Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN MÃ HOÁ
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đối với việc nâng cao hiệu
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Để tăng độ an tồn và bảo mật các thơng tin được mã hóa truyền trên kênh thơng tin cơng cộng, người ta đưa ra nhiều thuật toán mật mã, với độ mật và độ dài khóa ngày càng cao như: DES, TripleDES, IDEA, AES, RC5, Blowfish, mật mã khóa cơng khai RSA, hệ mật trên đường cong Elliptic như: “A Signature Scheme Based on Implicit and Explicid Certificates Against k- Traitors Conllusion Attack” (Tomasz Hyla, JerzyPejas, 2017 tại Hội nghị IFIP International Conference on Computer Information Systems and Industrial Managment), “Variantions to the cryptographic alogirhtms AES and TwoFish” (Freyre P., DíazN., https://eprint.iacr.org, 2019)….
Để xây dựng được một mã khối vừa hiệu quả và đủ an tồn thì bài tốn nghiên cứu cho xây dựng thành phần mật mã như S-hộp và tầng tuyến tính là cấp thiết. Gần đây, các nhà thiết kế mã khối trên thế giới đã đưa ra nhiều phương pháp và kết quả lý thuyết lẫn thực hành để giải quyết bài toán này. Đối với thành phần phi tuyến S-hộp, có thể kể tới các cơng trình nghiên cứu các S-hộp 4-bit của: Liu Bozhong, Zheng Gong,... (2011) “On the security of 4-bit involutive S-boxes for lightweight designs”. (Information Security Practice
and Experience. Springer, 247-256) và Zhang Wentao, Zhenzhen Bao,...(2015)
“A New Classification of 4-bit Optimal S-boxes and its Application to PRESENT, RECTANGLE and SPONGENT”. International Workshop on Fast
Software Encryption. Springer... Đối với phương pháp xây dựng tầng tuyến tính dựa trên các ma trận MDS thường được sử dụng do tầng tuyến tính nhận được có tính khuếch tán tối ưu nhưng mặt cài đặt của nó lại có gặp những khó khăn nhất định do sự hạn chế của tài nguyên thiết bị.
Đối với các mã pháp dạng AES, tầng tuyến tính bao gồm phép biến đổi AES ShiftRows và phép biến đổi AES MixColumns. Trong đó ShiftRow là một hoán vị các từ của trạng thái và MixColumns là phép nhân ma trận với một cột của trạng thái và cũng là phép tính phức tạp tiêu tốn nhiều thời gian trong tầng tuyến tính ví dụ: Зензин, О. and М. Иванов, “Стардарт криптографической
защиты-AES”. Конечные поля. 2002: КУДРИЦ-ОБРАЗ М..
Trong tầng tuyến tính của AES, ma trận MDS sử dụng là một ma trận vòng được lựa chọn kỹ lưỡng trên cơ sở đảm bảo độ an toàn và khả năng cài đặt. Tuy nhiên theo đánh giá trên quan điểm điểm bất động của tác giả Z’aba M. R. [3] “Analysis of linear relationships in block ciphers”. Luận án tiến sĩ của Queensland University of Technology, 2010. thì tầng khuếch tán này lại có 216 điểm bất động, tác giả chỉ ra sự tương quan tỷ lệ nghịch giữa độ khuếch tán và số điểm bất động đó là càng nhiều điểm bất động thì độ khuếch tán càng thấp, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tính an tồn của thuật tốn mã khối.
Mặt khác, do hạn chế năng lực của các thiết bị tính tốn, thiết bị xử lý mật dữ liệu… mà để tăng độ mật dữ liệu được mã hóa, người ta đưa ra các hệ mật khác nhau với độ dài khóa mã ngày càng tăng. Điều đó dẫn đến thời gian cần thiết để mã hóa và giải mã dữ liệu kéo dài (tăng theo), độ phức tạp tính tốn cũng tăng theo... trong khi yêu cầu trong an ninh - quốc phòng và trong bảo mật thơng tin kinh tế - xã hội địi hỏi phải: bí mật, nhanh chóng, chính xác, an tồn, hiệu quả và tiện dụng…. Vì vậy, nghiên cứu để nâng cao hiệu năng của một số thuật toán mật mã ứng dụng trong mã hóa và giải mã dữ liệu… trong giai đoạn hiện nay là một nội dung có tính thời sự, khoa học và có ý nghĩa thực tiễn.
Để nâng cao hiệu năng của một số thuật toán mật mã, trên thế giới người ta đã đề xuất nhiều biện pháp khác nhau như: cứng hóa các thuật tốn mật mã bằng cách ứng dụng hệ thống vi mạch có thể lập trình (FPGA) hoặc (ASICs)… nhằm tăng tốc độ của mã hóa và giải mã của thuật tốn cụ thể (ví dụ. DES, IDEA, AES, RSA), trong số những cơng trình này [4], [20],...
Trong một số cơng trình nghiên cứu về khả năng cài đặt cứng hóa trên FPGA đối với AES như Elbirt, A.J., et al., “An FPGA-based performance evaluation of the AES block cipher candidate algorithm finalists. Very Large Scale Integration (VLSI) Systems”, IEEE Transactions on, 9(4); p. 545-557 và
Chodowiec, P. and K. Gaj, “Very compact FPGA implementation of the AES algorithm”, in Cryptographic Hardware and Embedded Systems-CHES,
Springer. p. 319-333 thì các phương pháp cài đặt tầng tuyến tính chủ yếu dựa trực tiếp trên phép nhân với các hằng số của ma trận trong biến đổi MixColumns. Mặc dù các hằng số của ma trận này được lựa chọn để dễ dàng cài đặt, tuy nhiên phép nhân trực tiếp khi cứng hóa là chưa tối ưu và chưa đưa ra được một đánh giá trực quan về chiều sâu thiết kế của mạch phần cứng nhận được.
Cơng trình của Sim, S.M.,... “Lightweight MDS Involution Matrices”. in FSE. 2015. nhóm tác giả đã đề xuất một số ma trận MDS và MDS cuộn có dạng Hadamrd hiệu quả trong cài đặt phần cứng. Các tác giả đã đưa ra số cổng XOR
cần thiết đối với mỗi một ma trận đề xuất, tuy nhiên những đánh giá cho tài nguyên cài đặt phần cứng của nhóm tác giả này chưa đưa ra chiều sâu thiết kế (số xung nhịp), đây là yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xử lý của mạch phần cứng. Hơn nữa tầng tuyến tính mà mã pháp dạng AES sử dụng ma trận MDS Hadamard cuộn lại có nhiều điểm bất động.
Ngoài thực hiện thiết kế phần cứng cho máy tính tuần tự truyền thống cũng đang triển khai ứng dụng phần cứng chuyên dụng có thể sử dụng nhiều bộ xử lý [25]. Tuy nhiên, do hạn chế của các phần cứng chuyên dụng nên các kết quả đạt được nhằm nâng cao hiệu năng tính tốn (cả về độ mật và tốc độ tính tốn mã hóa và giải mã…) vẫn cịn hạn chế.
Sự phát triển năng động của công nghệ phần cứng, đáng tiếc là không thể trực tiếp làm tăng được một cách đáng kể tốc độ mã hóa và giải mã các thơng tin, vì các thuật tốn mã hóa hiện đang sử dụng được thiết kế điển hình theo các thuật tốn tuần tự do các giải pháp cơng nghệ trước đây. Ban đầu người ta chỉ nhằm mục tiêu cứng hóa (DES),.... và do đó chưa sử dụng hết cơng suất của máy tính. Vì vậy, cần nghiên cứu xây dựng, cải tiến các hệ mật, các thuật toán, các phần mềm chuyên dụng… nhằm nâng cao hiệu suất thực hiện các thuật tốn mã hóa, giải mã... đáp ứng nhu cầu bảo mật thơng tin với một dung lượng tin mật cao, trong thời gian thực… phục vụ cho chỉ đạo, chỉ huy trong lĩnh vực An ninh - Quốc phòng và lĩnh vực Kinh tế - Xã hội có tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao. Đó cũng là một trong những lý do mà nghiên cứu sinh đề xuất nội dung nghiên cứu này.