Luận án Tiến sĩ: Thuật toán nâng cao bảo mật cho thiết bị trong mạng IoT của Trần Xuân Ban

a BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN XUÂN BAN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN NÂNG CAO KHẢ NĂNG BẢO MẬT CHO CÁC THIẾT BỊ TRONG MẠNG IoT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC HÀ NỘI, 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN XUÂN BAN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN NÂNG CAO KHẢ NĂNG BẢO MẬT CHO CÁC THIẾT BỊ TRONG MẠNG IoT Ngành: CƠ SỞ TOÁN HỌC CHO TIN HỌC Mã số: 9 46 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS NGUYỄN LINH GIANG 2. TS NGUYỄN NGỌC CƯƠNG HÀ NỘI, 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Trần Xuân Ban ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ với đề tài: “Nghiên cứu, phát triển một số thuật toán nâng cao khả năng bảo mật cho các thiết bị trong mạng IoT” tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: - Tập thể giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Linh Giang - Đại học Bách khoa Hà Nội và Thiếu tướng TS Nguyễn Ngọc Cương - Cục trưởng Cục cảnh sát quản lý hành chính về trật tự xã hội (Bộ Công an).

- Tập thể Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo, Viện Công nghệ thông tin. - Các thầy, cô giảng viên tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự và tại các cơ sở đào tạo. - Các đồng nghiệp tại Trường Đại học Kỹ thuật - Hậu cần Công an nhân dân, gia đình và những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án. Tác giả luận án Trần Xuân Ban iii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. ix MỞ ĐẦU.

10 Chương 1 AN TOÀN BẢO MẬT MẠNG INTERNET OF THINGS. Tổng quan mạng Internet of Things và giải pháp bảo mật. Khái quát về mạng Internet of Things và ứng dụng. Nguy cơ mất an toàn trong mạng Internet of Things.

Ứng dụng mật mã nhẹ cho bảo mật trong mạng IoT. Nhận xét các điểm còn tồn tại. Thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính. Cơ sở toán học.

Sinh chuỗi bit bằng thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính. Một số nghiên cứu liên quan. Nhận xét các điểm còn tồn tại. Khóa trong hệ mật mã dòng.

Một số khái niệm. Tạo khóa cho mật mã dòng. Trao đổi khóa cho mật mã dòng. Một số nghiên cứu liên quan.

Nhận xét các điểm còn tồn tại. Tiêu chuẩn đánh giá tính ngẫu nhiên của chuỗi bit. Kết luận chương 1. 53 Chương 2 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN MÃ HÓA NHẸ TRÊN CƠ SỞ THANH GHI DỊCH PHẢN HỒI PHI TUYẾN.

Bảng ký tự sử dụng cho hệ mã hóa. Xây dựng bộ mã biểu diễn ký tự từ điển. Cơ sở toán học. Cấu trúc bộ mã nhị phân 5 bit.

Thuật toán mã hóa dòng nhẹ. Bộ sinh bit giả ngẫu nhiên. Quá trình mã hóa và giải mã. Nhận xét, đánh giá thuật toán.

Kết luận chương 2. 94 Chương 3 ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT TRAO ĐỔI KHÓA. Phương trình đồng dư. Giải phương trình tìm nghiệm.

Nhận xét, đánh giá. Trao đổi khóa. Trao đổi khóa dài hạn. Trao đổi khóa phiên.

Kết luận chương 3. 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 135 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT | Phép toán chia hết || Phép toán OR ≡ Dấu đồng dư ∤ Phép toán không chia hết ⊕ Phép toán XOR 6LoPAN Tiêu chuẩn kỹ thuật được phát triển để hỗ trợ giao tiếp mạng IPv6 trên các mạng không dây với tài nguyên năng lượng và băng thông hạn chế (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) AES Tiêu chuẩn mã hóa mở rộng (Advanced Encryption Standard) CoAP Giao thức mạng dành cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế và hoạt động trong môi trường IoT (Constrained Application Protocol) CSDL Cơ sở dữ liệu DoS Tấn công từ chối dịch vụ (Denial of Service) DTLS Giao thức bảo mật cho việc truyền tải dữ liệu thông qua trên lớp vận chuyển (Datagram Transport Layer Security) FCSR Thanh ghi dịch phản hồi hoán vị vòng (Feedback with Carry Shift Registers) FPGA Mạch logic có thể lập trình được (Field Programmable Gate Array) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) IDEA Thuật toán mã hóa dữ liệu quốc tế (International Data Encryption Algorithm) IDS Hệ thống Phát hiện xâm nhập (Intrusion Detection System) vi IEEE Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) IoT Mạng vạn vật (Internet of Things) ITU Liên minh Viễn thông Quốc tế (International Telecommunication Union) LFSR Thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính (Linear Feedback Shift Register) LoRaWAN Mạng không dây phạm vi rộng (Long Range Wireless Area Network) MAC Truy cập điều khiển Đa phương tiện (Media Control Access) MIT Học viện Công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology) MITM Kiểu tấn công kẻ đứng giữa (Man-in-the-Middle) MQTT Giao thức truyền thông điệp theo mô hình cung cấp/thuê bao cho thiết bị hạn chế (Message Queueing Telemetry Transport) NFC Kết nối môi trường gần (Near-Field Communications) NLFSR Thanh ghi dịch phản hồi phi tuyến (Non-Linear Feedback Shift Register) OAuth2 Giao thức ủy quyền mở được sử dụng để quản lý quyền truy cập và chia sẻ thông tin người dùng giữa các ứng dụng và dịch vụ trực tuyến (Open Authorization 2.0) PRNG Sinh số giả ngẫu nhiên (PseudoRandom Number Generator) RFID Định danh tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification) RSA Thuật toán mã hóa khóa công khai viết tắt 3 chữ cái của 3 nhà khoa học Ron Rivest, Adi Shamir và Leonard Adleman đề xuất thuật toán.

SSL Giao thức bảo mật được sử dụng để thiết lập kết nối an toàn vii giữa máy khách và máy chủ trên mạng (Secure Socket Layer) TA Xác thực tin cậy (Trusted Anthentication) TCP/IP Giao thức điều khiển vận chuyển/Giao thức mạng (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) TLS Giao thức bảo mật mạng được sử dụng để đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn của dữ liệu truyền tải qua mạng trên tầng vận chuyển (Transport Layer Security) Triple DES Tiêu chuẩn mã hóa 3DES (Triple Data Encryption Standard) TRNG Tạo số ngẫu nhiên thực (True Random Number Generation) UDP Giao thức dữ liệu người dùng (User Datagram Protocol) WiMAX Công nghệ truyền thông không dây (wireless) được sử dụng để cung cấp kết nối mạng rộng (broadband) không dây (Worldwide Interoperability for Microwave Access) WLAN Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Yêu cầu bảo mật các lớp trong mạng IoT. Một số nguyên thủy mã nhẹ và nền tảng ứng dụng. Một số hệ mật mã nhẹ dùng riêng.

Một số tiêu chuẩn mã hóa nhẹ. Một số hệ mật mã dòng nhẹ. Trạng thái thanh ghi dịch LFSR với đa thức liên kết bậc 4. Bộ mã nhị phân 5 bit (Bảng mã H).

Bảng từ mã các ký tự trong tập ký tự T. Giá trị các hàm chuyển đổi g1và g2. Bảng vector bit của khóa SK1. Bảng vector bit của khóa 𝑆𝐾2.

Bảng mã nhị phân 5 bit của các mầm khóa 𝑆𝐾1 và 𝑆𝐾2. Giá trị khởi tạo của mỗi thanh ghi LFSR. Giá trị các hàm ψ và φ. Giá trị của vector 𝜆𝑡 và hàm g1().

Bảng giá trị của hàm g2(). Giá trị của các ký tự trong bản mã. Biểu diễn nhị phân của bản mã. So sánh hiệu quả thuật toán tạo chuỗi khóa.

Các nghiệm của bài toán 1. Các nghiệm của bài toán 2. Bảng ma trận B. 120 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.

Mô hình kiến trúc tối thiểu của mạng IoT. Yêu cầu an toàn, bảo mật của mạng IoT. Mô hình hoạt động của mật mã dòng. Mô hình thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính.

Bộ tạo chuỗi kết hợp phi tuyến. Mô hình bộ tạo dãy giả ngẫu nhiên Massey-Rueppel. Sơ đồ hoạt động của các thanh ghi LFSR. Giá trị khởi tạo của các thanh ghi.

Kết quả kiểm tra chất lượng chuỗi bản mã X. Vị trí bit thay đổi giá trị của 𝐶′𝑖. Tính cấp thiết của đề tài luận án Mạng Internet of Things (IoT) phát triển với nhiều hệ sinh thái mới và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống như: giám sát y tế, giám sát điều khiển giao thông, giám sát trong nông nghiệp, đặc biệt là các lĩnh vực an ninh, quốc phòng …Các thiết bị kết nối trong mạng IoT đa dạng về công nghệ và có xu hướng sử dụng những thiết bị hạn chế năng lực tính toán, kích thước nhỏ, năng lượng tiêu thụ ít, được lắp đặt trong những môi trường dễ bị tấn công để đánh cắp thông tin dữ liệu. Các nguy cơ mất an ninh, an toàn và bảo mật của mạng IoT tương tự như trong mạng internet truyền thống [CT2].

Chính phủ nhiều nước trên thế giới đã có những chính sách để thúc đẩy phát triển mạng IoT, bao gồm cả việc đảm bảo an ninh, an toàn cho mạng IoT như: Chính phủ Mỹ ra Điều luật SB-327-California có hiệu lực từ ngày 01/01/2020 quy định về việc ngăn cấm sử dụng mật khẩu mặc định đối với thiết bị IoT có kết nối mạng internet vì tin tặc sử dụng các thiết bị này làm bàn đạp tấn công (Botnet) vào hệ thống mạng máy tính trọng yếu quốc gia; Chính phủ Anh ban hành đạo luật liên quan đến đảm bảo an ninh, an toàn lĩnh vực IoT có hiệu lực từ ngày 21/01/2020 quy định mật khẩu mặc định của thiết bị phải được thay đổi trước khi đưa vào sử dụng, việc cập nhật vá lỗi phần mềm, thông tin các điểm liên lạc phục vụ cộng đồng trong vấn đề bảo mật thiết bị IoT; Chính phủ Nhật Bản đã thực hiện chính sách về an toàn không gian mạng, trong đó chú trọng vào hạ tầng thiết bị IoT và có chiến lược an toàn, an ninh mạng thể hiện trong Luật An toàn, an ninh mạng, đồng thời cũng ban hành các văn bản pháp lý quy định về đảm bảo an toàn, nâng cao uy tín quốc tế về hệ thống mạng IoT từ khâu thiết kế, chế tạo sản phẩm, tạo kết nối giữa các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước để thiết lập các tiêu chuẩn chung về bảo mật IoT.