Hàm băm trong mật mã hạng nhẹ

Trang |1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Lê Phê Đô thầy TS Phùng Văn Ổn, người thầy tận tâm, tận lực hướng dẫn, định hướng phương pháp nghiên cứu khoa học cho tôi, đồng thời cung cấp nhiều tài liệu tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô môn Hệ thống thông tin Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên lớp K22-QLHTTT, người đồng hành suốt khóa học có nhiều góp ý bổ ích cho tơi Cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm động viên giúp tơi có nghị lực phấn đấu để hồn thành tốt luận văn Do kiến thức thời gian có hạn nên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót định Một lần xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Học viên thực Nguyễn Khắc Hưng Trang |2 LỜI CAM ĐOAN Luận văn thạc sĩ đánh dấu cho thành quả, kiến thức tiếp thu suốt trình rèn luyện, học tập trường Tôi xin cam đoan luận văn “Hàm băm mật mã hạng nhẹ” hoàn thành q trình học tập nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Lê Phê Đô TS Phùng Văn Ổn Trong toàn nội dung nghiên cứu luận văn, vấn đề trình bày tìm hiểu nghiên cứu cá nhân tơi trích dẫn nguồn tài liệu đưa phần tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan lời thật chịu trách nhiệm trước thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Nguyễn Khắc Hưng Trang |3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt IoT Internet of Things Internet kết nối vạn vật HMAC Hash-based Message Hàm băm dựa vào mã xác Authentication Code thực thơng điệp MD Message-Digest Tóm lược thông điệp MD5 Message-Digest Algorithm Hàm băm MD5 SHA Secure Hash Algorithm Thuật tốn băm an tồn RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến NFC Near Field Communication Kết nối không dây phạm vi tầm ngắn DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hóa liệu/ Hệ mật DES Trang |4 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số hệ mật nhẹ số hệ mật “nặng” truyền thống 16 Bảng 1.2: Thông tin yêu cầu phần cứng vài hệ mật nhẹ 17 Bảng 2.1: Hộp S-Box bit hệ mật PRESENT hệ thập lục phân 23 Bảng 2.2: Hoán vị bit sử dụng PRESENT 24 Bảng 2.3: Hộp S-Box bit nghịch đảo hệ mật PRESENT hệ thập lục phân 25 Bảng 2.4: Nghịch đảo việc hoán vị bit hệ mật PRESENT 25 Bảng 2.5: S-Box vị trí thành phần S-Box 28 Bảng 2.6: S-Box sau thực q trình gây nhiễu theo cơng thức Caesar .29 Bảng 3.1: Một số hàm băm nhẹ .33 Trang |5 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc thiết bị RFID Hình 1.2: Thiết kế hốn đổi yếu tố mật mã nhẹ 13 Hình 1.3: Đồ thị so sánh theo thông số bề mặt số hàm băm nhẹ 17 Hình 1.4: Đồ thị so sánh theo thơng số thông lượng số hàm băm nhẹ .18 Hình 1.5: Đồ thị so sánh lượng sử dụng mức cao số hàm băm nhẹ 18 Hình 1.6: Đồ thị so sánh lượng sử dụng mức thấp số hàm băm nhẹ 19 Hình 2.1: Quy trình mã hóa PRESENT 22 Hình 2.2: Tính tốn khóa cho PRESENT-80 26 Hình 2.3: Tính tốn khóa cho PRESENT-128 .27 Hình 3.1: Tạo chữ ký điện tử 32 Hình 3.2: Xác thực chữ ký điện tử 32 Hình 3.3: Cấu trúc băm sử dụng công thức Davies-Mayer 35 Hình 3.4: Kiến trúc hàm băm PRESENT theo cấu trúc Davies Mayer với đầu vào 64 bit khóa 80 bit .35 Hình 3.5: Cấu trúc Merkle Damgard .36 Hình 3.6: Sơ đồ hàm băm hệ mật PRESENT theo công thức DaviesMayer cấu trúc Merkle Damgard 37 Hình 4.1: Sử dụng Jni cầu nối để gọi qua lại Java C/C++ 40 Hình 4.2: Cài đặt chương trình bảo mật hàm PRESENT 41 Hình 4.3: Cài đặt chương trình bảo mật hàm PRESENT 41 Hình 4.4: Sơ đồ phần mật chương trình bom báo .42 Trang |6 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH ẢNH v MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẬT MÃ NHẸ 1.1 Mật mã nhẹ 1.1.1 Khái niệm mật mã nhẹ 1.1.2 Đặc điểm mật mã nhẹ 1.2 Động lực thúc đẩy mật mã nhẹ phát triển 1.2.1 Internet kết nối vạn vật 1.2.2 Công nghệ nhận dạng tần số sóng vơ tuyến (RFID) 1.2.3 Thiết bị gia dụng điện TiVi thông minh 1.2.4 Bộ cảm biến nông nghiệp thông minh .10 1.2.5 Cảm biến y tế .11 1.3 Chiến lược thiết kế cho mật mã nhẹ 12 1.4 Một số mật mã nhẹ 16 Chương 2: HỆ MẬT PRESENT VÀ CẢI TIẾN S-BOX 20 2.1 Hệ mật PRESENT 20 2.1.1 Ý tưởng thiết kế 20 2.1.2 Quá trình mã hóa .21 2.1.3 Quá trình giải mã .24 2.1.4 Tính tốn khóa 25 2.2 Cải tiến S-Box 28 Trang |7 Chương 3: HÀM BĂM NHẸ 30 3.1 Khái niệm 30 3.1.1 Các yêu cầu hàm băm nhẹ .30 3.1.2 Động lực phát triển hàm băm nhẹ .30 3.2 Ứng dụng hàm băm nhẹ .31 3.3 Thách thức hàm băm nhẹ 33 3.4 Một số hàm băm nhẹ 33 3.5 Hàm Băm hệ mật PRESENT .34 Chương 4: THỰC NGHIỆM 38 4.1 Mục đích thực nghiệm 38 4.2 Tiến hành thực nghiệm .38 4.2.1 Xây dựng chương trình băm PRESENT 38 4.2.2 Tích hợp vào app di động 40 4.3 Kết thực nghiệm 40 KẾT LUẬN 43 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 47 Trang |0 Trang |1 MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Ngày nay, dễ dàng bắt gặp thuật ngữ IoT nơi Thuật ngữ viết tắt cụm từ “Internet of Things”, ám vật kết nối internet có khả trao đổi liệu IoT năm gần phổ biến, phổ biến đến mức thêm vào từ điển Oxford [14] dạng danh từ Đặc điểm chung thiết bị kích thước nhỏ gọn lượng tiêu thụ thấp Ví dụ thiết bị cảm biến môi trường, cảm biến y tế … Phần lớn thiết bị IoT gặp phải vấn đề bảo mật, để thông tin không bị sửa đổi trao đổi liệu, để thông tin không bị đánh cắp …? Trong năm 2004, thuật ngữ “Lightweight cryptography” đưa thảo luận nhiều hội nghị cuối đem vào sử dụng thực tế[6] Thuật ngữ ám hệ mật “nhẹ” có khả cài đặt thiết bị bị giới hạn lượng tiêu thụ khả lưu trữ Như vậy, mật mã nhẹ phù hợp để áp dụng vào bảo mật cho thiết bị IoT Do đó, việc phát triển nhanh mạnh internet of things động lực để thúc đẩy mật mã nhẹ phát triển Từ khái niệm mật mã nhẹ đưa vào sử dụng mật mã nhẹ phát triển nhanh mạnh Thể số lượng chất lượng cơng trình nghiên cứu Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu mật mã nhẹ sâu vào nhánh hàm băm Bên cạnh đó, tác giả trình bày đề xuất cải tiến hệ mật mình, cải tiến S-Box Đề xuất in hội thảo Quốc Gia lần thứ XX, phần báo: “Cải tiến mã khối hạng nhẹ họ LED Neokeon” Với cải tiến này, chương trình cài đặt theo hướng tối ưu hóa mặt thời gian cải tiến khơng làm tăng chi phí lại tăng độ mật thuật toán Trang |2 IoT phát triển lợi lớn cho mật mã nhẹ Tuy nhiên, đồng thời thách thức không nhỏ dành cho ngành nghiên cứu Làm để độ bảo mật phù hợp? Làm để lượng tiêu thụ thấp? Làm để không gian lưu trữ nhỏ? Nội dung đề tài vấn đề cần giải quyết: Hướng nghiên cứu - Nghiên cứu cách tổng quan mật mã nhẹ - Đi sâu nghiên cứu nhánh nhỏ mật mã nhẹ hàm băm - Cải tiến S-Box, nâng cao hiệu bảo mật khơng làm phát sinh thêm chi phí - Xây dựng ứng dụng xác thực mật chương trình điện thoại thơng minh Nội dung nghiên cứu Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn trình bày theo chương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan mật mã nhẹ Trong chương này, tác giả giới thiệu cách tổng quan mật mã nhẹ, khái niệm bản, động lực thúc đẩy mật mã nhẹ phát triển T r a n g | 44 T r a n g | 45 Hình 3.6: Sơ đồ hàm băm hệ mật PRESENT theo công thức DaviesMayer cấu trúc Merkle Damgard Chương 4: THỰC NGHIỆM Ở chương 4, tác giả tiến hành cài đặt thuật toán băm PRESENT theo cấu trúc Merkle Damgard sau ứng dụng vào xác thực mật app di động tảng Android 4.1 Mục đích thực nghiệm Cài đặt ứng dụng chương trình băm PRESENT vào app di động Tương lai áp dụng vào thiết bị bị giới hạn lượng tiêu thụ khả lưu trữ Arduino 4.2 Tiến hành thực nghiệm 4.2.1 Xây dựng chương trình băm PRESENT Chương trình PRESENT bao gồm pha tính tốn khóa, addRoundKey, … mã nguồn bên Chương trình tham khảo [15] Ngồi ra, trang lightweightcrypto.org chứa mã nguồn khác PRESENT theo hướng cài đặt tối ưu phần cứng với khóa 64 bit, 128 bit (có mã nguồn bổ sung S-Box bit) // ****************************************************************************** for(int round=0;round>60; //S-Box keyhigh &= 0x0FFFFFFFFFFFFFFF; temp = sBox4[temp]; keyhigh |= temp