Làm động tầng thay thế của AES dựa trên thuật toán RC4

08:00 | 28/04/2021 | MẬT MÃ DÂN SỰ

Bài báo này giới thiệu một phương pháp làm động tầng thay thế của AES dựa trên thuật toán RC4. Đây là một trong những phương pháp làm động hóa thuật toán AES nguyên thủy dựa vào việc làm động các hộp thế, góp phần nâng cao độ an toàn của mã khối AES.

Trong [1], tác giả Abd-ElGhafar và các cộng sự đã xây dựng một hộp thế (S-Box) hoàn toàn mới không phụ thuộc vào hộp thế AES, sử dụng trong tất cả các vòng của quá trình mã hóa. Thuật toán này là sự kết hợp giữa AES và thuật toán sinh khóa của mã dòng RC4.

RC4 được thiết kế năm 1987 bởi Ron Rivest, là mã dòng có kích cỡ khóa thay đổi với hoạt động hướng byte. Thuật toán này dựa trên việc sử dụng một hoán vị ngẫu nhiên của trạng thái 256 bit. Nó được sử dụng trong giao thức WEP và SSL/TLS. Độ dài khóa có thể thay đổi từ 1 tới 256 byte, được sử dụng để khởi sinh một vectơ trạng thái 256 bit, trạng thái này chứa một hoán vị của tất các số 8-bit từ 0 tới 255.

Trong phương pháp đề xuất này, các tác giả sử dụng thuật toán lược đồ khóa của AES để sinh ra các khóa vòng, mỗi khóa vòng này sẽ sinh ra ra một hộp thế động mới cho vòng đó. Như vậy, mỗi vòng mã hóa của thuật toán sẽ sử dụng một hộp thế khác nhau phụ thuộc khóa.

Thuật toán 1.

Hộp thế của AES-RC4 được xây dựng theo các bước sau:

Bước 1. Trước hết, khởi tạo hộp S là một mảng gồm 256 giá trị (Byte), với khóa đầu vào là K, sau đó khởi tạo mảng T và thực hiện hoán đổi tạo ra các giá trị khác cho mảng S.

Làm động tầng thay thế của AES dựa trên thuật toán RC4

Bước 2. Đầu ra của bước 1 sẽ cho 256 giá trị khác nhau, tất cả các giá trị này phụ thuộc vào khóa đầu vào. Điều này có nghĩa nếu thay đổi một giá trị byte từ khóa đầu vào thì sẽ thu được tập 256 giá trị khác. Cách này có thể tạo được tối đa 256! hộp S-Box tương ứng với 256! hoán vị của S.

Bước 3. Áp dụng biến đổi affine cho các giá trị vừa tạo ra, giống như với hộp thế nguyên thủy của AES để tránh các điểm bất động và làm cho hộp thế mới có ngược. Các bảng dưới đây chỉ ra một ví dụ của hộp thế AES-RC4 và nghịch đảo của nó khi khóa được áp dụng là K = 0123456789ABCDEF.

Bảng 1. Hộp thế AES-RC4

Bảng 2. Hộp thế nghịch đảo của hộp thế AES-RC4

Phân tích an toàn

Để đo độ an toàn của hộp thế AES-RC4, một số kiểm tra mật mã phải được áp dụng như kiểm tra tính ngẫu nhiên, tiêu chuẩn thác đổ và tiêu chuẩn độc lập bit (BIC) [2]. Trong phần này, các tác giả phân tích hộp thế của AES-RC4 sử dụng các kiểm tra này.

Kiểm tra ảnh hưởng thác đổ

Thuộc tính ảnh hưởng thác đổ rất quan trọng với thuật toán mã hóa, thuộc tính này thỏa mãn khi thay đổi một bit trong bản rõ sẽ làm thay đổi ít nhất một nửa số bit của bản mã. Mục đích của ảnh hưởng thác đổ là khi thay đổi chỉ một bit sẽ có sự thay đổi lớn ở đầu ra nhằm làm cho việc phân tích bản mã khó khăn hơn, khi thám mã tiến hành tấn công.

Đầu tiên, các tác giả tính ảnh hưởng thác đổ của hộp thế AES. Để thực hiện kiểm tra đó, họ thay đổi bit bản rõ thành “01” thay vì “00” và “11” thay vì “01”, kết quả thu được là 0,4688 và 0,5078 với kiểm tra ảnh hưởng thác đổ cho hộp thế của AES. Sau đó, áp dụng kiểm tra này với hộp thế của AES-RC4 kết quả tương ứng là 0.5235 và 0.5078. Điều này chứng tỏ AES-RC4 đã vượt qua kiểm tra ảnh hưởng thác đổ. Các kết quả này được chỉ ra trong Bảng 3, Bảng 4.

Bảng 3. Ảnh hưởng thác đổ và BIC cho hộp thế AES

Bảng 4. Ảnh hưởng thác đổ và BIC cho hộp thế AES-RC4

Kiểm tra tính ngẫu nhiên

Để kiểm tra tính ngẫu nhiên của hộp thế AES-RC4 và so sánh nó với hộp thế của AES sử dụng cùng các đầu vào cho cả hai hộp thế các tác giả sử dụng CryptTool [3]. Hai thuật toán này đều vượt qua tất cả các kiểm tra đó nhưng cho giá trị kết quả khác nhau (Bảng 5).

Bảng 5. Kiểm tra tính ngẫu nhiên cho AES và AES-RC4

Kiểm tra biểu đồ hình ảnh

Trong kiểm tra này, các tác giả thực hiện mã hóa ảnh có định dạng Làm động tầng thay thế của AES dựa trên thuật toán RC4

với cùng một khóa cho các hộp thế khác nhau và lấy biểu đồ cho cả hai hình ảnh sau khi mã hóa. Hình 1 là ảnh ban đầu, sau đó được mã hóa và giải mã với thuật toán AES được chỉ ra ở bên trái (a) và được mã hóa và giải mã bởi AES-RC4 ở bên phải (b). Có thể thấy độ ngẫu nhiên của cả hai thuật toán trong các hình ảnh mã (Hình 2). Biểu đồ cho hai hình ảnh mã thì gần giống nhau và đồng dạng, đồng thời khác hoàn toàn với hình ảnh ban đầu, do đó nó không cung cấp bất cứ thể hiện gì để có thể thực thi được tấn công thống kê.

Hình 1. Mã hóa và giải mã sử dụng:

(a) Thuật toán AES, (b) Thuật toán AES-RC4

Hình 2. Các biểu đồ của thuật toán AES và AES-RC4

Kết luận

Các tác giả trong [1] đã trình bày phương pháp sinh các hộp thế động phụ thuộc khóa cho AES nhờ thuật toán mở rộng giả khóa và sinh hoán vị mới. Đồng thời đưa ra phân tích an toàn cho thuật toán đề xuất dựa trên kiểm tra tính ngẫu nhiên, tiêu chuẩn thác đổ và tiêu chuẩn độc lập bit. Việc động hóa tầng thay thế này tạo ra một mã khối AES cải biên động có thể góp phần nâng cao độ an toàn của mã khối AES.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Abd-ElGhafar, A. Rohiem, A. Diaa, F. Mohammed, Generation of AES Key Dependent S-Boxes using RC4 Algorithm, 13^thInternational Conference on AEROSPACE SCIENCES & AVIATION TECHNOLOGY, ASAT- 13, Paper: ASAT-13-CE-24, May 26 – 28, 2009.

[2] A.F Webster and S.E Travares, On The Design of S-boxes, Queen's university Kingston, Springer-verlag ,Canada 1998 .

[3] CrypTool, Version 1.4.20 for Win32, May 2008B Beta 03 http://www.cryptool.org.

TS. Trần Thị Lượng

‹ › ×

Tin liên quan

Sinh các hộp thế phụ thuộc khóa cho AES sử dụng các LFSR và phép hoán vị hàng, cột

21:00 | 12/02/2021

Bài báo này trình bày một phương pháp sinh các hộp thế động phụ thuộc khóa cho AES. Phương pháp này dựa vào việc hoán vị hộp thế nguyên thủy của AES dưới sự điều khiển của khóa bí mật trên cơ sở bộ sinh số giả ngẫu nhiên và các thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính.

Phân tích độ an toàn của thuật toán mật mã NTRU

09:00 | 24/01/2022

Thuật toán NTRU (Nth degree Truncated polynomial Ring Units) là thuật toán mật mã khóa công khai dựa trên lý thuyết lưới với độ an toàn phụ thuộc vào độ khó của tìm phân tích “ngắn” cho các đa thức đại số trên vành [1][6]. Bài toán này tương đương với tìm véc-tơ ngắn nhất SVP (Shortest Vector Problem) trong một lưới thực sự 2N chiều [2][3]. Bài viết trình bày về thuật toán NTRU và một số phương pháp phá vỡ thuật toán này [5].

Phân tích, đánh giá hiệu quả các phương pháp mặt nạ chống tấn công DPA cho AES trên Smart Card

16:00 | 27/01/2021

CSKH-01.2020. Tóm tắt—Mặt nạ sử dụng giá trị ngẫu nhiên để che giá trị trung gian của thuật toán là phương pháp hiệu quả chống tấn công DPA. Có nhiều giải pháp mặt nạ cho thuật toán AES với mức độ an toàn và hiệu quả khác nhau. Bài báo phân tích, đánh giá ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng của các giải pháp này khi thực thi trên Smart Card. Đồng thời, đề xuất kỹ thuật mặt nạ nhúng, triển khai ứng dụng, đánh giá hiệu quả và khả năng chống tấn công DPA trên Smart Card.

From AES to Dynamic AES

13:00 | 22/01/2021

CSKH-01.2020. Abstract—The cryptographic algorithm AES (Advanced Encryption Standard) works with the transformations SubBytes, ShiftRows, MixColumns and AddRoundKey, all of them fixed and selected a priori. In this paper, we will show dynamic variants of AES, where the new transformations are RandomSubBytes, RandomShiftRows, RandomMixColumns and RandomAffineTransfKey.

Tin cùng chuyên mục

Thách thức và tiềm năng đối với thuật toán mã khối dân sự Việt Nam - MKV

13:00 | 25/12/2024

Trong thời kỳ đất nước hội nhập và phát triển khoa học - công nghệ, các sản phẩm mật mã dân sự đang được ứng dụng rộng rãi trong Chính phủ điện tử và giao dịch điện tử. Hiểu được tầm quan trọng đó, Ban Cơ yếu Chính phủ đã chỉ đạo Viện Khoa học - Công nghệ mật mã nghiên cứu và phát triển thuật toán mã khối dân sự, coi đây là nền tảng của các sản phẩm bảo mật thông tin phục vụ phát triển kinh tế số, xã hội số. Tiến sĩ Nguyễn Quốc Toàn trên cương vị là Viện trưởng Viện Khoa học - Công nghệ mật mã đã thực hiện tổ chức nghiên cứu và cho ra đời thuật toán mã khối dân sự MKV - một thuật toán mã khối mang thương hiệu "Make in Vietnam", làm tiền đề cho việc tiêu chuẩn hóa các thuật toán mật mã dành cho lĩnh vực dân sự, đáp ứng nhu cầu bảo mật an toàn thông tin đang ngày càng phát triển mạnh mẽ.

Zero Trust, SASE và VPN là gì?

13:00 | 11/11/2024

Trong bối cảnh an ninh mạng ngày càng phức tạp, các tổ chức đang tìm kiếm những giải pháp tối ưu để bảo vệ dữ liệu và hệ thống khỏi các mối đe dọa tiềm tàng. Các khái niệm như Zero Trust, SASE và VPN nổi lên như những chiến lược bảo mật hàng đầu, nhưng chúng là gì và khác nhau như thế nào?

Giới thiệu tiêu chuẩn về phương pháp kiểm thử và phân tích cho các bộ tạo bit ngẫu nhiên

15:00 | 17/06/2024

Các ứng dụng mật mã đòi hỏi các số ngẫu nhiên cho nhiều tác vụ khác nhau. Một bộ tạo bit ngẫu nhiên mật mã mạnh phù hợp với các ứng dụng mật mã chung được kỳ vọng sẽ cung cấp các chuỗi bit đầu ra không thể phân biệt với bất kỳ khả năng nỗ lực tính toán thực thể và trên thực tế bất kỳ kích thước mẫu từ các chuỗi bit có cùng độ dài được lấy ngẫu nhiên một cách đồng nhất. Hơn nữa, một RBG như vậy được kỳ vọng sẽ cung cấp khả năng tăng cường an toàn. Bài viết này sẽ giới thiệu tới độc giả những nội dung chính trong tiêu chuẩn ISO/IEC 20543:2019 về phương pháp kiểm thử và phân tích cho các bộ tạo bit ngẫu nhiên.

NIST SP 800-22 và những cẩn trọng khi sử dụng (Phần I)

23:00 | 02/09/2022

Trong các ứng dụng mật mã, việc đánh giá chất lượng của bộ sinh số ngẫu nhiên và giả ngẫu nhiên đóng vai trò cực kỳ quan trọng, và việc đánh giá tính ngẫu nhiên theo thống kê là một yêu cầu cơ bản nhất trong quá trình đánh giá đó. NIST SP 800-22 đã được đưa ra và trở thành một công cụ hữu ích, phổ biến nhất cho việc đánh giá tính ngẫu nhiên theo thống kê đối với các bộ sinh trên. Tuy nhiên, cho đến nay dù được sử dụng khá rộng rãi nhưng vẫn còn những điểm bất cập trong bộ kiểm tra này, khi một số kiểm tra thống kê còn chưa chính xác. Trong nội dung của bài báo, chúng tôi sẽ đưa ra một góc nhìn chung về bộ kiểm tra tính ngẫu nhiên theo thống kê NIST SP 800-22 cho các bộ tạo số ngẫu nhiên và giả ngẫu nhiên, đồng thời trình bày các vấn đề còn tồn tại và đưa ra một vài lưu ý đối với việc sử dụng công cụ này.