Nghiên cứu về mã khối hạng nhẹ ứng dụng cho các mạng cảm biến không dây

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ÂU THẾ LINH NGHIÊN CỨU VỀ MÃ KHỐI HẠNG NHẸ ỨNG DỤNG CHO CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2021 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em bày tỏ lời cảm ơn trân thành đến thầy, cô giáo trường đại học công nghệ thông tin truyền thông, đặc biệt thầy cô khoa công nghệ thông tin giảng dạy, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em thời gian học tập trường Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo TS Đỗ Thị Bắc tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu đóng góp cho em nhiều ý kiến quý báu để hoàn thành luận văn Cuối cùng, xin trân thành cảm ơn gia đình bạn bè động viên, quan tâm, giúp đỡ em hoàn thành khóa học luận văn Thái Nguyên, năm 2021 Học viên ÂU THẾ LINH LỜI CAM ĐOAN Em cam đoan luận văn thân tự nghiên cứu thực theo hướng dẫn khoa học TS Đỗ Thị Bắc Em hoàn toàn chịu trách nhiệm tính pháp lý q trình nghiên cứu khoa học luận văn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 10 MỞ ĐẦU 11 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ AN NINH TRONG GIAO THỨC MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Tổng quan an ninh mật mã số mạng không dây 1.2.1 Công nghệ GSM 1.2.2 Công nghệ WAP 1.2.3 Công nghệ Bluetooth 1.2.4 Công nghệ WLAN 1.2.5 Công nghệ HIPERLAN 1.2.6 Công nghệ 3G 1.2.7 Công nghệ 4G 1.2.8 Công nghệ 5G mạng cảm biến không dây 1.3 Mạng cảm biến không dây yêu cầu thiết kế thuật tốn mã hóa 1.3.1 Mạng cảm biến không dây: 1.3.2 Đặc trưng mạng cảm biến không dây 1.3.3 Yêu cầu thiết kế thuật toán mật mã cho mạng không dây 1.4 Triển khai thực thuật toán mật mã mạng không dây 11 1.4.1 Phương pháp thực phần mềm 11 1.4.2 Phương pháp thực phần cứng 12 1.5 Lịch sử xu hướng thiết kế thuật toán mật mã 15 1.6 Định hướng nội dung triên khai nghiên cứu luận văn 17 1.7 Tiểu luận chương 17 Chương 2: NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ MÃ KHỐI 18 2.1.Mật mã khối 18 2.1.1 Khái niệm chung 18 2.1.2 Phương pháp thiết kế mật mã khối 18 2.2 Nguyên lý thiết kế CSPN 23 2.2.1 Lớp phần tử nguyên thủy mật mã điều khiển 23 2.2.2 Cấu trúc CSPN 27 2.3 Chiến lược thiết kế thuật tốn mã hóa FPGA 29 2.4 Các thơng số mơ hình đánh giá 30 2.4.1 Thông lượng 30 2.4.2 Tài nguyên 31 2.5 Đánh giá độ an tồn thuật tốn 32 2.5.2 Đánh giá độ an toàn theo đặc trưng vi sai 32 2.5.1 Các tiêu chuẩn đánh giá đặc trưng thống kê theo NESSIE 32 2.6 Tiểu luận chương 35 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 36 3.1 Mơ tả thuật tốn 36 3.2 Thiết kế thuật toán Crypt(BM)_64A FPGA CHIP Virtex6XC6VLX75T/FF484 38 3.2.1 Giới thiệu chip Virtex®-6 FPGA: 39 3.2.2 Giải pháp thực nghiệm 41 3.2.3 Kết triển khai thực đánh giá hiệu tích hợp 42 3.3 Tiểu luận chương 45 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT C h ữ S S P u S St A ri D D D at E El C ec C C B ip O F B C F C T C S P F P G N L I L L U P P C L L U I O N E S L C D C O ut pC ip C o C o nt ro Fi el dN o It er L o Pi p C o L o In p N e w E Li n D if M ạn Ti T oá C hế C hế C hế đ ộC hế C hế M ạn g hM ản g cổ P hi C hế C hế K h K h C h uẩ nT há Đ ặc S D D W S IS E D H D E G U P L C A M C L U C P L A E S H V H D P E S w it cW ir In te gr at H ar In te G Pr o C o M a L o C o m pl A d S ec V H SI C Pr i T oá n tử M ạn C ô n gN g C h G ia T hi T hi T ần B ản T hi ết bị C h T h N g ô n P hầ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Hiệu số thuật toán mã thực phần mềm 12 Bảng Hiệu số thuật toán mã thực phần cứng 14 Bảng Hiệu số thuật toán mật mã thực FPGA 16 Bảng Lược đồ khóa sử dụng Crypt(BM)_64A 38 Bảng Thông số kỹ thuật dịng thiết bị Virtex®-6 40 Bảng Các modul 41 Bảng Đánh giá hiệu tích hợp số thuật toán 44 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Cấu trúc mạng Feistel 19 Hình 2.2 Cấu trúc SPN 20 Hình 2.3 Cấu trúc biểu diễn F2/1; 24 Hình 2.4 Cấu trúc biểu diễn F2/2 26 Hình 2.5 Cấu trúc tổng quát Fn/m 29 Hình 2.6 Cấu trúc thiết kế mật mã khối FPGA 30 Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế thuật toán Crypt(BM)_64A 37 Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế thuật toán CHIP Vertex6 mã hiệu XC6VLX75T/FF484 42 Hình 3.3 Giao diện kết thực thuật tốn Vertex6 mã hiệu XC6VLX75T/FF484 43 Việc xét ảnh hưởng khóa tới biên đổi đầu có ý nghĩa trường hợp thuật tốn sử dụng lịch biểu khóa đơn giản mà khơng sử dụng phép biến đổi khóa phức tạp Trong khái niệm thì, ma trận phụ thuộc sử dụng để đánh giá đặc trưng thống kê theo tiêu chuẩn 4, ma trận khoảng cách sử dụng để đánh giá đặc trưng thống kê theo tiêu chuẩn Các cơng thức tính tiêu chuẩn xem phụ lục D Theo quy định NESSIE, hàm f coi có đặc tính biến đổi tốt điều kiện sau xảy ra: dc = 1, da  1, dsa  d1  ½ n 2.6 Tiểu luận chương Nội dung chương trình bày khái niệm nguyên lý thiết kế thuật toán mã hóa khối Đưa định nghĩa nguyên ly thiết kế, chiến lược thiết kế, thông số mơ hình đánh giá, đánh giá độ an tồn cua thuật tốn Đây sở để thiết kế cài đặt thuật toán mã hóa khối đưa chương luận văn CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Trên sở nghiên cứu chương 2, chương luận văn em lựa chọn thuật tốn Crypt(BM)_64A, để thiết kế mơ minh họa cài đặt thử nghiệm thuật tốn mã hóa hạng nhẹ phát triển với mục tiêu hướng đến nhằm ứng dụng cho mạng cảm biết không dây Đồng thời thử nghiệm tiến hành so sánh với hai thuật tốn khác (RC6, RIJNDEAL) để đưa tính hiệu thuật toán nghiên cứu luận văn 3.1 Mơ tả thuật tốn Crypt(BM)_64A thuật tốn phát triển nhóm tác giả Đỗ Thị Bắc Nguyễn Hiếu Minh [5-7] Đây thuật toán thiết kế nhằm hướng tới sử dụng mạng cảm biến không dây với nhiều ưu đa công bố trước độ an tồn khả thay đổi khóa phiên thường xuyên Crypt(BM)_64A thiết kế theo mơ hình song song vịng mã hóa sở CSPN thiết kế theo phương pháp đồng Crypt(BM)_64A có độ dài khối 64 bit, với 10 vịng biến đổi khóa có độ dài 128 bit 192 bit 256 bit Crypt(BM)_64A xây dựng sở phần tử nguyên thủy Q2/1 Sơ đồ vịng mã hóa sở Crypt(BM)_64A hình 3.1a Quá trình thiết kế CSPN sử dụng thuật tốn mơ tả sau: Q2/1 Q4/4  Q16/32 Chi tiết thiết kế phần tử thuật tốn mơ tả hình 3.1 Q trình thực thuật tốn mơ tả sau: Thuật toán Crypt(BM)_64A 64 bit liệu vào chia thành khối A B, khối có kích thước 32 bit For j = to {(A, B)  Crypt(e)(A, B, Qj,Uj ); (A, B)  (B, A)} {(A, B)  Crypt(e)(A, B, Q10,U10 )} {(A, B)  (A Å Q11, B Å U11) a) A B 32 32 Qj 32 Uj 32 I 16 16 16 16 32 Q 16 / 32 E 32 32 (4 ) S x P Q -1 Q16/ 32 Q16 / 32 P -1 I1 I1 -1 (4) S x 32 16/ 32 32 Q E 16/ 32 32 Q -1 16/ 32 32 I c) 16 b) V1 Q 2/1 Q 2/1 2/1 Q 2/1 V1 V2 V2 V2 Q V1 V3 V4 Q4/4 Q Q 4/4 Q Q 4/4 Q 4/4 4/4 4/4 16 Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế thuật tốn Crypt(BM)_64A a)Vịng mã hóa sở, b) Q4/4 Q-14/4, c) Q16/32 F-11 6/32 Trong hình 3.1 hốn vị mơ tả sau: Q Q 4/4 V4 V3 V2 4/4 V I = (1) (2, 9) (3, 17) (4, 25) (5) (6, 13) (7, 21) (8, 29) (9,2) (10) (11, 18) (12, 26) (13, 6) (14) (15, 22) (16, 30) (17,3) (18,11) (19) (20, 27) (21, 7) (22,15) (23) (24, 31) (25,4) (26, 12) (27, 20) (28) (29,8) (30, 16) (31, 24) (32); I1 = (1,9) (2,13) (3,10) (4,14) (5,11) (6,15) (7,12) (8,16) (9,1) (10, 3) (11,5) (12,7) (13,2) (14, 4) (15,6) (16, 8); P = (1) (2,5) (3,9) (4,13) (5, 2) (6) (7,10) (8,14) (9, 3) (10, 7) (11) (12,15 (13, 4) (15, 12) (16) -Khối mở rộng E xây dựng sau: E(X) = (X, X