Mật mã dữ liệu ảnh ứng dụng kỹ thuật hỗn loạn luận án tiến sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG XUÂN THÀNH MẬT MÃ DỮ LIỆU ẢNH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HỖN LOẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG XUÂN THÀNH MẬT MÃ DỮ LIỆU ẢNH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HỖN LOẠN Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. HOÀNG MẠNH THẮNG HÀ NỘI - 2019 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 PGS. Hoàng Mạnh Thắng. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây.

Các kết quả sử dụng tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà nội, ngày 06 tháng 11 năm 2019. Tác giả Hoàng Xuân Thành LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành được Luận án này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các Thày cô trong Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính, Viện Điện tử–Viễn thông đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận án tiến sĩ tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi gửi lời cám ơn đến người hướng dẫn, PGS.

Hoàng Mạnh Thắng, người chỉ bảo và định hướng cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Xin cám ơn rất nhiều! Hà nội, ngày 06 tháng 11 năm 2019. Mục lục Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH SÁCH HÌNH VẼ vii DANH SÁCH BẢNG x MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HÀM HỖN LOẠN VÀ ẢNH SỐ 7 1.2 Mật mã hiện đại và phân loại.2 Phân loại mật mã .3 Hệ thống hỗn loạn .1 Hệ hỗn loạn liên tục theo thời gian .2 Hệ hỗn loạn rời rạc theo thời gian .4 Hàm hỗn loạn Cat-Hadamard .6 Hàm Skew tent .8 Hàm hỗn loạn không gian-thời gian .4 Các thuộc tính của hàm hỗn loạn phù hợp cho ứng dụng trong mật mã .1 Các thuộc tính cơ bản .2 Các tham số và tính chất của hàm hỗn loạn dùng trong mật mã .5 Tạo chuỗi ngẫu nhiên dùng hàm hỗn loạn .1 Tạo chuỗi bit ngẫu nhiên .2 Tạo chuỗi số giả ngẫu nhiên .6 Ảnh số và các đặc điểm .1 Biểu diễn ảnh số .2 Các đặc trưng của dữ liệu ảnh .26 i Chương 2: MẬT MÃ ẢNH Ở MỨC BIT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HỖN LOẠN 27 2.2 Mô hình mật mã cấu trúc SPN .1 Hoán vị các điểm ảnh sử dụng hỗn loạn .1 Các cơ chế hoán vị dữ liệu cho ảnh.2 Luật hoán vị dựa vào biến trạng thái .3 Luật hoán vị dựa vào đặc tính động của hàm hỗn loạn rời rạc .4 Đánh giá hiệu năng của phép hoán vị .2 Phép thay thế sử dụng hỗn loạn .1 Phép thay thế không tạo ra lan truyền .2 Thay thế có lan truyền .3 Đề xuất các hệ mật mã hỗn loạn làm việc ở mức bit.1 Đề xuất 1: Hệ mật mã dựa trên tác động lên đặc tính động của hàm hỗn loạn .2 Bộ giải mật mã .3 Kết quả mô phỏng .4 Phân tích khả năng bảo mật .5 Kết quả thiết kế mạch cứng .2 Đề xuất 2: Hệ mật mã hỗn loạn cho ảnh ở mức bit .1 Giải thuật mật mã dùng hàm hỗn loạn Cat-Hadamard .2 Giải thuật giải mật .3 Chi phí tính toán .4 Giải thuật phân phối khóa .5 Phân tích khả năng bảo mật .67 Chương 3: PHÂN TÍCH MẬT MÃ HỖN LOẠN CÓ CẤU TRÚC SPN 69 3.2 Một số qui ước trong phân tích mã .3 Mô tả hệ mật mã hỗn loạn được đề xuất bởi W.4 Đề xuất 3: Phân tích hệ mật mã hỗn loạn có cấu trúc SPN với một vòng lặp mã75 3.1 Tấn công lựa chọn bản rõ .1 Tấn công vào quá trình hoán vị .2 Tấn công vào khuếch tán .2 Tấn công lựa chọn bản mã .1 Tấn công quá trình hoán vị ngược .2 Tấn công khuếch tán ngược .3 Ước lượng thời gian tấn công .1 Thời gian tấn công hoán vị .2 Thời gian tấn công khuếch tán.4 Một số bàn luận về tấn công một vòng lặp mã .5 Đề xuất 4: Phân tích mật mã hỗn loạn có cấu trúc SPN với nhiều vòng lặp mã 93 3.1 Giải thuật mật mã và giải mật nhiều vòng lặp mã .1 Nhận diện điểm yếu trong hệ mật mã .2 Khôi phục luật hoán vị .3 Đề xuất phương pháp nâng cao bảo mật cho hệ mật mã.120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 121 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 iii Danh sách các từ viết tắt VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT 1D One-dimention Một chiều tự do 2D Two-dimention Hai chiều tự do AES Advanced Encryption System Hệ mật mã tiên tiến BIC Bit Independence Criteria Tiêu chí độc lập bit đầu ra CCA Chosen-Ciphertext Attack Tấn công lựa chọn bản mã CML Coupled Map Lattice Ghép các hàm hỗn loạn COA Ciphertext-Only Attack Tấn công chỉ có bản mã CPA Chosen-Plaintext Attack Tấn công lựa chọn bản rõ Cdr Ciphertext difference rate Tỷ lệ sai khác giữa các bản mã Cdr Tỷ lệ sai khác giữa hai bản mã thu được (Cdr) DBAP Distance Between Adjacent Pixels Khoảng cách giữa các điểm ảnh lân cận FIPS 199 Federal Information Processing Bản công cố tiêu chuẩn xử lý Standard Publication 199 thông tin liên bang 199 HSV Hue, Saturation, and Value ID Initial for Diffusion Giá trị khởi đầu cho khuếch tán IP Initial Vector/Value Giá trị/vectơ khởi đầu KPA Known-Plaintext Attack Tấn công biết được bản rõ LFSR Linear Feedback Shift Register Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính NIST National Institute of Standards Viện quốc gia về chuẩn và công and Technology nghệ NPCR Number of Pixels Change Rate Tỷ lệ số điểm ảnh thay đổi giá trị PRESENT Mã hạng nhẹ PRESENT PWLCM Piece-wise Linear Chaotic Map Hàm hỗn loạn gồm các đoạn tuyến tính PAPC Percentage of adjacent pixels Phần trăm các điểm ảnh lân cận count PKI Public Key Infrastructure Nền tảng khóa công khai iv PV Primary vertex Điểm sơ cấp RGB Red, Green, and Blue UACI Unified Average Changing Inten- Cường độ thay đổi trung bình sity thống nhất SAC Strict Avalanche Criterion Tiêu chí thác chặt SAFER Secure And Fast Encryption Rou- Hàm mật mã hóa nhanh và an toàn tine SPN Substitution-Permutation Net- Mạng hoán vị-thay thế; cấu trúc work SPN SV Secondary vertex Điểm thứ cấp Attractor Vùng hút Asymmetric Bất đối xứng Avanlanche Hiệu ứng thác lũ, hiệu ứng tuyết lở Back neighbor Lân cận sau Bifurcation Phân nhánh Bitmap Ảnh biểu diễn dưới dạng ma trận các điểm ảnh Back neighbor Lân cận sau Confusion Tính chất lộn xộn Ciphertext Văn bản mã hóa, bản mã Ciphertext word Từ mã Cryptanalysis Thám mã; phân tích mã; phá mã Cryptology Mật mã học Deciphering algorithm Thuật toán giải mã Diffusion Tính chất khuếch tán Enciphering algorithm Thuật toán mã hóa Enciphering key Khóa mã hóa Front neighbor Lân cận trước Histogram Biểu đồ phân bố Inverse permutation Giải hoán vị; Khôi phục hoán vị; Hoán vị ngược Inverse diffusion Giải khuếch tán; Khôi phục khuếch tán; Khuếch tán ngược Main track Đường chính; nhánh chính v Plaintext Văn bản trơn, bản rõ Plaintext Văn bản trơn, bản rõ Plaintext word Từ rõ Private key Khóa mật Public key Khóa công khai Raster Ảnh biểu diễn dưới dạng ma trận các điểm ảnh Side track Đường phụ; nhánh phụ Steganography Phương pháp giấu tin trong ảnh Symmetric Đối xứng Symmetric-key algorithms Thuật toán khóa đối xứng Topologically transitive hay Topo- Cấu trúc đồ hình liên kết logical mixing Watermarking Thủy vân số vi Danh sách hình vẽ 1.1 Phân loại nghiên cứu của mật mã học.2 Mật mã khóa đối xứng và bất đối xứng.3 Phân loại mật mã theo cấu trúc.4 Phân loại theo cơ sở nền tảng.5 Phân loại theo đơn vị dữ liệu được mã hóa.6 Vùng hút của hàm Henon.7 Phụ thuộc điều kiện đầu của hàm Logistic với r = 4, 0.8 Hệ số Lyapunov của hàm Logistic phụ thuộc vào r.9 Đồ hình phân nhánh của hàm Logistic phụ thuộc vào r.10 Phân bố của chuỗi giá trị được tạo từ hàm Logistic.11 Phân bố của chuỗi giá trị được tạo từ hàm Henon với a = 10 và b = 50.12 LFSR thực hiện theo hàm P (x) = x8 + x6 + x5 + x4 + 1.13 Bộ tạo chuỗi số dùng hàm hỗn loạn (nguồn: [1]) .14 Ảnh được biểu diễn dưới dạng véctơ và raster (nguồn: [2]).15 Mô tả các lớp bit của ảnh mức xám 8 bit.16 Hàm tự tương quan của các điểm ảnh trên cùng một dòng điểm ảnh.17 Ảnh các lớp bit.1 Mật mã có cấu trúc SPN dùng hỗn loạn.2 Luật hoán vị và ví dụ hoán vị cho mảng 1D.3 Luật hoán vị ở dạng 2D.4 Ví dụ về ảnh hoán vị dùng ma trận hoán vị tạo ra bởi hàm hỗn loạn.5 Ma trận T và sự khác nhau giữa chúng trong các trường hợp số điểm đầu bỏ đi khác nhau.6 Luật hoán vị dựa trên đặc tính động của hàm hỗn loạn.7 Ánh xạ một-một của hàm.8 Phương pháp đánh giá hoán vị PAPC (nguồn: [3]).9 Phương pháp đánh giá hoán vị DBAP (nguồn: [3]).10 Cấu trúc bộ mật mã đề xuất.11 Cấu trúc khối CPP và CD trong hệ mật mã được đề xuất.12 Cấu trúc của iCD.14 Thiết kế phần cứng của hàm Logistic nhiều vòng lặp.15 Thiết kế phần cứng của khối mở rộng 8 bit thành 32 bit.16 Lưu đồ thực hiện tách 8 bit từ 32 bit đầu vào.17 Lưu đồ thuật toán của khối CPP.18 Cấu trúc mạch điện tử tổng thể của khối CPP.19 Ảnh bản rõ và ảnh bản mã.20 Phân bố giá trị điểm ảnh bản rõ và bản mã.21 Tương quan giữa các ảnh bản rõ và bản mã của 2.22 Cdr của giải thuật đề xuất với ảnh Image1.1 Ảnh RGB được sắp xếp lại thành một ma trận để mật mã.2 Các bước mật mã và giải mật.3 Khôi phục luật hoán vị trong tấn công lựa chọn bản rõ cho vị trí (x0 , y0 ).4 Ví dụ tấn công vào hoán vị.5 Kết quả cuối cùng của luật hoán vị.6 Ví dụ tìm giá trị bit b0 .7 Ví dụ tìm giá trị bit b5 của rand2 (temp2 ).8 Tấn công lựa chọn bản rõ trên ảnh 5 × 5.9 Thủ tục khôi phục lại luật hoán vị trong tấn công bản mã cho điểm ảnh tại vị trí (x0 , y0 ).10 Tấn công hoán vị trong lựa chọn bản mã với kích thước ma trận mở rộng là 10 × 10.11 Tấn công lựa chọn bản mã trên ảnh 5 × 5.12 Mật mã và giải mật. (a) Các bước mật mã, (b) Các bước giải mật.13 Giải mật để khôi phục ac(i).14 Từng bước giải mật mã để chỉ ra điểm yếu với R = 3.15 Phân tích sự lan truyền ảnh hưởng.16 Thủ tục khôi phục bảng tra cứu hoán vị tổng quát dùng trong giải mật.17 Từng bước giải mật để tìm ra điểm yếu.18 Trình bày bảng khôi phục hoán vị.