Thiết Kế Phần Cứng Xử Lý Mã Hóa ECDSA Trên Đường Cong Elip NIST P-256

• Tác giả: Lê Đức Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hoàng Linh
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết Kế Phần Cứng Xử Lý Mã Hóa ECDSA Trên Đường Cong Elip NIST P-256
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. Giới thiệu đề tài
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Nhiệm vụ luận văn
• 2. Lý thuyết về mã hóa đường cong Elliptic
• 2.1. Giao thức TLS/SSL
• 2.2. Giao tiếp mã hóa bất đối xứng
• 2.3. Mã hóa đường cong elliptic
• 2.4. Cơ sở toán học
• 2.5. Đường cong elliptic
• 2.6. Đường cong Weierstrass rút gọn
• 2.7. Elliptic curve digital signature algorithm (ECDSA)
• 2.8. Các thông số của đường cong elliptic sử dụng trong luận văn
• 3. Thiết kế và thực hiện phần cứng
• 3.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2. Phân tích thiết kế
• 3.3. Sơ đồ khối tổng quát
• 3.4. Máy trạng thái dành cho giải thuật chữ ký số (ECDSA)
• 3.5. Các bộ tính toán số học
• 3.5.1. Bộ chọn giá trị ngẫu nhiên RNG
• 3.5.2. Bộ tính giá trị cộng Modul
• 3.5.3. Bộ tính giá trị nhân Modul
• 3.5.4. Bộ tính nghịch đảo Modul
• 3.5.5. Bộ tính giá trị nhân vô hướng cho đường cong Weierstrass
• 4. Kết quả thực hiện
• 4.1. Cách thức đo đạc, thử nghiệm
• 4.2. Số liệu đo đạc
• 4.3. Phân tích và giải thích kết quả thu được
• 5. Kết luận và hướng phát triển
• 5.1. Hướng phát triển
• Tài liệu tham khảo

I. Tổng Quan ECDSA NIST P 256 Giải Pháp Bảo Mật

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc trao đổi thông tin và dữ liệu qua internet ngày càng trở nên quan trọng. Tuy nhiên, môi trường mạng rộng lớn tiềm ẩn nhiều nguy cơ về an ninh mạng, đặc biệt là việc đánh cắp thông tin. Các phương pháp bảo mật như IP security và TLS/SSL đã được phát triển để giải quyết vấn đề này. TLS/SSL sử dụng mã hóa bất đối xứng để trao đổi khóa đối xứng, đảm bảo an toàn cho dữ liệu. Tuy nhiên, sự gia tăng số lượng client kết nối đến server đòi hỏi khả năng xử lý dữ liệu lớn hơn, tiêu tốn nhiều công suất hơn. Do đó, việc xây dựng một giải pháp mã hóa dữ liệu với thông lượng cao và tiêu thụ năng lượng thấp là vô cùng cần thiết. Xu hướng hiện nay là loại bỏ các giải thuật mã hóa bất đối xứng cũ và thay thế bằng mã hóa dựa trên đường cong Elliptic, đặc biệt là ECDSA trên NIST P-256. Mục tiêu của luận văn này là xây dựng và tính toán khóa bất đối xứng cho chữ ký số ECDSA trên đường cong elip NIST P-256, đáp ứng nhu cầu bảo mật thông tin ngày càng cao.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Bảo Mật Phần Cứng Trong Kỷ Nguyên IoT

Sự phát triển của Internet of Things (IoT) và các thiết bị di động đã thúc đẩy sự cần thiết của các giải pháp bảo mật phần cứng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. ECDSA trên đường cong Elliptic NIST P-256 là một lựa chọn phù hợp do kích thước khóa nhỏ hơn so với RSA, mang lại hiệu năng cao hơn trên các thiết bị hạn chế về tài nguyên. Thiết kế phần cứng cho ECDSA không chỉ giúp tăng tốc quá trình xử lý mã hóa mà còn bảo vệ chống lại các cuộc tấn công vật lý như side-channel attack.

1.2. Tổng Quan Về Thuật Toán ECDSA và Đường Cong Elliptic

ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) là một lược đồ chữ ký số dựa trên lý thuyết đường cong Elliptic. Nó cung cấp mức độ bảo mật tương đương với RSA nhưng với kích thước khóa nhỏ hơn đáng kể, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng bảo mật phần cứng. Đường cong Elliptic NIST P-256 (hay còn gọi là secp256r1 hoặc prime256v1) là một trong những đường cong Elliptic được sử dụng rộng rãi nhất do tính bảo mật và hiệu quả của nó.

II. Thách Thức Yêu Cầu Thiết Kế Phần Cứng ECDSA NIST P 256

Việc thiết kế phần cứng cho ECDSA trên đường cong elip NIST P-256 đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Một trong những thách thức lớn nhất là tối ưu hóa hiệu năng tính toán trong khi vẫn đảm bảo mức tiêu thụ năng lượng thấp. Các phép toán trên đường cong Elliptic bao gồm phép cộng điểm, phép nhân điểm và phép nghịch đảo modulo đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán. Ngoài ra, việc bảo vệ thiết kế phần cứng khỏi các cuộc tấn công side-channel attack là một yếu tố quan trọng. Các cuộc tấn công này khai thác thông tin rò rỉ từ phần cứng như thời gian thực hiện, công suất tiêu thụ hoặc bức xạ điện từ để trích xuất khóa bí mật. Việc triển khai ECDSA trong các embedded systems và IoT security càng làm tăng thêm yêu cầu về kích thước chip nhỏ và chi phí thấp.

2.1. Tối Ưu Hóa Hiệu Năng và Diện Tích Chip Trong Thiết Kế

Để đạt được hiệu năng cao và diện tích chip nhỏ, cần phải lựa chọn kiến trúc phần cứng phù hợp và tối ưu hóa các thuật toán cơ bản. Sử dụng các kỹ thuật như pipeline và parallelism có thể giúp tăng tốc quá trình xử lý mã hóa. Đồng thời, việc lựa chọn các toán tử số học hiệu quả như bộ nhân Montgomery và bộ nghịch đảo Montgomery cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm diện tích chip và công suất tiêu thụ.

2.2. Ngăn Chặn Side Channel Attack Trong Triển Khai Phần Cứng

Các biện pháp phòng ngừa side-channel attack cần được tích hợp vào thiết kế phần cứng từ giai đoạn đầu. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm sử dụng logic che giấu (masking), logic ngẫu nhiên hóa (randomization) và các kỹ thuật chống rò rỉ công suất (power analysis resistant). Mục tiêu là làm cho các thông tin rò rỉ từ phần cứng trở nên không tương quan với khóa bí mật, từ đó ngăn chặn kẻ tấn công khai thác thông tin này.

III. Thiết Kế Phần Cứng Xử Lý Mã Hóa ECDSA Phương Pháp Chi Tiết

Luận văn này trình bày chi tiết về thiết kế phần cứng xử lý mã hóa ECDSA trên đường cong Elliptic NIST P-256. Thiết kế bao gồm các khối chính như bộ tạo số ngẫu nhiên (RNG), bộ cộng modulo, bộ nhân modulo, bộ nghịch đảo modulo và bộ nhân vô hướng. Các khối này được tối ưu hóa để đạt được hiệu năng cao và công suất tiêu thụ thấp. Thiết kế được mô tả bằng ngôn ngữ Verilog và được mô phỏng bằng ModelSim để kiểm tra tính đúng đắn và hiệu năng. Kết quả mô phỏng cho thấy thiết kế đáp ứng các yêu cầu về chuẩn FIPS 186-4 và có thể được sử dụng trong các ứng dụng bảo mật phần cứng khác nhau.

3.1. Kiến Trúc Phần Cứng Đề Xuất Cho Tính Toán ECDSA

Kiến trúc phần cứng đề xuất sử dụng kiến trúc pipeline để tăng tốc quá trình tính toán. Các phép toán số học modulo được thực hiện bằng các bộ xử lý mã hóa chuyên dụng được tối ưu hóa cho đường cong Elliptic NIST P-256. Bộ tạo số ngẫu nhiên (RNG) tuân theo chuẩn FIPS 186-4 để đảm bảo tính ngẫu nhiên của các số được tạo ra. Toàn bộ kiến trúc phần cứng được thiết kế để có thể cấu hình và mở rộng, cho phép sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

3.2. Triển Khai Các Bộ Tính Toán Số Học Cộng Nhân Nghịch Đảo Modulo

Bộ cộng modulo sử dụng thuật toán cộng carry-save để đạt được tốc độ cao. Bộ nhân modulo sử dụng thuật toán Montgomery multiplication để giảm độ phức tạp tính toán. Bộ nghịch đảo modulo sử dụng thuật toán Montgomery inverse để tính nghịch đảo modulo một cách hiệu quả. Tất cả các bộ tính toán số học đều được tối ưu hóa về diện tích chip và công suất tiêu thụ.

IV. Kết Quả Phân Tích Thiết Kế Phần Cứng ECDSA Trên FPGA

Thiết kế phần cứng ECDSA được tổng hợp và triển khai trên FPGA để đánh giá hiệu năng và công suất tiêu thụ. Kết quả cho thấy thiết kế có thể thực hiện một chữ ký số ECDSA trong một thời gian ngắn, đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng thời gian thực. Công suất tiêu thụ của thiết kế cũng nằm trong phạm vi chấp nhận được, cho phép sử dụng trong các thiết bị di động và IoT security. Phân tích sâu hơn về kết quả cho thấy các bộ tính toán số học đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu năng của toàn bộ hệ thống.

4.1. Đánh Giá Hiệu Năng và Công Suất Tiêu Thụ Trên FPGA

Hiệu năng của thiết kế được đánh giá bằng cách đo thời gian thực hiện một chữ ký số ECDSA. Công suất tiêu thụ được đo bằng cách sử dụng các công cụ phân tích công suất tiêu thụ của FPGA. Kết quả cho thấy thiết kế có thể đạt được hiệu năng cao và công suất tiêu thụ thấp, đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau.

4.2. So Sánh Với Các Implementations Of ECDSA Trước Đây

Thiết kế phần cứng được so sánh với các implementations of ECDSA trước đây về hiệu năng, diện tích chip và công suất tiêu thụ. Kết quả cho thấy thiết kế có ưu điểm vượt trội về hiệu năng và công suất tiêu thụ, đồng thời có diện tích chip tương đương với các thiết kế khác. Điều này cho thấy thiết kế là một giải pháp hiệu quả cho việc xử lý mã hóa ECDSA.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Cho Thiết Kế Phần Cứng ECDSA

Luận văn đã trình bày một thiết kế phần cứng hiệu quả cho xử lý mã hóa ECDSA trên đường cong Elliptic NIST P-256. Thiết kế được tối ưu hóa về hiệu năng, diện tích chip và công suất tiêu thụ. Kết quả mô phỏng và triển khai trên FPGA cho thấy thiết kế đáp ứng các yêu cầu về chuẩn FIPS 186-4 và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng bảo mật phần cứng. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa hơn nữa kiến trúc phần cứng, tích hợp các biện pháp phòng ngừa side-channel attack và triển khai trên ASIC để đạt được hiệu năng cao nhất.

5.1. Tối Ưu Hóa Kiến Trúc Phần Cứng Để Tăng Hiệu Năng

Trong tương lai, có thể khám phá các kiến trúc phần cứng mới như kiến trúc dựa trên mảng systolic hoặc kiến trúc dựa trên tính toán gần bộ nhớ (near-memory computing) để tăng hiệu năng hơn nữa. Việc sử dụng các bộ tính toán chuyên dụng cho từng phép toán trên đường cong Elliptic cũng có thể giúp cải thiện hiệu năng.

5.2. Triển Khai Trên ASIC Để Đạt Hiệu Năng Và Tiết Kiệm Năng Lượng Cao

Triển khai trên ASIC cho phép tùy chỉnh phần cứng theo yêu cầu cụ thể của thuật toán ECDSA, từ đó đạt được hiệu năng cao nhất và tiết kiệm năng lượng tối đa. Tuy nhiên, việc triển khai trên ASIC đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn so với triển khai trên FPGA.