Mã hóa đồng cấu đầy đủ và ứng dụng trong theo dõi sức khỏe an toàn dựa trên điện toán đám mây

+ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khuất Thanh Sơn MÃ HĨA ĐỒNG CẤU ĐẦY ĐỦ VÀ ỨNG DỤNG TRONG THEO DÕI SỨC KHỎE AN TỒN DỰA TRÊN ĐIỆN TỐN ĐÁM MÂY ḶN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI – 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khuất Thanh Sơn MÃ HÓA ĐỒNG CẤU ĐẦY ĐỦ VÀ ỨNG DỤNG TRONG THEO DÕI SỨC KHỎE AN TOÀN DỰA TRÊN ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ thông tin Cán hướng dẫn: TS Lê Phê Đô HÀ NỘI – 2021 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn thầy cô cán trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Đặc biệt, thầy cô giáo thuộc khoa CNTT dạy bảo tận tình ln tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu điều kiện tốt Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Lê Phê Đơ, người tận tình hướng dẫn đóng góp ý kiến q báu suốt q trình tơi thực luận văn thạc sĩ Cuối cùng, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè bên cạnh ủng hộ, động viên suốt thời gian vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn! ii TĨM TẮT Nhu cầu tính tốn liệu lớn (big data) ngày tăng, đặc biệt liệu y – sinh, dẫn đến việc công ty tổ chức phải thuê công ty có lực tính tốn mạnh Đến lại nảy sinh vấn đề để đảm bảo an toàn liệu? Các hệ mã hóa đồng cấu đầy đủ (Fully Homomorphic Encryption – FHE) phát minh để giải toán này, cho phép tính tốn liệu mã hóa mà khơng cần giải mã với số phép toán tùy ý Để đạt thành tựu ngày nay, mã hóa đồng cấu có trình phát triển 30 năm Trước tiên, hệ mật RSA ElGamal hệ mã hóa đồng cấu phần xuất vào năm 1978 1985 Sau đó, hệ mật phát biểu bởi tác giả: Benaloh năm 1994, Naccache Stern năm 1998, Paillier năm 1999, Damgård Jurik năm 2001, Galbraith năm 2002, Kawachi cộng năm 2007…[57] Đa số hệ mật có tính đồng cấu với phép tốn nhân mà khơng cịn có tính đồng cấu với phép cộng Để khắc phục nhược điểm này, nhà mật mã sáng tạo mã hóa đồng cấu số phần (Somewhat Homomorphic Encryption – SWHF) giới thiệu vào với hệ mật Yao năm 1982, Sander cộng năm 1999, Boneh cộng năm 2005, Ishai Paskin năm 2007, … hệ mật có nhược điểm làm tăng kích cỡ mã so với rõ nhiều lần, có nhiều lỗ hổng dễ bị cơng, số lượng phép tốn thực bị hạn chế [57] Đến năm 2009, cơng trình Gentry, hệ mã hóa đồng cấu đầy đủ (Fully Homomorphic Encryption – FHE) phát minh Từ đến xuất nhiều hệ mật FHE phát minh với tính tốt hiệu ngày cao Tích hợp điện tốn đám mây blockchain hướng phát triển tương lai mang lại đột phá chưa từng có dịch vụ y tế, kết hợp IoT theo dõi bệnh nhân từ xa với thời gian thực cho phép bệnh nhân quyền kiểm soát chủ động theo dõi tình trạng sức khỏe Tuy nhiên song song với việc phát triển nhanh chóng tích hợp khiến việc cải thiện bảo mật điện toán đám mây trở nên đề tài thu hút nghiên cứu nhiều nhà khoa học Trong Luận văn này, tơi nghiên cứu Mã hóa đồng cấu đầy đủ ứng dụng theo dõi sức khỏe an tồn dựa điện tốn đám mây Từ khóa: IoT, Big data, Cloud computing, Health, Smart Health, FHE iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn thực hướng dẫn TS Lê Phê Đô Tất tham khảo nghiên cứu liên quan nêu rõ nguồn gốc cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo luận văn Luận văn khơng chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu từ người khác mà không rõ mặt tài liệu tham khảo Các thống kê, kết trình bày luận văn lấy từ thực nghiệm chạy chương trình Nếu tơi sai tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định trường Đại học Công Nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2021 Học viên Khuất Thanh Sơn iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề .1 Mục đích ý nghĩa luận văn .2 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1: MÃ HÓA ĐỒNG CẤU .4 1.1 Lịch sử mã hóa đồng cấu 1.2 Các khái niệm 1.3 Các hệ mã hóa đồng cấu phần (PHE) 1.3.1 Hệ mật RSA .6 1.3.2 Hệ mật Goldwasser-Micali – GM 1.3.3 Hệ mật ElGamal 1.4 Một số tốn ví dụ 1.4.1 Hệ mật ElGamal 1.4.2 Hệ mật RSA .10 CHƯƠNG 2: MÃ HÓA ĐỒNG CẤU ĐẦY ĐỦ .13 2.1 Hệ mã hóa đồng cấu đầy đủ 13 2.2 Hệ mật Lattice 15 2.3 Hệ mật LWE 16 2.4 Hệ mật GGH 19 2.5 Mã hóa giải mã LWE GGH 21 2.5.1 Hệ mật LWE 21 2.5.2 Hệ mật GGH 22 2.6 Ứng dụng mã hóa đồng cấu đầy đủ 24 CHƯƠNG 3: ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC KIỂM SOÁT AN TOÀN PHỤC VỤ NHU CẦU THEO DÕI SỨC KHỎE 29 3.1 Điện toán đám mây 29 3.1.1 Định nghĩa 29 3.1.2 Các mơ hình điện tốn đám mây .30 v 3.2 Điện toán đám mây vấn đề an tồn bảo mật thơng tin .34 3.3 Ứng dụng điện toán đám mây việc kiểm sốt an tồn phục vụ nhu cầu theo dõi sức khỏe .35 3.3.1 Thu thập liệu .36 3.3.2 Mã hóa AES .37 3.3.3 Chuyển đổi mã hóa AES sang FHE 40 3.3.4 Lưu trữ tính tốn đám mây 41 3.3.5 Quản lý lưu trữ đám mây 42 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 44 4.1 Môi trường thực nghiệm 44 4.2 Kết thử nghiệm 45 4.2.1 Thu thập liệu liên quan tới sức khỏe 45 4.2.2 Mã hóa liệu mã hóa AES 46 4.2.3 Chuyển đổi mã hóa AES sang FHE 47 4.2.4 Lưu trữ tính tốn đám mây 47 4.2.5 Quản lý lưu trữ đám mây 48 4.3 Nhận xét đánh giá 52 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 vi DANH SÁCH KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Kí tự viết tắt Viết đầy đủ Internet Things Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) liên mạng, thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi "thiết bị of kết nối" "thiết bị thông minh"), phòng ốc trang thiết bị khác nhúng với phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cấu chấp hành với khả kết nối mạng máy tính giúp cho thiết bị thu thập truyền tải liệu Big data Big data Dữ liệu lớn thuật ngữ cho việc xử lý tập hợp liệu lớn phức tạp mà ứng dụng xử lý liệu truyền thống không xử lý Thuật ngữ thường đơn giản đề cập đến việc việc sử dụng phân tích dự báo, phân tích hành vi người dùng, số phương pháp phân tích liệu tiên tiến khác trích xuất giá trị từ liệu mà đề cập đến kích thước liệu IoT Điện tốn Cịn gọi điện tốn máy chủ ảo, mơ đám mây hình điện tốn sử dụng cơng nghệ máy (Cloud tính phát triển dựa vào mạng Internet computing) ĐTĐM E-health Y tế điện tử Giải thích FHE Ứng dụng công nghệ thông tin vào dịch vụ y tế Fully Mã hóa đồng cấu đầy đủ Homomorphic vi Encryption LWE GGH SIS Learning with Bài toán học với lỗi Errors Một hệ mã hóa mạng tinh thể Small Integer Solution vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Các hàm mã hóa đồng cấu Hình 2.1: Hai vùng hai sở A B .20 Hình 2.2: Mơ hình triển khai Thông tin Sức khỏe Cá nhân (PHI) .27 Hình 2.3: Thu thập liệu 28 Hình 3.1: Điện toán đám mây .29 Hình 3.2: Tổng quan khác dịch vụ 31 Hình 3.3: Cấu trúc tổng thể thuật toán AES 37 Hình 3.4: Sơ đồ giảm thiểu thời gian tính tốn đám mây 42 Hình 4.1: “Dữ liệu bệnh án” dùng để thu thập thơng tin 44 Hình 4.2: Bản ghi thu thập 46 Hình 4.3: Mã hóa AES .46 Hình 4.4: Thơng báo hệ thống mã hóa thành cơng 47 Hình 4.5: File sau mã hóa .47 Hình 4.6: Chuyển đổi AES sang FHE 47 Hình 4.7: Tạo dự án .48 Hình 4.8: Lưu trữ liệu đám mây .48 Hình 4.9: Phép tốn truy vấn 50 Hình 4.10: Nhập thơng tin truy vấn 51 Hình 4.11: Kết trả 51 ix ... mã hóa đồng cấu, sâu tìm hiểu mã hóa đồng cấu đầy đủ - Nghiên cứu điện toán đám mây ứng dụng điện toán đám mây - Trên cở sở lý thuyết nghiên cứu trên, nghiên cứu việc ứng dụng mã hóa đồng cấu. .. liên quan đến hệ mã hóa đồng cấu đầy đủ, trình bày số hệ mã hóa đồng cấu đầy đủ ứng dụng mã hóa đồng cấu đầy đủ số lĩnh vực cụ thể Chương 3: Điện toán đám mây ứng dụng việc kiểm sốt an tồn phục... 22 2.6 Ứng dụng mã hóa đồng cấu đầy đủ 24 CHƯƠNG 3: ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC KIỂM SOÁT AN TOÀN PHỤC VỤ NHU CẦU THEO DÕI SỨC KHỎE 29 3.1 Điện toán đám mây