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

23:00 | 02/09/2022 | MẬT MÃ DÂN SỰ

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.

MỞ ĐẦU

Các số ngẫu nhiên và giả ngẫu nhiên đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như cơ học lượng tử, lý thuyết trò chơi, mật mã… Trong , các số có tính ngẫu nhiên (gồm các số ngẫu nhiên hoặc giả ngẫu nhiên) lại càng quan trọng hơn và được sử dụng nhiều. Chẳng hạn, các hệ mật thường sử dụng các khóa được tạo ra như một đại lượng ngẫu nhiên. Nhiều giao thức mật mã cũng yêu cầu các đầu vào có tính ngẫu nhiên, ví dụ đối với các tham số bổ trợ trong việc sinh chữ ký số hoặc trong việc tạo ra các thách thức ngẫu nhiên trong các giao thức xác thực.

Hơn nữa, độ an toàn của nhiều lược đồ và giao thức mật mã phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần (có tính) ngẫu nhiên đó.

Có hai loại (RNGs) cơ bản được sử dụng để sinh các dãy số ngẫu nhiên: các bộ sinh số ngẫu nhiên thực sự (True Random Number Generators (TRNGs)) và các bộ sinh số giả ngẫu nhiên (Pseudo/Deterministic Random Number Generators (PRNGs)). Trong các ứng dụng mật mã, cả hai loại bộ sinh này tạo ra một chuỗi các bit 0 và 1 mà có thể chia thành các chuỗi con hoặc các khối của các số ngẫu nhiên. Đối với việc kiểm tra tính ngẫu nhiên, các kiểm tra dựa trên giả thiết thống kê được sử dụng rộng rãi để đánh giá chất lượng của các bộ sinh số ngẫu nhiên, trong đó kiểm tra xem khi nào các dãy đầu ra có phù hợp với giả thiết cho trước, tức là dãy có tính ngẫu nhiên hoàn thiện (perfect randomness) hay không. Hơn nữa các kiểm tra tính ngẫu nhiên theo thống kê cũng được sử dụng để đánh giá đầu ra của các nguyên thủy mật mã, chẳng hạn như các mã khối, hàm băm để bước đầu đánh giá tính không thể phân biệt được giữa các đầu ra của chúng với đầu ra được chọn ngẫu nhiên. Một số bộ kiểm tra thống kê được sử dụng phổ biến bao gồm: bộ tiêu chuẩn kiểm tra được đề xuất bởi Knuth [1], Diehard [2] được đề xuất bởi Marsaglia và sử dụng phổ biến nhất hiện nay chính là SP 800-22 [3] và được chuẩn hóa bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa kỳ (NIST). Theo chúng tôi, một trong những lý do là bởi vì NIST công bố mã nguồn của bộ kiểm tra này. Bộ kiểm tra của NIST ban đầu gồm 16 tiêu chuẩn kiểm tra, sau đó trong bản cập nhật mới nhất năm 2010 rút xuống còn 15 tiêu chuẩn, khi loại bỏ đi tiêu chuẩn nén Lempel-Ziv. Đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, một số tiêu chuẩn kiểm tra của NIST là chưa chính xác và cần phải chỉnh sửa hoặc thay thế bằng cách tiêu chuẩn khác.

Đối với người dùng khi tiếp cận bộ tiêu chuẩn này sẽ có 3 vấn đề chính được đặt ra. Thứ nhất, đọc hiểu và nắm được chi tiết và chính xác nội dung trong tài liệu mà NIST đã công bố. Các nội dung chính trong tài liệu này sẽ được chúng tôi trình bày sơ lược trong phần II. Vấn đề thứ hai đó là việc khai thác sử dụng chính xác mã nguồn của bộ kiểm tra, đồng thời kiểm tra tính đúng đắn, đối chiếu giữa mã nguồn và mô tả lý thuyết trong tài liệu. Ở mức cao hơn, người dùng có thể tùy chỉnh mã nguồn để chính xác hóa các công thức hoặc bổ sung các kiểm tra khác theo ý muốn. Vấn đề cuối cùng, cũng là khó khăn nhất đó chính là đảm bảo cơ sở lý thuyết cho các kiểm tra của bộ kiểm tra này. Trong tài liệu mà NIST công bố, họ không đưa ra cơ sở lý thuyết một cách rõ ràng mà chỉ liệt kê các tài liệu liên quan đến kiểm tra tương ứng. Theo đánh giá của chúng tôi, có những kiểm tra đã có cơ sở lý thuyết một cách rõ ràng như kiểm tra tần số, kiểm tra tần số trong một khối; lại có những kiểm tra có thể làm rõ được cơ sở lý thuyết theo các tài liệu công bố như kiểm tra loạt, hạng ma trận, so khớp mẫu, độ phức tạp tuyến tính, tổng tích lũy; nhưng cũng có những kiểm tra không dễ để có thể làm rõ cơ sở lý thuyết như kiểm tra DFT, Serial, phổ quát của Maurer, entropy xấp xỉ, viếng thăm ngẫu nhiên và biến thể viếng thăm ngẫu nhiên.

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

CÁC NỘI DUNG CHÍNH TRONG NIST SP 800-22

Như đã trình bày, vấn đề đầu tiên đối với người dùng là đọc hiểu và nắm được chi tiết tài liệu báo cáo mà NIST công bố. Tài liệu NIST SP 800-22 Revision 1a dài 131 trang, được chia làm 5 Mục và 7 Phụ lục. Mục 1 của tài liệu đưa ra một số khái niệm về tính ngẫu nhiên, độ bất định, các bộ sinh số ngẫu nhiên và giả ngẫu nhiên cùng với một số khái niệm và ký hiệu toán học. Mục 2 chiếm phần lớn nội dung khi trình bày về mục đích, cách gọi hàm, mô tả, phân phối tham chiếu, mức ý nghĩa, tham số khuyến cáo và ví dụ cho 15 kiểm tra thống kê. Trong tài liệu này, NIST không trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết cho các kiểm tra mà chỉ trích dẫn đến các tài liệu đã được công bố. Mục 3 liệt kê các tài liệu trên đối với mỗi kiểm tra thống kê. Mục 4 trình bày chiến lược phân tích thống kê cho một RNG (Random Number Generators). Mục 5 trình bày hướng dẫn sử dụng mã nguồn cài đặt của bộ kiểm tra này.

Ngoài ra, một số thông tin khác được trình bày trong các phụ lục: Phụ lục A trình bày về mã nguồn cài đặt của bộ kiểm tra. Phụ lục B trình bày một số kết quả thực nghiệm đối với các dữ liệu mẫu. Phụ lục C giúp người dùng có thể tùy chỉnh mã nguồn để bổ sung các kiểm tra khác. Phụ lục D mô tả của các bộ sinh số giả ngẫu nhiên có sẵn trong mã nguồn cài đặt của bộ kiểm tra. Phụ lục E trình bày một số hàm số học tính toán được sử dụng trong các kiểm tra như hàm gamma, hàm lỗi. Phụ lục F trình bày một số phần mềm hỗ trợ tính toán như Mathematica để tính toán một số hàm trung gian trong các kiểm tra.

Kính mời quý độc giả xem chi tiết bài báo

TS. Trần Duy Lai, ThS. Hoàng Đình Linh

‹ › ×

Tin liên quan

NIST và toàn vẹn dữ liệu chống lại các tấn công của mã độc tống tiền (Phần II)

10:00 | 14/06/2022

Phần I của bài viết đã trình bày một số vấn đề chung về toàn vẹn dữ liệu nói chung, mã độc tống tiền nói riêng và khung an toàn dữ liệu của NIST, cũng như trình bày tóm tắt nội dung của SP 1800-25 giải quyết 2 vấn đề là xác định (identify) và bảo vệ (protect). Phần II sẽ trình bày tóm tắt nội dung của SP 1800-26 và giải quyết hai vấn đề là phát hiện (detect) và phản ứng (response), SP 1800-11 giải quyết vấn đề phục hồi (recovery) cũng như việc phối hợp cả 3 tài liệu.

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

13:00 | 25/10/2022

Phần I của bài báo đã được đăng trên ấn phẩm An toàn thông tin số 3 (067) 2022 với nội dung trình bày tóm lược các ý chính trong chuẩn NIST SP 800-22. Trong phần cuối này, nhóm tác giả sẽ trình bày các nghiên cứu liên quan và chỉ ra những lưu ý cẩn trọng khi sử dụng bộ công cụ NIST SP 800-22.

Một cách nhìn về NIST SP 800-22

07:00 | 04/11/2022

Bài báo giới thiệu các quan điểm mang tính phê phán của Markku-Juhani O. Saarinen về tài liệu NIST SP 800-22, cho rằng SP 800-22 đã bị lỗi thời so với SP 800-90. Việc đánh giá các bộ tạo và các dãy giả ngẫu nhiên nên dựa trên các nguyên tắc phân tích mật mã, chứng minh độ an toàn và phân tích thiết kế, từ đó xác nhận một cài đặt của thuật toán tạo số giả ngẫu nhiên dựa trên mã khối, hàm băm cần tập trung vào tính đúng đắn so với mô tả thuật toán chứ không phải vào tính ngẫu nhiên của đầu ra. Trong phiên bản mới của SP 800-22 nên tập trung vào việc đánh giá mô hình ngẫu nhiên cho các nguồn entropy; các “bộ tạo tham khảo” trong Phụ lục D của SP 800-22 đều không phù hợp để sử dụng trong mật mã hiện đại.

NIST và toàn vẹn dữ liệu chống lại các tấn công của mã độc tống tiền (Phần I)

07:00 | 20/05/2022

Bài báo giới thiệu 3 tài liệu do NIST phát hành nhằm bảo vệ toàn vẹn dữ liệu chống lại tấn công mã độc tống tiền. Các tài liệu này đề cập tới các khía cạnh của bài toán toàn vẹn dữ liệu như: xác định, bảo vệ, phát hiện, phản ứng và phục hồi.

Hướng dẫn an ninh mạng cho ngành khách sạn của NIST

13:00 | 12/05/2021

Hướng dẫn thực hiện giải pháp an ninh mạng từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) có thể giúp chủ khách sạn giảm thiểu rủi ro cho hệ thống quản lý tài sản khách sạn (PMS) - nơi lưu trữ thông tin cá nhân và dữ liệu thẻ tín dụng của nhiều khách hàng.

Tin cùng chuyên mục

Giới thiệu tiêu chuẩn An toàn thông tin - Mã hóa có sử dụng xác thực

14:00 | 26/02/2024

Khi dữ liệu được gửi từ nơi này đến nơi khác thì cần phải bảo vệ dữ liệu trong quá trình đang được gửi. Tương tự như vậy, khi dữ liệu được lưu trữ trong một môi trường mà các bên không được phép cập thì cần thiết phải có các biện pháp bảo vệ dữ liệu đó. Bài báo sẽ giới thiệu tóm tắt nội dung tiêu chuẩn ISO/IEC 19772:2020 về an toàn thông tin – mã hóa có sử dụng xác thực. Xác định các cách thức xử lý một chuỗi dữ liệu theo các mục tiêu an toàn bao gồm 5 cơ chế mã hóa có sử dụng xác thực.

Ban Cơ yếu Chính phủ nghiên cứu, xây dựng chuẩn mã khối dân sự phục vụ chiến lược “Make in Vietnam”

08:00 | 10/02/2024

Một trong những mục tiêu của Chiến lược “Make in VietNam” do Thủ tướng Chính phủ ban hành là phát triển kinh tế số chiếm 20%GDP, với việc xác định các bước tiến đột phá mang tính hệ thống, nhấn mạnh vào chuyển đổi chủ quyền công nghệ, có sự chuyển dịch mạnh mẽ từ lắp ráp, gia công sang sáng tạo, thiết kế một cách chủ động, tạo ra các sản phẩm công nghệ “Make in VietNam”. Trong xu thế đó, bên cạnh việc thực hiện các nhiệm vụ chính trị quan trọng được Đảng và Nhà nước giao, với vai trò là Cơ quan mật mã quốc gia, Ban Cơ yếu Chính phủ đã chỉ đạo tổ chức nghiên cứu, xây dựng thuật toán mã khối dân sự để thiết kế, chế tạo các sản phẩm bảo mật, an toàn thông tin phục vụ phát triển kinh tế số, xã hội số.

Đổi mới trong công tác quản lý nhà nước về mật mã dân sự (phần 2)

10:00 | 29/07/2022

Đây là chủ đề của buổi Tọa đàm do Tạp chí An toàn thông tin tổ chức vào sáng ngày 27/7, với sự tham dự của Đại tá, TS. Hồ Văn Hương, Cục trưởng Cục Quản lý mật mã dân sự và Kiểm định sản phẩm mật mã, Ban Cơ yếu Chính phủ.

Ứng dụng SQRC vào bài toán xác thực khuôn mặt

09:00 | 13/06/2022

Trong vài năm trở lại đây, mã QR đang được áp dụng hết sức phổ biến cho các giải pháp kiểm soát ra vào, check-in địa điểm, thanh toán,… bởi đặc tính đơn giản, không yêu cầu tiếp xúc trực tiếp. Tuy nhiên, việc sử dụng mã QR truyền thống cũng tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn thông tin, như có thể bị làm giả hoặc được sử dụng sai mục đích, không đúng đối tượng được ủy quyền.