Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế thuật toán mật mã hạng nhẹ

Luận văn nghiên cứu, thiết kế thuật toán mật mã hạng nhẹ. Phân tích chi tiết thuật toán PRESENT, so sánh hiệu năng với AES, DES và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Vũ Thị Ngân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hải Vinh
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ sở toán cho tin học
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế một số thuật toán mật mã hạng nhẹ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thuật toán mật mã hạng nhẹ

Thuật toán mật mã hạng nhẹ (lightweight cryptography) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong bảo mật thông tin hiện đại. Những thuật toán này được thiết kế đặc biệt để hoạt động trên các thiết bị có nguồn lực hạn chế như chip RFID, cảm biến IoT và hệ thống nhúng. Khác với các tiêu chuẩn mã hóa truyền thống như AES hay DES, mật mã hạng nhẹ tập trung vào việc giảm thiểu tiêu thụ điện năng, diện tích chip và độ phức tạp tính toán. Sự phát triển của công nghệ IoT và RFID đã tạo ra nhu cầu cấp thiết cho các giải pháp mã hóa hiệu quả, an toàn nhưng vẫn nhẹ về mặt tài nguyên.

1.1. Đặc điểm của mật mã hạng nhẹ

Mật mã hạng nhẹ cần đạt được sự cân bằng giữa an toàn bảo mật và hiệu suất thực thi. Chúng phải hoạt động tối ưu với khối lượng dữ liệu nhỏ, tiêu thụ ít điện năng và chiếm diện tích phần cứng tối thiểu. Các thuật toán này thường sử dụng độ dài khóa ngắn hơn (32-128 bit) và số vòng mã hóa ít hơn so với AES.

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Thuật toán mật mã hạng nhẹ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nhận dạng RFID, hệ thống IoT, thiết bị y tế tích hợp và mạng cảm biến không dây. Chúng đảm bảo an toàn giao tiếp dữ liệu trên các thiết bị với năng lực xử lý và bộ nhớ hạn chế.

II. Chiến lược thiết kế mật mã hạng nhẹ

Thiết kế mật mã hạng nhẹ yêu cầu một phương pháp tiếp cận khác biệt so với các hệ thống mã hóa truyền thống. Các nhà thiết kế phải tối ưu hóa diện tích chip ASIC, tiêu thụ điện năng và tốc độ xử lý đồng thời duy trì độ an toàn cao. Mạng Feistel và mạng SPN (Substitution-Permutation Network) là hai cấu trúc chính được sử dụng trong thiết kế. Khác với AES sử dụng các phép toán phức tạp, mật mã hạng nhẹ thường áp dụng các phép toán XOR và permutation đơn giản nhưng hiệu quả.

2.1. Kiến trúc Feistel và SPN

Mạng Feistel chia khối dữ liệu thành hai phần và thực hiện các vòng lặp biến đổi. Mạng SPN kết hợp các phép thay thế (substitution) và hoán vị (permutation) để đạt được tính nhập nhằng (confusion) và tính khuếch tán (diffusion) cần thiết cho an toàn mật mã.

2.2. Yêu cầu thiết kế ASIC

Thiết kế phần cứng ASIC cho mật mã hạng nhẹ phải tối ưu hóa số lượng cổng logic, diện tích silicone và năng lượng tiêu thụ. Các thông số như gate equivalent (GE) được sử dụng để đánh giá độ phức tạp phần cứng của thuật toán.

III. Thuật toán PRESENT Ví dụ điển hình

Thuật toán PRESENT là một trong những mật mã khối hạng nhẹ nổi tiếng nhất, được phát triển để đáp ứng nhu cầu mã hóa an toàn trên các thiết bị RFID và IoT. PRESENT sử dụng khối 64 bit và khóa 80 bit hoặc 128 bit, thực hiện 31 vòng mã hóa. Thuật toán này kết hợp mạng SPN với các phép toán cơ bản: S-box (hộp thay thế), phép hoán vị bit và phép cộng khóa XOR. Quá trình sinh khóa (key schedule) của PRESENT được thiết kế tối ưu để giảm bộ nhớ cần thiết.

3.1. Cấu trúc và hoạt động của PRESENT

PRESENT sử dụng S-box 4x4 bit và permutation layer để thực hiện mã hóa. Mỗi vòng gồm ba bước: thêm khóa vòng (addRoundKey), thay thế bit (sBoxLayer) và hoán vị bit (pLayer). Thiết kế này giúp giảm diện tích phần cứng xuống còn khoảng 1570 GE.

3.2. Độ an toàn của PRESENT

PRESENT đã chống lại các cuộc tấn công vi sai (differential cryptanalysis) và tuyến tính (linear cryptanalysis) thông qua thiết kế cẩn thận của S-box và permutation layer. Độ an toàn được xác nhận qua phân tích phân phối vi sai và xác suất tuyến tính của các thành phần.

IV. Triển khai và đánh giá hiệu năng

Triển khai mật mã hạng nhẹ có thể được thực hiện trên phần cứng ASIC, FPGA hoặc phần mềm. Đối với ASIC, có ba kiến trúc chính: kiến trúc dạo theo vòng (round-based), kiến trúc nối tiếp (serial) và kiến trúc song song (parallel). Mỗi kiến trúc có những ưu và nhược điểm khác nhau về tốc độ xử lý, diện tích chip và tiêu thụ điện năng. Đánh giá hiệu năng bao gồm việc so sánh thời gian thực thi, tiêu thụ năng lượng và diện tích phần cứng với các thuật toán khác như AES và DES.

4.1. Các kiến trúc triển khai ASIC

Kiến trúc dạo theo vòng thực hiện tất cả các phép toán trong một vòng mỗi chu kỳ. Kiến trúc nối tiếp xử lý dữ liệu bit by bit hoặc byte by byte, tiết kiệm diện tích nhưng mất nhiều chu kỳ. Kiến trúc song song xử lý nhiều bit cùng lúc, tăng tốc độ nhưng tăng diện tích chip.

4.2. Kết quả so sánh hiệu năng

So với AES, thuật toán PRESENT tiêu thụ ít hơn 60% diện tích phần cứng và 40% năng lượng. So với DES, PRESENT nhanh hơn khoảng 2 lần với chiều dài khối nhỏ hơn. Các kết quả này chứng minh hiệu quả của mật mã hạng nhẹ trong các ứng dụng có tài nguyên hạn chế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tong quan ve m¾t mã hang nhe 1.1 Sơ lưec ve m¾t mã hang nhe (lightweight cryptograhy) M®t xu hưóng phát trien mói cua ngành CNTT ngày nay là vi¾c trien khai r®ng rãi các thiet b% tính toán nho. Các thiet b% này không chi thưòng xuyên đưoc su dnng trong các m¾t hàng tiêu dùng mà còn tao thành m®t phan không the thieu cua cơ so ha tang truyen thông pho bien. Tuy nhiên, vi¾c trien khai như v¾y rõ ràng se mang lai m®t loat các nguy cơ bao m¾t. Vì v¾y, can có các giai pháp m¾t mã cho vi¾c trien khai trên các thiet b% tính toán nho.

Ngoài ra, ngày càng nhieu các san pham đưoc nâng cap thành các thiet b% thâm nh¾p khap nơi nhò năng lnc tính toán nhúng. Quan h¾ m¾t thiet giua các thiet b% này dan đen trien vQNG rang "tính toán khap nơi" (ubiquitous computing) se là mô hình tiep theo trong công ngh¾ thông tin. Tính toán khap nơi (ubiquitous computing): Là m®t khái ni¾m ky thu¾t đe chi m®t xu hưóng trong vi¾c phát trien các phương pháp tính toán. Thay vì chúng ta tính toán xu lý trong m®t chiec máy tính đe bàn hay máy tính xách tay cua mình, thì ky thu¾t này se cho phép chúng ta đưa vi¾c tính toán vào chính môi trưòng song cua mình, hay nói m®t cách đơn gian là vi¾c tính toán xu lý se đưoc thnc hi¾n MQI lúc MQI nơi [4].

Các thiet b% thâm nh¾p khap nơi đã phát trien bao gom không chi máy tính xách tay, notebooks và đi¾n thoai thông minh (smartphones) mà còn bao gom máy tính bang, "thiet b% có the mang theo" (wearable devices), h¾ thong chieu sáng, dnng cn và cam bien, vv [4]. Vi¾c trien khai hàng loat cua các thiet b% thâm nh¾p khap nơi húa hen đem đen nhieu loi ích như chi phí “h¾u can” thap hơn, các chuői cung cap đưoc toi ưu ho¾c có thêm các d%ch vn dna trên xác đ%nh v% trí. Ví dn, công ngh¾ RFID có the là công ngh¾ cho phép đoi vói liên mang cua các v¾t dnng (IOT - internet of things). Ve cơ ban, các the RFID bao gom m®t h¾ thong phát nh¾n tín hi¾u và m®t anten có kha năng nh¾n du li¾u tù xa, tù m®t máy chu RFID ho¾c thiet b% ĐQC.

Nhìn chung, các the RFID có the đưoc chia thành các thiet b% chu đ®ng và b% đ®ng: các the chu đ®ng đưoc trang b% nguon cung cap năng lưong riêng (ví dn o dang pin), trong khi các the b% đ®ng chi dna vào năng lưong cua tín hi¾u mang đưoc truyen đi boi thiet b% ĐQC. Do v¾y, các thiet b% RFID b% đ®ng không chi re hơn, mà còn có kích thưóc chíp nho hơn và có chu kỳ song lâu hơn so vói các the 1 RFID chu đ®ng. Tính thâm nh¾p khap nơi cua thiet b% RFID dan đen vi¾c trien khai hàng loat và vi¾c trien khai hàng loat lai kéo theo các ràng bu®c giam giá thành đoi vói công ngh¾ đưoc su dnng. Các cài đ¾t phan mem thông thưòng b% ràng bu®c ve dung lưong cua b® xu lý, b® nhó và năng lưong.

Van đe năng lưong có the đưoc giai quyet trong quá trình thiet ke bang cách tránh các truy c¾p tiêu thn năng lưong tói b® nhó EEPROM ho¾c b® nhó Flash và bang cách giam các chu kỳ đong ho đưoc yêu cau. Các đòi hoi giam chi phí đưa đen các yêu cau năng lnc, năng lưong và di¾n tích can phai giu cnc tieu đoi vói ASIC. M®t the RFID giá thành thap, đay đu tính năng, có the có tù 1.000 GE (Gate Equivalent), trong đó, các thành phan an toàn chi có khoang 200 - 2. Bên canh nhung loi ích o trên, tính toán khap nơi cũng chúa đnng nhieu hiem HQA.

Nhieu úng dnng yêu cau cao ve đ® an toàn, chang han như các mang cam bien không dây cho các úng dnng quân sn, tài chính ho¾c tn đ®ng hóa. M®t nhân to làm tăng nguy cơ mat an toàn là các thiet b% thâm nh¾p khap nơi thưòng trien khai trong m®t môi trưòng không đưoc kiem soát, là m®t môi trưòng mà đoi phương có the truy c¾p v¾t lý tói thiet b% ho¾c đieu khien thiet b%. Đieu đó làm tăng thêm kha năng tan công v¾t lý vào các k%ch ban tan công tiem năng, nhat là các tan công kênh ke, chang han như phân tích năng lưong vi sai/phân tích năng lưong tương quan ho¾c các tan công búc xa đi¾n tù. Thnc te đã chi ra rang, các giai pháp an toàn có su dnng m®t thu¾t toán an toàn ve m¾t m¾t mã, nhưng đưoc cài đ¾t không có các bi¾n pháp chong tan công kênh ke thì có the de dàng b% phá boi các tan công như v¾y.

Vì the, kha năng an toàn cua ban thân vi¾c cài đ¾t can đưoc het súc chú TRQNG [8]. Chính sn phát trien cua tính toán khap nơi, mà ngưòi ta can nhung thu¾t toán hang nhe đe có the cài đ¾t trong các thiet b% thâm nh¾p khap nơi vói kích thưóc nho và năng lnc tính toán o múc đ® thích hop. M¾t mã hang nhe hưóng tói vi¾c tao ra các giai pháp cài đ¾t rat GQN nhe nhưng không làm giam quá nhieu ve tính an toàn. Thnc te, van đe chính cua m¾t mã hang nhe là “thoa hi¾p” giua đ® an toàn và tính hi¾u qua trong cài đ¾t cua các thu¾t toán m¾t mã và đưoc the hi¾n trong hình 1 [1].

Ve đ® an toàn, mnc tiêu xây dnng các h¾ mã hang nhe là thiet ke m®t h¾ m¾t không quá yeu (và không vói mnc đích thay the các thu¾t toán mã truyen thong khác), nhưng phai đu an toàn (tat nhiên không the kháng lai đưoc các đoi phương có đu MQI đieu ki¾n), chi phí (cài đ¾t, san xuat) thap và m®t yêu cau quan TRQNG đoi vói các thiet b% kieu này là tính GQN nhe. Tóm lai, can xây dnng m®t h¾ m¾t không phai tot nhat, mà 1 phai cân bang giua giá thành, hi¾u suat và đ® an toàn. Tuy nhiên, rat khó đe có the toi ưu hóa 1 Hình 1: Sn thoa hi¾p trong thiet ke m¾t mã hang nhe ca 3 khía canh trên [1]. Ve hi¾u quá trong cài đ¾t, thưòng đưoc đánh giá qua các đ® đo sau: di¾n tích be m¾t (Area), đi¾n năng tiêu thn và thông lưong.

Trong đó, tý l¾ thông lưong vói di¾n tích, đưoc dùng làm đ® đo cho tính hi¾u qua phan cúng [1]. Có rat nhieu thu¾t toán m¾t mã hang nhe đã đưoc đe xuat trong thòi gian gan đây. Thay vì thiet ke ra m®t m¾t mã hoàn toàn mói thì hau het các thiet ke đưoc lay ra tù các m¾t mã truyen thong nhưng vói m®t vài thay đoi nho. Thu¾t toán m¾t mã hang nhe (giong như bat kỳ m¾t mã nguyên thuy khác) có the đưoc chia thành các loai như sau: 1.

M¾t mã khóa đoi xúng hang nhe 2.M¾t mã khóa công khai hang nhe 3.Hàm băm hang nhe M®t nhưoc điem đã đưoc biet đen cua các nguyên thuy m¾t mã khóa công khai là chúng đòi hoi chi phí tính toán lón hơn so vói các nguyên thuy m¾t mã khóa đoi xúng. Vi¾c thiet ke đưoc m®t thu¾t toán m¾t mã khóa công khai thu®c hang nhe khó hơn so vói vi¾c thiet ke ra m®t thu¾t toán m¾t mã khóa đoi xúng hang nhe. Vói nhu cau úng dnng cho các thiet b% có tài nguyên han che thì vi¾c trien khai m®t thu¾t toán khóa đoi xúng đưoc coi là phù hop hơn. M¾t mã khóa đoi xúng hang nhe gom có Mã khoi hang nhe và Mã dòng hang nhe.

Trong lu¾n văn này chúng ta se t¾p trung 1 vào m¾t mã khoi hang nhe. 1 Liên quan đen m¾t mã khoi, chúng ta biet rang thiet ke DES đưoc chú ý vói hi¾u suat phan cúng tot. Vói tình trang giói han cua các mach bán dan vào đau nhung năm 1970, thì không có gì đáng ngac nhiên khi DES có đưoc tính chat thnc hi¾n rat canh tranh. Thnc hi¾n cua DES đòi hoi khoang 3000 GE, trong khi trien khai noi tiep có the đưoc thnc hi¾n khoang 2310 GE [4] và thnc hi¾n mã hóa m®t ban rõ trong vòng 144 chu kỳ đong ho.

Đây đưoc coi là m®t ket qua thnc hi¾n phan cúng tot nhat cua DES. Hơn nua, đe giam đ® phúc tap cua DES, bang cách thay the 8 h®p-S ban đau boi m®t cái mói duy nhat, vói vi¾c loai bo 7 h®p-S và b® ghép kênh (multiplexer) ta có đưoc m®t bien the mói cua DES là DESL [8] và ket qua thu đưoc có kích thưóc chíp giam 20% so vói DES (1850 GE so vói 2310 GE). Vi¾c lna cHQN h®p-S m®t cách can th¾n và đưoc toi ưu hóa cao đe DESL có the chong lai các cu®c tan công thông thưòng như thám mã vi sai và tuyen tính và tan công Davies-Murphy. Tuy nhiên, van đe bao m¾t cua DES [8] và DESL [8] b% han che boi kích thưóc khóa là 56 bít, m¾c dù có the phù hop cho các úng dnng han che.

Trong trưòng hop can có múc bao m¾t cao hơn thì có the áp dnng phương pháp làm trang khóa (key whitening) ta có m¾t mã DESXL [8] vói múc bao m¾t tot. Nhưng DESXL [8] yêu cau 2170 GE và mã hóa m®t ban rõ trong 144 chu kỳ đong ho. Vói yêu cau di¾n tích đó cua DESXL không phù hop vói các thiet b% han che [8]. Trong m®t bài báo mang tính bưóc ngo¾t cua m¾t mã khoi hi¾n đai [10] đã đưa ra m®t phân tích rat chi tiet ve vi¾c thnc hi¾n AES vói chi phí thap [26].

Tuy nhiên, các nguon lnc can thiet cho m¾t mã này là khoang 3600 GE. Thêm nua ta có các yêu cau thnc hi¾n cho Tiny Encryption Algorithm TEA [34, 35] van chưa đưoc biet, nhưng có m®t ưóc tính sơ b® là TEA can ít nhat 2100 GE và XTEA can ít nhat là 2000 GE. Ngoài ra, có bon đe xuat dành riêng cho vi¾c thnc hi¾n chi phí thap là mCRYPTON [21], HIGHT [17], SEA [33] và CGEN [31], m¾c dù nhung đe xuat này không phai là dn đ%nh chu yeu như m¾t mã khoi. MCRYPTON có m®t đánh giá phan cúng chính xác và yêu cau khoang 2949 GE, trong khi SEA can khoang 2280 GE.

Tuy nhiên, theo m®t so chuan mã khoi như chuan mã khoi hang nhe ISO/IEC 29192-2 đã đưa ra thu¾t toán mã khoi PRESENT đưoc đánh giá rat cao trên phương ti¾n cài đ¾t cúng hóa [18]. Thiet ke PRESENT là m®t cách tiep c¾n cho m¾t mã hang nhe vói thnc hi¾n kien trúc dna theo vòng PRESENT yêu cau khoang 1570 GE. Thu¾t toán mã khoi PRESENT se đưoc nghiên cúu và tìm hieu chi tiet trong chương 2.