Ý tưởng về bảo mật tầng vật lý không dùng thuật toán mật mã
Thực tế thì hướng nghiên cứu về bảo mật tầng vật lý (Physical Layer Security - PLS) đã được Aaron D. Wyner đề xuất từ năm 1975 [1]. Wyner đã chứng minh rằng có thể truyền tin mật (confidential message) với tốc độ (secrecy rate) Rs (Rs > 0) trong hệ thống truyền tin có sự xuất hiện của người nghe lén (Eavesdropper) như Hình 1. Tuy nhiên, một giả thiết quan trọng là kênh truyền giữa người gửi và người nghe lén (wire-tap channel) cần có độ suy hao lớn hơn kênh truyền từ người gửi đến người nhận hợp pháp (main channel). Giả thiết này khó được đảm bảo do kênh nghe lén thường không được kiểm soát và do hạn chế về công nghệ, kỹ thuật truyền tin tại thời điểm đó nên ý tưởng của Wyner mới thực sự được quan tâm trong khoảng 10 năm gần đây.
Hình 1: Mô hình kênh nghe lén tổng quát của Wyner
Theo lý thuyết thông tin, giá trị tốc độ truyền tin mật Rs được định nghĩa theo công thức sau [1, 4-5]:
Rs = Cd – Ce = log(1+SNRd) – log(1+SNRe)
Dung lượng truyền tin mật (secrecy capacity) Cs được định nghĩa là:
Cs = max(Rs) = max(log(1+SNRd) – log(1+SNRe))
Trong đó:
- Cd và Ce là dung lượng kênh chính và dung lượng kênh nghe lén;
- SNRd và SNRe là giá trị tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signal to Noise Ratio) tại trạm thu hợp pháp và tại trạm nghe lén.
Giá trị Rs có đơn vị là bits/symbol, tuỳ theo phương pháp điều chế và kỹ thuật truyền tin mà mỗi đơn vị tín hiệu (symbol) sẽ có các đặc trưng vật lý khác nhau. Trong thực tế thì một symbol sẽ chứa số bít nhiều hơn giá trị Rs, trong đó có các bít đóng vai trò điều khiển, phát hiện/sửa sai…
Như vậy tốc độ truyền tin mật trong PLS được định nghĩa trên độ chênh lệch giữa dung lượng kênh hợp pháp và dung lượng kênh nghe lén. Hay nói cách khác là nếu kênh hợp pháp tốt hơn kênh nghe lén thì sẽ tồn tại một phương pháp mã kênh để có thể truyền được Rs bít thông tin mật trên một symbol. Theo đó, độ bất định hay độ mập mờ của người nghe lén về Rs bít mật là bằng với độ bất định của nguồn tin mật mà không cần sử dụng thuật toán mật mã.
Ví dụ về giá trị Rs trong PLS
Trong lý thuyết truyền tin, các kỹ thuật truyền tin và phương pháp điều chế tín hiệu luôn được quan tâm để nâng cao chất lượng kênh truyền. Nhưng trong PLS, các kỹ thuật và phương pháp này còn được nghiên cứu, ứng dụng vào bảo mật thông tin.
Bằng kỹ thuật truyền tin phù hợp để chất lượng kênh chính tốt hơn kênh thu lén (SNRd > SNRe). Cụ thể, kênh chính cho phép sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) như Hình 2, dung lượng của kênh chính khi này là Cd = 4 bits/symbol.
Trong khi đó, do chất lượng kênh nghe lén kém hơn, chỉ hỗ trợ phương pháp điều chế QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) với dung lượng kênh là Ce = 2 bits/symbol.
Hình 2: Giản đồ sao và độ dài vector lỗi [3]
Dựa theo giá trị EVM (Error Vector Magnitude) – độ dài của vector lỗi như trên Hình 2, EVM của người nghe lén (Eve’s EVM) là độ rộng của cả góc phần tư nên giá trị SNRe chỉ đủ để có thể giải điều chế cho phương pháp QPSK mà không thể giải điều chế cho phương pháp 16-QAM. EVM của người thu hợp pháp (Bob’s EVM) là một góc nhỏ của góc phần tư nên giá trị SNRd đủ lớn để giải điều chế 16-QAM.
Như vậy, dung lượng kênh chính là Cd = 4 bits/symbol, tốc độ truyền tin mật là: RS = 2 bits/symbol. Trong đó, 02 bít thấp (bên phải) là các bít mang tin mật, 02 bít cao (bên trái) được thêm vào để bảo mật các bít mang tin. Độ bất định của người nghe lén đối với 02 bít tin mật trong trường hợp trên là bằng với độ bất định của nguồn tin mật, do đó, theo quan điểm của Shannon đây là phương pháp bảo mật hoàn thiện (perfect secrecy).
Tương tự như vậy, trong trường hợp kênh nghe lén chỉ cho phép điều chế QPSK (Ce = 2 bits/symbol) trong khi kênh chính cho phép điều chế 32-QAM (Cd = 5 bits/symbol) thì RS = 3 bits/symbol.
Nâng cao tốc độ truyền tin mật
Giá trị tốc độ truyền tin mật RS phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa chất lượng kênh chính và kênh nghe lén. Thông thường thì khó xác định trước chất lượng kênh nghe lén do không kiểm soát được trạm thu lén, do vậy, bài toán PLS hiện được quan tâm áp dụng trong khu vực vật lý có kiểm soát các trạm thu phát (ví dụ trong một khu vực quân đội hoặc khu vực riêng được kiểm soát chặt chẽ) hoặc trong một hệ thống mạng không dây nhưng có kiểm soát được các trạm thu phát thông qua yêu cầu đăng ký thuê bao. Khi này, việc nghe lén là giữa các người dùng hợp pháp khác nhau trong cùng hệ thống nghe lén lẫn nhau đối với từng thông báo cụ thể.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật truyền tin vô tuyến đã phát triển nhanh chóng và đang dần thay thế cho mạng hữu tuyến. Điển hình là kỹ thuật truyền theo búp sóng (beamforming) dựa trên kỹ thuật đa ăng ten như MISO (Multiple Input Single Output), SIMO (Single Input Multiple Output) hoặc MIMO (Multiple Input Multiple Output) đã hỗ trợ khả năng tăng khoảng cách về chất lượng kênh chính và kênh nghe lén.
Kỹ thuật truyền búp sóng
Chuẩn phát sóng không dây WiFi thế hệ 802.11ac đã áp dụng kỹ thuật tạo búp sóng. Trên thực tế đó là một khái niệm, ý tưởng hết sức đơn giản, thay vì phát các tín hiệu sóng ra cả một khu vực rộng lớn với hy vọng rằng thiết bị nhận nằm trong khu vực đó và sẽ nhận được thì người ta đã thiết kế để các chùm sóng phát thẳng đến đích nhận.
Hình 3: Truyền tin thông thường và truyền tin theo búp sóng
Kỹ thuật tạo búp sóng cho phép truyền búp sóng đến mục tiêu với hiệu suất tốt nhất, qua đó tiết kiệm được năng lượng và băng thông. Một ví dụ về đồ thị dạng búp sóng phát (beam pattern) ở góc không độ và biên độ chuẩn hoá với trường hợp sử dụng 4 ăng ten và 8 ăng ten như Hình 4. Theo đó, số lượng ăng ten càng lớn thì búp sóng càng hẹp, tương ứng là hiệu suất truyền tin càng cao.
Hình 4: Dạng búp sóng trong kỹ thuật truyền tin đa ăng ten
Bằng kỹ thuật truyền búp sóng, bên phát tính toán hướng búp sóng đến trạm thu hợp pháp sao cho sự chênh lệch về độ lợi kênh giữa kênh chính và kênh nghe lén là cao nhất, qua đó sẽ nâng cao giá trị RS.
Một số đặc điểm của PLS so với bảo mật dùng thuật toán mật mã
Một số đặc điểm khác nhau giữa bảo mật tầng vật lý và phương pháp bảo mật sử dụng mật mã được các tác giả D. Wang, B. Bai, W. Zhao, and Z. Han [2] và João Barros [3] tổng hợp như trong Bảng 1. Mặc dù các công nghệ bảo mật tầng vật lý chưa được hoàn thiện và chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế, nhưng các đặc điểm được so sánh này đang thúc đẩy các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới quan tâm.
BẢNG 1: BẢO MẬT TẦNG VẬT LÝ SO VỚI BẢO MẬT DÙNG MẬT MÃ
Kết luận
Phương pháp bảo mật truyền thống sử dụng kỹ thuật mật mã luôn được tuyển chọn kỹ lưỡng và đang được cho là đảm bảo bí mật cho hầu hết các mô hình ứng dụng hiện nay. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng về năng lực tính toán của các hệ thống xử lý, đặc biệt là sự ra đời của máy tính lượng tử đòi hỏi các nhà nghiên cứu và phát triển đề xuất các thuật toán có độ mật cao hơn.
Một bất tiện khác của các lược đồ mã hóa truyền thống là luôn cần có một hệ thống tạo, phân phối và quản lý khóa an toàn. Các yêu cầu phân phối khóa bí mật giữa các thành phần hợp pháp cũng trở nên khó được đảm bảo trong hệ thống mạng vô tuyến. Mặt khác, với tầng vật lý hiện nay vẫn chưa được đề xuất một giải pháp bảo mật dùng mật mã cụ thể nào. Do đó, giải pháp bảo mật tầng vật lý không sử dụng kỹ thuật mật mã sẽ bù đắp và hỗ trợ giải pháp bảo mật truyền thống, làm tăng độ an toàn cho hệ thống.
Tài liệu tham khảo 1. A. D. Wyner, “The Wire-Tap Channel,” Bell Syst. Tech. J., vol. 54, no. 8, pp. 1355–1387, Oct. 1975, doi: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02040.x. 2. D. Wang, B. Bai, W. Zhao, and Z. Han, “A Survey of Optimization Approaches for Wireless Physical Layer Security,” ArXiv190107955 Cs Math, Jan. 2019, Accessed: Feb. 15, 2020. [Online]. Available: 3. João Barros, “Physical Layer Security: Bounds, Codes and Protocols”, SPCodingSchool. 4. A. Mukherjee, S. A. A. Fakoorian, J. Huang, and A. L. Swindlehurst, “Principles of Physical Layer Security in Multiuser Wireless Networks: A Survey,” IEEE Commun. Surv. Tutor., vol. 16, no. 3, pp. 1550–1573, 2014, doi: 10.1109/SURV.2014.012314.00178. 5. X. Xhou, L. Song, Y. Zhang, “Physical Layer Security in Wireless Communications,” CRC Press, Feb. 15,2020. |
Nguyễn Như Tuấn
09:00 | 08/01/2018
15:00 | 26/05/2023
09:00 | 21/12/2016
17:00 | 15/11/2022
15:00 | 14/12/2021
14:00 | 14/07/2023
Tại hội thảo kỹ thuật trong Triển lãm Truyền thông Không dây Quốc tế (IWCE) 2023, Qualcom giải thích cách 5G có thể làm cho các thành phố an toàn hơn, thông minh hơn và hiệu quả hơn, đồng thời giới thiệu giải pháp 5G sidelink. Bài viết tóm tắt một số tính năng nổi trội của giải pháp này.
09:00 | 09/03/2023
D2D (Device-to-Device) là phương tiện liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị mà không qua nút trung gian, nó giúp mở rộng phạm vi phủ sóng di động và tăng cường tái sử dụng tần số vô tuyến trong mạng 5G [1]. Đồng thời, D2D còn là công nghệ lõi của liên lạc giữa thiết bị với vạn vật IoT. Tuy nhiên, truyền thông D2D trong mạng 5G là kiểu mạng thông tin di động có nhiều thách thức bao gồm ẩn danh, nghe lén, đánh cắp quyền riêng tư, tấn công tự do… Những thách thức này sẽ khó giảm thiểu hơn do tính chất hạn chế tài nguyên của các thiết bị IoT. Do đó, việc sử dụng mật mã hạng nhẹ vào bảo mật hệ thống D2D nhằm đáp ứng yêu cầu về năng lượng tiêu thụ, tài nguyên bộ nhớ, tốc độ thực thi bảo mật xác thực trong 5G IoT là đặc biệt quan trọng. Bài báo đi phân tích các bước trong mô hình bảo mật D2D cho mạng 5G IoT. Từ đó, đề xuất thuật toán có thể sử dụng để bảo mật liên lạc D2D cho các thiết bị 5G IoT.
07:00 | 08/02/2023
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, những cuộc tấn công mạng thông qua mạng Internet cũng ngày càng trở nên đa dạng hơn. Đặc biệt là hoạt động trò chơi trực tuyến tiềm ẩn không ít những mối đe dọa bị tấn công bởi mã độc. Bài báo này sẽ đưa ra các mối đe dọa liên quan đến trò chơi trực tuyến, phân tích các phương thức, thủ đoạn mà tin tặc tấn công mạng dựa vào các trò chơi trực tuyến, từ đó đưa ra một số giải pháp phòng tránh.
13:00 | 26/12/2022
Một khía cạnh quan trọng của công nghệ blockchain (chuỗi khối) là xác định người dùng nào công bố khối tiếp theo. Điều này được giải quyết thông qua việc thực hiện một trong nhiều mô hình đồng thuận có thể. Trong khi cố gắng cải thiện hiệu quả năng lượng của các chuỗi khối sử dụng bằng chứng công việc (Proof of Work - PoW) trong cơ chế đồng thuận, bằng chứng cổ phần (Proof of Stake - PoS) lại đưa ra một loạt các thiếu sót mới đáng kể trong cả mô hình tiền tệ và mô hình quản trị. Bài viết trình bày lại các phân tích của [1] và chỉ ra rằng những hệ thống như vậy là độc tài, độc quyền nhóm và được ủy quyền (permissioned).
Theo số liệu của DataReportal, hiện Việt Nam đang có khoảng 49,9 triệu người sử dụng mạng xã hội TikTok, xếp thứ 6 trên 10 quốc gia có số người sử dụng TikTok nhiều nhất thế giới. Đáng chú ý là mạng xã hội này đang dần chiếm lĩnh thị trường nhờ vào những đoạn video có nội dung đa dạng mang tính "gây nghiện", thu hút mọi lứa tuổi trong đó có trẻ em. Tuy nhiên không như những mạng xã hội khác, TikTok thường xuyên bị cáo buộc việc gây ra những rủi ro nghiêm trọng về bảo mật và quyền riêng tư của người dùng. Thời gian qua đã có ít nhất 10 quốc gia cấm sử dụng ứng dụng này, trong đó có những nguyên nhân là do Tiktok gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới suy nghĩ và hành động của trẻ em.
08:00 | 21/12/2023
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin hiện nay, các ứng dụng giải trí, nhắn tin, gọi điện đang dần trở nên phổ biến. Những dịch vụ truyền thông được cung cấp trực tiếp đến người xem thông qua Internet (Over The Top - OTT) trở thành một trong những mục tiêu bị tin tặc tấn công nhiều nhất. Bài báo đưa ra thực trạng sử dụng dịch vụ ứng dụng OTT tại Việt Nam và những thách thức trong công tác bảo đảm an ninh, an toàn thông tin trên các thiết bị di động và dữ liệu cá nhân trong thời gian qua. Từ đó, đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả bảo đảm an ninh, an toàn thông tin cho dữ liệu cá nhân người dùng ứng dụng OTT trên nền tảng Internet trong thời gian tới.
09:00 | 27/12/2023