Luận án tiến sĩ về kiến trúc phần cứng bảo mật AES cho IoT - Đồng Phạm Khôi

Đồng Phạm Khôi GIẢI PHÁP KIÊN TRÚC PHAN CỨNG BẢO MAT AES HIỆU QUÁ CAO, CÔNG SUÁT THÁP DÙNG CHO CÁC THIẾT BỊ INTERNET VAN VAT. LUẬN ÁN TIỀN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2024 Đồng Phạm Khôi GIẢI PHÁP KIÊN TRÚC PHAN CỨNG BẢO MAT AES HIỆU QUÁ CAO, CÔNG SUÁT THÁP DÙNG CHO CÁC THIẾT BỊ INTERNET VẠN VẬT. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9510302.01 LUẬN ÁN TIỀN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Kiém Hùng HÀ NỘI - 2024 Lời cam đoan Tác gia xin cam đoan toàn bộ nội dung trình bày trong luận án và các công trình nghiên cứu là của riêng tác giả và tập thê hướng dẫn khoa học là GS.

Trần Xuân Tú và TS. Nguyễn Kiêm Hùng. Các kết quả nghiên cứu và số liệu trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào trước đó, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 15 tháng 02 năm 2024 Tác giả luận án Đồng Phạm Khôi Lời cảm ơn Đề hoàn thành luận án này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.

Trần Xuân Tú đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Kiêm Hùng, người đồng hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện tử Viễn Thông - Trường Đại học Công nghệ và nhóm nghiên cứu SISLAB, Viện Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Hà Nội đã góp ý, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án tiến sĩ.

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện từ lãnh đạo, chỉ huy các cấp, các phòng ban chức năng của Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga, Bộ Quốc phòng. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã góp ý giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình và những người thân đã chia sẻ và luôn động viên tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành tốt luận án này.

Hà Nội, ngày 15 tháng 02 năm 2024 Tác giả luận án Đồng Phạm Khôi il MỤC LỤC Trang LO1 CaM 0 0n. i LOT CAM ON oes. ii Danh mục các ky hiệu va chữ VIẾT ẶẲ,. VI Danh mục các ký hiệu toán hoc .- -- -- 55 c1 1112119111111 1 91H ng gi ri, Vill Danh mục các Dang oo.

eee eee cscessceecseeesecesecseesseeeseceaeceeessseseseecseeeseseaeeseeeaseeaeengs 1X Danh mục các hình vẽ, đồ thị. TONG QUAN ooieeececcscssssssessessessesessessssscsscsucsscsvssessessesssseessesessessssseesesseaseas 7 1. An toàn va bảo mật thông fIT.-- 5 G13 E119 11930 91111 nh HH ng 8 1. Thuat todn AES.

Trường đại số GF(23) ceeccecccsssesssssesssesssesssessesssessssssusssesssecsuscsesssecsseeseeeses 12 1. SubBytes và InvSubBytes. ShiftRows và InvShIff[ROWS.-- HH HH ng HH HH, 14 1. Mixcolumns và InvMIxColumns.

- - --- cv SH HH HH kh 16 1. Các phương án thực thi AES bang phần cứng. Các tham số đánh giá thiết kế phần cứng AES. Thông lượng và độ trỄ.

- - ¿6 5z SE2E‡EEE2E2EE 2E 22112. Diện tích thực thĩ. Công suất tiêu thụ của mạch tích hợp. Các công trình thực thi chudn mã hóa AES bằng phần cứng.

Kiến trúc thông lượng CaO.--- 2-2 2 +keEE‡EE£EEEEE2EEEEEEEEEEerkerkrrkrek 24 1. Các thiết kế công suất thấp.---¿- + 2 +k+EE+EE+EE2EE2EEEE2EEEEEEEerkrrrrek 25 1. Tối ưu hóa các phép biến đổi của AES.------2-©cc©cc+c+cxerxcres 28 1. Mạng no-ron XUN .-- 2 - 5 x1 E3 ng TH ng ng 29 1.

GiGi thigt oe. Các thế hệ mạng nơ-ron nhân fạO. Mang no-ron ANN va SNN. LH HH HH HH ki 32 11 1.

Các mô hình mạng nO-ron XUNE. Các thuật toán huấn luyện trong mạng no-ron Xung. Truyền thông trong mạng SNN. Điều khiển công suất dựa trên mạng nơ-ron xung.

THIẾT KE PHAN CỨNG DON LOI AES THONG LƯỢNG CAO, ĐỘ 18:11 —. Động lực thiết kế kiến trúc AES thông lượng cao, độ trễ thấp. Khảo sát các kiến trúc phần cứng thực thi bộ mã hóa AES-128. Kiến trúc lặp cơ bản .--- ¿+ + 5E+SE+EE+EEEEEEEEEEEEEE121121121511 1111 x0,42 2.

Kiến trúc mở vòng lặp.----:- ¿+ ¿+ 2+Ek+EE£EEE2EEEEEEEEEE21E2E1 2E crkcrke43 2. Kiến trúc đường Ống.----- 2 ©5£+2+£2EE2EEE2EE2EEE2212112711271 21122. Giới hạn về tần số xung nhịp tối đa của các kiến trúc đường ống. Đề xuất kiến trúc phần cứng đơn lõi A.

Thiết kế phần cứng cho một tầng mã hóa.---2- 22 2z 5+s++zxz2sz+2 52 “nh 0n.-- -- -- + c1 TH TH TH ng 58 2. Kết qua tổng hợp phan cứng và thảo luận. Kết luận chương.----- ¿- 2 + SE9EE9EE+EE2E12E121715711111111121171 111111 x0. THIẾT KÉ PHÀN CỨNG ĐA LÕI MCRYPTCORES THÔNG LƯỢNG 0.

Động lực cho việc thiết kế kiến trúc MCryptCOres. Thiết kế kiến trúc phần cứng đa lõi MCryptCores. Kết quả tong hop phan cứng.----- 2 2 2+ £+E+EE+EE+EEEEEEEEEEEEerEerkerxrrkrex 72 3. Diện tích và công suất tiêu thụ.

Thông lượng của kiến trúc da lõi. Độ trễ của kiến trúc đa lõi .--- ¿St Set St‡EEEEEESEEEEEEEEEEEkeErrrkekrrrrx 75 3. Đề xuất kiến trúc đa lõi tiết kiệm năng lượng. Dé xuất kiến trúc AES-GCM đa lõi.

Kết luận chương.------:- 22 2+Sx+EE+2E2EE2EEEEEE211211271711211211211 111. THIẾT KÉ PHÀN CỨNG ĐA LÕI SPIKE-MCRYPTCORES CÔNG 0v). Động lực cho việc thiết kế kiến trúc SpIke-McryptCores. Kiến trúc Spike-MCTyptCOTes.---¿- 2 5£ E‡EE9EE2EE2EE2E22E2E71 E12 E.

Kiến trúc tổng quan.---- 2-5252 S£+E£+E£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEE2E21 E121 EEEerkrer 89 4. Thiết kế phần mềm cho nền tảng. Kiến trúc phan cứng của nền tang. DEMUX và MX.- -- Sà n1 TT TH HH HH HH HH nh 100 4.

Bộ điều khiển SNN. Kiến trúc phần cứng cho SNN. Phương pháp đánh 914 oo. Đánh giá kết quả phan cứng.

Đánh giá kết quả huấn luyện. Đánh giá hiệu năng của SNN Controller.-- --‹---s++-sx+<++sesssz 110 SN on. Kết luận chương.-¿--2¿ 2 s+Sx+EE2EE2EEEEEEEEEEE12117171121121171 11.211 rxeE 116 KẾT LUẬN VA HƯỚNG PHAT TRIẺN.----ccc¿-+ccvvc+secrxverrrrrrrerrre 118 DANH MỤC CÔNG TRINH KHOA HỌC CUA TÁC GIẢ. 122 Phụ lục A: Mô tả các kịch bản dữ liệu.

---- 5 5S 2<E S322 ** S2 vsezeeeerrreeeee 131 Phu lục B: Mã nguồn phần mềm va phan cứng .1: Mã nguồn phần mềm Python.2: Mã nguồn phần cứng VHDI. -- 2© ESE+SE£EE+EE2E££E£EEeEEeEEEEEEEErEerrerreei 134 Danh mục các ký hiệu và chữ viet tắt Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AER Address-Event-Representation Biéu dién Su kién-Dia chi AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuân mã hóa tiên tiễn AESC Advanced Encryption Standard Lõi AES Core ANN Artificial Neural Network Mang no-ron nhan tao ASIC Application-Specific Integrated Vi mach tich hop chuyén dung Circuit BP Backpropagation Lan truyền ngược CAD Computer-Aided Design ¬ ke được sự hồ trợ của máy CAM Content-Addressable Memory Bộ nhớ địa chỉ-nội dung cmos — | Complementary Semiconductor Metal-Oxide- Bán dẫn kim loại ô-xít bù CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm CTR Counter mode Chê độ đếm DEMUX _ | Demultiplexer Bộ phân kênh DES Data Encryption Standard Tiêu chuân Mã hóa Dữ liệu DSEL Demultiplexer select Tin hiệu Lựa chon phan kênh DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số DVES Dynamic Voltage-Frequency Điều khiến tỷ lệ tần s6-dién áp Scaling động ECB Electronic Code Book S6 mã điện tử EPROM Erasable Programmable Read Only Bo nhớ chỉ đọc có thê xóa và lập Memory trình lại FDSOI — | Fully Depleted Silicon on Insulator |chât FCOn cạn kiệt hoàn toàn trên cách điện FE Flip-flop Thanh ghi FIFO First In, First Out Vào trước, ra trước Federal Information Processing Tiêu chuân xử lý thông tin liên FIPS Standard bang FPGA Field Programmable Gate Array Mang phân tử lô-gic có the tái lập trình GCM Galois/counter mode Ché độ Galois/counter GF Galois field Truong Galois GPU Graphics Processing Unit Bộ xử ly đồ họa vi Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Institute of Electrical and IEEE Electronics Engineers Hiệp hội Kỹ sư Điện va Điện tử loT Internet of Things Internet vạn vật IP Intellectual Property Sở hữu tri tuệ OWASP Open Web Application Security Du án Bảo mật Ứng dung Web Project Mo LIF Leaky-Integrated-and-Fire M6 hinh no-ron LIF LUT Look up Table Bang tra cứu MAC Media Access Control Kiém soát truy cập phương tiện MAC Multiply-and-Accumulate Bộ Nhân và Cộng MIB Management Information Base Co sở thông tin quản ly MSEL Multiplexer select Tín hiệu lựa chon ghép kênh MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NIST National Institute of Standards and Vien Tiêu chuẩn và Công nghệ Technology Quôc gia Hoa Ky PE Processing Element Don vi xu ly PID Proportional Integral Derivative a khiên vi phân, tích phan, ty PQT Post-Training-Quantization Lượng tử hóa sau khi huan luyện RFID Radio Frequency Identification Nhận dang qua tan số vô tuyến ROM Read-Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc RTL Register-transfer Level Mức truyền thanh ghi SDSP Spike Driven Synaptic Plasticity — | P*n hồi khớp thân kinh theo xung SNN Spiking Neuron Network Mang nơ-ron mô phỏng não bộ SP Substitution - permutation Thay thé - hoán vi SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy xuat ngẫu nhiên tĩnh STDP Spike-Timing Dependent Plasticity | Đàn hôi xung theo thời gian TCVN Vietnamese standards Tiêu chuân Việt Nam VHDL Very High-Speed Integrated Circuit |Ngôn ngữ mô tả phan cung cho Hardware Description Language vi mach tich hop toc d6 cao VLSI Very Large-Scale Integration Vi mach tích hợp cỡ lớn Vil Danh mục các ký hiệu toán học Ký hiệu Ý nghĩa GF (2°) Trường dai số hữu han Galois Tp Thông lượng mã hóa/g1ải mã Lt Độ trễ mã hóa/giải ma Bs Kích thước khối dữ liệu đầu vào Ns Số lượng khối di liệu đầu vào được xử lý đồng thời Cer Dién dung hiéu dung Vaa Điện áp nguồn nuôi Tse Dòng điện ngắn mach Ty Chu kỳ xung nhịp của kiến trúc lặp cơ bản Bs Kích thước khối mã K Hệ số mở vòng lặp k Số tầng đường ống trong một vòng mã hóa Kopt Số tang đường ống tối ưu trong một vòng mã hóa Tạp Thông lượng của kiến trúc đường ống toàn phần Ltfp Độ trễ của kiến trúc đường ống toàn phan Lt pax Độ trễ tối đa ky Số tầng đường ống tối đa đu Tần số hoạt động lớn nhất của thiết kế Vi [7] „„ Điện thế màng trước khi kích hoạt của nơ-ron i ở lớp / tại thời điêm ¢ Vị [rÌ,„. Điện thế màng sau khi kích hoạt của nơ-ron ¿ ở lớp / tại thời điêm / w. Trọng số khớp thần kinh giữa nơ-ron j phía trước và no-ron i ` phía sau V threshold Điện thế ngưỡng màng tế bào Vili Danh mục các bảng Bang 1.

Các đặc tính khi thực hiện mã hóa trên ASIC, FPGA và vi xử lý [23]. Tông hợp các thiết kế AES có thông lượng cao. Các công trình thực thi AES công suất thấp. Các công trình thực thi S-Box sử dụng công 16-gic cơ bản.

Danh sách các tín hiỆU.-- -- + + 2E %3 E31 11 1E vn tr 52 Bang 2. Kết quả tổng hợp phan cứng với các chu kỳ xung nhịp khác nhau. Kết quả thực thi phần cứng.----- + + ° E+SE+EE+EE+EE+EE£E£Eerkerkerkrrkrree 62 Bảng 2.