toán tử $\rho$ và chiếu ngược lại bằng $\rho^{-}$. Thay thế phép tính nghịch đảo trực tiếp trong biến đổi phi tuyến SubBytes bằng phép lũy thừa tương đương trên cấu trúc đại số mới.
  • Kỹ thuật mặt nạ nhúng FREM (Field Ring Embedded Multiplicative Mask): Sử dụng các tính chất của vành đa thức để che giấu phần tử zero. Khi dữ liệu bằng 0 được ánh xạ sang vành $\mathcal{R}$, nó được phân tán ngẫu nhiên thành một trong $2^l$ phần tử của vành, triệt tiêu khả năng nhận biết giá trị zero của bên tấn công.
  • Phương pháp FuFA (Full FREM AES) và Thuật toán AES-EM: Kết hợp mô hình mặt nạ đầy đủ cho các phép biến đổi tuyến tính (ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey) với kỹ thuật FREM cho phép nghịch đảo phi tuyến SubBytes. Khóa vòng và dữ liệu trung gian được che liên tục qua các vòng và mặt nạ được gỡ bỏ chính xác tại đầu ra của vòng mã hóa cuối cùng.
  • Đánh giá an toàn và hiệu năng: Luận án chứng minh toán học thuật toán AES-EM kháng được tấn công CPA bậc một, loại bỏ hoàn toàn điểm yếu ZVA của phương pháp MM truyền thống, đồng thời giảm thiểu dung lượng lưu trữ so với phương pháp FuM và FiM do không cần lưu trữ bảng S-box mở rộng kích thước lớn.

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TẤN CÔNG PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẶT NẠ NHÚNG CHO THUẬT TOÁN AES TRÊN MÔI TRƯỜNG THẺ THÔNG MINH

Chương 3 trình bày việc thực nghiệm, đo đạc và phân tích kết quả:

  • Mô hình hệ thống thực nghiệm: Sử dụng bo mạch kiểm tra tiêu chuẩn Sakura-G và module giao tiếp Sakura-W kết hợp chip vi điều khiển ATmega8515 đóng vai trò thẻ thông minh chịu thử nghiệm (DUA - Device Under Attack). Thiết lập cấu hình đo điện áp rơi trên điện trở đo dòng, đồng bộ tín hiệu kích hoạt (trigger) từ chân vào/ra của vi điều khiển đến máy hiện sóng số.
  • Cài đặt chương trình: Biên dịch và nạp hai phiên bản chương trình lên ATmega8515: thuật toán AES-128 tiêu chuẩn và thuật toán AES-EM đề xuất.
  • Kết quả tấn công CPA lên thuật toán AES-128: Tiến hành tấn công lần lượt trên 16 byte khóa. Hệ số tương quan tại vị trí khóa đúng xuất hiện đỉnh vượt trội rõ nét so với không gian khóa sai. Ví dụ tại Byte 1, biểu đồ tương quan chỉ ra khóa đúng $k = 63$ phân tách hoàn toàn khỏi 255 giá trị khóa giả định còn lại.
  • Kết quả tấn công CPA lên thuật toán AES-EM: Thực hiện quy trình tấn công tương tự trên thuật toán AES-EM với các tập dữ liệu tăng dần:
    • Với 480 vết: Đồ thị tương quan của khóa đúng $k = 63$ và khóa sai (như $k = 64$) hoàn toàn phẳng, không xuất hiện đỉnh tương quan nhận dạng.
    • Với 1500 vết: Hệ số tương quan tiếp tục duy trì ở mức nhiễu nền, không làm lộ khóa.
    • Với 3000 vết: Biên độ tương quan của khóa đúng $k = 63$ vẫn chìm trong dải dao động ngẫu nhiên của các khóa sai, chứng minh khả năng kháng phân tích năng lượng thực tế của thuật toán AES-EM.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học

Theo công bố của tác giả, luận án đạt được 3 đóng góp khoa học chính:

  1. Phát triển cơ sở lý thuyết mặt nạ nhúng: Xây dựng cơ sở toán học kết hợp phương pháp hạ bậc biểu diễn dữ liệu từ trường $GF(2^8)$ về trường $GF((2^4)^2)$ và ngược lại; thiết lập ánh xạ các phần tử từ trường $GF((2^4)^2)$ sang vành thương $GF(2^4)[x]/P(x)Q(x)$ và phép chiếu ngược; ứng dụng phương pháp mặt nạ nhân để tính toán, điều chỉnh giá trị mặt nạ phù hợp cho thuật toán AES.
  2. Đề xuất lược đồ FREM và thuật toán AES-EM: Đề xuất kỹ thuật mặt nạ nhúng biến đổi trường - vành FREM cho phép nghịch đảo trong hộp thế SubBytes; kết hợp FREM với mô hình mặt nạ đầy đủ để tạo nên phương pháp FuFA; xây dựng thành công thuật toán AES-EM đảm bảo an toàn mật mã, loại trừ tấn công giá trị zero và tối ưu hóa tài nguyên.
  3. Thực thi thực nghiệm và đánh giá so sánh: Cài đặt thuật toán đề xuất trên vi điều khiển ATmega8515 của thẻ thông minh; xây dựng hệ thống đo lường thực tế trên module Sakura-G/Sakura-W; thực hiện tấn công CPA đối chứng giữa AES-128 chuẩn và AES-EM với số lượng lên tới 3000 vết năng lượng, chứng minh tính an toàn và khả năng thực thi thực tế.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng cấu trúc thuật toán AES-EM cho các dòng thẻ thông minh có tài nguyên hạn chế trong các hệ thống yêu cầu độ bảo mật cao như căn cước công dân điện tử, thẻ ngân hàng, thẻ xác thực người dùng và khóa điện tử token.
  • Sử dụng quy trình đo đạc và tấn công 5 bước trên nền tảng Sakura-G/Sakura-W làm quy trình kiểm chuẩn an toàn kênh kề cho các thiết bị mật mã nhúng trước khi đưa vào khai thác thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đối tượng thực nghiệm của luận án tập trung trên nền tảng vi điều khiển 8-bit ATmega8515; chưa đánh giá chi tiết trên các dòng vi xử lý 32-bit hiệu năng cao (như ARM Cortex-M/Secure Core).
  • Nghiên cứu tập trung giải quyết tấn công phân tích năng lượng bậc một (CPA) và tấn công giá trị zero (ZVA); chưa thực nghiệm mở rộng đối với tấn công phân tích năng lượng bậc cao (HODPA) hoặc các dạng tấn công kết hợp như tấn công phân tích lỗi (Fault Analysis Attack - FAA).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu, tối ưu hóa thuật toán AES-EM để triển khai trên các nền tảng phần cứng vi điều khiển 32-bit và các thiết bị phần cứng chuyên dụng (FPGA/ASIC).
  • Mở rộng ứng dụng cơ sở toán học của kỹ thuật mặt nạ nhúng biến đổi trường - vành FREM cho các thuật toán mã khối khác ngoài AES (như Camellia, SM4).
  • Nghiên cứu kết hợp kỹ thuật mặt nạ nhúng với các giải pháp chống tấn công phân tích lỗi (FAA) và tấn công phân tích điện từ trường (EMA).

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Mật mã học, An toàn thông tin: Tham khảo cơ sở lý thuyết đại số trừu tượng ứng dụng trong an toàn kênh kề tại Chương 2, các phép biến đổi trường tháp $GF((2^4)^2)$ và vành thương $\mathcal{R}$.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và phần mềm thẻ thông minh: Tham khảo mã nguồn, cấu trúc thuật toán AES-EM và các phụ lục thuật toán (FuM, MM, AtM) để tối ưu hóa bộ nhớ và tốc độ thực thi cho các vi điều khiển hạn chế tài nguyên.
  • Chuyên viên kiểm thử và đánh giá an toàn phần cứng mật mã: Tham khảo mô hình thiết lập hệ thống đo thực nghiệm trên module Sakura-G/Sakura-W, quy trình lấy mẫu và phương pháp tính toán hệ số tương quan 5 bước tại Chương 1 và Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thuật toán AES nguyên bản lại bị tổn thương trước tấn công phân tích năng lượng?

Thuật toán AES nguyên bản xử lý trực tiếp các giá trị dữ liệu và khóa bí mật trên phần cứng. Trong quá trình thực thi (đặc biệt tại đầu ra của hộp thế S-box đầu tiên), mức năng lượng tiêu thụ tức thời của vi mạch phụ thuộc tuyến tính vào trọng số Hamming của các giá trị trung gian $v = Sbox(p \oplus k)$. Kẻ tấn công đo năng lượng tiêu thụ thực tế và sử dụng hệ số tương quan Pearson để khớp với mô hình năng lượng giả định, từ đó bóc tách chính xác từng byte khóa bí mật.

2. Điểm yếu cốt lõi của phương pháp mặt nạ nhân (MM) trước tấn công giá trị zero (ZVA) là gì?

Phương pháp mặt nạ nhân sử dụng phép nhân để che giá trị trung gian: $v_m = v \times m$. Khi bản rõ $p$ trùng với byte khóa $k$, giá trị trung gian $a = p \oplus k = 0$. Vì $0 \times m = 0$ với mọi giá trị mặt nạ ngẫu nhiên $m$, phần tử zero không được che giấu và giữ nguyên giá trị qua phép nhân. Lỗ hổng này dẫn đến xác suất lộ dữ liệu $\Pr = 1/256$, cho phép kẻ tấn công phát hiện mối tương quan khi phân tích vết năng lượng trung bình.

3. Kỹ thuật mặt nạ nhúng FREM khắc phục điểm yếu của mặt nạ nhân bằng nguyên lý toán học nào?

Kỹ thuật FREM ánh xạ dữ liệu từ trường $GF((2^4)^2)$ sang vành thương đa thức $\mathcal{R} = GF(2^4)[x]/P(x)Q(x)$ qua ánh xạ ngẫu nhiên $\rho(X) = X \oplus RP \pmod{PQ}$ (với $P$ bậc 2, $Q$ bậc $l$, $R$ bậc $h < l-2$). Nhờ cấu trúc vành thương, phần tử $0$ trên trường được ánh xạ ngẫu nhiên thành một trong $2^l$ phần tử khả dĩ trong vành $\mathcal{R}$. Do đó, giá trị zero bị phân tán hoàn toàn, triệt tiêu đặc trưng năng lượng đơn lẻ và chống được tấn công ZVA.

4. Kết quả thực nghiệm tấn công CPA trên thuật toán AES-EM khác biệt như thế nào so với AES-128 tiêu chuẩn?

Khi tấn công CPA trên thuật toán AES-128 tiêu chuẩn cài đặt trên vi điều khiển ATmega8515, đồ thị hệ số tương quan xuất hiện đỉnh nhọn rõ rệt tại giá trị khóa đúng (ví dụ $k = 63$ ở Byte 1). Ngược lại, khi thực hiện tấn công CPA trên thuật toán AES-EM với số lượng 480 vết, 1500 vết và 3000 vết, hệ số tương quan của khóa đúng $k = 63$ hoàn toàn phẳng và nằm lẫn trong dải dao động ngẫu nhiên của các khóa sai ($k = 64$), không làm lộ thông tin khóa.

5. Tại sao phương pháp FuFA và thuật toán AES-EM lại phù hợp với thẻ thông minh hơn phương pháp mặt nạ đầy đủ (FuM) và mặt nạ cố định (FiM)?

Phương pháp FiM yêu cầu tới 65.792 bytes bộ nhớ để lưu các bảng S-box tính trước, còn FuM tốn 3.795 bytes ROM cùng dung lượng RAM lớn cho các biến đổi ma trận. Vi điều khiển thẻ thông minh 8-bit (như ATmega8515) có tài nguyên bộ nhớ rất hạn chế. Thuật toán AES-EM sử dụng kỹ thuật FREM tính toán trực tiếp phép nghịch đảo SubBytes trên cấu trúc trường - vành, loại bỏ nhu cầu lưu trữ bảng S-box mở rộng kích thước lớn, từ đó tiết kiệm tài nguyên bộ nhớ mà vẫn đảm bảo tính an toàn.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Tùng đã giải quyết bài toán chống tấn công phân tích năng lượng cho thuật toán mã khối AES trên môi trường thẻ thông minh bằng cách phát triển kỹ thuật mặt nạ nhúng biến đổi trường - vành (FREM). Bằng việc kết hợp cơ sở đại số trừu tượng của trường tháp $GF((2^4)^2)$ và vành thương $\mathcal{R}$, tác giả đã đề xuất phương pháp FuFA và xây dựng thành công thuật toán cải tiến AES-EM. Kết quả thực nghiệm trên phần cứng vi điều khiển ATmega8515 và hệ đo Sakura-G/Sakura-W với 3000 vết năng lượng đã chứng minh thuật toán AES-EM loại bỏ được các đỉnh tương quan rò rỉ khóa, kháng được tấn công CPA và ZVA, đồng thời đáp ứng các ràng buộc khắt khe về tài nguyên của thẻ thông minh.