Thuật toán giải mã khá giống với thuật toán mã hóa về mặt cấu trúc nhưng bốn hàm cơ bản sử dụng là các hàm ngược của các hàm trong thuật toán mã hóa. Đoạn giả mã cho thuật toán giải mã như sau:
InvCipher(byte in[4*Nb], byte out[4*Nb], word w[Nb*(Nr+1)]) begin
byte state[4,Nb] state = in
For round = Nr-1 step -1 downto 1 InvShiftRows(state)
InvSubBytes(state)
AddRoundKey(state, w[round*Nb, (round+1)*Nb-1]) InvMixColumns(state) end for InvShiftRows(state) InvSubBytes(state) AddRoundKey(state, w[0, Nb-1]) out = state end a). Hàm InvShiftRows()
Hàm này là hàm ngược của hàm SiftRows(). Các byte của ba hàng cuối của mảng trạng thái sẽ được dịch vòng với các vị trí dịch khác nhau. Hàng đầu tiên không bị dịch, ba hàng cuối bị dịch đi Nb-shift(r, Nb) byte trong đó các giá trị shift(r, Nb) phụ thuộc vào số hàng.
Cụ thể hàm này tiến hành xử lý sau:
= sr,c∀ 0<r<4, 0≤c<Nb(Nb=4)
b). Hàm InvSubBytes()
Hàm này là hàm ngược của hàm SubBytes(), hàm sử dụng nghịc đảo của biến đổi Affine bằng cách thực hiện nhân nghịch đảo trên GF(28
). Bảng thế được sử dụng trong hàm:
Bảng 3.1 Bảng thế InvSubBytes()
c). Hàm InvMixColumns()
Hàm này là hàm ngược của hàm MixColumns(). Hàm làm việc trên các cột của mảng trạng thái, coi mỗi cột như là một ô đa thức 4 hạng tử. Các cột được xem là các đa thức trên GF(28) và được nhân theo module x4 +1 với một đa thức cố định là a-1
(x):
a-1(x)={0b}x3 + {0d}x2 + {09}x + {0e}
và có thể mô tả bằng phép nhân ma trận như sau: s’(x)= a-1(x)⊗s(x):
Trong đó 0≤c<Nb
Kết quả là 4 byte trong mỗi cột sẽ được thay thế theo công thức sau: =({0e}.s0,c) ⊕({0b}.s1,c) ⊕({0d}.s2,c)⊕({09}.s3,c)
=({09}.s0,c) ⊕({0e}.s1,c) ⊕({0b}.s2,c)⊕({0d}.s3,c) =({0d}.s0,c) ⊕({09}.s1,c) ⊕({0e}.s2,c)⊕({0b}.s3,c) =({0b}.s0,c) ⊕({0d}.s1,c) ⊕({09}.s2,c)⊕({0e}.s3,c)
d). Hàm nghịch đảo của hàm AddRoundKey()
Hàm này tự bản thân nó là nghịch đảo của chính nó do hàm chỉ có phép XOR bit
3.4.4 Thuật toán giải mã tƣơng đƣơng
Trong thuật toán giải mã được trình bày ở trên chúng ta thấy thứ tự của các hàm biến đổi được áp dụng khác so với thuật toán mã hóa trong khi dạng của danh sách khóa cho cả hai thuật toán vẫn giữ nguyên. Tuy vậy một số đặc điểm của AES cho phép chúng ta có một thuật toán giải mã tương đương có thứ tự áp dụng các hàm biến đổi giống với thuật toán mã hóa(tất nhiên là thay các biến đổi bằng các hàm ngược của chúng). Điêu này đạt được bằng cách thay đổi danh sách khóa. Hai thuộc tính sau cho phép chúng ta có một thuật toán giải mã tương đương:
1. Các hàm SubBytes() và ShiftRows() hoán đổi cho nhau, có nghĩa là một biến đổi SubBytes() theo sau bởi một biến đổi ShiftRows() tương đương với một biến đổi ShiftRows() theo sau bởi một biến đổi SubBytes(). Điều này cũng đúng với hàm ngược của chúng.
2. Các hàm trộn cột – MixColumns() và InvMixColumns() là các hàm tuyến tính đối với các cột input, có nghĩa là:
InvMixColumns(state XOR Round Key) = InvMixColumns(state) XOR InvMixColumns(Round Key).
Các đặc điểm này cho phép thứ tự của các hàm InSubBytes() và InvShiftRows() có thể đổi chỗ. Thứ tự của các hàm AddRoundKey() và InvMixColumns() cũng có thể đổi chỗ miễn là các cột của danh sách khóa giải mã phải được thay đổi bằng cách sử dụng hàm InvMixColumns(). Thuật toán giải mã tương đương được thực hiện bằng cách đảo ngược thứ tự của hàm InvSubBytes() và InvShiftRows() và thay đổi thứ tự của AddRoundKey() và InvMixColumns()
trong các lần lặp sau khi thay đổi khóa cho giá trị round=1 to Nr -1 bằng cách sử dụng biến đổi InvMixColumns(). Các word đầu tiên và cuối cùng của danh sách khóa không bị thay đổi khi ta áp dụng phương pháp này.
Thuật toán giải mã tương đương cho một cấu trúc hiệu quả hơn so vơi thuật toán giải mã trước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giả mã cho thuật toán giải mã tương đương:
EqInvCipher(byte in[4*Nb], byte out[4*Nb], word dw[Nb*(Nr+1)]) begin
byte state[4,Nb] state = in
AddRoundKey(state, dw[Nr*Nb, (Nr+1)*Nb-1]) for round = Nr-1 step -1 downto 1
InvSubBytes(state) InvShiftRows(state) InvMixColumns(state)
AddRoundKey(state, dw[round*Nb, (round+1)*Nb-1]) end for InvSubBytes(state) InvShiftRows(state) AddRoundKey(state, dw[0, Nb-1]) out = state end
Các thay đổi cần thực hiện trong thuật toán sinh khóa để thuật toán trên có thể hoạt động được:
for i = 0 step 1 to (Nr+1)*Nb-1 dw[i] = w[i]
end for
for round = 1 step 1 to Nr-1
InvMixColumns(dw[round*Nb, (round+1)*Nb-1]) end for
Chương IV
THỬ NGHIỆM HỆ MÃ HÓA AES TRÊN MẠNG WIMAX 4.1 YÊU CẦU VÀ CHỨC NĂNG CHÍNH
4.1.1 Cấu hình hệ thống
+ Yêu cầu phần cứng: Bảng dưới đây mô tả phần cứng tối thiểu đề nghị cho tất cả máy dự cài đặt và sử dụng chương trình mã hóa AES.
Thành phần phần cứng Yêu cầu tối thiểu
CPU Tối thiểu là Pentium III, hoặc các
bộ vi xử lý cao hơn như: Dual-core, Core i.
RAM Dung lượng đề nghị la 256.
Disk Còn trống ít nhất là 10MB
+ Yêu cầu phần mềm: Chương trình chạy trên nền nền tảng hệ điều hành Windows, cần cài đặt Visual Studio 2008; phần mềm Mozilla Firefox.
4.1.2 Chức năng chính
Chương trình cho phép thực hiện các chức năng sau: - Mã hóa một File văn bản.
4.2 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH 4.2.1 Giao diện chƣơng trình
Mở File cần mãhóa hoặc giải mã
Lƣu file đã mã hóa hoặc giải mã
Kết quả mã hóa, giải mã
Mã hóa Giải mã
4.2.2 Quy trình mã hóa
Bƣớc 1: Mở trang Web mã hóa AES. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bƣớc 2: Mở File cần mã hóa, nhấn nút Browse ở phần Load file Encryption and Decryption.
Bƣớc 3: Nhập vào Khóa mã hóa, ở phần Input Key. Bƣớc 4: Mã hóa, nhấn vào nút File Encryption. Bƣớc 6: Lưu File đã được mã hóa, nhấn nút Save.
4.2.3 Quy trình giải mã
Bƣớc 1: Mở trang Web mã hóa AES.
Bƣớc 2: Mở File giải mã, nhấn nút Browse ở phần Load file Encryption and Decryption.
Bƣớc 3: Nhập vào Khóa mã hóa, ở phần Input Key. Bƣớc 4: Giải mã, nhấn vào nút File Decryption. Bƣớc 6: Lưu File đã được giải mã, nhấn Save.
4.3 CÁC MODULE CHÍNH TRONG CHƢƠNG TRÌNH
// Mã hóa
public override string EncryptionStart(string PlainText, string CipherKey, bool IsTextBinary)
{
StringBuilder binaryText = null; if (IsTextBinary == false) { PlainText = BaseTransform.FromTextToBinary(PlainText); } else { binaryText = new StringBuilder(BaseTransform.setTextMutipleOf128Bits(PlainText)); StringBuilder EncryptedTextBuilder = new
StringBuilder(binaryText.Length);
#region Make All-round keys Matrix Matrix_CipherKey = new
Matrix(BaseTransform.FromHexToBinary(CipherKey)); Keys key = new Keys();
key.setCipherKey(Matrix_CipherKey); key = this.KeyExpansion(key, false); #endregion
#region Initialize Progress Bar
OnInitProgress(new ProgressInitArgs(binaryText.Length)); #endregion
for (int j = 0; j < (binaryText.Length / 128); j++) {
Matrix state = new
Matrix(binaryText.ToString().Substring(j * 128, 128)); state = this.AddRoundKey(state, key, 0); for (int i = 1; i < 11; i++)
{
if (i == 10) {
state = this.SubBytes(state, false); state = this.ShiftRows(state, false); state = this.AddRoundKey(state, key, i); }
else {
state = this.SubBytes(state, false); state = this.ShiftRows(state, false); state = this.MixColumns(state, false);
state = this.AddRoundKey(state, key, i); }
}
EncryptedTextBuilder.Append(state.ToString()); #region Increase Progress Bar
OnIncrementProgress(new ProgressEventArgs(state.ToString().Length)); #endregion } return EncryptedTextBuilder.ToString(); } //Giải mã (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
public override string DecryptionStart(string PlainText, string CipherKey, bool IsTextBinary)
{ string binaryText = ""; if (IsTextBinary == false) { binaryText = BaseTransform.FromTextToBinary(PlainText); } else { binaryText = PlainText; }
StringBuilder DecryptedTextBuilder = new StringBuilder(binaryText.Length);
#region Make All-round keys Matrix Matrix_CipherKey = new
Matrix(BaseTransform.FromHexToBinary(CipherKey)); Keys key = new Keys();
key.setCipherKey(Matrix_CipherKey); key = this.KeyExpansion(key, false); #endregion
#region Initialize Progress Bar
OnInitProgress(new ProgressInitArgs(binaryText.Length)); #endregion
for (int j = 0; j < (binaryText.Length / 128); j++) {
Matrix state = new Matrix(binaryText.Substring(j * 128, 128));
state = this.AddRoundKey(state, key, 10); for (int i = 9; i >= 0; i--)
{
if (i == 0) {
state = this.SubBytes(state, true);
state = this.AddRoundKey(state, key, i); }
else {
state = this.ShiftRows(state, true); state = this.SubBytes(state, true); state = this.AddRoundKey(state, key, i); state = this.MixColumns(state, true); }
}
#region It's for correct subtracted '0' that have added for set text multiple of 128bit
if ((j * 128 + 128) == binaryText.Length) {
StringBuilder last_text = new StringBuilder(state.ToString().TrimEnd('0'));
int count = state.ToString().Length - last_text.Length; if ((count % 8) != 0) { count = 8 - (count % 8); } string append_text = "";
for (int k = 0; k < count; k++) { append_text += "0"; } DecryptedTextBuilder.Append(last_text.ToString() + append_text); } #endregion else { DecryptedTextBuilder.Append(state.ToString()); }
#region Increase Progress Bar OnIncrementProgress(new ProgressEventArgs(state.ToString().Length)); #endregion } return DecryptedTextBuilder.ToString(); } #endregion //Hàm SubBytes #region SubBytes
public Matrix SubBytes(Matrix state, bool IsReverse) {
for (int i = 0; i < state.Rows; i++)
{
for (int j = 0; j < state.Columns; j++) {
int row = Convert.ToInt32(state[i, j].Substring(0, 4), 2); int column = Convert.ToInt32(state[i, j].Substring(4, 4), 2); if (IsReverse == false) { (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
state[i, j] = TransformTables.sbox[row, column]; } else { state[i, j] = TransformTables.inverse_sbox[row, column]; } } } return state; } #endregion //Hàm ShiftRows #region ShiftRows public Matrix ShiftRows(Matrix state, bool IsReverse) {
for (int i = 1; i < state.Rows; i++) { if (IsReverse == false) { state.setRow(this.CircularLeftShift(state.getRow(i), i) , i); } else { state.setRow(this.CircularRightShift(state.getRow(i), i) , i); } } return state; }
private string[] CircularLeftShift(string[] row, int count) {
for (int i = 0; i < count; i++) {
string temp = row[0]; row[0] = row[1]; row[1] = row[2]; row[2] = row[3]; row[3] = temp; } return row;
}
private string[] CircularRightShift(string[] row, int count) {
for (int i = 0; i < count; i++) {
string temp = row[3]; row[3] = row[2]; row[2] = row[1]; row[1] = row[0]; row[0] = temp; } return row; } #endregion //Hàm MixColumns #region MixColumns
public Matrix MixColumns(Matrix state, bool IsReverse) { if (IsReverse == false) { state = MatrixMultiplication.Multiply(TransformTables.MixColumnFactor, state, true); } else { state = MatrixMultiplication.Multiply(TransformTables.Inverse_MixColumnFactor, state, true); } return state; } #endregion //Hàm AddRoundKey #region AddRoundKey
public Matrix AddRoundKey(Matrix state, Keys key, int Round) {
if (Round > key.RoundKeys.Count - 1) {
throw new IndexOutOfRangeException("The round key is must between 0 and 10 in 128bit AES.");
} return MatrixMultiplication.XOR(state, key.RoundKeys[Round]); } #endregion #region KeySchedule
public Keys KeyExpansion(Keys key, bool IsReverse) {
for (int i = 4; i < key.RoundKeys.Count * 4; i++) {
string[] Wi_1 = key.RoundKeys[(i - 1) / 4].getWord((i - 1) % 4);
Matrix mat_Wi_1 = new Matrix(4, 1); mat_Wi_1.setWord(Wi_1, 0);
if (i % 4 == 0) {
Wi_1 = this.RotWord(Wi_1); mat_Wi_1.setWord(Wi_1, 0);
mat_Wi_1 = this.SubBytes(mat_Wi_1, false);
mat_Wi_1 = MatrixMultiplication.XOR(mat_Wi_1,
TransformTables.Rcon[(i-1)/4]);
}
Matrix Wi_4 = new Matrix(4, 1);
Wi_4.setWord(key.RoundKeys[(i - 4) / 4].getWord((i - 4) % 4), 0);
Matrix temp = MatrixMultiplication.XOR(mat_Wi_1, Wi_4); string[] Wi = temp.getWord(0);
key.RoundKeys[i / 4].setWord(Wi, i % 4); }
return key; }
private string[] RotWord(string[] state) { (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
return this.CircularLeftShift(state, 1); }
KẾT LUẬN
Wimax là công nghệ không dây đang nhận được nhiều sự quan tâm hiện nay. Tuy nhiên, cũng giống như các mạng không dây khác, nhược điểm lớn nhất của Wimax là tính bảo mật do sự chia sẻ môi trường truyền dẫn và những lỗ hổng tại cơ sở hạ tầng vật lý. Mặc dù vấn đề bảo mật được coi là một trong những vấn đề chính trong quá trình xây dựng giao thức mạng của IEEE nhưng kỹ thuật bảo mật mà IEEE qui định trong IEEE 802.16 (WiMAX) vẫn tồn tại nhiều nhược điểm. Việc xây dựng các thuật toán mã hóa, để mã hóa dữ liệu trên đường truyền của mạng Wimax được coi là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng và kinh tế nhất trong việc đảm bảo an toàn dữ liệu trên đường truyền.
Luận văn tập trung tìm hiểu cấu trúc của mạng Wimax, quy trình bảo mật và tìm ra các điểm yếu trong quy trình bảo mật của mạng Wimax, từ đó làm cơ sở để xây dựng phương án khắc phục. Nhằm đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin khi truyền trên mạng Wimax. Bên cạnh đó, việc tìm hiểu và xây dựng thuật toán mã hóa AES cũng hỗ trợ và tăng mức độ an toàn trong việc truyền tin qua mạng Wimax, có thể khắc phục phần nào hạn chế trong kiến trúc bảo mật của mạng Wimax.
Luận văn đã đạt được các kết quả chính sau:
1). Nghiên cứu tài liệu để tổng hợp lại các vấn đề:
+ Cấu trúc và đặc điểm của mạng Wimax.
+ Kiến trúc và quy trình bảo mật trong mạng Wimax.
+ Ứng dụng thuật toán mã hóa AES, mã hóa dữ liệu truyền trên mạng Wimax.
2). Xây dựng thử nghiệm chương trình với các chức năng sau:
+ Mã hóa File văn bản truyền trên mạng Wimax.
+ Giải mã một File văn bản đã được mã hóa.
Hướng phát triển luận văn: nghiên cứu và xây dựng chương trình mã hóa hoàn thiện để ứng dụng gửi đề thi qua mạng Wimax, tại các tỉnh miền núi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[V1] Đỗ Ngọc Anh, Wimax di động – Tổng quan kỹ thuật đánh giá, tạp chí BCVT, 03-11-2006.
[V2] Nguyễn Thế Anh, Bùi Thị Ngọc Huyền, Nguyễn Thị Tới, Nguyễn Thị Quỳnh Trang, Bảo mật trong Wimax, D04VT1, Tháng 10/2007.
[V3] Nguyễn Bình, Giáo trình mật mã học. NXB Bưu điện 01/2004.
[V4] Lê Bá Dũng, Bài giảng mạng Wimax cho lớp cao học Điện tử - truyền thông viện Mở
[V5] Nguyễn Việt Hùng (5/2007), Công nghệ truy cập mạng NGN – Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam – Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông.
[V6] Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Thu Hà (13/03/2006), Wimax - Công nghệ truy nhập mạng không dây băng rộng.
www.tapchibcvt.gov.vn/viVN/congnghetruyenthong/2006/4/16376.bcvt?Searc hTerm=Wimax
[V7] Nguyễn Phương Mai (2007), Đôi nét về mật mã – Ban Cơ yếu Chính phủ - Tạp chí An toàn thông tin, số 03 (004).
[V8] Ngô Tứ Thành & Lê Minh Thanh (2007), Thông tin lượng tử, Nhà xuất bản ĐHQG HN.
[V9] Lê Nhật Thăng, Hoàng Đức Tỉnh (14/12/2007), Bảo mật trong Wimax, Tạp chí BCVT&CNTT.
TIẾNG ANH
[E1] A. Menezes, P. van Oorschot, and S. Vanstone (1996), Handbook of Applied Cryptography, CRC Press.
[E2] Laurent Haan (5/14/2007), Advanced Encryption Standard (AES), Public Research Centre Henri Tudor, Luxembourg.
[E3] Federal Information Processing Standards Publication (November 26, 2001), Announcing the Advanced Encryption Standard (AES).
[E4] Business Systems International Ltd (2004), Cryptography A-Z - SSH Communications Security, House 59 Markham Street, London, SW3 3NR, UK, +44 (0) 20 7352 7007, SSH@e-business.com . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[E5] By Wenbo Mao Hewlett-Packard Company (2003), Modern Cryptography : Theory and Practice, Prentice Hall PTR.
[E6] David jonhston and Jesse Walker (2004), Overview of IEEE 802.16 Security, IEEE Security & Privacy.
[E7] Douglas Stinson(1995), Cryptography: Theory and Practice, CRC Press, CRC Press LLC.
[E8] Dr. Kitti Wongthavarawat (2005), IEEE 802.16 Wimax Security, Thai Computer Emergency Response Team (ThaiCERT) National Electronics and Computer Technology Center Thailand.
[E9] Fred Piper and Sean Murphy (2002), Cryptography: A Very Short Introduction, Oxford University Press.
[E10] G.S.V.Radha Krishna Rao, G.Radhamani (2008), Wimax – A wireless Technology Revolution, Auerbach Publications, Taylor & Francis Group.
[E11] Loutfi Nuaymi, John Wiley & Sons (2007), Wimax Technology for Broadband Wireless Access.
[E12] Michel Barbeau (2005), Wimax/802.16 Threat Analysis, School of Computer Science, Carleton University, Canada, October.
[E13] Rolf Oppliger (2005), Contemprary Cryptography, Artech House Computer Security Series.
[E14] Sen Xu, Manton Mathews, Chin-Tser Huang (2006), Security Issues in Privacy and Key Management Protocols of IEEE 802.16, Department of Computer Science and Engineering University of South Carolina, Columbia, SC 29208, USA.
[E15] Taylor & Francis Group, Wimax Standards and Security, CRC Press 2008, , Edited by SYED AHSON and MOHAMMAD ILYAS (p37 to p48) [E16] Wimax Forum (2005), Fixed, nomadic, portable and mobile applications for 802.16-2004 and 802.16e Wimax networks.
[E17] Wimax forum, Wimax Forum ® Wimax ™ Technology Forecast (2007- 2012), Copyright 2008 Wimax Forum.