Về độ an toàn, mục tiêu xây dựng các hệ mã hạng nhẹ là thiết kế một hệ mật không quá yếu (và không với mục đích thay thế các thuật toán mã truyền thống.. khác), nhưng phải đủ an toàn (t[r]
(1)NGHIÊN CỨU MỘT SỐ HỆ MẬT MÃ NHẸ VÀ ỨNG DỤNG TRONG IoT
Lê Phê Đô*, Mai Mạnh Trừng, Lê Trung Thực, Nguyễn Thị Hằng, Vương Thị Hạnh, Nguyễn Khắc Hưng, Đinh Thị Thúy, Lê Thị Len
Tóm tắt: Theo ước tính đến năm 2020 có 50 tỷ thiết bị kết nối internet, nghĩa người trái đất trung bình có 6,6 đồ vật trực tuyến Trái đất được che phủ hàng triệu cảm biến thu thập thông tin tải lên internet Để đảm bảo kết nối an ninh an tồn thiết bị cần có hệ mật vừa có độ mật cần thiết, tiêu tốn lượng, nhớ cổng logic Đó hệ mật mã nhẹ, gồm mã khối hạng nhẹ, mã dòng hạng nhẹ mã xác thực hạng nhẹ Trong báo cáo này, giới thiệu số hệ mật mật mã nhẹ, đưa điểm mạnh điểm yếu chúng Các hệ mã khối hạng nhẹ nghiên cứu gồm Klein, Led, Present, Mini – AES, Mcrypyon Katan Hệ mã dịng chúng tơi giới thiệu Grain Kết dùng làm tài liệu tham khảo cho nhà chuyên môn mật mã nhẹ IoT
Từ khóa: Mật mã nhẹ, Mã khối, Mã dòng, IoT, Present, Grain, Độ trễ, Hiệu suất, Độ an toàn
1. MỞ ĐẦU
Với thiết bị có tài nguyên hạn chế thuật tốn mật mã thơng thường q lớn, chậm tốn lượng Các thuật toán mật mã nhẹ khắc phục nhược điểm Mục tiêu mật mã nhẹ loạt ứng dụng cho thiết bị đại, thiết bị đo thông minh, hệ thống an ninh xe, hệ thống giám sát bệnh nhân không dây, hệ thống giao thông thông minh (ITS) Internet of Things (IoT),…
Trong thiết kế mật mã hạng nhẹ cân chi phí, an ninh hiệu suất phải đảm bảo Vì mã khối, độ dài khóa đưa thỏa hiệp độ an tồn giá thành, đó, số vịng đưa thỏa hiệp hiệu suất độ an toàn Thơng thường, ta dễ tối ưu hóa hai tiêu chí ba tiêu chí trên, việc tối ưu hóa ba mục tiêu việc khó Bên cạnh đó, cài đặt phần cứng có hiệu suất cao cần tính tới giải pháp để tránh công kênh kề Điều thường dẫn tới yêu cầu diện tích cao, đồng nghĩa với chi phí cao
Các yêu cầu thiết kế mật mã hạng nhẹ cần:
(2)khác), phải đủ an toàn (tất nhiên khơng thể kháng lại đối phương có đủ điều kiện), chi phí (cài đặt, sản xuất) thấp yêu cầu quan trọng thiết bị kiểu tính gọn nhẹ “on-the-fly” Tóm lại, cần xây dựng hệ mật tốt nhất, mà phải cân giá thành, hiệu suất độ an toàn
Về hiệu cài đặt, thường đánh giá qua độ đo sau: diện tích bề mặt (Area), Số chu kỳ xung nhịp (cycles), Thời gian, Thông lượng (throughout), Nguồn (power), Năng lượng (energy), Dịng điện (current) Tính hiệu tỷ lệ thơng lượng với diện tích, dùng làm độ đo cho tính hiệu phần cứng
Diện tích bề mặt (Area): tính micro m2 giá trì phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo thư viện chuẩn Diện tích tính theo GE tính cách chia diện tích theo micro m2 cho S cổng NAND đầu vào
Số chu kỳ xung nhịp (cycles): số chu kỳ xung nhịp cần để tính tốn đọc liệu
Thời gian: Lượng thời gian cần thiết cho phép tính cụ thể tính cách chia số chu kỳ xung nhịp cho tần số hoạt động t = (số chu kỳ xung nhịp)/tần số Đơn vị tính theo mi-ni giây (ms)
Thơng lượng (throughtout): Là số bit đầu chia cho lượng thời gian Đơn vị [bps]
Nguồn (power): Tiêu thụ nguồn ước lượng mức cổng thông
qua biên dịch cài đặt Đơn vị thường Micro walt Chú ý việc ước lượng tiêu thụ mức transitor xác hơn, điều yêu cầu nhiều bước thiết kế
Năng lượng (energy): Tiêu thụ lượng định nghĩa tiêu thụ nguồn qua khoảng thời gian cụ thể Nó thường tính tốn cách nhân tiêu thụ nguồn với thời gian cần cho phép tính đó, đơn vị Joule bit
Dòng điện( current): Là tiêu thụ nguồn chia cho điện áp thông thường
Tính hiệu cài đặt: eff= (diện tích)/ thơng lượng
2. MỘT SỐ HỆ MẬT MÃ KHỐI HẠNG NHẸ
2.1 Giới thiệu thuật toán mã khối hạng nhẹ
(3)Bảng 1. Một số hệ mật mã hạng nhẹ
Hệ mật Kích thước khối
tin
Độ dài khóa Số vịng mã hóa
KLEIN 64 bits 64 – 80 – 96 bits 12 – 16 – 20
LED 64 bits 64 - 128 bits 32 - 48
PRESENT 64 bits 80 - 128 bits 31
MINI-AES 64 bits 64 bits 10
MCRYPTON 64 bits 64 – 96 - 128 bits 12
KATAN 32 – 48 – 64 bits 80 bits 2.2 Đánh giá thuật toán
Chúng tơi thực đánh giá thuật tốn mã hóa qua tiêu chí: độ trễ xử lý, số lượng cổng tương đương, lượng tiêu thụ, độ an toàn
Độ trễ xử lý:
Định nghĩa Độ trễ xử lý thuật toán [3] đại diện cho khoảng thời gian để thuật tốn hồn thiện xử lý nhiệm vụ Trong báo này, sử dụng thước đo thời gian mã hóa khối rõ xác định Độ trễ xử lý thuật tốn tính cơng thức:
(1) đó, : Số xung nhịp cần để thực chu kỳ mã hóa; Độ trễ tối đa thời gian thực chu kỳ mã hóa; Đơn vị tính nano giây
(ns):
Chúng tơi tổng hợp kết ước tính sản xuất công ty NXP Semiconductors, đơn vị sản xuất sản phẩm vi mạch điện tử tích hợp Bỉ Từ trực quan đánh giá định lượng độ trễ thuật tốn mã hóa, kết thực nghiệm xét trường hợp: (1) Khơng ràng buộc thời gian time-out (2) Có ràng buộc thời gian time-out
(4)Hình 2 Ước tính độ trễ trung bình [3, 4] Số lượng cổng tương đương:
Định nghĩa 2. Cổng tương đương mơ diện tích vật lý mà cổng logic NAND hai đầu vào chiếm vi mạch điên tử
Đơn vị cổng tương đương GE (Gate equivalence), 1kGE = 1000GE Một số phép toán logic tương đương tiêu biểu thuật toán mật mã: AND, NAND, OR, XOR, NOR, NOT
Bằng thực nghiệm, kỹ sư nghiên cứu NXP đưa kết ước tính đo chu kỳ mã hóa số thuật tốn: KATAN (460GE), PRESENT (1kGE), LED (700GE), SIMON (520GE), PICCOLO (700GE/180ns), KLEIN (700GE/130ns)
Hình 3 Mơ cổng tương đương. Tiêu thụ lượng:
Định nghĩa 3. Mức tiêu thụ lượng
(5)Mức tiêu thụ lượng ước tính dựa cơng thức [1] sau:
(2)
Trong đó,
: Điện tiêu thụ trung bình
: Số xung nhịp cần để thực chu kỳ mã hóa
Độ trễ tối đa thời gian thực chu kỳ mã hóa
: Kích thước tin
Hình 4. Ước tính điện tiêu thụ [1, 2, 3]
Hình Ước tính lượng tiêu thụ [1, 2, 3] Độ an toàn:
Định nghĩa 4. Khoảng cách tổng biến thiên [5]: Gọi hai biến ngẫu nhiên tập hữu hạn Khoảng cách tổng biến thiên xác định bởi:
(3)
(6)Ý tưởng thiết kế thuật toán mới:
Một câu hỏi mà tất nhà thiết kế cần giải thiết kế mã pháp “độ an tồn coi đủ an tồn” Do đó, chế an tồn triển khai khơng sử dụng đầy đủ khả dẫn tới việc lãng phí tài nguyên Một ví dụ, ta biết AES phân tích rộng rãi độ an tồn Cho đến nay, chứng minh kháng lại nhiều công Do đó, thật lý tưởng nhà cung cấp phát triển thuật toán AES thiết bị họ Tuy nhiên, vấn đề gặp phải AES cồng kềnh cần nhiều tài ngun cho việc cài đặt Ngồi ra, cung cấp độ an tồn nhiều cần thiết cho việc sử dụng [2] Vì vậy, ta cần thấy để thiết kế nguyên thủy phù hợp với hạn chế tài nguyên thiết bị nhỏ lúc nguyên thủy cung cấp độ an toàn đầy đủ cho việc sử dụng Đây nguyên nhân thúc đẩy mật mã hạng nhẹ phát triển Bây giờ, ta xem xét khía cạnh kỹ thuật thiết kế mã khối, sau định chọn lựa tham số đầu vào phù hợp việc mà người thiết kế quan tâm hàm vịng Đặc biệt, mã khối hạng nhẹ, hàm vòng phải thật đơn giản cài đặt phần cứng Một hàm vòng chứa hàm phi tuyến hàm tuyến tính Hàm phi tuyến gọi tầng xáo trộn cịn hàm tuyến tính gọi tầng khuếch tán Do vậy, dựa vào hai phương pháp quan trọng xáo trộn khuếch tán việc xây dựng hàm vịng Mục đích hai hàm phát biểu cụ thể sau:
Xáo trộn (confusion): Sự phụ thuộc mã rõ phải thực
phức tạp để gây rắc rối, cảm giác hỗn loạn kẻ thù có ý định phân tích tìm qui luật để phá mã Quan hệ hàm số mã-tin phi tuyến (non-linear)
Khuếch tán (diffusion): Làm khuếch tán mẫu văn mang đặc tính thống kê (gây độ dư ngơn ngữ) lẫn vào tồn văn Nhờ tạo khó khăn cho kẻ thù việc dò phá mã sở thống kê mẫu lặp lại cao Sự thay đổi bit khối rõ phải dẫn tới thay đối hoàn toàn khối mã tạo
3 HỆ MẬT GRAIN 3.1 Lịch sử
(7)hệ mật tiếp tục phát triển thành Grain v1 [7] – bảy dự án eSTREAM đưa vào danh mục đầu tư từ 09/09/2008 Cùng với Grain v1 phiên mật mã với khóa bí mật 128 bits – Grain-128 [7] áp dụng rộng rãi
3.2 Mơ tả thuật tốn Grain v0
Grain hệ mã hóa dịng đồng bộ, khóa dịng tạo cách độc lập từ rõ Thiết kế Grain dựa hai ghi dịch chuyển, ghi dịch hồi tuyến tính (LFSR - Linear Feedback Shift Register) ghi phản hồi phi tuyến (NFSR - Nonlinear Feedback Shift Register) Độ dài ghi dịch dù phản hồi tuyến tính hay phản hồi phi tuyến nên nguyên tố để tránh xuất chu kỳ tạo dãy bit ngẫu nhiên ô chúng chứa bit [13] Hai ghi với hàm đầu tạo ba khối cho thuật tốn Nội dung LFSR biểu diễn
nội dung NFSR mô tả
Hình Hệ mã hóa Grain v0 Đa thức nguyên thủy ghi dịch hồi tuyến tính:
Ta sử dụng phiên cập nhật LFSR sau:
Hàm ghi dịch hồi phi tuyến (NFSR) định nghĩa sau:
NFSR LFSR
h(x)