Nghiên cứu họ hệ mật WG trong mật mã hạng nhẹ (Luận văn thạc sĩ)

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy TS. Hồ Văn Canh, đã tận
tâm, tận lực hướng dẫn, định hướng cho tôi, đồng thời, cũng đã cung cấp nhiều tài liệu và
tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong Bộ môn Quản lý hệ thống thông
tin và Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
cùng với ban lãnh đạo nhà trường đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức,
kinh nghiệm qúy giá trong suốt quá trình học tập rèn luyện tại trường.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên lớp K22-QLHTTT, nhóm bảo mật UET
đã đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình học tập. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm
và động viên giúp tôi có nghị lực phấn đấu để hoàn thành tốt luận văn này.
Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Tôi rất mong nhận được những sự góp ý quý báu của thầy cô, đồng nghiệp và
bạn bè.
Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc.
Hà Nội, 27 tháng 12 năm 2017
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thuỳ Dung

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam các kết quả đạt được trong luận văn “Nghiên cứu họ hệ mật WG trong
mật mã hạng nhẹ” do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Văn Canh.
Trong toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề được trình bày đều là
những tìm hiểu và nghiên cứu của cá nhân tôi hoặc là trích dẫn các nguồn tài liệu và một
số trang web đều được đưa ra ở phần Tài liệu tham khảo.
Tôi xin cam đoan những lời trên là sự thật và chịu mọi trách nhiệm trước thầy cô và

hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ.
Hà Nội, 27 tháng 12 năm 2017

Nguyễn Thị Thùy Dung

2


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................................ 2
MỤC LỤC.................................................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................................................... 6
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỌ HỆ MẬT WG ............................................................................... 11
1.1 Lịch sử mật mã dòng WG [2], [7] ..................................................................................................... 11
1.2 Cơ sở toán học [6] ............................................................................................................................. 12
1.2.1 Mô đun số học ............................................................................................................................ 12
1.2.2 Nhóm và trường ......................................................................................................................... 12
1.2.3 Trường hữu hạn.......................................................................................................................... 14
1.2.4 Lựa chọn cơ sở ........................................................................................................................... 16
1.2.5 Thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính LFSR [6] ........................................................................... 17
1.3 Họ hệ mật WG [3],[5] ....................................................................................................................... 22
1.3.1 Cơ sở .......................................................................................................................................... 22
1.3.2 Nguyên tắc hoạt động của họ hệ mật WG.................................................................................. 23
1.3.3 Khởi tạo khóa và hoạt động của mật mã .................................................................................... 27
1.4 Phân tích họ hệ mật WG [3],[9] ........................................................................................................ 30

1.4.1 Các thuộc tính ngẫu nhiên của dòng khóa ................................................................................. 30
1.4.2 Chuyển đổi WG ......................................................................................................................... 31
1.4.3 An ninh chống lại các cuộc tấn công ......................................................................................... 31
1.5 Công nghệ RFID và họ hệ mật WG [6], [8]...................................................................................... 34
CHƯƠNG 2 CÁC HỆ MẬT WG-8 VÀ WG-16 ..................................................................................... 37
2.1 Tổng quan hệ mật WG-8 [8] ............................................................................................................. 37
2.1.1 Giới thiệu WG-8 ........................................................................................................................ 37
2.1.2 Thuật ngữ và ký hiệu ................................................................................................................. 37
2.1.3 Đặc tả cấu trúc mật mã dòng WG-8 ........................................................................................... 38

3


2.1.4 Đánh giá các tấn công mật mã dòng WG-8 ............................................................................... 40
2.2 Hệ mật WG-16 [1] ............................................................................................................................ 43
2.2.1 Giới thiệu WG-16 ...................................................................................................................... 43
2.1.2 Thuật ngữ và ký hiệu ................................................................................................................. 44
2.1.3 Đặc tả cấu trúc mật mã dòng WG-16 ......................................................................................... 45
2.1.4 Đánh giá các tấn công mật mã dòng WG-16 ............................................................................. 47
CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN HỆ MẬT WG – UET VÀ CHƯƠNG TRÌNH DEMO............... 50
3.1 Đề xuất cải tiến hệ mật WG-UET ..................................................................................................... 50
3.2 Bài toán và cài đặt chương trình ....................................................................................................... 53
KẾT LUẬN ................................................................................................................................................ 55
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................ 57

4


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của LFSR ................................................................................................................... 17
Hình 1.2 LFSR 3 trạng thái ......................................................................................................................... 18
Hình 1.3 LFSR 4 trạng thái ......................................................................................................................... 19
Hình 1.4 Mạch LFSR 3 bít .......................................................................................................................... 20
Hình 1.5 Đa thức đặc trưng cài đặt LFSR................................................................................................... 20
Hình 1.6 Đa ứng dụng cài đặt LFSR........................................................................................................... 21
Hình 1.7 Cài đặt phép chia LFSR ............................................................................................................... 21
Hình 1.8 Sơ đồ mô tả mật mã WG .............................................................................................................. 23
Hình 1.9 Sơ đồ khối của chuyển đổi WG ................................................................................................... 24
Hình 1.10 Sơ đồ khối cài đặt chuyển đổi WG ........................................................................................... 25
Hình 1.11 Pha khởi tạo khóa của mật mã WG ............................................................................................ 28
Hình 1.12 Hệ thống RFID ........................................................................................................................... 35
Hình 2.1 Pha thực thi của mật mã WG-8 .................................................................................................... 40
Hình 2.2 Pha khởi tạo của mật mã dòng WG-16 ........................................................................................ 45
Hình 2.3 Pha thực thi của mật mã WG-16 .................................................................................................. 47
Hình 3.1 Sơ đồ giao thức xác thực lẫn nhau của RFID sử dụng WG-5 ...................................................... 53

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

1.1 Bảng các tiên đề định nghĩa nhóm.............................................................................................. 13
1.2 Bảng các tiên đề định nghĩa trường ............................................................................................ 13
1.3 Bảng dải tần RFID ...................................................................................................................... 34

3.1 Bảng biểu diễn vi phân trong 22 bước........................................................................................ 51
3.2 Bảng tấn công WG với các cặp khoá/IV có kích thước lớn hơn 80 bít ...................................... 52

6


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

TỪ VIẾT
TẮT

1

WG

2

LFSR

3

TMD

4

ML

5

RF

6

UMTS

7

LTE

8

WGP

9

WGT

10

MLD

11

RFID

12

ISO

13

IEC

14
15
16

EPC
DSS
AES

17

AIDC

18
19
20

PB
NB
LS

TIẾNG ANH
Welch Gong
Linear Feedback Shift Register
Time memory data
Maximum Likelihood
Radio Frequency

Universal Mobile
Telecommunications System
Long Term Evolution
Welch Gong Permutation
Wech Gong Tranformation
Maximum Likelihood Decoding
Radio Frequency Identification
Organization for Standardization
International Electro-technical
Commission
Electronic Product Code
Digital Signature Standard
Advanced Encryption Standard
Automated Identification and
Data Capture
Polynomial basis
Normal basis
Linear span

7

THUẬT NGỮ MẬT MÃ
Thuật toán Welch Gong
Thanh ghi dịch chuyển hồi
quy tuyến tính
Tấn công về các mặt thời
gian, bộ nhớ, dữ liệu
Thuật toán giải mã Maximum
Likelihood
Tần số vô tuyến

Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
Công nghệ Long Term
Evolution
Mô đun hoán vị Welch Gong
Mô đun chuyển đổi Welch
Gong
Giải thuật Maximum
Likelihood Decoding
Công nghệ nhận dạng đối
tượng bằng sóng vô tuyến
Tiêu chuẩn Organization for
Standardization
Tiêu chuẩn International
Electro-technical Commission
Mã sản phẩm điện tử
Chuẩn chữ ký số
Chuản mã hoá nâng cao
Công nghệ nhận dạng tự động
không dây
Cơ sở đa thức
Cơ sở thông thường
Khoảng tuyến tính


21

AI

22

DFT

23
24
25
26

LF
HF
UHF
SHF

Algebraic immunity
Discrete Fourier Transform
Low frequency
High frequency
Ultra-high frequency
Super-high frequency

8

Khả năng miễn dịch đại số
Tấn công Chuyển đổi Fourier
rời rạc
Tần số thấp
Tần số cao
Tần số cực cao
Tần số siêu cao

MỞ ĐẦU
Ngày nay, hội nhập kinh tế sâu rộng đã mang đến cho đất nước Việt Nam cơ hội tiếp
cận với những xu hướng hiện đại của thế giới. Con người dần chuyển sang sử dụng các dịch
vụ thông minh hơn, tiện lợi hơn để đáp ứng các nhu cầu cuộc sống một cách hiện đại nhất, tối
ưu nhất. Công nghệ RFID được hiểu là công nghệ nhận dạng tần số sóng vô tuyến. Công nghệ
này được sử dụng ngày càng phổ biến với nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày từ kiểm
soát hàng hóa, quản lý và chấm công nhân trong các siêu thị, nhận dạng và kiểm soát tại những
bãi gửi xe thông minh, các công ty bảo mật hàng đầu cũng đang sử dụng. Công nghệ này cho
phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát tần số sóng vô tuyến, từ đó con
người có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Đây là một phương pháp nhận
dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc
RFID. Khoảng cách “không tiếp xúc” để tần số sóng vô tuyến tiếp nhận dữ liệu có thể lên tới
hơn 10m. Ngoài ra sự ưu việt của công nghệ này còn thể hiện ở khả năng đọc được thông tin
xuyên qua các môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn và các điều
kiện môi trường thách thức khác mà mã vạch và các công nghệ khác không thể phát huy hiệu
quả.
Công nghệ RFID được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng nhưng mối quan tâm
chính trong công nghệ RFID là bảo mật và riêng tư. Do sự giao tiếp giữa thẻ và đầu đọc
diễn ra thông qua không dây, nghĩa là thông tin trao đổi giữa chúng diễn ra trên một kênh
không an toàn. Nói chung, các kênh truyền thông không an toàn dễ bị phá bởi các loại tấn
công khác nhau. Do đó, khi một người hoặc một đối tượng sở hữu thẻ cần phải được đảm
bảo được sự riêng tư và an ninh dữ liệu trên thẻ. Để khắc phục những mối đe dọa này
trong các thẻ RFID, một trong những giải pháp là triển khai các giải pháp mật mã trong
các thẻ RFID.
Vì cả hai vấn đề bảo mật và riêng tư trong các hệ thống RFID cần phải được giải
quyết bằng các giải pháp mật mã. Đó là một nhiệm vụ đầy thách thức chủ yếu là do môi
trường hạn chế về mặt tài nguyên và truyền thông, dẫn đến chi phí cao hơn. Do những yếu
tố này, việc thiết kế các giải pháp mật mã trong các hệ thống RFID không phải là một
nhiệm vụ dễ dàng. Do đó, việc thiết kế các thuật toán mật mã và các giao thức đã được đề

xuất là mật mã học hạng nhẹ. Để tính đến các yêu cầu nghiêm ngặt của các thẻ RFID như
khu vực, năng lượng và chi phí, việc thiết kế các hệ thống mã đối xứng và bất đối xứng
hạng nhẹ cần phải nằm trong phạm vi hạn chế của RFID. Lợi thế của khoá đối xứng đối
với hệ bất đối xứng là nó có tính toán toán học giới hạn. Cho phép thiết kế phần cứng của
hệ thống khóa đối xứng hiệu quả về mặt diện tích và điện năng để thực hiện chúng trên bất
kỳ nền tảng phần cứng nào. Các nghiên cứu gần đây cho thấy các mật mã dòng yêu cầu ít
tài nguyên tính toán về diện tích, năng lượng và hiệu năng so với mật mã khối và các hàm
9


băm. Trong khi đó, các hệ thống khoá bất đối xứng hay khóa công khai có các phép tính
số học có độ phức tạp trên các trường hữu hạn lớn hơn. Các phép toán này liên quan đến
hàng trăm bit do đó cần một lượng lớn kích thước bộ nhớ để lưu trữ chúng. Do đó, không
tận dụng thiết kế và điện năng tốn nhiều hơn so với các hệ mã hóa đối xứng. Vì vậy, các
hệ mật khóa công khai không được ưa chuộng để sử dụng trong các hệ thống RFID trong
những năm qua.
Họ hệ mật WG được đánh giá là hệ mật có độ bảo mật an toàn cao và hiệu quả hơn
nhiều so với hệ mật mã hạng nhẹ khác. Trong phạm vi luận văn này, tôi đặt ra vấn đề nghiên
cứu ứng dụng mật mã dòng WG vào thẻ RFID nhằm đảm bảo an ninh cho các giao dịch
trên các thẻ.
Mục đích nghiên cứu:
Luận văn đề cập đến việc nghiên cứu chuyên sâu họ hệ mật WG trong mật mã hạng
nhẹ, đánh giá các tấn công đối với các phiên bản gần đây và phát triển ứng dụng vào các
thẻ RFID. Phần lý thuyết trình bày các kiến thức liên quan về họ hệ mật WG, Mật mã dòng
WG-16 và WG-8. Phần thực nghiệm sử dụng cơ sở lý thuyết ở trên cài đặt mật mã WG-5
vào thẻ RFID nhằm đảm bảo an ninh trong thẻ.
2. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
a. Hướng nghiên cứu:
- Thiết kế thuật toán mã hoá WG và đưa ra các đề xuất phù hợp cài đặt trong môi
trường có tài nguyên hạn chế.

- Nghiên cứu tấn công họ hệ mật mã WG.
- Ứng dụng mật mã dòng WG-5 trong hệ thống RFID.
b. Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận văn gồm những chương sau:
Chương 1: Tổng quan họ hệ mật WG
Chương 2: Các hệ mật WG-16 và WG-8
Chương 3: Đề xuất cải tiến hệ mật WG-UET và chương trình demo.

10


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full