GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 11367-4:2016

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11367-4:2016 hoàn toàn tương đương với tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 18033-4:2011 về Công nghệ thông tin – Các kỹ thuật an toàn – Thuật toán mật mã – Phần 4: Mã dòng. Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu kỹ thuật, mô hình toán học và cấu trúc thuật toán đối với các cơ chế mã dòng, bao gồm các hàm đầu ra, phương pháp xây dựng bộ tạo khóa dòng từ mã khối và các bộ tạo khóa dòng chuyên dụng hiệu năng cao.

MÔ HÌNH TỔNG QUÁT VÀ CÁC HÀM ĐẦU RA CỦA MÃ DÒNG (ĐIỀU 6)

Điều 6 quy định các kỹ thuật được sử dụng trong mã dòng để kết hợp khóa dòng với bản rõ nhằm thu được bản mã thông qua hai hàm đầu ra chính:

• Mô hình tổng quát của hàm đầu ra: Đối với mã dòng đồng bộ hoặc tự đồng bộ, hàm đầu ra Out kết hợp khối bản rõ, khối khóa dòng và thông tin bổ sung R (nếu có) để tạo ra khối bản mã. Công thức mã hóa được xác định là: Ci = Out(Pi, Zi, R). Công thức giải mã tương ứng là: Pi = Out-1(Ci, Zi, R). Hàm đầu ra bắt buộc phải đáp ứng điều kiện đảo ngược để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu sau khi giải mã.
• Hàm đầu ra cộng nhị phân: Đây là mô hình mã dòng phổ biến nhất, sử dụng phép toán XOR từng bit để kết hợp bản rõ với khóa dòng. Hàm này không sử dụng thông tin bổ sung R và có công thức: Out(Pi, Zi, R) = Pi XOR Zi. Tuy nhiên, hệ mã dòng cộng nhị phân thuần túy không cung cấp khả năng bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu. Nếu yêu cầu tính toàn vẹn, hệ thống phải sử dụng hàm đầu ra MULTI-S01 hoặc cơ chế xác thực thông báo (MAC) riêng biệt.
• Hàm đầu ra MULTI-S01: Là hàm đầu ra cho mã dòng đồng bộ hỗ trợ đồng thời cả tính bí mật và tính toàn vẹn của dữ liệu. Phép toán mã hóa phù hợp cho môi trường trực tuyến, trong khi phép giải mã và kiểm tra tính toàn vẹn thường thực hiện ngoại tuyến sau khi nhận đủ toàn bộ các khối bản mã. MULTI-S01 hoạt động trên trường hữu hạn GF(2^n) dựa trên đa thức bất khả quy bậc n. Nếu độ dài thông báo không phải là bội số của n, cơ chế đệm Pad(M) sẽ được kích hoạt bằng cách thêm bit "1" và các bit "0" liên tiếp vào cuối thông báo.

XÂY DỰNG BỘ TẠO KHÓA DÒNG TỪ MÃ KHỐI (ĐIỀU 7)

Tiêu chuẩn hướng dẫn cách thức chuyển đổi các thuật toán mã khối n-bit thành bộ tạo khóa dòng thông qua các chế độ vận hành chuẩn:

• Chế độ OFB (Output Feedback - Đầu ra phản hồi): Được xác định bởi tham số kích thước khối r (1 <= r <= n). Véc tơ khởi tạo IV (n-bit) được sử dụng làm trạng thái ban đầu S0. Hàm chuyển trạng thái tiếp theo được tính bằng cách mã hóa trạng thái hiện tại qua khóa K: Next(Si, K) = eK(Si). Khóa dòng đầu ra được trích xuất từ r bit của trạng thái hiện tại. Chế độ này sử dụng hàm đầu ra cộng nhị phân.
• Chế độ CTR (Counter - Bộ đếm): Sử dụng một bộ đếm tăng dần làm trạng thái trong. Hàm chuyển trạng thái được xác định bằng công thức: Next(Si, K) = Si + 1 mod 2^n. Khóa dòng đầu ra được tạo ra bằng cách mã hóa trạng thái bộ đếm hiện tại: Strm(Si, K) = r bit đầu của eK(Si). Chế độ CTR cho phép truy cập ngẫu nhiên vào bất kỳ vị trí nào của bản mã mà không cần giải mã từ đầu.
• Chế độ CFB (Cipher Feedback - Phản hồi mã): Là chế độ mã dòng tự đồng bộ. Trạng thái trong Si có kích thước j-bit (n <= j <= 1024n). Hàm chuyển trạng thái dịch chuyển bộ đệm phản hồi dựa trên các khối bản mã trước đó. Chế độ này có khả năng tự khôi phục lỗi đồng bộ khi đường truyền bị mất mát hoặc sai lệch bit.

CÁC BỘ TẠO KHÓA DÒNG CHUYÊN DỤNG (ĐIỀU 8)

Tiêu chuẩn đặc tả chi tiết cấu trúc toán học của 5 bộ tạo khóa dòng chuyên dụng:

1. Bộ tạo khóa dòng MUGI (Điều 8.1)

• Đặc tính chung: Sử dụng khóa bí mật K 128-bit, véc tơ khởi tạo IV 128-bit và biến trạng thái trong Si gồm 19 khối 64-bit (chia thành biến 3-khối a(i) và biến 16-khối b(i)).
• Hàm chuyển trạng thái Next: Là sự kết hợp của hàm phi tuyến r1 và hàm tuyến tính l1. Quá trình tính toán sử dụng các hằng số hex cố định D0, D1, D2.
• Hàm phi tuyến F: Hoạt động trên trường hữu hạn GF(2^8) với đa thức bất khả quy f(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x + 1. Hàm F kết hợp phép cộng khóa, phép biến đổi phi tuyến qua bảng thế S-box (hàm SR), biến đổi tuyến tính qua ma trận M và phép xáo trộn byte để đảm bảo tính khuếch tán cực đại.

2. Bộ tạo khóa dòng SNOW 2.0 (Điều 8.2)

• Đặc tính chung: Hỗ trợ khóa bí mật K có độ dài 128 hoặc 256-bit và véc tơ khởi tạo IV 128-bit. Biến trạng thái trong Si gồm 18 khối 32-bit, được chia thành một thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính (LFSR) 16 biến và một máy trạng thái hữu hạn (FSM) 2 biến.
• Hàm chuyển trạng thái và tạo khóa: Hàm Next hoạt động ở hai chế độ (INIT và chế độ bình thường). Hàm T là hàm hoán vị trên trường GF(2^32) dựa trên các hộp thế S-box của chuẩn mã hóa tiên tiến AES. Phép nhân alpha và alpha-1 được thực hiện trong số học trường hữu hạn để cập nhật trạng thái LFSR một cách nhanh chóng.

3. Bộ tạo khóa dòng Rabbit (Điều 8.3)

• Đặc tính chung: Sử dụng khóa bí mật K 128-bit, véc tơ khởi tạo IV 64-bit và biến trạng thái trong Si có độ dài 513-bit (gồm 8 biến trạng thái 32-bit, 8 biến đếm 32-bit và 1 bit nhớ b(i)).
• Cơ chế hoạt động: Trạng thái trong được cập nhật liên tục thông qua hàm g phi tuyến dựa trên phép bình phương và phép XOR giữa các nửa bit trọng số cao và thấp. Rabbit có tốc độ xử lý phần mềm cực nhanh và độ an toàn cao, khuyến nghị tạo tối đa 2^64 khối khóa dòng từ một cặp khóa và IV duy nhất.

4. Bộ tạo khóa dòng Decimv2 (Điều 8.4)

• Đặc tính chung: Thiết kế hướng phần cứng nhỏ gọn, sử dụng khóa K 80-bit và IV 64-bit. Cấu trúc gồm một thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính (LFSR) A dài 192-bit, được lọc bởi hàm Boolean LF 14 biến.
• Cơ chế nén ABSG và bộ đệm B: Đầu ra của hàm lọc LF được đưa qua khối nén ABSG để loại bỏ các bit không cần thiết theo cơ chế tự điều chỉnh, sau đó đi qua bộ đệm B dài 32-bit để duy trì tốc độ đầu ra cố định là 1/4.

5. Bộ tạo khóa dòng KCipher-2 (Điều 8.5)

• Đặc tính chung: Sử dụng khóa K 128-bit và IV 128-bit. Trạng thái trong Si gồm 20 khối 32-bit, chia thành thanh ghi dịch phản hồi FSR-A (5 biến), FSR-B (11 biến) và bộ 4 biến duy trì trạng thái phi tuyến R1, L1, R2, L2.
• Hàm phi tuyến NLF: Kết hợp các trạng thái của FSR-A và FSR-B thông qua các phép toán cộng modulo 2^32 và phép XOR để tạo ra 64-bit khóa dòng tại mỗi chu kỳ lặp. Hàm SubK2 sử dụng các hộp thế tương tự như phép MixColumn và S-box của AES để tăng cường khả năng chống phân tích mật mã.

THÔNG TIN AN TOÀN VÀ HƯỚNG DẪN ÁP DỤNG (PHỤ LỤC D)

Phụ lục D cung cấp các đánh giá chuyên sâu về mức độ an toàn và hiệu năng thực tế của các thuật toán:

• Độ phức tạp của các cuộc tấn công: Đối với các chế độ OFB, CTR và CFB xây dựng từ mã khối n-bit, độ an toàn bị chặn trên bởi giới hạn sinh nhật (khoảng 2^(n/2) khối dữ liệu). Đối với các bộ tạo chuyên dụng, độ phức tạp của cuộc tấn công tốt nhất được biết đến tương đương với việc tấn công vét cạn khóa (ví dụ: 2^128 đối với MUGI, Rabbit, KCipher-2; 2^80 đối với Decimv2; và 2^174 đối với SNOW 2.0 ở chế độ 256-bit).
• Đánh đổi hiệu năng trong MULTI-S01: Việc lựa chọn kích thước khối n ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và tài nguyên phần cứng. Thử nghiệm thực tế với n = 64 trên nền tảng Intel Pentium III 650 MHz đạt tốc độ phần mềm khoảng 10 chu kỳ/byte, trong khi trên chip ASIC tốc độ cao có thể đạt băng thông lên tới 5.1 Gbps tại tần số 80MHz.
• Hướng dẫn lựa chọn thuật toán: MUGI tối ưu nhất cho các kiến trúc CPU 64-bit; SNOW 2.0, Rabbit và KCipher-2 hoạt động hiệu quả nhất trên các dòng CPU 32-bit thông dụng; Decimv2 là lựa chọn hàng đầu cho các thiết bị phần cứng có tài nguyên cực kỳ hạn chế nhờ thiết kế tối giản hóa số lượng cổng logic.