Nghiên cứu giải pháp bảo mật dữ liệu thời gian thực trên mạng IP bằng thiết bị phần cứng chuyên dụng

I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong các công trình trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Nghiên cứu sinh Đỗ Thị Bắc II LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình.

Trước hết, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới các Thầy PGS.TS Lê Mỹ Tú, TS. Vũ Tuấn Lâm, PGS.TS Nguyễn Hiếu Minh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Cho phép nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học của Học viện Kỹ thuật Mật mã, Học viện Công nghệ Bưu chính-Viễn thông, Học viện Kỹ thuật Quân sự. đã có các góp ý quý báu cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án này.

Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Phòng Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Cuối cùng nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong luận án này. Nghiên cứu sinh III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. II MỤC LỤC.

III DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. XII MỞ ĐẦU. XIV Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu.

XIV Mục đích nghiên cứu. XV Nhiệm vụ nghiên cứu. XV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. XVI Phương pháp nghiên cứu.

XVI Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận án. XVI Bố cục của luận án. XVII CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP BẢO MẬT DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRÊN MẠNG IP.

Tổng quan về một số giao thức bảo mật dữ liệu thời gian thực. Giao thức bảo mật truyền thời gian thực SRTP. Giao thức bảo mật IPSec. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuật toán mật mã khối.

Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước. Hướng nghiên cứu của luận án. Một số cơ sở lý thuyết trong phát triển thuật toán mật mã khối.

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. Kết luận chương. CẢI TIẾN THUẬT TOÁN MẬT MÃ KHỐI SPECTR-128 DÙNG CHO BẢO MẬT DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC. Mô tả thuật toán mật mã khối SPECTR-128.

Đặc điểm thiết kế. Mô tả chung thuật toán. Biến đổi khởi đầu và kết thúc. Hàm phi tuyến G.

Khối mở rộng E. Phân tích độ an toàn của thuật toán SPECTR-128. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã lượng sai. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã tuyến tính.

Cải tiến thuật toán mật mã khối SPECTR-128. Đánh giá hiệu quả của thuật toán cải tiến trên FPGA. Kết luận chương. XÂY DỰNG MỘT SỐ THUẬT TOÁN MẬT MÃ KHỐI DỰA TRÊN CÁC LỚP NGUYÊN THỦY MẬT MÃ F2/1 VÀ F2/2.

Phát triển họ thuật toán mật mã khối tốc độ cao. Họ thuật toán dựa trên CE F2/1. Họ thuật toán dựa trên CE F2/2. Phân tích độ an toàn của các thuật toán đề xuất.

Phân tích độ an toàn của thuật toán dựa trên F2/1. Phân tích độ an toàn của thuật toán dựa trên F2/2. Phân tích hiệu quả thực hiện của các thuật toán đề xuất trên FPGA. Hiệu quả của thuật toán dựa trên F2/1.

Hiệu quả của thuật toán dựa trên F2/2. Kết luận chương. PHÁT TRIỂN NGUYÊN THỦY MẬT MÃ F2/4VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ THUẬT TOÁN MẬT MÃ KHỐI. Phát triển lớp nguyên thủy mật mã F2/4.

Xây dựng các CE F2/4. Phân tích các đặc tính mật mã của các CE F2/4. Xây dựng kiến trúc CSPN dựa trên CE F2/4. Phát triển một số thuật toán mật mã khối tốc độ cao.

Tiêu chí thiết kế. Mô tả thuật toán. Thiết kế lược đồ khóa. Phân tích độ an toàn của các thuật toán đề xuất.

Đánh giá các tiêu chuẩn thống kê. Đánh giá độ an toàn đối với thám mã lượng sai. Phân tích hiệu quả thực hiện của các thuật toán đề xuất trên FPGA. Kết luận chương.

107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. i DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. ii PHỤ LỤC. Đánh giá đặc trưng thống kê theo tiêu chuẩn NESSIE.

Mô hình tích hợp mật mã khối trên FPGA. xii VI DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa tiên tiến Application Specific Integrated Vi mạch tích hợp chuyên ASIC Circuit dụng CBC Cipher Block Chaining Chế độ mã xích khối CO Controlled Operator Toán tử điều khiển được Controlled Operational COS Thay thế điều khiển được Substitution CE Controlled Element Phần tử điều khiển được CFB Cipher FeedBack Chế độ mã phản hồi CLB Configurable Logic Block Khối logic lập trình được CP Controlled Permutation Hoán vị điều khiển được data-dependent Controlled Toán tử hai vị trí điều khiển CTPO Two-Place Operation được phụ thuộc dữ liệu CTR Counter mode Chế độ mã đếm Controlled Substitution Mạng chuyển vị thay thế điều CSPN Permutation Network khiển được DA Differential Attack Tấn công vi sai DC Differential Characteristic Đặc trưng vi sai DCA Differential CryptAnalysis Thám mã lượng sai DDO Data Dependent Operation Toán tử phụ thuộc dữ liệu DDP Data Dependent Permutation Hoán vị phụ thuộc dữ liệu DDR Data Dependent Rotation Phép quay phụ thuộc dữ liệu DES Data Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu ECB Electronic Code Book Chế độ mã sách điện tử Field Programmable Gate Mảng cổng lập trình được FPGA Array dạng trường FT Final Transformation Biến đổi cuối Hash-based Message Mã xác thực bản tin dựa trên HMAC- Authentication Code- Secure hàm băm - Thuật toán băm an SHA1 Hash Algorithm 1 toàn 1 IETF Internet Engineering Task Nhóm đặc trách kỹ thuật VII Force Internet IKS Internal Key Scheduling Lược đồ sinh khóa nội vi IL Iterative Looping Chế độ lặp cơ sở IT Initial Transformation Biến đổi đầu Khối thay thế điều khiển KTTĐKĐ được LA Linear Attack Tấn công tuyến tính LC Linear Characteristics Đặc trưng tuyến tính LCA Linear CryptAnalysis Thám mã tuyến tính National Institute of Standards Viện Tiêu chuẩn và Công NIST and Technology nghệ quốc gia Hoa kỳ NewEuropean Schemes for Chuẩn Châu Âu cho Chữ ký NESSIE Signatures, Integrity and số, Tính toàn vẹn và Mã hóa Encryption NL Non Linearity Phi tuyến OFB Output FeedBack Chế độ mã phản hồi đầu ra PE Primitive Element Phần tử nguyên thủy mật mã PP Pipeline Chế độ đường ống toàn phần QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Giao thức truyền dữ liệu thời RTP Realtime Transport Protocol gian thực Giao thức điều khiển giao RTCP RTP Control Protocol thức truyền thời gian thực SAC Strict Avalanche Criteria Tiêu chuẩn thác lũ chặt Switchable Data Dependent Toán tử phụ thuộc dữ liệu SDDO Operation chuyển mạch Switchable Data Driven Hoán vị phụ thuộc dữ liệu SDDP Permutation chuyển mạch Substitution Permutation SPN Mạng hoán vị thay thế Network Secure Real-time Transport Giao thức bảo mật truyền SRTP Protocol thời gian thực Giao thức điều khiển truyền TCP Transmission Control Protocol vận VIII TLS Transport Layer Security Bảo mật lớp vận chuyển TMN Thuật toán phát triển Giao thức gói dữ liệu người UDP User Datagram Protocol dùng VoIP Voice over Internet Protocol Thoại trên giao thức internet XSL eXtended Sparse Linearization Tuyến tính thưa thớt mở rộng IX DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU 1. {0, 1} là tập các véc tơ nhị phân chiều =( , …, ), ∀ = 1. ( )=∑ là khoảng cách Hamming của véc tơ nhị phân U.

Fn/m: phần tử điều khiển được với n bit dữ liệu vào và m bit điều khiển. / : phần tử nghịch đảo của phần tử Fn/m. / : toán tử điều khiển chuyển mạch (e là bit chuyển mạch) của Pn/m. / : toán tử SDDO với e là bit điều khiển chuyển mạch, L là dữ liệu vào của SDDO, Fn/m là phần tử điều khiển được.

L<<<n: phép dịch L sang trái n bit. ( ) ≝ max ∆ (∆ ∆ , ∆ ): là hàm xác xuất vi sai lớn nhất khi (∆ ) = X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2. Mô tả các khóa con cho các vòng mã hóa. Phân bố của các bit của véctơ U.

Các giá trị của xác suất   39. Thay đổi các bit đầu ra gây ra bởi sự thay đổi 1 bit đơn (li=1) tại đầu vào của toán tử. Các giá trị của xác suất. Các giá trị của xác suất.

Phân bố các bit của véctơ U. So sánh hiệu quả tích hợp của các thuật toán trên FPGA. Lược đồ sử dụng khóa trong TMN64 (Với R = 10). Lược đồ sử dụng khóa trong TMN128 (Với R = 14).

Các kết quả đánh giá ảnh hưởng của bit bản rõ lên bản mã (thuật toán TMN64). Các kết quả đánh giá ảnh hưởng của bit bản rõ lên bản mã (thuật toán TMN128). Đặc trưng vi sai của CE F2/1 sử dụng trong các thuật toán đề xuất. Các kết quả đánh giá ảnh hưởng của bit bản rõ lên bản mã (thuật toán TMN64).

Các kết quả đánh giá ảnh hưởng của bit bản rõ lên bản mã (thuật toán TMN128). Đặc trưng vi sai của CE F2/2 sử dụng trong các thuật toán đề xuất. Đặc trưng vi sai của các họ thuật toán phát triển dựa trên CE F2/1 và CE F2/2. Mô tả hiệu quả tích hợp của các họ thuật toán (2/1)TMN trên FPGA trong chế độ vòng lặp cơ sở và đường ống toàn phần.

Mô tả hiệu quả tích hợp của các họ thuật toán (2/2)TMN trên FPGA trong chế độ vòng lặp cơ sở và đường ống toàn phần. Mô tả hiệu quả tích hợp của các họ thuật toán chung khảo AES trên FPGA trong chế độ vòng lặp cơ sở (sử dụng bộ mã nguồn VHDL của NSA). Mô tả hiệu quả tích hợp của các họ thuật toán chung khảo AES Bảng trên FPGA trong chế độ đường ống (sử dụng bộ mã nguồn VHDL của NSA). Giá trị phi tuyến của tập các BF.