ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thiết kế phần cứng xử lý mã hóa ECDSA trên đường cong elip NIST P-256 GVHD: TS. Trần Hoàng Linh SVTH: Lê Đức Vinh MSSV: 1713968 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÓA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -----✩----- -----✩----- Số: ______ /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Điện Tử NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1. HỌ VÀ TÊN: Lê Đức Vinh MSSV: 1713968 2.
NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP: DD17DV7 3. Đề tài: Thiết kế phần cứng xử lý mã hóa ECDSA trên đường cong elip NIST P-256. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): Tạo chữ kí số ECDSA theo chuẩn FIPS 186-4, không bao gồm kiểm tra chữ kí. Hỗ trợ cho đường cong elliptic 256 bit: NIST P-256 (đường cong Weierstrass) 5.
Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 09/12/2021 6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31/05/2022 7. Họ và tên người hướng dẫn: Ts. Trần Hoàng Linh Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn.HCM, ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):.
Ngày bảo vệ:. Điểm tổng kết:. LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Hoàng Linh và các quý thầy cô đã tận tình hướng dẫn, cùng các bạn,các anh chị sinh viên đã giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Cảm ơn các thầy cô vì đã cho em được sống một tuổi trẻ Bách Khoa đáng nhớ.
Cảm ơn thầy cô vì đã đánh giá cao sự tiến bộ hơn điểm trung bình môn, đồng hành bên từng bước trưởng thành trên con đường học tập của chúng em. Cảm ơn ba mẹ đã nuôi nấng và tạo điều kiện cho chúng con học tập trong suốt thời gian qua, chăm lo để chúng con có thể cất cặp sách vào học ngôi trường Bách Khoa. Nhờ sự hướng dẫn, kinh nghiệm của các thầy cô và các bạn, nhóm chúng em có thể thực hiện được đề tài tương ứng với yêu cầu đặt ra. Tuy còn một số khuyết điểm, nhưng em cũng đã học được nhiều kiến thức giá trị, có ích cho sự nghiệp điện tử trong tương lai.
Đặc biệt em xin cám ơn anh Nguyễn Tuấn Hùng đã đồng hành với em xuyên suốt trong luận văn và chỉ cho em những kiến thức mới về lĩnh vực này. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 05 năm 2022 Sinh viên TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này trình bày về thiết kế bộ mã hóa đường cong elliptic 256 bit trên ngôn ngữ Verilog, phục vụ trong mục đích bảo mật thông tin. Luận văn trình bày đầy đủ các mặt về lý thuyết toán học của mã hóa đường cong elliptic, chức năng và ứng dụng. Thiết kế của luận văn được miêu tả với đầy đủ các sơ đồ khối và cách thức hoạt động.
Thiết kế được mô phỏng để kiểm tra kết quả bằng các bài kiểm tra được quy định trong các chuẩn về mã hóa. Luận văn cũng trình bày về các ưu, khuyết điểm còn tồn tại của thiết kế và hướng phát triển tương lai cho đề tài này. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN HOÀNG LINH MỤC LỤC Danh mục hình ảnh.
3 Danh mục bảng. Giới thiệu đề tài:. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:. Nhiệm vụ luận văn:.
Lý thuyết về mã hóa đường cong Elliptic:. Giao thức TLS/SSL:. Giao tiếp mã hóa bất đối xứng:. Mã hóa đường cong elliptic:.
Cơ sở toán học:. Đường cong elliptic:. Đường cong Weierstrass rút gọn:. Elliptic curve digital signature algorithm (ECDSA):.
Các thông số của đường cong elliptic sử dụng trong luận văn:. Thiết kế và thực hiện phần cứng:. Yêu cầu thiết kế:. Phân tích thiết kế:.
Sơ đồ khối tổng quát:. Máy trạng thái dành cho giải thuật chữ ký số (ECDSA):. Các bộ tính toán số học:. Bộ chọn giá trị ngẫu nhiên RNG:.
Bộ tính giá trị cộng Modul:. Bộ tính giá trị nhân Modul:. Bộ tính nghịch đảo Modul:. Bộ tính giá trị nhân vô hướng cho đường cong Weierstrass:.
Kết quả thực hiện:. Cách thức đo đạc, thử nghiệm:. 55 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN HOÀNG LINH 4.
Số liệu đo đạc:. Phân tích và giải thích kết quả thu được:. Kết luận và hướng phát triển:. Hướng phát triển:.
Tài liệu tham khảo:. 60 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN HOÀNG LINH Danh mục hình ảnh Hình 2-1 Quá trình bắt tay SSL/TLS. 9 Hình 2-2 Mô hình mã hóa bất đối xứng.
Đường cong elliptic trên R. Cộng và nhân điểm trên đường cong elliptic. Các ngõ ra ngõ vào. Sơ đồ khối tổng quát.
Máy trạng thái tạo chữ ký số ECDSA. 8-bit LFSR feedback ở 8, 6, 5, 4. 256-bit LFSR feedback ở 256, 254,251, 246. Giải thuật chọn số ngẫu nhiên k.
Sơ đồ khối thiết kế bộ chọn số ngẫu nhiên. Kết quả mô phỏng bộ chọn số ngẫu nhiên RNG. Sơ đồ khối cộng Modul. Kết quả mô phỏng cộng Modul (MODEL SIM).
Kết quả mô phỏng cộng Modul Modul (Python). Bộ nhân Montgomery. Sơ đồ khối giải thuật bộ nhân Montgomery. Kết quả mô phỏng nhân Modul (MODEL SIM).
Kết quả mô phỏng nhân Modul (Python). Bộ nghịch đảo Montgomery. Sơ đồ khối cho giải thuật bộ nghịch đảo Montgomery. Kết quả mô phỏng nghịch đảo Modul Phase1 (MODEL SIM).
Kết quả mô phỏng nghịch đảo Modul Phase2 (MODEL SIM). Kết quả mô phỏng nghịch đảo Modul chuẩn hóa (MODEL SIM). Kết quả mô phỏng nghịch đảo Modul (MODEL SIM). Kết quả mô phỏng nghịch đảo Modul (Python).
Bộ nhân vô hướng cho đường cong Weierstrass. 36 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN HOÀNG LINH Hình 3-24. Sơ đồ khối cho giải thuật bộ nghịch đảo Montgomery.
Sơ đồ khối cho giải thuật w - NAF. Kết quả mô phỏng w-NAF (MODEL SIM). Kết quả mô phỏng Ram (MODEL SIM). Vị trí lưu các giá trị trong thanh ghi Ram (MODEL SIM).
Kết quả mô phỏng w-NAF (Python). Kết quả mô phỏng Pre-Computation (MODEL SIM). Sơ đồ khối Point Addition. Kết quả mô phỏng Point Addition (MODEL SIM).
Kết quả mô phỏng Point Addition (Python). Sơ đồ khối Point Double. Kết quả mô phỏng Point Double (MODEL SIM). Kết quả mô phỏng Point Double (Python).Kết quả mô phỏng bộ tính giá trị nhân vô hướng cho đường cong Weierstrass (MODEL SIM).
Ngôn ngữ Python. Kết quả mô phỏng bộ ECDSA (MODEL SIM). Kết quả mô phỏng bộ ECDSA (Python). Sức mạnh bảo mật của các đường cong elliptic.
59 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN HOÀNG LINH Danh mục bảng Bảng 1. So sánh kích thước chìa khóa giữa RSA, DH, DSA và ECDHE, ECDSA. Thông số đường cong ellipticsecp256r1.
Mô tả ngõ ra ngõ vào của thiết kế. Mô tả hoạt động sơ đồ khối tổng quát. Quan hệ vào ra của bộ chọn số ngẫu nhiên theo chuẩn FIPS 186-4. Quan hệ vào ra của bộ cộng Modul.
Quan hệ vào ra của bộ nhân Modul. Quan hệ vào ra của bộ nghịch đảo Montgomery. Quan hệ vào ra của bộ nhân vô hướng cho đường cong Weierstrass. Quan hệ vào ra của w-NAF.
Quan hệ vào ra của Point Addition. Quan hệ vào ra của Point Double. Thời gian thực hiện ECDSA. 57 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.
TRẦN HOÀNG LINH 1. Giới thiệu đề tài: 1. Tổng quan: Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của xã hội phát triển theo hướng cuộc cách mạng công nghiệp 4. Đây là cuộc cách mạng toàn diện về mọi mặt dẫn đầu trong đó có một số lĩnh vực là trọng tâm như là AI( Artificial intelligence), IOT (Internet of Things), Big Data,… Để có thể tạo điều kiện phát triển tốt nhất cho những lĩnh vực trên thì việc trao đổi thông tin, dữ liệu là một lẽ vô cùng thiết yếu.
Việc trao đổi thông tin, dữ liệu giữa các cá nhân, tổ chức hay doanh nghiệp thông qua internet là một yếu tố vô cùng quan trọng ở thời điểm hiện tại. Nhưng với một môi trường rộng lớn như là internet không thể tránh được những lỗ hổng và có thể bị kẻ xấu lợi dụng đến để đánh cắp thông tin. Từ đây, đặt ra những câu hỏi và thách thức cho lĩnh vực an mạng. Hiện nay cũng đã phát triển nhiều các thức để đảm bảo tính bảo mật và an toàn cho thông tin, điển hình như IP security thực hiện dưới lớp mạng mô hình OSI.
Hay là một cách tiếp cận khác được thực hiện phía trên lớp TCP: TLS/SSL. TLS (Transport Layer Security) cùng với SSL (Secure Sockets Layer) là các giao thức mật mã với mục đích vận chuyển hay là truyền tải trên internet. Các giao thức này sử dụng mã hóa bất đối xứng để trao đổi với nhau một khóa đối xứng ( Khóa đối xứng này dùng để mã hóa thông tin liên lạc giữa hai bên). Giao thức mật mã TLS/SSL chủ yếu được thiết lập giữa một server và nhiều clients, từ đó thông tin sẽ được mã hóa bời CPU để tránh việc bị đánh cắp hay thay thế trong quá trính vận chuyển.
Nhưng với sự phát triển không ngừng của mạng internet thì số lượng client kết nối server cũng tăng lên, khối lượng dữ liệu mà server cần phải xử lý cũng đặt ra yêu cầu là tiêu tốn công suất lớn hơn. Từ đây, vấn đề cần giải quyết lúc này là xây dựng một giải pháp giúp server có thể mã hóa dữ liệu với thông lượng lớn nhưng tiêu thị năng lượng ít hơn. Với những yêu cầu đặt ra như trên thì đã có nhiều sự thay đổi chủ yếu là loại bỏ các giải thuật mã hóa bất đối xứng cũ nặng nề và thay vào đó là mã hóa đường trên cong ellicptic trở thành tiêu chuẩn trong tương lai. Mục tiêu trong luận văn này là xây dựng và tính toán khóa bất đối xứng cho chữ kí số ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) trên đường cong elip NIST P-256.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: Trong thực tế thì một vi xử lý chuyên dụng, tối ưu hóa trong việc tính toán các phép mã hóa đường cong elliptic đã xảy ra từ rất lâu. Trước sự thống trị của mã hóa RSA cho đến thời gian gần đây khi các thiết bị di động gọn nhẹ và IOT( Internet of Things) trở nên phổ biến thì các dạng mã hóa với đường cong elliptic mới được sử dụng nhiều vì tính chất: sử dụng ít năng lượng hơn và cần ít bộ nhớ hơn. 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN HOÀNG LINH 1.
Nhiệm vụ luận văn: - Nội dụng 1: Tìm hiểu về giao thức TLS/SSL. - Nội dung 2: Tìm hiều về giao tiếp mã hóa khóa bất đối xứng. - Nội dung 3: Tìm hiểu lý thuyết về mã hóa đường cong elliptic.