1
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
Trần Thị Kim Thùy
NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG CHUẨN MẬT MÃ NÂNG CAO
(AES) TRONG XÂY DỰNG HÀM BĂM
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2012
2
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS.NGUYỄN BÌNH
Phản biện 1: …………………………………………………………
Phản biện 2: …………………………..……………………………..
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
3
MỞ ĐẦU
Với tốc độ và khả năng xử lý ngày càng được nâng cao của các bộ vi xử lý hiện
nay, phương pháp mã hóa chuẩn (DES - Data Encryption Standard) đã trở nên không
an toàn trong bảo mật thông tin. Do đó, Viện tiêu chuẩn và công nghệ Hoa kỳ (NIST
- National Institute Standards of Technology) đã quyết định chọn một chuẩn mã hóa
mới với độ an toàn cao nhằm phục vụ nhu cầu bảo mật thông tin liên lạc của Chính
phủ Hoa Kỳ cũng như trong các ứng dụng dân sự. Thuật toán Rijndael do Vincent
Rijmen và Joan Daeman đã được chính thức chọn trở thành chuẩn mã hóa nâng cao
(AES - Advanced Encryption Standard) từ ngày 02 tháng 10 năm 2000.
Ngày nay, ứng dụng của chuẩn mật mã nâng cao đang được sử dụng ngày càng
phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau trên thế giới. Chuẩn mật mã nâng cao không
chỉ đơn thuần là mã hóa và giải mã thông tin mà còn bao gồm nhiều vấn đề khác
nhau cần được nghiên cứu và giải quyết như ứng dụng xây dựng các hàm băm phục
vụ việc chứng thực nguồn gốc nội dung thông tin (kỹ thuật chữ ký điện tử), xác thực
tính nguyên vẹn dữ liệu...
Với sự phát triển ngày càng nhanh chóng của Internet và các ứng dụng giao
dịch điện tử trên mạng, nhu cầu bảo vệ thông tin trong các hệ thống và ứng dụng điện
tử ngày càng được quan tâm và có ý nghĩa hết sức quan trọng. Vì thế việc nghiên cứu
về chuẩn mật mã nâng cao và ứng dụng nó trong các lĩnh vực bảo mật thông tin là rất
cần thiết.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo luận văn được kết
cấu thành 3 chương:
Chương 1: Sơ lược về chuẩn mật mã nâng cao (AES)
Chương 2: Hàm băm mật mã
Chương 3: Ứng dụng chuẩn mật mã nâng cao để xây dựng một vài hàm băm cụ
thể
Trong quá trình thực hiện Luận văn, do thời gian cũng như trình độ của tác giả
có những hạn chế nhất định nên không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận
được sự góp ý của các thầy, cô giáo và các bạn để Luận văn hoàn thiện hơn. Tôi xin
chân thành cám ơn sự hướng dẫn, và giúp đỡ tận tình của GS.TS Nguyễn Bình, các
thầy trong khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm Luận
văn.
4
CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN MẬT MÃ NÂNG CAO
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay với tốc độ và khả năng xử lý của các bộ vi xử lý ngày càng được
nâng cao, phương pháp mã hóa chuẩn DES, Tri DES đã trở nên không an toàn trong
bảo mật thông tin. Vì thế cần nghiên cứu chuẩn mật mã đáp ứng được nhu cầu bảo
mật thông tin, chuẩn mật mã nâng cao AES ra đời.
Sau khi thực hiện hai lần tuyển chọn công khai, có năm thuật toán được vào
vòng chung kết, gồm có: Mars, RC6, Serpent, Twofish và Rijndael. Các thuật toán
này đều đạt các yêu cầu của AES nên được gọi chung là các thuật toán ứng viên AES.
Các thuật toán ứng viên AES có độ an toàn cao, chi phí thực hiện thấp. Tuy nhiên với
thiết kế đẹp và đơn giản thuật toán Rijndael do hai nhà mật mã học người Bỉ thiết kế
đã được chọn là thuật toán của AES.
1.2. Cơ sở toán học của AES
AES sử dụng trường hữu hạn Galois (GF(28) để thực hiện các phép toán: phép
cộng, phép trừ, phép nhân, và phép chia. Các phần tử của trường GF(28) được xem
như là các đa thức.
1.3. Các thuật toán ứng viên AES
1.3.1. Thuật toán Marc
1.3.2. Thuật toán RC6
1.3.3. Thuật toán Rijndael
1.3.4. Thuật toán Serpent
1.3.5. Thuật toán TwoFish
1.3.6. Nhận xét các thuật toán ứng viên AES
Quy trình mã hóa gồm: khởi tạo, phân bố khóa và mã hóa.
Quy trình giải mã gồm: khởi tạo, phân bố khóa và giải mã.
Phân bố khóa được thực hiện dựa trên khóa người sử dụng cung cấp để phát sinh
bộ subkey phục vụ cho việc mã hóa và giải mã.
Dữ liệu vào và ra trong quy trình mã hóa, giải mã là khối dữ liệu 128 bit.
1.4. Mô tả AES theo Rijndael
1.4.1. Đầu vào và đầu ra của phép mã và giải mã
AES là một trường hợp riêng của Rijndael. AES có độ dài khối bằng 128 bit và
hỗ trợ các độ dài khóa bằng 128, 192, hay 256 bit. Đầu vào và đầu ra của Rijndael
được xem như là mảng một chiều của các byte 8bit. Đối với phép mã, đầu vào là khối
rõ và khóa, đầu ra là bản mã. Đối với phép giải mã, đầu vào là khối mã và khóa, đầu
5
ra là khối rõ. Biến đổi vòng của Rijndael và các bước của nó, thao tác trên một kết
quả trung gian, được gọi là trạng thái. Trạng thái có thể được vẽ như là một mảng chữ
nhật các byte với 4 dòng. Số các cột trong trạng thái được ký hiệu bởi Nb và bằng độ
dài khối chia cho 32 (đối với AES thì Nb bằng 4).
1.4.2. Cấu trúc AES
Rijndael là một mã khối khóa - lặp: nó bao gồm việc áp dụng lặp một ánh xạ
vòng trên trạng thái. Số các vòng được ký hiệu bởi Nr và phụ thuộc vào độ dài khối
và độ dài khóa. Hình vẽ 1.8 trên minh họa cấu trúc cơ sở của thuật toán AES.
Hình 1.8: Cấu trúc cơ sở của thuật toán AES
Tầng phi tuyến: Áp dụng song song của các S - box mà có các tính chất phi tuyến
trong trường hợp tồi nhất tối ưu.
Tầng trộn tuyến tính: Đảm bảo khuyếch tán cao qua nhiều vòng
Tầng cộng khóa: Là phép XOR từng bit của Round key và trạng thái trung gian.
Trong thực tế, tầng trộn tuyến tính của Rijndael lại bao gồm hai tầng con, đó là
ShiftRows và MixColumns
1.4.3. Quy trình mã hóa và giải mã
Quy trình mã hóa và giải mã AES sử dụng một hàm lặp là kết hợp của bốn hàm
biến đổi (đơn vị xử lý là byte) sau: 1) biến đổi thay thế byte sử dụng một bảng thế (S-
box), 2) dịch các hàng của mảng trạng thái với số lần dịch của mỗi hàng là khác nhau,
3) kết hợp dữ liệu của mỗi cột trong mảng trạng thái và 4) cộng một khóa RoundKey
vào trạng thái. Giải mã AES bằng cách thực hiện biến đổi ngược của các biến đổi ở