Nghiên cứu, xây dựng giải pháp bảo mật dữ liệu thời gian thực truyền trên mạng ip bằng thiết bị phần cứng chuyên dụng (tt)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Phạm Mạnh Tuấn

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP BẢO
MẬT DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRUYỀN
TRÊN MẠNG IP BẰNG THIẾT BỊ PHẦN CỨNG
CHUYÊN DỤNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 62.52.02.03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lê Mỹ Tú
2. TS. Vũ Tuấn Lâm
Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Bình

Phản biện 2 : PGS.TS. Nguyễn Hồng Quang

Phản biện 3 : PGS.TS. Đỗ Quốc Trinh

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận cấp Học
viện họp tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào hồi

giờ

ngày

tháng

năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia Việt Nam
2. Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển nhanh của công nghệ thông
tin và mạng Internet, bảo mật dữ liệu thời gian thực truyền trên
mạng IP đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn dữ
liệu của các cá nhân và các tổ chức. Tuy nhiên trên thực tế lại
hình thành một mâu thuẫn giữa nhu cầu phát triển các ứng dụng
dịch vụ trên mạng IP với các nguy cơ an toàn về thông tin. Điều
này dễ dàng có thể hiểu được vì mạng IP là một mạng mở. Giải
pháp hiệu quả nhất nhằm bảo đảm sự an toàn thông tin trong
các mạng này là sử dụng mật mã [3, 24]. Hiện tại, các giải pháp
bảo mật của công nghệ IP vẫn sử dụng các thuật toán mật mã
thông dụng dùng cho cả các ứng dụng phần mềm và phần cứng
mà chưa có các thuật toán mật mã phù hợp với các ứng dụng

phần cứng chuyên dụng. Đó là nguyên nhân tại sao các giải
pháp mật mã khi tích hợp thường chưa tối ưu cho các ứng dụng
bảo mật dữ liệu thời gian thực. Với cách tiếp cận như trên, việc
nghiên cứu các thuật toán mật mã theo xu hướng mới (có tốc độ
và có hiệu quả tích hợp cao, phù hợp triển khai trên phần cứng
đảm bảo độ an toàn, ...) nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao
của các ứng dụng là tất yếu.
Mục tiêu chính của luận án là đề xuất hướng nghiên cứu
thuật toán mật mã mới, thay thế cho các thuật toán mật mã hiện
nay đang dùng trong các giao thức bảo mật dữ liệu thời gian
thực trên mạng IP. Các thuật toán này có khả năng tích hợp cao
trên các nền tảng phần cứng chuyên dụng dạng VLSI (FPGA,
ASIC) làm cơ sở nền tảng cho thiết kế, chế tạo các thiết bị bảo
mật dữ liệu thời gian thực trên mạng IP.


2

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu trên, các nhiệm vụ
nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án được xác định bao
gồm (1) Tổng quan về giải pháp bảo mật dữ liệu thời gian thực
trên mạng IP. (2) Cải tiến về độ an toàn một thuật toán mật mã
khối phù hợp cho thiết kế thiết bị bảo mật dữ liệu thời gian thực
chuyên dụng.(3) Phát triển một số thuật toán mật mã khối mới
đảm bảo độ an toàn và có hiệu quả tích hợp trên FPGA cao để
ứng dụng cho thiết kế thiết bị bảo mật dữ liệu thời gian thực
chuyên dụng.(4) Đề xuất lớp phần tử nguyên thủy mật mã mới
hiệu quả hơn, đồng thời phát triển họ thuật toán mật mã khối
dựa trên lớp phần tử này.(5) Đánh giá độ an toàn của các thuật
toán mật mã khối. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong

luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng và đánh
giá thực nghiệm trên cơ sở một số tiêu chuẩn đánh giá trên thế
giới.
Luận án sẽ được bố cục thành bốn chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về giải pháp bảo mật dữ liệu thời
gian thực trên mạng IP
Chương 2: Cải tiến thuật toán mật mã khối Spectr-128
dùng cho bảo mật truyền dữ liệu thời gian thực
Chương 3: Xây dựng một số thuật toán mã khối dựa trên
các lớp nguyên thủy mật mã F2/1 và F2/2
Chương 4: Phát triển nguyên thủy mật mã F2/4 và xây
dựng một số thuật toán mật mã khối
Kết luận
Hà nội, ngày tháng 9 năm 2017


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP BẢO MẬT
DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRÊN MẠNG IP
1.1. Giới thiệu
Dữ liệu thời gian thực là dữ liệu không được lưu trữ hoặc
lưu trữ nhưng nó được chuyển đến người dùng cuối nhanh nhất
khi nó được thu thập. Xử lý dữ liệu thời gian thực không chỉ
yêu cầu đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu mà còn yêu cầu thời
gian xử lý dữ liệu nhanh, kịp thời. Các ứng dụng thời gian thực
cần đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng để thoả mãn nhu cầu
sử dụng. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ (QoS)
truyền dữ liệu thời gian thực trên mạng IP bao gồm: Độ trễ;
Jitter; Băng tần; Độ mất mát

1.2. Tổng quan về một số giao thức bảo mật dữ liệu thời
gian thực
1.2.1. Giao thức bảo mật truyền thời gian thực SRTP
Giao thức bảo mật truyền thời gian thực SRTP (Secure
Realtime Transport Protocol)[58] cung cấp sự toàn vẹn, tính xác
thực, và sự bảo mật với giao thức truyền thời gian thực RTP
(Realtime Transport Protocol), và giao thức điều khiển vận
chuyển thời gian thực RTCP (Realtime Transport Control
Protocol). Giao thức SRTP là một chuẩn giao thức IETF được
sử dụng để đảm bảo tính bảo mật trong quá trình truyền tải âm
thanh, video và chia sẻ nội dung với các phương tiện truyền
thông khác. Giao thức SRTP được phát triển bởi nhóm nghiên


4

cứu giao thức IP và mật mã hóa của Cisco và Ericsson với tiêu
chuẩn RFC 3711 được công bố bởi IETF vào tháng 3 năm
2004.
1.2.2. Giao thức bảo mật IPSec
Giao thức bảo mật IPSec là giao thức bảo mật lớp mạng.
Giao thức này có thể gửi và nhận những gói (TCP, UDP, ICMP,
…) được bảo vệ bởi các biện pháp mật mã hóa mà không sửa
nội dung của gói . Giao thức này cung cấp khả năng mật mã hóa
giao thức lớp cao hơn và chứng thực mỗi gói IP. Giao thức
IPSec bao gồm quá trình trao đổi khóa, xử lý chính sách bảo
mật, liên kết tính bảo mật và hai giao thức AH (mào đầu chứng
thực) và giao thức ESP (giao thức bảo vệ tải trọng) của gói IP.
1.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuật toán mật mã
khối

1.3.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
Thuật toán mật mã khối là một phần quan trọng trong sản
phẩm mật mã, việc tích hợp thuật toán mật mã khối vào các sản
phẩm mật mã mang lại nhiều lợi ích, đa số các quốc gia và tổ
chức quốc tế rất quan tâm đến việc nghiên cứu phát triển thuật
toán mật mã khối. Tại Mỹ có các thuật toán: AES, DES,.... Tại
Nga: thuật toán mã khối GOST 28147-89.... Tại Nhật, sử dụng
chuẩn mã hóa dữ liệu Camellia. Tại các quốc gia khác, các sản
phẩm bảo mật được phát triển dựa trên thuật toán DES, AES, có
thể có các thuật toán mã khối riêng sử dụng để đảm bảo bí mật


5

thông tin trong an ninh - quốc phòng nhưng được giữ bí mật
không công bố
1.3.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Trong nước hiện nay chỉ có Ban Cơ yếu Chính phủ
nghiên cứu về các thuật toán mật mã khối dùng trong lĩnh vực
an ninh, quốc phòng. Nhà nước ta cũng chưa công bố chuẩn
thuật toán mật mã khối quốc gia sử dụng trong kinh tế - xã hội
mà vẫn sử dụng các chuẩn mật mã quốc tế như AES.
1.4. Hướng nghiên cứu của luận án
Dựa trên các nghiên cứu về thuật toán mật mã khối và
các phương pháp thực hiện thuật toán, chúng ta nhận thấy rằng:
Các thuật toán mật mã hiện nay đang sử dụng để bảo mật cho
dữ liệu thời gian thực trên mạng IP chưa được thiết kế riêng để
phù hợp cho những ứng dụng chuyên biệt như ứng dụng thời
gian thực. Các thuật toán thường được thiết kế cho tích hợp
được cả trên phần cứng và phần mềm nên khi sử dụng các thuật

toán này cho thiết kế các thiết bị mật mã chuyên dụng thì các
thuật toán không chạy với hiệu năng cao nhất. Do đó, làm giảm
chất lượng dịch vụ. Từ đó, luận án tập trung nghiên cứu, phát
triển thuật toán mật mã khối mới có khả năng tích hợp cao trên
các nền tảng phần cứng chuyên dụng FPGA, làm cơ sở để thiết
kế các thiết bị mật mã chuyên dụng để bảo mật dữ liệu thời gian
thực trên mạng IP.
1.5. Một số cơ sở lý thuyết trong phát triển thuật toán mật
mã khối


6

Một số cơ sở lý thuyết : Hàm logic (hàm boole); Mật mã
khối: Phương pháp thiết kế mật mã khối, Tấn công mật mã
khối;
1.6. Nguyên lý thiết kế mạng chuyển vị thay thế điều khiển
được (CSPN)
- Lớp phần tử nguyên thủy mật mã điều khiển được P2/1
- Lớp phần tử nguyên thủy mật mã điều khiển được F2/1
- Lớp phần tử nguyên thủy mật mã điều khiển được F2/2
- Kiến trúc mạng chuyển vị-thay thế điều khiển được Fn/m.
1.7. Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày tổng quan dữ liệu thời gian thực,
về tình hình nghiên cứu thuật toán mật mã khối, các phương
pháp thực hiện thuật toán mật mã khối, một số cơ sở toán học
trong thiết kế thuật toán mật mã khối từ đó xác định hướng
nghiên cứu, xây dựng thuật toán mật mã khối phù hợp, hiệu quả
chạy trên nền tảng phần cứng FPGA nhằm hạn chế ảnh hưởng
của thuật toán mật mã khối vào chất lượng dịch vụ dữ liệu thời

gian thực.
Dựa trên các phân tích tổng quan ở chương 1, đề tài luận án đề
xuất các nội dung nghiên cứu thực hiện tại các chương tiếp theo
như sau:
- Cải tiến độ an toàn của thuật toán mật mã khối Spectr-128
nhằm ứng dụng thuật toán này trong bảo mật dữ liệu thời gian
thực.
- Phát triển họ thuật toán hiệu năng cao trên nền tảng phần cứng
FPGA dựa trên lớp phần tử điều khiển được F2/1 và F2/2.


7

- Đề xuất mới lớp phần tử nguyên thủy mật mã mới F2/4 ; Phát
triển họ thuật toán hiệu năng cao trên nền tảng phần cứng
FPGA dựa trên lớp phần tử này.
- Đề xuất phương án xây dựng lược đồ sinh khóa vòng “cùng
bay” cho họ thuật toán đề xuất nhằm vẫn đảm bảo hiệu năng
cao khi thực hiện thay đổi khóa thường xuyên và chống lại
điểm yếu lớn nhất của các kiểu thuật toán dựa trên CSPN do sử
dụng lược đồ sinh khóa đơn giản.
- Đánh giá hiệu quả thực hiện của thuật toán trên nền tảng phần
cứng FPGA.
- Đánh giá độ an toàn của thuật toán theo tiêu chuẩn NESSIE và
độ an toàn của thuật toán trước các tấn công thám mã tuyến
tính, thám mã vi sai.
Theo xu thế phát triển của thuật toán mật mã khối dựa
trên CSPN, các lớp phần tử nguyên thủy mật mã sử dụng trong
các thuật toán cũng phát triển từ lớp phần tử P2/1, F2/1, F2/2 cho
đến F2/4. Trong đó, các lớp phần tử P2/1, F2/1, F2/2 là các lớp phần

tử có sẵn, được luận án sử dụng trong cải tiến thuật toán đã có
và các thuật toán mới được đề xuất. Còn lớp phần tử F2/4 là lớp
phần tử mới được luận án đề xuất. Để thuận tiện cho việc so
sánh đặc tính mật mã của lớp phần tử mới được đề xuất với các
lớp phần tử đã có, luận án sử dụng một cấu trúc thuật toán
chung cho các họ thuật toán được đề xuất.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP BẢO MẬT
DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRÊN MẠNG IP
2.1. Mô tả thuật toán mật mã khối SPECTR-128


8

2.1.1. Tiêu chí thiết kế
Là thuật toán mật mã khối 128bit phù hợp cho cài đặt
trên phần cứng (FPGA); Thuật toán được xây dựng dựa trên sự
kết hợp của các toán tử DDP (chuyển vị phụ thuộc dữ liệu),
hàm phi tuyến G và dựa trên các toán tử có tốc độ hoạt động
cao; Sử dụng lược đồ khóa đơn giản để làm tăng tốc độ mã hóa
trong trường hợp thường xuyên thay đổi khóa; Các toán tử DDP
được thực hiện với hai CP là nghịch đảo của nhau; Các toán tử
kiểu CP được xây dựng để thực hiện các biến đổi phụ thuộc dữ
liệu (data-dependent transformation) của các khóa vòng [30]
theo trình tự song song với của khối dữ liệu bên nhánh phải.
2.1.2. Mô tả chung thuật toán
SPECTR-128 [32] là một thuật toán mật mã khối với 12
vòng mã hóa và khối dữ liệu 128bit. Sơ đồ chung của thuật toán
mã hóa được mô tả theo công thức sau: Y = Encr(X, K) và
128
X = Decr(C, K), ở đây X là bản rõ, Y là bản mã ( X  Y  {01} ) ,

256
K là khóa bí mật ( K {01} ) , Encr là thủ tục mã hóa, và Decr

là thủ tục giải mã.
2.1.3. Lược đồ khóa
Thủ tục mở rộng khóa Q(e) bao gồm hai khóa con 64bit
(e)
QIT( e ) , QFT
, và

(e)
(e)
12 khóa vòng 256bit Q1  Q12  . SPECTR-128

không sử dụng thủ tục tính toán trước để sinh ra khóa mở rộng
(EK). Các khóa con Ki (i = 1,…,4) sẽ được sử dụng trực tiếp
trong mỗi vòng. Trong mỗi một của 12 vòng, các khóa con
được sử dụng theo các cách khác nhau. Mỗi một khóa con được


9

sử dụng ba lần trong mỗi khóa con hình thức(formal subkey)
A(k) (k = 1,…,4) trong thủ tục Crypt
2.1.4. Biến đổi khởi đầu và kết thúc
Biến đổi khởi đầu (IT) và biến đổi cuối (FT) được định
nghĩa

như

sau:

Y = IT(X,A)

và

Y = FT(X,A)

ở

64
128
đây X Y {01}  A {01} 

2.1.5. Vòng mã hóa Crypt
Thủ tục mã hóa có dạng: R = Crypt (R, L, A(1), A(2), A(3)
and A(4)) ở đây R, L, A(1), A(2), A(3), A(4) {0,1}64. Vì vậy, thủ tục
Crypt biến đổi khối dữ liệu R dưới điều khiển của khối dữ liệu
L và các khóa vòng 256bit.
2.1.6. Hàm phi tuyến G
Định nghĩa ánh xạ G:
{01}64  {01}64  {01}64  {01}64 như
(3)

một

véctơ

(4)

HBY = G(L,A ,A ) trong dạng sau:
( y1 y64 )  ( f1 ( L A(3)  A(4) ) f 64 ( L A(3)  A(4) ))

(2.7)
ở đây fi là các HB sinh ra.
2.1.7. CP P64/192 và P 164/192
Biểu diễn hình thức của biến đổi xuôi P64/192 có dạng như
sau: Y = P64/192(X,V), ở đây X,Y{0,1}64, V{0,1}192, X là giá trị
đầu vào, V là véctơ điều khiển.
2.1.8. Khối mở rộng E
Khối mở rộng E được sử dụng để sinh ra các véctơ điều
khiển 192bit cho các khối dữ liệu đầu vào 64bit. Biểu diễn hình
thức của biến đổi mở rộng như sau:


10

V = (V1, V2, …, V6) = E(U, A) = EA(U),
(2.11)
ở đây V{0,1}192; V1,V2,…,V6{0,1}32; U, A{0,1}64.
2.2. Phân tích độ an toàn của thuật toán SPECTR-128
2.2.1. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã lượng sai
Đặc trưng vi sau sau 12 vòng của thuật toán SPECTR128 sẽ là: P(16)  (1.42-19)6 7.52-114 và vì vậy nó chưa đủ khả
năng khả năng chống lại thám mã vi sai.
2.2.2. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã tuyến tính
Trong trường hợp xấu nhất của khóa mật lựa chọn thì
mười một vòng của SPECTR-128 là đủ để kháng các tấn công
tuyến tính.
2.3. Cải tiến thuật toán mật mã khối SPECTR-128

Cải tiến khối mở rộng trong thuật toán mật mã khối
SPECTR-128 để làm giảm xác suất P(2) xuống khoảng 28

.

Khối mở rộng được mô tả trong bảng sau:
Bảng 2.7. Phân bố các bit của véctơ U
V3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 6 6 3 6 3 3 3 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 V
1

345678901234234056734456789012341

V5 4 5 5 4 6 5 5 6 3 4 5 4 4 4 4 6 4 5 5 3 3 4 4 4 4 5 4 4 4 5 3 V
2

012321671885567949018901283567232

V5 5 4 5 6 4 6 6 3 5 5 5 5 5 3 5 5 4 4 6 4 4 4 5 3 3 3 3 5 5 4 5 V
3

895829433123459476403780456796013

V2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 2 2 1 2 2 2 3 1 8 9 2 1 1 3 2 3 4 5 6 7 1 1 V
4

6789

9078101434521

2560

234


11

V1 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 2 1 1 1 V
5

8901434567890127

0

2325615

V1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 V
012345678901834567290126

6

Thuật toán SPECTR’-128 với 12 vòng mã hóa là đủ để chống
lại các kiểu thám mã lượng sai hiệu quả nhất.
Đối với thám mã tuyến tính:để giảm hơn nữa các tấn công
tuyến tính, sẽ đề xuất sử dụng trong thuật toán sửa đổi
SPECTR’-128 giá trị hằng số C = (101010…10) thay cho khóa
con A(3).
2.4. Đánh giá hiệu quả của thuật toán cải tiến trên FPGA
Các mô hình đánh giá hiệu quả tích hợp của các thuật
toán SPECTR-128 và SPECTR’-128 được thực hiện dựa trên
phụ lục B.

Bảng 2.8. So sánh hiệu quả tích hợp của các thuật
toán trên FPGA
Số
Thuật toán

vòng N

Tài

Tần

Tốc

nguyên

số

độ

(#CLB) (MHz) (Mb/s)

Hiệu quả
Mbps/CLB

SPECTR-128

12

1

2,176

86

917

0.421

SPECTR’128

12

1

2,173

86

917

0.422

SPECTR-128

14

1

2,357

82

750

0.319

AES [15]

10

2

5,302

14.1

300

0.057

AES [15]

10

1

3,528

25.3

294

0.083

AES [16]

10

1

3,552

54

493

0.138


12

Twofish [15]

16

1

2,666

13

104

0.039

Serpent [15]

32

8

7,964

13.9

444

0.056

RC6 [15]

20

1

2,638

13.8

88.5

0.034

2.5. Kết luận chương
Trong chương này, luận án đã đạt được các kết quả chính như
sau:
- Dựa trên các kết quả đánh giá độ an toàn bằng các phân
tích thám mã lượng sai và tuyến tính trên thuật toán
mật mã khối SPECTR-128, đề xuất các phương án cải
tiến của thuật toán này nhằm sử dụng để bảo mật
truyền dữ liệu thời gian thực.
- Chứng minh về độ an toàn trước các kiểu tấn công thám
mã lượng sai và thám mã tuyến tính của thuật toán cải
tiến.
- Thực hiện cài đặt họ thuật toán SPECTR-128 trên
FPGA. Kết quả nhận được đã chứng tỏ, họ thuật toán
này có thể sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng truyền
dữ liệu thời gian thực.
- Kết quả này đã được công bố trong công trình nghiên
cứu số [2].
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MỘT SỐ THUẬT TOÁN MẬT
MÃ KHỐI DỰA TRÊN CÁC LỚP NGUYÊN THỦY MẬT
MÃ F2/1 VÀ F2/2
3.1. Phát triển họ thuật toán mật mã khối tốc độ cao


13

Họ thuật toán đề xuất, được ký hiệu tương ứng như sau:
1).

(2/1)

TMN64 và (2/1)TMN128 là các thuật toán được phát triển

dựa trên lớp CE F2/1; 2).

(2/2)

TMN64 và

(2/2)

TMN128 là các

thuật toán được phát triển dựa trên lớp CE F2/2. Để thuật tiện,
trong quá trình mô tả các thuật toán này sẽ chỉ sử dụng ký hiệu
TMN64 và TMN128.
3.1.1. Họ thuật toán dựa trên CE F2/1
3.1.1.1.Tiêu chí thiết kế
Thuật toán mã khối có chiều dài khối dữ liệu là 64 bit
hoặc 128 bit (TMN64 và TMN128) hiệu quả khi tích hợp lên
phần cứng FPGA, được đánh giá độ an toàn theo một số tiêu
chuẩn trên thế giới, Thay đổi chế độ mã/ giải mã thông qua thay
đổi trình tự sử dụng khóa và sử dụng lược đồ sinh khóa vòng
“cùng bay” (on-the-fly), không cần thay đổi thuật toán (sẽ làm
tăng hiệu quả việc thực hiện tích hợp trên FPGA).
3.1.1.2. Mô tả thuật toán
TMN64 và TMN128 là một họ thuật toán được phát triển
nhằm mục tiêu hoạt động hiệu quả trên nền tảng FPGA và có

khả năng ứng dụng trong bảo mật thông tin cho các ứng dụng
truyền dữ liệu thời gian thực.


14

Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của hai thuật toán (a); sơ đồ một
vòng mã hóa cơ sở của TMN64 (b); sơ đồ một vòng mã hóa
cơ sở của TMN128 (c)
Trong cả hai thuật toán sử dụng CE kiểu (h, g). Bộ phần
tử này được biểu diễn bởi các phương trình như sau:
y1 = x2v  x1  x2;

(3.1)

y2 = x1v  x2 ;

(3.2)

y3 = x1v  x1  x2v.

(3.3)

3.1.1.3. Thiết kế lược đồ khóa
Sơ đồ chung của các thuật toán mã hóa khi sử dụng lược
đồ khóa “cùng bay” được mô tả trên hình 3.8.


15

Hình 3.8. Sơ đồ chung của các thuật toán đề xuất khi
sử dụng
lược đồ khóa vòng “cùng bay”
3.1.2. Họ thuật toán dựa trên CE F2/2
Họ thuật toán này (TMN64 và TMN128), cũng được
thiết kế với cấu trúc tương tự như họ thuật toán dựa trên lớp CE
F2/1. Tuy nhiên vì sử dụng lớp CE F2/2, chúng sẽ đạt các ưu
điểm về tốc độ và độ an toàn tốt hơn so với họ thuật toán sử
dụng CE F2/1.
Họ thuật toán này sử dụng CE kiểu (h, f, e, j). Bộ phần tử
này được biểu diễn bởi các phương trình như sau:
y1 = vzx2  vz  vx1  zx1  z  x1  x2

(3.4);


16

y2 = vzx1 vx1  vx2  zx2  zx1  z  x2 ;
y3 = y1 y2 = vzx1  vzx2  vz  vx2 zx2 x1.

(3.5)
(3.6)

3.1.2.1.Tiêu chí thiết kế
Tương tự họ thuật toán sử dụng CE F2/1.
3.1.2.2. Mô tả thuật toán
Tương tự họ thuật toán sử dụng CE F2/1.
3.2. Phân tích độ an toàn của các thuật toán đề xuất
3.2.1. Phân tích độ an toàn của thuật toán dựa trên F2/1

3.2.1.1. Đánh giá các tiêu chuẩn thống kê
Các kết quả nhận được chỉ ra rằng, sau bốn vòng ảnh
hưởng của các bit bản rõ lên bản mã là đáp ứng tiêu chuẩn đòi
hỏi. Vì vậy, các vòng mã hóa sử dụng trong thuật toán TMN64
và TMN128 là đủ an toàn đối với các phân tích thống kê.
3.3.1.2. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã lượng sai
- Để đảm bảo an toàn trước các kiểu tấn công vi sai, thuật toán
TMN64 cần sử dụng tối thiểu 12 vòng mã hóa.
- Để đảm bảo an toàn trước các kiểu tấn công vi sai, thuật toán
TMN128 cần sử dụng tối thiểu 14 vòng mã hóa.
3.2.2. Phân tích độ an toàn của thuật toán dựa trên F2/2
3.2.2.1. Đánh giá các tiêu chuẩn thống kê
Các kết quả nhận được chỉ ra rằng, sau bốn vòng ảnh
hưởng của các bit bản rõ lên bản mã là đáp ứng tiêu chuẩn đòi
hỏi. Vì vậy, các vòng mã hóa sử dụng trong thuật toán TMN64
và TMN128 là đủ an toàn đối với các phân tích thống kê.
3.3.2.2. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã lượng sai


17

- Để đảm bảo an toàn trước các kiểu tấn công vi sai, thuật toán
TMN64 cần sử dụng tối thiểu 10 vòng mã hóa.
- Để đảm bảo an toàn trước các kiểu tấn công vi sai, thuật toán
TMN128 cần sử dụng tối thiểu 12 vòng mã hóa.
3.3. Phân tích hiệu quả thực hiện của các thuật toán đề xuất
trên FPGA
Các kết quả nhận được được so sánh với hiệu quả cài đặt
của các thuật toán tham dự vòng chung khảo AES [2]. Chúng
đã chứng tỏ rằng, các họ thuật toán đề xuất có tốc độ hoạt động

và hiệu quả tích hợp cao hơn so với các thuật toán chung khảo
AES.
3.3.1. Hiệu quả của thuật toán dựa trên F2/1
Dựa trên các kết quả được mô tả trên bảng 3.10, 3.11,
3.12 và 3.13, có thể nhận thấy rằng tốc độ và hiệu quả tích hợp
của họ các thuật toán đề xuất dựa trên lớp CE F2/1và CE F2/2 là
cao hơn so với các thuật toán tham dự vòng chung khảo AES
[4].
3.4. Kết luận chương
Trong chương này, luận án đã đạt được các kết quả chính như
sau:
- Đề xuất họ thuật toán mật mã khối tốc độ cao (2/1)TMN
dựa trên lớp CE F2/1 và họ thuật toán (2/2)TMN dựa trên
lớp CE F2/2.
- Đề xuất phương án xây dựng lược đồ sinh khóa vòng
“cùng bay”.


18

- Thực hiện đánh giá độ an toàn của các họ thuật toán
này sử dụng tiêu chuẩn thống kê NESSIE và thám mã
lượng sai.
- Thực hiện đánh giá hiệu quả tích hợp của các họ thuật
toán đề xuất trên FPGA.
- Kết quả được công bố trong công trình nghiên cứu số
[4,5,7].
CHƯƠNG 4. PHÁT TRIỂN NGUYÊN THỦY MẬT MÃ
F2/4 VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ THUẬT TOÁN MẬT MÃ
KHỐI

4.1. Phát triển lớp nguyên thủy mật mã F2/4
4.1.1. Xây dựng các CE F2/4
Phần tử điều khiển được F2/4 có đầu vào và đầu ra 2 bit,
và đầu vào điều khiển được 4 bit. Sơ đồ của CE F2/4 được chỉ ra
trên hình 4.1a).

Hình 4.1. Phần tử điều khiển được F2/4 (a) và biểu
diễn nó trong dạng cặp các hàm Boolean (b).


19

y1  (v1  1)(v2  1)(v3  1)(v4  1) f11 ( x1 , x2 ) 
 (v1  1)(v2  1)(v3  1)v4 f1 2 ( x1 , x2 ) 
 (v1  1)(v2  1)v3 (v4  1) f1 3 ( x1 , x2 )  (v1  1)(v2  1)v3v4 f1 4 ( x1 , x2 ) 
 (v1  1)v2 (v3  1)(v4  1) f1 5 ( x1 , x2 )  (v1  1)v2 (v3  1)v4 f1 6 ( x1 , x2 ) 
 (v1  1)v2 v3 (v4  1) f1 7 ( x1 , x2 )  (v1  1)v2 v3 v4 f18 ( x1 , x2 ) 
 v1 (v2  1)(v3  1)(v4  1) f1 9 ( x1 , x2 ) 
 v1 (v2  1)(v3  1)v4 f110 ( x1 , x2 ) 
 v1 (v2  1)v3 (v4  1) f111 ( x1 , x2 )  v1 (v2  1)v3v4 f112 ( x1 , x2 ) 
 v1v2 (v3  1)(v4  1) f113 ( x1 , x2 )  v1v2 (v3  1)v4 f114 ( x1 , x2 ) 
 v1v2 v3 (v4  1) f115 ( x1 , x2 )  v1v2 v3v4 f116 ( x1 , x2 ),
y 2  ( v 1  1)( v 2  1)( v 3  1)( v 4  1)f 21 ( x 1 , x 2 ) 
 ( v 1  1)( v 2  1)( v 3  1) v 4 f 22 ( x 1 , x 2 ) 
 ( v  1)( v  1) v ( v  1)f 3 ( x , x ) 
1
2
3 4
2 1 2
 ( v  1)( v  1) v v f 4 ( x , x ) 

1
2
3 4 2 1 2
 ( v 1  1) v 2 ( v 3  1)( v 4  1) f 25 ( x 1 , x 2 )  ( v 1  1) v 2 ( v 3  1) v 4 f 26 ( x 1 , x 2 ) 
 ( v 1  1) v 2 v 3 ( v 4  1) f 27 ( x 1 , x 2 )  ( v 1  1) v 2 v 3 v 4 f 28 ( x 1 , x 2 ) 
 v 1 ( v 2  1)( v 3  1)( v 4  1) f 29 ( x 1 , x 2 ) 
 v 1 ( v 2  1)( v 3  1) v 4 f 210 ( x 1 , x 2 ) 
 v 1 ( v 2  1) v 3 ( v 4  1) f 211 ( x 1 , x 2 )  v 1 ( v 2  1) v 3 v 4 f 212 ( x 1 , x 2 ) 
 v 1 v 2 ( v 3  1)( v 4  1)f 213 ( x 1 , x 2 )  v 1 v 2 ( v 3  1) v 4 f 214 ( x 1 , x 2 ) 
 v 1 v 2 v 3 ( v 4  1)f 215 ( x 1 , x 2 )  v 1 v 2 v 3 v 4 f 216 ( x 1 , x 2 ).

(4.1)
4.1.2. Phân tích các đặc tính mật mã của các CE F2/4
Trên bảng 4.1 mô tả một tập của các biến thể, chúng phù
hợp với các tiêu chuẩn phi tuyến 1 và 3.
4.1.3. Xây dựng kiến trúc CSPN dựa trên CE F2/4
4.2. Phát triển một số thuật toán mật mã khối tốc độ cao
Trong phần này, luận án sẽ đề xuất một họ thuật toán mật
mã khối mới, chúng được xây dựng dựa trên CE F2/4. TMN64


20

và TMN128 là các thuật toán được phát triển và công bố trong
công trình nghiên cứu số [5].
4.2.1. Tiêu chí thiết kế
Tương tự họ thuật toán sử dụng CE F2/1 , F2/2.
4.2.2. Mô tả thuật toán
TMN64 và TMN128 là các thuật toán được phát triển
nhằm mục tiêu hoạt động hiệu quả trên nền tảng FPGA và có

khả năng ứng dụng trong bảo mật thông tin cho các ứng dụng
truyền dữ liệu thời gian thực.
Chúng là các thuật toán mật mã khối có kích thước khối 64 và
128 bit và khóa bí mật 128 và 256 bit (tương ứng với TMN64
và TMN128) với R vòng mã hóa.
4.2.3. Thiết kế lược đồ khóa
Được thiết kế hoàn giống lược đồ khóa tại mục 3.1.1.3.
4.3. Phân tích độ an toàn của các thuật toán đề xuất
4.3.1. Đánh giá các tiêu chuẩn thống kê
Các kết quả nhận được chỉ ra rằng, sau bốn vòng ảnh
hưởng của các bit bản rõ lên bản mã là đáp ứng tiêu chuẩn đòi
hỏi. Vì vậy, các vòng mã hóa sử dụng trong thuật toán TMN64
và TMN128 là đủ an toàn đối với các phân tích thống kê.
4.3.2. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã lượng sai
- Để đảm bảo an toàn trước các kiểu tấn công vi sai, thuật toán
TMN64 cần sử dụng tối thiểu 6 vòng mã hóa.
- Để đảm bảo an toàn trước các kiểu tấn công vi sai, thuật toán
TMN128 cần sử dụng tối thiểu 8 vòng mã hóa.


21

4.4. Phân tích hiệu quả thực hiện của các thuật toán đề xuất
trên FPGA
Dựa trên các kết quả được mô tả trên các bảng 4.8, 4.9,
4.10 và 4.11, có thể nhận thấy rằng tốc độ và hiệu quả tích hợp
của họ các thuật toán đề xuất dựa trên CSPN là cao hơn so với
các thuật toán tham dự vòng chung khảo AES [2].
4.5. Kết luận chương
Trong chương này, luận án đã đạt được các kết quả chính như

sau:
- Đề xuất việc xây dựng lớp phần tử mới CE F2/4 và
phương thức xây dựng CSPN dựa trên chúng.
- Đề xuất họ thuật toán mật mã khối tốc độ cao (2/4)TMN
dựa trên lớp CE F2/4.
- Thực hiện đánh giá độ an toàn của họ thuật toán này sử
dụng tiêu chuẩn thống kê NESSIE và thám mã lượng
sai. Các kết quả nhận được đã chứng minh rằng đây là
các họ thuật toán đủ an toàn theo một số tiêu chí đánh
giá phổ biến trên thế giới.
- Thực hiện đánh giá hiệu quả tích hợp của họ thuật toán
đề xuất trên FPGA.
- Kết quả được công bố trong công trình nghiên cứu số
[3].
KẾT LUẬN
A. Về những đóng góp mới của luận án:
Các đóng góp mới của luận án bao gồm 4 vấn đề sau:


22

1. Thực hiện đánh giá độ an toàn của thuật toán mật mã
SPECTR-128 và đề xuất cải tiến nâng cao độ an toàn cho thuật
toán này. Kết quả nghiên cứu được phản ánh trong công trình
nghiên cứu số [2].
2. Dựa trên lớp phần tử điều khiển được F2/1 và F2/2, thực hiện
đề xuất các họ thuật toán TMN64 và TMN128 dựa trên các lớp
phần tử này. Các kết quả nghiên cứu được phản ánh trong công
trình nghiên cứu số [4,5,7].
3. Đề xuất mới lớp phần tử nguyên thủy mật mã mới F2/4, Các

kết quả được phản ánh trong công trình nghiên cứu số [3,4,5,7].
4. Đề xuất phương án xây dựng lược đồ sinh khóa vòng “cùng
bay”. Các kết quả được phản ánh trong công trình nghiên cứu
số [4,5,7].
B. Về kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo
Trên cơ sở các nghiên cứu và phân tích trong luận án, hướng
nghiên cứu tiếp theo là:
-

Tiến hành đánh giá độ an toàn của các thuật toán phát
triển dựa trên nhiều kiểu tấn công đa dạng hơn.

-

Đánh giá chi tiết hiệu quả tích hợp của các thuật toán
phát triển thông qua nhiều mô hình thử nghiệm.

-

Nghiên cứu, tích hợp họ thuật toán và nguyên thủy mật
mã mới vào các giao thức bảo mật dữ liệu thời gian
thực, từ đó làm cơ sở thiết kế, chế tạo các thiết bị bảo
mật dữ liệu thời gian thực chuyên dụng dùng trong lĩnh
vực an ninh, quốc phòng.


23

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
[1]. Phạm Mạnh Tuấn “Giao thức bảo mật DG”, Hội nghị toàn

quốc về Điều khiển và Tự động hóa – VCCA-2013.
[2]. Manh Tuan Pham, Lam T. Vu, Moldovyan N.A., Morozova
E.V., Minh N.H., Cuong N.V., Manh T.C., “Security
evaluation of the SPECTR-128 block cipher”, Applied
Mathematical Sciences, Vol. 7, 2013, no. 140, 6945-6960.
[3]. Ho Ngoc Duy, Moldovyan Nikolay, Nguyen Hieu Minh,
Pham Manh Tuan and Tran Thi Ngan, “Controlled
Elements F2/4 as Primitive for Block Ciphers”, 2015
International Conference on Computer Science and
Information Engineering (CSIE 2015), Bangkok, Thailand.
[4]. Tuan Pham Manh, Bac Do Thi, Minh Nguyen Hieu và Nam
Do Thanh “ New block ciphers for wireless mobile
networks”,
in Information

International
and

Conference on

Communication

Advances
Technology

2016 (ICTA 2016).
[5]. Phạm Mạnh Tuấn, Đỗ Thị Bắc, Đỗ Thành Nam, Nguyễn
Hiếu Minh “ Họ thuật toán mật mã khối mới cho các mạng
truyền dữ liệu thời gian thực”, 2016, Tạp chí Khoa học
Công nghệ - Đại học Thái Nguyên.

[6]. Đinh Tiến Thành, Phạm Mạnh Tuấn “ Thực hiện song song
thuật toán AES bằng ngôn ngữ lập trình CUDA trên GPU