Đánh giá hiệu năng hoạt động của một số thuật toán mã khối

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (516.81 KB, 6 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA

MỘT SỐ THUẬT TỐN MÃ KHỐI

Nguyễn Đơng Hưng

, Bùi Ngọc Mỹ

, Lê Huy Thìn

Tóm tắt: Đối với các thiết bị bảo mật sử dụng trong các lĩnh vực nhạy cảm cần 
phải từng bước chủ động trong thiết kế, chế tạo các thiết bị chuyên dụng. Trong đó, 
việc cài đặt và thực thi các thuật toán mật mã trên thiết bị là nội dung rất quan 
trọng. Tuy nhiên, với mỗi loại thiết bị có u cầu băng thơng, tốc độ và thời gian xử 
lí khác nhau do năng lực xử lý và tài nguyên hạn chế của thiết bị. Bài báo trình bày 
nghiên cứu đánh giá yêu cầu về thời gian và chu kỳ xử lý của một số thuật toán mã 
khối được thực thi trên họ DSP của Texas Instrument dụng phổ biến trong thiết bị 
viễn thơng có năng lực xử lý hạn chế. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở việc lựa chọn 
thuật toán mật mã và vi xử lý phù hợp với thiết kế chế tạo thiết bị mật mã chuyên 
dụng của Việt Nam.

Từ khóa: AES, DES, Cycle, Texas Instrument.

1. GIỚI THIỆU

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Mật mã khóa bất đối xứng là phương pháp mã dùng hai loại khóa khác nhau

cho việc mã hóa và giải mã đó là Public Key (Kp - khóa cơng khai) để mã hóa và

Private Key (Ks - khóa riêng) để giải mã. Phương pháp mã này địi hỏi các chíp xử

lý phải có năng lực cao để thực hiện nhiều phép tính tốn phức tạp trong quá trình

xác thực, đồng bộ và thỏa thuận khóa. Lưu lượng thông tin cần trao đổi và thỏa

thuận trong quá trình đồng bộ lớn do đó khơng phù hợp đối với các thiết bị di

động, viễn thông nhỏ gọn băng thông hạn chế [3].

Mật mã khóa đối xứng là phương pháp mã trong đó khóa mã đã được phân

phối trước, q trình hóa mã/giải mã chỉ cần thỏa thuận chỉ số khóa mã để đảm bảo

hai bên có thể lấy đúng khóa mã dùng cho mã hóa và giải mã. Khóa mã này sẽ

được phân phối trước tới hai thực thể, chính vì vậy phải có cơ chế phân phối, quản

lý để an tồn khóa nhằm bảo đảm chỉ 2 thực thể trao đổi thông tin với nhau có

khóa (khóa bí mật) [3], [4].

Lược đồ hệ mật mã khóa đối xứng

Mã hóa bản tin rõ

P

được bản mã

C: C = E

K

(P);

Giải mã bản mã

C

được bản rõ

P: P = D

K

(C) = D

K

[E

K

(P)];

Trong đó:

-

E

K

là hàm mã hóa sử dụng khóa

K

;

-

D

K

là hàm giải mã sử dụng khóa

K

.

Giá trị khóa K được thỏa thuận và được phân phối trước giữa bên gửi và bên

nhận trong quá trình thực thi việc mã hóa và giải mã.

Trong phương pháp mã hóa khóa đối xứng, lượng thơng tin cần xử lý và trao

đổi khi thỏa thuận khóa mã khơng lớn, vì vậy phù hợp với mục đích thiết kế chế

tạo các thiết bị bảo mật cho các hệ thống có băng thông hạn chế trên kênh vô tuyến

và hữu tuyến [4], [5]. Bài báo nghiên cứu đánh giá hiệu năng hoạt động của một số

thuật toán mã khối sử dụng phổ biến trong phương pháp mật mã khóa đối xứng.

Việc thực thi các thuật toán mã khối sử dụng họ vi xử lý DSPTMS320C6000

của Texas Instrument để lập trình cài đặt, vận hành và đánh giá hiệu năng hoạt

động. TMS320C6000 là họ vi xử lý được sử dụng phổ biến trong việc thiết kế chế

tạo các thiết bị bảo mật thoại số hiện nay nhờ ưu thế về khả năng xử lý tín hiệu số

liên quan đến tính toán.

2. HỌ VI XỬ LÝ VÀ CÁC THUẬT TOÁN MÃ KHỐI

2.1. Họ vi xử lý DSPC64x của TI

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

+

Là dòng DSP 32 bit để thực thi phép toán 32 bit trong 1 chu kỳ máy;

+

Hỗ trợ 6 bộ ALU (Arithmetic Logic Unit):

o

Được tối ưu cho phép toán nhân chập:

 



  




1
0
N
i

i x n i

b
n

y

o

Có các bộ nhân và bộ cộng riêng

o

Thực hiện nhiều phép nhân và phép cộng trong 1 chu kỳ máy;

+

Kiến trúc bus: kiến trúc Harvard với 1 bus lệnh và 2 bus toán hạng giúp

tăng tốc độ thực thi các mã lệnh liên quan đến tính tốn.

Họ DSP này có khả năng xử lý khá cao bởi một bus bộ nhớ chương trình và ba

bus bộ nhớ dữ liệu. Việc tách biệt không gian dữ liệu và chương trình cho phép

truy cập đồng thời tới các lệnh chương trình và dữ liệu, ngồi ra còn hỗ trợ các kỹ

thuật điều khiển để quản lý các ngắt, các phép tính lặp và các lời gọi hàm. Chíp

được sử dụng để thực thi các thuật tốn mật mã là TMS320C6413 có tần số hoạt

động 500 MHZ, tốc độ 4000 MIPS.

2.2. Thuật tốn mã hóa

a. Thuật tốn mã khối 3DES

DES được cơng bố bởi NIST lần đầu tiên vào năm 1975 và trở thành chuẩn

được sử dụng rộng rãi vào năm 1977. Về bản chất, DES là một thuật tốn mã khối

thực hiện mã hóa một khối dữ liệu thô 64 bit thành một khối dữ liệu mã hóa cũng

64 bit và ngược lại. DES sử dụng khóa mã có kích thước 64 bit, tuy nhiên thực sự

chỉ có 56 bit được dùng - mỗi bit thứ 8 trong mỗi byte của khóa mã đóng vai trò là

bit kiểm tra chẵn/lẻ cho các byte này.

3DES là phiên bản cải tiến của DES nhằm khắc phục một số hạn chế của thuật

toán DES. 3DES làm việc với khối dữ liệu có độ dài 64 bit, độ dài khóa là 192 bit.

Cơ chế vận hành của 3DES tương tự như DES nhưng được thực thi 3 lần, vì vậy

3DES được cho là an toàn hơn nhưng cũng tốn thời gian thực hiện hơn DES [2].

b. Thuật toán mã khối AES

AES là một thuật toán mã khối được NIST công bố năm 1998 và được chính

phủ Hoa kỳ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa. AES cũng làm việc với các khối dữ

liệu 128 bit với các tùy chọn kích thước khóa khác nhau 128 bit, 192 bit, 256 bit.

Tương ứng với các tùy chọn về kích thước khóa sẽ tọa ra các khóa con cho hàm

mã thực thi 10, 12, 14 vòng xử lý. Hiện nay AES là thuật toán mã khối được sử

dụng phổ biến nhất trong các thiết bị và ứng dụng liên quan đến mật mã [1].

3. CÀI ĐẶT LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

3.1. Thuật tốn AES với 256 bit khóa

Với thuật tốn AES sử dụng kích thước khóa 256 bit cho kết quả mô phỏng việc

thực thi trên vi xử lý DSP TMS320C6413 (tần số 500 MHz) hết 1772 chu kỳ máy.

Hình 2.

Cài đặt và đánh giá hoạt động của thuật tốn AES sử dụng 256 bit khóa.

3.2. Thuật tốn AES với khóa 128 bit

Với thuật tốn AES sử dụng kích thước khóa 128 bit cho kết quả mô phỏng

thực thi trên vi xử lý DSP TMS320C6413 (tần số 500 MHz) hết 339 chu kỳ máy.

Hình 3

. Cài đặt và đánh giá hoạt động của thuật toán AES sử dụng 128 bit khóa.

3.3. Thuật tốn 3DES với khóa 192 bit

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Hình 4

Cài đặt và đánh giá hoạt động của thuật toán 3DES sử dụng 192 bit khóa.

4. KẾT LUẬN

Bài báo trình bày nghiên cứu mô phỏng đánh giá hiệu năng hoạt động của một

số thuật toán mã khối 3DES, AES-128, AES-256 được cài đặt trên họ vi xử lý DSP

TMS320C6000 của Texas Instrument. Các thuật toán được lựa chọn đánh giá đang

được sử dụng phổ biến trong các thiết bị và ứng dụng bảo mật trong viễn thông và

công nghệ thông tin. Vi xử lý dùng để mô phỏng việc thực thi các thuật toán là họ

DSP thường được sử dụng trong chế tạo các thiết bị xử lý dữ liệu, thoại số hiện

nay. Kết qủa nghiên cứu làm cơ sở cho việc lựa chọn các thuật toán bảo mật của

Việt Nam có độ phức tạp tính tốn và chíp xử lý thuật toán mật mã phù hợp trong

các thiết bị mật mã chuyên dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Federal Information Processing Standard Publication FIP 197.

[2]. Federal Information Processing Standard Publication FIP46-3.

[3]. Coppersmith, D.

"The Data Encryption Standard (DES) and Its Strength

Against Attacks"

IBM Journal of Research and Development.

[4]. S.Hirani,

''Energy Consumption of Encryption Schemes in Wireless Devices

Thesis''

university of Pittsburgh, April 9,2003. Retrieved October 1, 2008

[5]. Ruangchaijatupon, P. Krishnamurthy,

''Encryption and Power

Consumption in Wireless LANs-N’’

September 27-28, 2001- Newton,

Massachusetts

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

ABSTRACT

REVIEW PERFORMANCE OF

SOME CIPHER BLOCK ALGORTHMS

For such devices used in sensitive areas such as national security and

defense requires proactive steps in the design and manufacture of specialized

equipment. In particular, the installation and implementation of

cryptographic algorithms on the device is very important. However, due to

the processing capacity and resource constraints of the device therefore

require the different in bandwidth, speed and processing time. This paper

presents our requirement assessments in time and CPU cycle for some block

cipher algorithms which are implemented on DSP families of Texas

Instruments. The result of this research could be used as a basis for the

selection of cryptographic algorithms and processors fit in the design and

manufacture of cryptographic equipment in Vietnam.

Keywords: AES, DES, Cycle, Texas Instrument.

Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015

Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015

Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015

Địa chỉ:

1 Cục Cơ yếu, Bộ Tổng tham mưu.
*Email: tlehuy2001@gmail.com;

</div>