Giải thuật Advanced Encryption Standard: Nghiên cứu mã hóa văn bản mật tại trường Cao đẳng Công nghệ Đông Á

- 1 -

B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO

ĐI HC ĐÀ NNG

NGUYN VĂN MINH

NGHIÊN CU GII THUT

ADVANCES ENCRYPTION STANDARD MÃ HÓA

VĂN BN MT TI TRƯNG CAO ĐNG

CÔNG K NGH ĐÔNG Á

Chuyên ngành: KHOA HC MÁY TÍNH

Mã s: 60.48.01

TÓM TT LUN VĂN THC SĨ K THUT

Đà Nng - Năm 2011

- 2 -

Công trình ñưc hoàn thành ti

ĐI HC ĐÀ NNG

Ngưi hưng dn khoa hc: TS. NGUYN THANH BÌNH

Phn bin 1: PGS.TS. VÕ TRUNG HÙNG

Phn bin 2: TS. TRƯƠNG CÔNG TUN

Lun văn ñưc bo v trưc Hi ñng chm Lun văn tt

nghip thc sĩ k thut hp ti Đi hc Đà Nng vào ngày 15

tháng 10 năm 2011

Có th tìm hiu lun văn ti:

- Trung tâm Thông tin - Hc liu, Đi hc Đà Nng

- Trung tâm Hc liu, Đi hc Đà Nng

- 3 -

M ĐU

1. Lý do chn ñ tài

Ngày nay vi s xut hin ca máy tính, các tài liu văn bn giy t và

các thông tin quan trong ñu ñưc s hóa và x lý trên máy tính, ñưc

truyn ñi trên mt môi trưng mà mc ñnh là không an toàn. Do ñó yêu c u

v vic có mt cơ ch", gii pháp ñ# bo v s an toàn và bí mt ca các

thông tin nhy cm, quan trng ngày càng tr$ nên cp thi"t.Vic bo v d%

liu là vn ñ mà tt c nh%ng ai s d&ng máy tính quan tâm. D% liu ca

m'i ngưi dùng có th# khác nhau t( các tp tin văn bn ñ"n các chương

trình máy tính hoc các d% liu rt quan trng như tài khon trong ngân

hàng, bí mt quc gia. Tùy theo t m quan trng ca tài liu mà ngưi dùng

la chn các phương pháp khác nhau. Trong ñó, ñm bo tính bo mt ni

dung ca tp tin là c n thi"t. Vì vy, các tp tin sau khi to c n ñưc mã hóa

nh)m tăng tính bo mt và ñ an toàn ca d% liu. Mã hóa ñưc xem là m*c

bo v ti ưu nht ñi vi d% liu giúp thông tin không b l và nâng cao ñ

an toàn trong các giao dch truyn ti thông tin.

Mt mã hc – Cryptography (hay crypto) – ngành khoa hc nghiên c*u

v vic giu thông tin. C& th# hơn, mt mã hc là ngành hc nghiên c*u v

nh%ng cách chuy#n ñ+i thông tin t( dng "có th# hi#u ñưc" (bn rõ –

plaintext) thành dng "không th# hi#u ñưc" (bn mã – ciphertext) và

ngưc li. Mt mã hc giúp ñm bo tính bí mt ca thông tin – thông tin

ch, ti"t l cho nh%ng ai ñưc phép; tính toàn v-n – thông tin không th# b

thay ñ+i mà không phát hin; tính xác thc – ngưi g$i hoc ngưi nhn có

th# ch*ng minh ñúng h; ñm bo tính không chi b., t*c là ngưi g$i hoc

nhn sau này không th# chi b. vic ñã g$i hoc nhn thông tin.

Trên thc t" ñã có nhiu phương pháp mã hóa và các thut toán tương

*ng vi m'i phương pháp ñưc *ng d&ng ñ# mã hóa thông tin như phương

pháp mã hóa ñi x*ng vi các thut toán Data Encryption Standard – DES,

- 4 -

Triple DES, Advanced Encryption Standard – AES; phương pháp mã hóa

bt ñi x*ng vi khóa công khai gm các thut toán n+i ti"ng: Diffle-

Hellman, RSA... Trong các thut toán k# trên, AES còn ñưc bi"t vi mt

tên gi khác là thut toán Rijndael do hai tác gi Vincent Rijmen, Joan

Daeman ñ ngh và ñưc Vin tiêu chu/n và công ngh quc gia Hoa Kỳ -

NIST (National Institue of Standards and Technology) chn làm chu/n mã

hóa nâng cao trong công báo FIPS PUB 197. AES ñưc ñánh giá là mt

thut toán tiên ti"n áp d&ng rng rãi trong các h thng khác nhau t( các th1

thông minh cho ñ"n các máy tính cá nhân k# c ph n c*ng và ph n mm.

Trong phm vi ca trưng Cao ñ2ng công k ngh Đông Á có rt nhiu

tài liu quan trng c n ñưc lưu gi% bí mt. Đi#n hình là các ñ thi tt

nghip cui khóa kèm ñáp án, h sơ sinh viên, các công trình nghiên c*u

khoa hc, các ñ án chưa ñưc công b. Công tác ñm bo bí mt cho các

tài liu ca nhà trưng hin chưa ñưc quan tâm ñúng m*c. Do ñó, vi

nh%ng k thut tinh vi, li d&ng các l' h+ng ca h thng, ti phm có th#

d3 dàng ti"p cn các thông tin mt ñó.

2. Mc ñích nghiên cu và kt qu ñt ñư c

Xut phát t( cơ s$ phân tích, tôi chn ñ tài "Nghiên cu gii thu!t

Advances Encryption Standard mã hóa văn bn m!t ti trư"ng Cao

ñ#ng công k$ ngh% Đông Á" nh)m nghiên c*u gii thut mã hóa ñi x*ng

Advanced Encryption Standard - AES ñ# ñưa ra mt phương pháp mã hóa

tp tin ti ưu và xây dng h thng mã hóa các tài liu mt ñm bo ñ an

toàn ca d% liu, tin cy, bí mt ca tài liu.

M&c ñích ca tác gi là tìm hi#u và nghiên c*u sâu các lý thuy"t liên

quan ñ"n mã hóa d% liu, so sánh các ưu ñi#m, nhưc ñi#m ca mt s thut

toán hin ti, ñng thi nêu ra các *ng d&ng ñi#n hình liên quan ñ"n các

thut toán trên. Trong ñó, tôi tp trung nghiên c*u sâu gii mã hóa d% liu

tiên ti"n nht hin hay, AES, và mt s cơ ch" mã hóa tp tin ñã có ñ# t( ñó

ñưa ra mt gii pháp mã hóa tp tin ñm bo các tính cht, ñc ñi#m ca

vn ñ bo mt thông tin.

- 5 -

3. Phương pháp và phm vi nghiên cu

Da trên cơ s$ thu thp các tài liu liên quan ca các tác gi trong và

ngoài nưc ñ# tìm hi#u và phân tích các thông tin liên quan ñ"n lun văn.

Nghiên c*u và cài ñt gii thut AES trên môi trưng Windows. Sau ñó,

ki#m th và ñánh giá k"t qu.

Đ tài ch, nghiên c*u *ng d&ng mã hóa các văn bn quan trng ti

trưng Cao ñ2ng Công K Ngh Đông Á.

4. C'u trúc c(a lu!n văn

Cu trúc ca ñ tài ñưc t+ ch*c thành 03 chương.

Chương 1. T+ng quan mã hóa thông tin

Chương 2. Thut toán Advanced Encryption Standard

Chương 3. 4ng d&ng thut toán Advanced Encryption Standard mã hóa

các văn bn mt trong trưng Cao ñ2ng công k ngh Đông Á

CHƯƠNG 1. T)NG QUAN MÃ HÓA THÔNG TIN

Chương 1 này tp trung nghiên c*u mt s lý lun, các cơ s$ lý thuy"t

v mt mã hc ñng thi gii thiu mt s thut toán ph+ bi"n.

1.1. Các khái ni%m

1.1.1. Mt mã hc

Đnh nghĩa 1.1:

Mt mã hc là nghiên cu các thut toán liên quan ñn khía cnh bo

mt thông tin như thông tin mt, ràng buc d liu, chng thc thc th,

chng thc ngun gc d liu Error! Reference source not found..

Mt s khái nim trong mt mã hc gm: Mã hóa (encrypt hay

encipher), Gii mã (Decrypt hay decipher), Bn rõ (Plaintext), Cipher (hay

cypher), Khóa (Key).

1.1.2. H mt mã (Crypto System):

Đnh nghĩa 1.2:

Mt h mt mã là b 5 (P,C,K,E,D) thõa mãn các tính cht sau:

1. P là không gian bn rõ: là tp hu hn các bn rõ có th có.

- 6 -

2. C là không gian bn mã: là tp hu hn các bn mã có th có.

3. K là không gian khóa: là tp hu hn các khóa có th có.

4. Đi vi mi k

∈

K, có mt quy tc mã hóa e

∈

E và mt quy tc gii

mã tương ng d

∈

D. Vi mi e

: P → C và d

: C → P là nhng hàm

mà d

(x))=x cho mi bn rõ x

∈

P. Hàm gii mã d

chính là ánh x

ngưc ca hàm mã hóa e

1.1.3. Nguyên tc Kerckhoffs

Mt h mt mã s ñưc an toàn ngay c khi tt c mi th trên h

thng ñó là công khai ngoi tr khóa (key).

"Thut toán mã hóa ñưc to ra không cn phi gi bí mt, có th ñưc

công b công khai, rơi vào tay quân ñch mà không có bt kỳ s phi n phc

nào c".

1.2. Tính ch't c(a mã hóa thông tin

Mã hóa thông tin phi ñm bo các tính cht sau: Tính bí mt

(Confidentiality), tính xác thc (Authentication), tính toàn v-n (Integrity),

tính không th# chi b. (Non-repudation).

1.3. Đ* an toàn c(a h% m!t mã

Đ an toàn ca thut toán ph& thuc vào ñ ph*c tp ca nó. Các y"u

t xem xét thut toán an toàn là chi phí hay phí t+n; thi gian c n thi"t ñ#

phá v5; lưng d% liu ñ# phá v5.

Có hai phương pháp ñưc Claude Shannon trình bày vào năm 1949 ñ#

ñánh giá ñ an toàn ca mt h mt mã.

1.3.1. Đ an toàn tính toán:

1.3.2. Đ an toàn không ñiu kin

1.4. Các phương pháp mã hóa

1.4.1. Mã hoá c ñin (Classical cryptography)

Phương pháp này là tin thân ca các phương pháp mã hóa ñi x*ng

ngày nay. Có hai phương pháp n+i bt ñó là: Mã hoá thay th (Substitution

Cipher), Mã hoá hoán v (Transposition Cipher)

- 7 -

1.4.2. Mã hoá ñi xng (Symetric cryptography)

Mã hoá ñi x*ng s d&ng cùng mt khoá cho c hai quá trình mã hoá

và gii mã. Mã hoá ñi x*ng có th# tác ñng trên bn rõ theo t(ng nhóm bit

hay theo t(ng bit mt.

1.4.3. Mã hoá bt ñi xng (Asymetric cryptography)

Mã hóa bt ñi x*ng ñưc thi"t k" sao cho khoá s d&ng trong quá trình

mã hoá khác bit vi khoá ñưc s d&ng trong quá trình gii mã. Tt nhiên

không th# suy lun khóa gii mã t( khóa mã và ngưc li. Khoá ñ# mã hoá

ñưc gi là khóa công khai (Public Key), khoá ñ# gii mã ñưc gi là khóa

bí mt (Private Key).

1.4.4. H thng mã hoá khoá lai (Hybrid Cryptosystems)

H thng mã hoá khoá lai ra ñi là s k"t hp gi%a tc ñ và tính an

toàn ca hai h thng mã hoá $ trên.

1.5. ng dng c(a mã hóa thông tin

Mã hóa thông tin ñưc *ng d&ng trong rt nhiu lĩnh vc c v ph n

c*ng và ph n mm.

1.6. Gi+i thi%u m*t s, gii thu!t mã hóa tiên tin.

1.6.1. Các h mã khi

Các h mã khi da trên cơ s$ làm vic vi các khi d% liu là các

chu'i bit có kích thưc khau nhau (ti thi#u là 64bit), khóa ca h mã hóa

cũng là mt xâu bit có ñ dài c ñnh.

Mt s gii thut ñưc s d&ng khá ph+ bi"n là DES, Triple DES

(3DES), AES.

1.6.1.1. Mã hóa d DES

DES (Data Encryption Standard) là thut toán mã hóa vi d% liu ñ u

vào và ñ u ra là mt khi 64 bit vi ñ dài khóa 64 bit (trong ñó 8 ñưc

dùng ñ# ki#m tra tính chn l1). Thut toán thc hin 16 vòng vi 16 khóa

(48bit) ñưc sinh ra trong m'i vòng.

Quá trình gii mã ñưc di3n ra tương t nhưng vi các khóa con *ng

d&ng vào các vòng trong theo th* t ngưc li

- 8 -

Thut toán DES bc l mt s ñi#m y"u mà nh%ng k1 li d&ng nó ñ#

thám mã.

1.6.1.2. Triple DES (3DES)

Triple DES tht cht là mã hóa theo DES ba l n vi khóa K

, K

cho m'i l n.

1.6.1.3. Chu!n mã hóa cao cp AES

AES là mt chu/n mã hóa cao cp vi khóa bí mt cho phép x lý các

khi d% liu ñ u vào có kích thưc 128 bit và s d&ng các khóa có ñ dài

128, 192, 256 bit.

1.6.2. Các h mã hóa công khai

1.6.2.1. Khái nim

Mã hoá b"ng khoá công khai là phương thc ñưc thc hin trên hai

khóa, mt ñưc dùng ñ mã hóa (ñưc gi là khóa công khai – public key)

và mt khóa ñưc dùng trong quá trình gii mã (gi là khóa bí mt –

private key). Khóa gii mã không th tính toán ñưc t khóa mã hóa.

1.6.2.2. Thut toán RSA

1.6.2.3. H mt mã da trên các ñư#ng cong Elliptic

Thut toán mã hóa s d&ng ñưng cong elliptic da vào ñ ph*c tp

ca bài toán logarit ri rc trong h thng ñi s. Mt ñưc cong Elliptic là

mt ñưng cong to ra b$i mt phương trình dng mu

Thut toán mã hóa da trên ñưng cong Elliptic (ECC) thc hin vic

mã hoá và gii mã da trên ta ñ ca các ñi#m da trên ñưng cong

Elliptic.

1.6.3. Hàm băm

Hàm băm là hàm toán hc chuy#n ñ+i mt thông ñip có ñ dài bt kỳ

thành mt dãy bit có ñ dài c ñnh. Mi thay ñ+i dù là rt nh. trên thông

ñip ñ u vào ñu làm thay ñ+i giá tr băm ca nó.

1.7. Kt chương

Chương 1 ñã nêu ra ñưc mt s lý lun v mt mã hc cũng như các

*ng d&ng ca nó trong các lĩnh vc khác nhau cũng như gii thiu cơ bn

mt s phương pháp mã hóa ñã và ñang ñưc các nhà khoa hc nghiên c*u

- 9 -

ñng thi trình bày nguyên t7c hot ñng cũng như nêu ra các ưu và nhưc

ñi#m ca m'i gii thut.

CHƯƠNG 2. THUT TOÁN

ADVANCED ENCRYPTTION STANDARD

Chu/n mã hóa AES cho phép x lý các khi d% liu ñ u vào có kích

thưc 128 bit s d&ng các khóa có ñ dài 128, 192 hoc 256 bit vi các tên

gi là AES-128, AES-192 hay AES-256. Chương này tp trung ñc t chi

ti"t thut toán.

2.1. Các thu!t ng-

2.2. Các ký hi%u và qui ư+c.

2.2.1. Các hàm, ký hiu và tham s ca thut toán

2.2.1.1. Các ký hiu phép toán:

Phép nghch ño bit (⊕-XOR), phép nhân ña th*c (⊗), phép nhân trên

trưng h%u hn (•).

2.2.1.2. Các tham s ca thut toán:

2.2.2. Các quy ưc

2.2.2.1. Đu vào, ñu ra

Đ u vào (Input) và ñ u ra (Output) ca thut toán AES là các dãy nh

phân 128 bit ñưc ñánh s th* t t( 0, còn ñưc gi là các khi (block).

Khóa mã dùng tho thut toán AES là mt dãy nh phân có ñ dài 128, 192

hay 256 bit.

2.2.2.2. Đơn v Byte:

Byte là mt dãy 8 bit ñưc bi#u di3n dưi dng các bit nh phân theo

th* t {b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1, b0} hoc bi#u di3n trên trưng h%u hn

b)ng ña th*c:

∑

hoc b)ng 2 ký t trong h Hexa. Mt s phép toán

trên trưng h%u hn còn ñòi h.i thêm mt bit (b

) vào bên trái ca mt byte

8 bit, ký hiu là {01}.

- 10 -

2.2.2.3. Mng Byte

Các mng byte ñưc bi#u di3n theo dng sau: a0 a1 a2 … an-1 (vi

n=16, 24 hay 32 tùy thuc vào ñ dài ca d% liu ñ u vào là 128 bit, 192 bit

và 256 bit).

2.2.2.4. Mng trng thái (State)

Mng trng thái là mt mng hai chiu gm 4 hàng, Nb ct, ký hiu là s

ñưc dùng ñ# lưu tr% giá tr trung gian trong m'i bưc ca quá trình x lý

B7t ñ u ca phép mã hóa hay gii mã là vic sao chép mng các byte

in0, in1, in2, …, in15 ñ u vào vào mng trng thái s theo công th*c sau:

s[r,c]= in[r+4c], vi 0 ≤ r, c ≤ 4

Vào cui quá trình mã hóa hay gii mã, Mng trng thái s8 ñưc sao

chép vào mng byte ñ u ra theo công th*c: out0, out1, out2, …, out15

2.2.2.5. Mng các t

Bn Byte trên m'i ct ca Mng trng thái ñưc to thành mt t( 32

bit là mt mng gm 4 byte ñưc ñánh ch, m&c theo hàng r. T( ñó ta có th#

coi Mng trng thái là mt mng môt chiu gm các t( w0, w1, w2, w3,

trong ñó giá tr ct c dùng làm ch, m&c cho mng.

2.3. Cơ s. toán hc

Hai phép cng và phép nhân trên trưng Galoris GF (2

) là cơ s$ toán

hc ca thut toán AES.

2.3.1. Phép cng

Phép “cng” $ ñây ñưc hi#u là phép XOR trên hai bit tương *ng trong

byte và có ký hiu là ⊕

2.3.2. Phép nhân

Phép nhân trên trưng GF(2

), ký hiu là ⦁, tương *ng vi phép nhân

thông thưng ca hai ña th*c ñem chia ly dư (modulo) cho mt ña th*c ti

gin bc 8. Trong thut toán AES, ña th*c ti gin ñưc chn là:

m(x) = x8 + x4 + x3 + x + 1 (2.2)

hay {01}{1b} n"u bi#u di3n dưi dng hexa.

Luận văn: Nghiên cứu giải thuật advanced encryption standard mã hóa các văn bản mật tại trường cao đẳng công kỹ nghệ Đông Á

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi