미리보기 생성 중...
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH KHOA: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Giáo trình AN TOÀN VÀ BẢO MẬT THÔNG TIN TÊN HỌC PHẦN : An toàn và bảo mật Thông tin MÃ HỌC PHẦN : 17212 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HẢI PHÒNG - 2008 ThiNganHang.com
Tên học phần: An toàn bảo mật thông tin Loại học phần: II Bộ môn phụ trách giảng dạy: Khoa học máy tính. Khoa phụ trách: Công nghệ thông tin Mã học phần: Tổng số TC: 3 TS tiết Lý thuyết Thực hành/ Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 75 45 30 0 0 0 Điều kiện tiên quyết: Sinh viên cần học xong các học phần: - Lập trình hướng đối tượng - Cấu trúc dữ liệu - Phân tích, thiết kế và đánh giá thuật toán. Mục đích của học phần: Truyền đạt cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các lĩnh vực riêng trong an toàn bảo mật máy tính: - Các giải thuật mã hóa trong truyền tin. - Các thuật toán tạo hàm băm và chữ ký điện tử. - Các mô hình trao chuyển khóa. - Các mô hình chứng thực và các giao thức mật mã. Nội dung chủ yếu: Gồm 2 phần: -Phần lý thuyết: cung cấp các lý thuyết về thuật toán mã hóa, các giao thức. -Phần lập trình: cài đặ t các hệ mã, viết các ứng dụng sử dụng các hệ mã mật Nội dung chi tiết của học phần: Phân phối số tiết Tên chương mục TS LT Xemine BT KT Chương I. Giới thiệu nhiệm vụ của an toàn và bảo 4 3 1 0 0 mật thông tin. 1.1. Các khái niệm mở đầu. 1 1.1.1. Thành phần của một hệ thống thông tin 1.1.2. Những mối đe dọa và thiệt hại đối với hệ thống thông tin. 1.1.3. Giải pháp điều khiển kiểm soát an toàn bảo mật 1.2. Mục tiêu và nguyên tắc chung của ATBM. 1.2.1. Ba mục tiêu. 1.2.2. Hai nguyên tắc 1.3. Giới thiệu chung về các mô hình mật mã. 1 1.3.1. Mô hình cơ bản trong truyền tin và luật Kirchoff. 1.3.2. Những giai đoạn phát triển của lý thuyết mã hóa. 1 1 ThiNganHang.com
Chương II. Một số phương pháp mã hóa cổ điển. 13 5 5 2 1 2.1. Phương pháp mã đơn giản. 2 2 1 2.1.1. Mã hoán vị trong bảng Alphabet. 2.1.2. Mật mã cộng tính. 2.2.3. Mật mã nhân tính. 2.1.4. Phân tích mã theo phương pháp thống kê. 2.2. Phương pháp mã bằng phẳng đồ thị tần xuất. 2.2.1. Mã với bảng thế đồng âm. 3 3 1 2.2.2. Mã đa bảng thế: giải thuật mã Vigenre và One time pad. 2.2.3. Lý thuyết về sự bí mật tuyệt đối. 2.2.4. Đánh giá mức độ bảo mật của một phương pháp mã hóa. Kiểm tra 1 Chương III. Mật mã khối. 16 8 7 1 0 3.1. Khái niệm. 1 3.1.1. Điều kiện an toàn cho mật mã khối 3.1.2. Nguyên tắc thiết kế. 3.2. Chuẩn mã hóa dữ liệu DES 3 3 0,5 3.2.1. Lịch sử của DES 3.2.2. Cấu trúc vòng lặp DES. 3.2.3. Thuật toán sinh khóa con 3.2.4. Cấu trúc hàm lặp. 3.2.5. Thuật toán giải mã DES. 3.2.6. Đánh giá mức độ an toàn bảo mật của DES. 3.2.7. TripleDES 3.3. Chuẩn mã hóa cao cấp AES 3 3 0,5 3.3.1. Giới thiệu về AES 3.3.2. Thuật toán mã hóa 3.3.3. Thuật toán giải mã 3.3.4. Cài đặ t AES 3.4 Một số chế độ sử dụng mã khối. 1 1 3.4.1. Chế độ bảng tra mã điện tử 3.4.2. Chế độ mã móc xích 3.4.3. Chế độ mã phản hồi Chương IV. Hệ thống mã với khóa công khai. 16 6 7 2 1 4.1. Khái niệm khóa công khai. 1 4.1.1. Đặc trưng và ứng dụng của hệ mã khóa công kh ai. 4.1.2. Nguyên tắc cấu tạo hệ khóa công khai 4.2. Giới thiệu một số giải thuật PKC phổ biến. 2 4.1.1. Hệ mã Trapdoor Knapsack. 1 1 4.1.2. Hệ mã RSA 2 3 ThiNganHang.com
4.1.3. Hệ mã ElGamal 2 3 Kiểm tra 1 Chương V. Chữ ký điện tử và hàm băm. 12 7 5 0 0 5.1. Chữ ký điện tử. 0,5 5.1.1. Định nghĩa. 5.1.2. Ứng dụng của chữ ký điện tử 5.2. Giới thiệu một số hệ chữ ký điện tử 3 5.2.1. Hệ chữ ký điện tử RSA 2 5.2.2. Hệ chữ ký điện tử ElGamal 5.2.3. Chuẩn chữ ký điện tử DSA 5.3. Hàm băm. 0,5 5.3.1. Định nghĩa. 5.3.2. Sinh chữ ký điện tử với hàm băm 5.4. Một số hàm băm thông dụng 3 5.4.1. Hàm băm MD5 1,5 5.4.2. Hàm băm SHA1 1,5 Chương VI. Quản lý khóa trong hệ thống mật mã 8 5 3 0 0 6.1. Quản lý khóa đối với hệ SKC 1 6.1.1. Giới thiệu phương pháp quản lý khóa. 6.2. Quản lý khóa trong các hệ PKC 1 6.2.1. Giao thức trao chuyển khóa Needham – Schoeder 1 6.2.2. Giao thức trao đổi khóa Diffie-Hellman 1 1 6.2.3. Giao thức Kerberos 1 2 Chương VII. Giao thức mật mã 6 3 2 0 1 7.1. Khái niệm giao thức mật mã 1 7.1.1. Định nghĩa giao thức mật mã 7.1.2. Mục đích giao thức mật mã. 7.1.3. Các bên tham gia vào giao thức mật mã 7.2. Tìm hiểu thiết kế các giao thức mật mã điển hình 2 2 7.2.1. Một số dạng tấn công đối với giao thức mật mã. 7.2.2. Giới thiệu một số giao thức mật mã. 7.3. Kiểm tra. 1 Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường. Tài liệu học tập: 1. Phan Đình Diệu. Lý thuyết mật mã và An toàn thông tin. Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2. Douglas R. Stinson. Cryptography Theory and practice. CRC Press. 1995. 3. A. Menezes, P. VanOorschot, and S. Vanstone. Handbook of Applied Cryptography. CRC Press. 1996. ThiNganHang.com
4. William Stallings. Cryptography and Network Security Principles and Practices, Fourth Edition. Prentice Hall. 2005. 5. MichaelWelschenbach. Cryptography in C and C++. Apress. 2005. Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Sinh viên phải làm các bài kiểm tra trong quá trình học và thực hành. Thi vấn đáp. - Sinh viên phải bảo đảm các điều kiện theo Quy chế của Nhà trường và của Bộ. Thang điểm : Thang điểm 10. Điểm đánh giá học phần: Z = 0,3 X + 0,7 Y. ThiNganHang.com
MỤ C LỤ C LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU.................................................................................................. 2 1. An toàn bảo mật thông tin và mật mã học ................................................................. 2 2. Khá i niệm hệ thống và tài sản của hệ thống .............................................................. 2 3. Cá c mố i đe doạ đố i vớ i mộ t hệ thố ng và cá c biệ n phá p ngăn chặ n........................... 2 4. Mụ c tiêu và nguyên tắ c chung củ a an toà n bả o mậ t thông tin ................................... 3 5. Mật mã học (cryptology) ............................................................................................ 4 6. Khá i niệ m hệ mã mậ t (CryptoSystem) ....................................................................... 4 7. Mô hình truyền tin cơ bản của mật mã học và luật Kirchoff ....................................... 5 8. Sơ lƣợc về lịch sƣ̉ mật mã học.................................................................................. 6 9. Phân loại các thuật toán mật mã học......................................................................... 8 10. Một số ƣ́ng dụng của mật mã học........................................................................... 8 CHƢƠNG II: CƠ SỞ TOÁ N HỌ C...................................................................................10 1. Lý thuyế t thông tin................................................................................................... 10 1.1. Entropy ............................................................................................................. 10 1.2. Tốc độ của ngôn ngƣ̃. (Rate of Language) ....................................................... 11 1.3. Tí nh an toà n củ a hệ thố ng mã hoá ................................................................... 11 1.4. Kỹ thuậ t lộ n xộn và rƣờm rà (Confusion and Diffusion)..................................... 12 2. Lý thuyế t độ phứ c tạ p..............................................................................................13 2.1. Độ an toàn tính toán ......................................................................................... 14 2.2. Độ an toàn không điều kiện .............................................................................. 14 3.3. Hệ mật tích ....................................................................................................... 16 3. Lý thuyế t toá n họ c ................................................................................................... 17 3.1. Modulo số học .................................................................................................. 17 3.2. Số nguyên tố .................................................................................................... 17 3.3. Ƣớ c số chung lớ n nhấ t..................................................................................... 17 3.4. Và nh ZN (và nh đồ ng dƣ module N)...................................................................18 3.5. Phần tƣ̉ nghịch đảo .......................................................................................... 18 3.6. Hà m phi Ơle ..................................................................................................... 19 3.7. Thặng dƣ bậc hai.............................................................................................. 19 3.8. Thuật toán lũy thƣ̀a nhanh................................................................................ 20 3.9. Thuật toán Ơclit mở rộng.................................................................................. 21 3.10. Phƣơng trình đồng dƣ bậc nhất 1 ẩ n.............................................................. 22 3.11. Định lý phần dƣ Trung Hoa.............................................................................22 4. Cá c thuậ t toá n kiể m tra số nguyên tố . ..................................................................... 23 4.1. Một số ký hiệu toán học.................................................................................... 23 4.2. Thuật toán Soloway-Strassen........................................................................... 25 4.3. Thuật toán Rabin-Miller..................................................................................... 26 4.4. Thuật toán Lehmann......................................................................................... 26 5. Bà i tậ p..................................................................................................................... 26 CHƢƠNG III: CÁ C HỆ MÃ KHÓ A BÍ MẬ T......................................................................28 1. Cá c hệ mã cổ điể n...................................................................................................28 1.1. Hệ mã hoá thay thế (substitution cipher)........................................................... 28 1.2. Hệ mã Caesar .................................................................................................. 28 1.3. Hệ mã Affine..................................................................................................... 29 1.4. Hệ mã Vigenere................................................................................................ 30 1.5. Hệ mã Hill......................................................................................................... 30 1.6. Hệ mã đổi chỗ (transposition cipher).................................................................32 2. Cá c hệ mã khố i ....................................................................................................... 34 2.1. Mật mã khối ...................................................................................................... 34 2.2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES (Data Encryption Standard) ..................................35 2.3. Các yếu điểm của DES ..................................................................................... 51 ThiNganHang.com
2.4. Triple DES (3DES)............................................................................................ 52 2.5. Chuẩn mã hóa cao cấp AES............................................................................. 54 2.6. Các cơ chế, hình thức sử dụng của mã hóa khối (Mode of Operation) ............. 68 3. Bà i tậ p..................................................................................................................... 72 CHƢƠNG IV: CÁ C HỆ MÃ MẬ T KHÓ A CÔNG KHAI..................................................... 77 1. Khá i niệ m hệ mã mậ t khóa công khai......................................................................77 2. Nguyên tắc cấu tạo của các hệ mã mật khóa công khai..........................................78 3. Một số hệ mã khóa công khai..................................................................................78 3.1. Hệ mã knapsack...............................................................................................78 3.2. Hệ mã RSA.......................................................................................................79 3.3. Hệ mã El Gamal ...............................................................................................83 3.4. Cá c hệ mã mậ t dự a trên cá c đƣờ ng cong Elliptic.............................................85 4. Bà i tậ p..................................................................................................................... 96 CHƢƠNG V: CHƢ̃ KÝ ĐIỆN TƢ̉ VÀ HÀM BĂM............................................................ 101 1. Chƣ̃ ký điện tƣ̉....................................................................................................... 101 1.1. Khái niệm về chữ ký điện tử ........................................................................... 101 1.2. Hệ chữ ký RSA ............................................................................................... 102 1.3. Hệ chữ ký ElGammal ...................................................................................... 103 1.4. Chuẩn chữ ký điện tử (Digital Signature Standard) ......................................... 106 1.5. Mô hình ƣ́ng dụng của chƣ̃ ký điện tƣ̉................................................................ 108 2. Hàm Băm (Hash Function) .................................................................................... 109 2.1. Khái niệm ....................................................................................................... 109 2.2. Đặc tính của hàm Băm ................................................................................... 109 2.3. Birthday attack................................................................................................ 110 2.4. Một số hàm Băm nổi tiếng .............................................................................. 111 2.5. Mộ t số ƣ́ng dụng của hà m Băm...................................................................... 118 3. Bà i tậ p................................................................................................................... 119 CHƢƠNG VI: QUẢ N LÝ KHÓ A..................................................................................... 120 1. Quả n lý khoá trong cá c mạ ng truyền tin ................................................................ 120 2. Một số hệ phân phối khoá ..................................................................................... 120 2.1. Sơ đồ phân phối khoá Blom ........................................................................... 120 2.2. Hệ phân phối khoá Kerberos .......................................................................... 122 2.3. Hệ phân phố i khóa Diffe-Hellman ................................................................... 123 3. Trao đổi khoá và thoả thuận khoá ......................................................................... 124 3.1. Giao thức trao đổi khoá Diffie -Hellman ........................................................... 124 3.2. Giao thức trao đổi khoá Diffie -Hellman có chứng chỉ xác nhận ....................... 125 3.3. Giao thức trao đổi khoá Matsumoto -Takashima-Imai...................................... 126 3.4. Giao thức Girault trao đổi khoá không chứng chỉ ............................................ 127 4.Bà i tậ p.................................................................................................................... 128 CHƢƠNG VII: GIAO THƢ́C MẬT MÃ ........................................................................... 130 1. Giao thức .............................................................................................................. 130 2. Mục đích của các giao thức ................................................................................... 130 3. Các bên tham gia vào giao thức (the players in protocol) ...................................... 131 4. Các dạng giao thức ............................................................................................... 132 4.1. Giao thức có trọng tài ..................................................................................... 132 4.2. Giao thức có ngƣời phân xử ........................................................................... 133 4.3. Giao thứ c tƣ̣ phân xƣ̉ ..................................................................................... 134 5. Các dạng tấn công đối với giao thức ..................................................................... 134 TÀ I LIỆ U THAM KHẢ O ................................................................................................. 136 ThiNganHang.com
Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình cơ bản của truyền tin bảo mật .............................................................. 5 Hình 3.1: Chuẩn mã hóa dƣ̃ liệu DES .............................................................................35 Hình 3.2: Sơ đồ mã hoá DES ..........................................................................................38 Hình 3.3: Sơ đồ một vòng DES .......................................................................................39 Hình 3.4: Sơ đồ tạ o khoá con của DES.......................................................................... 41 Hình 3.5: Sơ đồ hàm f ..................................................................................................... 43 Hình 3.6: Sơ đồ hàm mở rộng (E) ................................................................................... 44 Hình 3.7: Triple DES ....................................................................................................... 53 Hình 3.8: Cá c trạ ng thá i củ a AES.................................................................................... 56 Hình 3.9: Thuật toá n mã hóa và giả i mã củ a AES........................................................... 59 Hình 3.10: Hà m ShifftRows()........................................................................................... 62 Hình 3.11: Hà m MixColumns củ a AES............................................................................ 63 Hình 3.12: Hà m AddRoundKey củ a AES......................................................................... 63 Hình 3.13: Hà m InvShiftRows() củ a AES ........................................................................ 66 Hình 3.14: Cơ chế ECB................................................................................................... 69 Hình 3.15: Chế độ CBC...................................................................................................70 Hình 3.16: Chế độ CFB ................................................................................................... 71 Hình 4.1: Mô hình sƣ̉ dụng 1 củ a cá c hệ mã khóa công khai PKC.................................. 78 Hình 4.2: Mô hình sƣ̉ dụng 2 củ a cá c hệ mã khóa công khai PKC.................................. 78 Hình 4.3: Mô hình ƣ́ng dụng lai ghép RSA với các hệ mã khối .......................................83 Hình 4.4: Cá c đƣờ ng cong Elliptic trên trƣờ ng số thự c................................................... 87 Hình 4.5: Hình biể u diễ n E 4(g4, 1) .................................................................................. 92 2 Hình 4.6: Phƣơng pháp trao đổi khóa Diffie-Hellman dƣ̣a trên ECC ............................... 94 Hình 5.1: Mô hình ƣ́ng dụng của chƣ̃ ký điện tƣ̉ ........................................................... 108 Hình 5.2: Sơ đồ chữ ký sử dụng hàm Băm ................................................................... 109 Hình 5.3: Sơ đồ vòng lặp chính của MD5 ...................................................................... 112 Hình 5.4: Sơ đồ một vòng lặp MD5 ............................................................................... 113 Hình 5.5: Sơ đồ một vòng lặp của SHA ......................................................................... 117 ThiNganHang.com
Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bả ng 2.1: Bả ng bậ c củ a cá c phầ n tử trên Z* .................................................................19 21 Bả ng 2.2: Bả ng lũ y thừ a trên Z13 .....................................................................................20 Bả ng 3.1: Bả ng đánh số các chƣ̃ cái tiếng Anh............................................................... 29 Bả ng 3.2: Mã hoá thay đổ i vị trí cộ t ................................................................................. 32 Bả ng 3.3: Mã hóa theo mẫ u hình họ c.............................................................................. 32 Bả ng 3.4: Ví dụ mã hóa theo mẫ u hình họ c .................................................................... 33 Bả ng 3.5: Mã hóa hoá n vị theo chu kỳ ............................................................................ 33 Bả ng 3.6: Bả ng hoá n vị IP............................................................................................... 39 Bả ng 3.7: Bả ng hoá n vị ngƣợ c IP-1 ................................................................................. 39 Bả ng 3.8: Bả ng PC-1 ...................................................................................................... 41 Bả ng 3.9: Bả ng dị ch bit tạ i cá c vòng lặ p củ a DES........................................................... 42 Bả ng 3.10: Bả ng PC-2 .................................................................................................... 42 Bả ng 3.11: Bả ng mô tả hà m mở rộ ng E.......................................................................... 44 Bả ng 3.12: Hộp S 1........................................................................................................... 45 Bả ng 3.13: Hộp S 2........................................................................................................... 45 Bả ng 3.14: Hộp S 3........................................................................................................... 45 Bả ng 3.15: Hộp S 4........................................................................................................... 46 Bả ng 3.16: Hộp S 5........................................................................................................... 46 Bả ng 3.17: Hộp S 6........................................................................................................... 46 Bả ng 3.18: Hộp S 7........................................................................................................... 46 Bả ng 3.19: Hộp S 8........................................................................................................... 46 Bả ng 3.20: Bả ng hoá n vị P.............................................................................................. 47 Bả ng 3.21: Ví dụ về cá c bƣớ c thự c hiệ n củ a DES .......................................................... 50 Bả ng 3.22: Cá c khóa yế u củ a DES ................................................................................. 51 Bả ng 3.23: Cá c khóa nửa yế u củ a DES.......................................................................... 51 Bả ng 3.24: Qui ƣớc một số tƣ̀ viết tắt và thuật ngƣ̃ của AES.......................................... 54 Bả ng 3.25: Bả ng biể u diễ n cá c xâu 4 bit ......................................................................... 56 Bả ng 3.26: Bả ng độ dà i khóa củ a AES............................................................................ 57 Bả ng 3.27: Bả ng thế S-Box của AES .............................................................................. 61 Bả ng 3.28: Bả ng thế cho hà m InvSubBytes() .................................................................. 66 Bả ng 4.1: Tốc độ của thuật toán Brent-Pollard ................................................................ 81 Bả ng 4.2: Biểu diễn của tập E23(1, 1)............................................................................. 89 Bả ng 4.3: Bả ng so sá nh cá c hệ mã ECC vớ i hệ mã RSA................................................ 95 ThiNganHang.com
Lời nó i đầ u LỜI NÓI ĐẦU Từ trƣớc công nguyên con ngƣời đã phải quan tâm tới việc làm thế nào để đảm bảo an toàn bí mật cho các tài liệu, văn bản quan trọng , đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự , ngoạ i giao. Ngày nay với sự xuất hiện của máy tính, các tài liệu văn bản giấy tờ và các thông tin quan trọng đều đƣợ c số hóa và xử lý trên máy tính, đƣợc truyền đi trong một môi trƣờng mà mặc định là không an toà n. Do đó yêu cầu về việc có một cơ chế , giải pháp để bảo vệ sự an toàn và bí mật của các thông tin nhạy cảm , quan trọng ngày càng trở nên cấp thiết. Mật mã học chính là ngành khoa học đảm bảo cho mục đích này. Khó có thể thấy một ứ ng dụng Tin học có í ch nào lại không sử dụng các thuật toán mã hóa thông tin. Tài liệu này dựa trên những kinh nghiệm và nghiên cứu mà tác giả đã đúc rút, thu thập trong quá trìn h giảng dạy môn học An toàn và Bảo mật T hông tin tại khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Hàng hải Việt nam. Với bảy chƣơng đƣợc chia thành các chủ đề khác nhau từ c ơ sở toán học của mật mã học cho tới các hệ mã, các giao thức mật mã, hy vọng sẽ cung cấp cho các em sinh viên , cá c bạ n độ c giả một tài liệu bổ í ch. Mặc dù đã rất cố gắng song vẫn không tránh khỏi một số thiếu sót, hy vọng sẽ đƣợc các bạn bè đồng nghiệ p, các em sinh viên, cá c bạ n độ c giả góp ý chân thành để tôi có thể hoàn thiện hơn nữa cuốn sách này. Xin gửi lời cảm ơn chân thà nh tới các bạn bè đồng nghiệp , nhƣ̃ng ngƣời thân đã luôn động viên , góp ý cho tôi trong quá trình biên soạ n . Xin gƣ̉i lời cảm ơn tới Thạc sỹ Nguyễn Đình Dƣơng, ngƣời đã đọc và cho nhƣ̃ng nhận xét , góp ý quí bá u cho phầ n viế t về hệ mã khóa công khai dƣ̣a trên các đƣờng cong Elliptic. Xin gƣ̉i lời cảm ơn sâu sắc tới Thạ c sỹ Phạ m Tuấ n Đạt, ngƣời đã hiệu đính một cách kỹ càng và cho rất nhiều nhận xét có giá trị cho bả n thả o củ a cuố n sá ch nà y . Cuối cùng xin gƣ̉i lời cảm ơn tới Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ Thông tin , đặc biệt là Tiến sỹ L ê Quốc Định – chủ nhiệ m khoa, đã luôn tạo điều kiện tốt nhất, giúp đỡ để cuốn sách này có thể hoàn thành. Hải phòng, tháng 12 năm 2007 Tác giả Nguyễn Hữu Tuân ThiNganHang.com 1
Chƣơng I: Giới thiệu CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU 1. An toàn bảo mật thông tin và mật mã học Trả i qua nhiều thế kỷ hà ng loạ t cá c giao thứ c (protocol) và cá c cơ chế (mechanism) đã đƣợc tạo ra để đáp ƣ́ng nhu cầu an toàn bảo mật thông tin kh i mà nó đƣợc truyền tải trên các phƣơng tiện vật lý (giấy, sá ch, bá o …). Thƣờng thì các mục tiêu của an toàn bảo mật thông tin không thể đạt đƣợc nếu chỉ đơn thuần dƣ̣a vào các thuật toán toán học và cá c giao thứ c, mà để đạt đƣợc điều này đòi hỏi cần có các kỹ thuật mang tính thủ tục và sƣ̣ tôn trọng các điều luật . Chẳng hạn sƣ̣ bí mật của các bƣ́c thƣ tay là do sƣ̣ phân phát cá c lá thƣ đã có đóng dấ u bởi mộ t dị ch vụ thƣ tí n đã đƣợ c chấp nhận . Tí nh an toà n về mặt vật lý của các lá thƣ là hạn chế (nó có thể bị xem trộ m ) nên để đảm bảo sƣ̣ bí mật củ a bứ c thƣ phá p luậ t đã đƣa ra qui đị nh : việc xem thƣ mà không đƣợc sƣ̣ đồng ý của chủ nhân hoặ c nhữ ng ngƣời có thẩm quyền là phạm pháp và sẽ bị trƣ̀ng phạt . Đôi khi mụ c đí ch củ a an toà n bả o mậ t thô ng tin lại đạt đƣợc nhờ chí nh phƣơng tiện vật lý mang chúng, chẳng hạn nhƣ tiền giấy đòi hỏi phải đƣợc in bằng loại mƣ̣c và giấy tốt để không bị là m giả . Về mặt ý tƣởng việc lƣu giƣ̃ thông tin là không có nhiều thay đổi đáng kể qua thời gian. Ngà y xƣa thông tin thƣờ ng đƣợ c lƣu và vậ n chuyể n trên giấ y tờ , trong khi giờ đây chúng đƣợ c lƣu dƣớ i dạ n g số hóa và đƣợc vận chuyển bằng các hệ thống viễn thông hoặc các hệ thống không dây . Tuy nhiên sƣ̣ thay đổi đáng kể đến ở đây chính là khả năng sao chép và thay đổi thông tin. Ngƣời ta có thể tạo ra hàng ngàn mẩu tin giống nhau và không thể phân biệ t đƣợ c nó vớ i bả n gố c . Với các tài liệu lƣu trƣ̃ và vận chuyển trên giấy điều này khó khăn hơn nhiều . Và điều cầ n thiế t đố i vớ i mộ t xã hộ i mà thông tin hầ u hết đƣợc lƣu trƣ̃ và vận chuyển trên cá c phƣơng tiệ n điệ n tử chí nh là cá c phƣơng tiệ n đảm bảo an toàn bảo mật thông tin độc lập với các phƣơng tiện lƣu trƣ̃ và vận chuyển vật lý củ a nó . Phƣơng tiện đó chính là mật mã học , một ngành khoa học có lịch sƣ̉ lâ u đời dƣ̣a trên nền tảng các thuật toán toán học, số học, xá c suấ t và cá c môn khoa họ c khá c. 2. Khái niệ m hệ thố ng và tà i sản củ a hệ thố ng Khá i niệ m hệ thố ng : Hệ thống là một tập hợp các máy tính gồm các thành phầ n phấn cƣ́ng, phần mềm và dƣ̃ liệu làm việc đƣợc tích luỹ qua thời gian. Tà i sả n củ a hệ thố ng bao gồ m: Phần cƣ́ng Phần mềm Dƣ̃ liệu Cá c truyền thông giữa cá c má y tí nh củ a hệ thố ng Môi trƣờng làm việc Con ngƣời 3. Các mố i đe doạ đối với một hệ thống và các biện pháp ngăn chặn Có 3 hì nh thứ c chủ yế u đe dọ a đố i vớ i hệ thố ng: ThiNganHang.com 2
Chƣơng I: Giới thiệu Phá hoạ i: kẻ thù phá hỏng thiế t bị phầ n cứ ng hoặ c phầ n mềm hoạ t độ ng trên hệ thống. Sƣ̉a đổi: Tà i sả n củ a hệ thống bị sƣ̉a đổi trái phép. Điều này thƣờng làm cho hệ thống không làm đúng chƣ́c năng của nó . Chẳng hạn nhƣ thay đổi mật khẩu , quyền ngƣời dùng trong hệ thống làm họ không thể truy cập vào hệ thống để là m việ c. Can thiệ p: Tà i sả n bị truy cậ p bởi những ngƣờ i không có thẩ m quyền . Cá c truyền thông thƣ̣c hiện trên hệ thống bị ngăn chặn, sƣ̉a đổi. Cá c đe dọ a đố i vớ i mộ t hệ thố ng thông tin có thể đế n từ nhiều nguồ n và đƣợ c thự c hiện bởi cá c đối tƣợng khác nhau . Chúng ta có thể chia thà nh 3 loạ i đố i tƣợ ng nhƣ sau : cá c đố i tƣợ ng từ ngay bên trong hệ thố ng (insider), đây là nhƣ̃ng ngƣời có quyền truy cập hợp pháp đối với hệ thống , nhƣ̃ng đối tƣợng bên ngoài hệ thố ng (hacker, cracker), thƣờng các đối tƣợng này tấn công qua nhƣ̃ng đƣờng kết nối với hệ thống nhƣ Internet chẳng hạn, và thứ ba là cá c phầ n mềm (chẳng hạn nhƣ spyware, adware …) chạ y trên hệ thống. Các biệ n pháp ngăn chặ n: Thƣờ ng có 3 biện pháp ngăn chặn: Điều khiển thông qua phần mềm : dƣ̣a vào các cơ chế an toàn bảo mật của hệ thống nền (hệ điều hành), cá c thuậ t toá n mậ t mã họ c Điều khiển thông qua phần cƣ́ng : cá c cơ chế bả o mậ t , cá c thuậ t toá n mậ t mã họ c đƣợ c cứ ng hóa để sử dụ ng Điều khiển thông qua các chính sách của tổ chƣ́c : ban hành các qui định của tổ chƣ́c nhằm đảm bảo tính an toàn bảo mật của hệ thống. Trong môn học này chúng ta tập trung xem xét cá c thuậ t toá n mậ t mã họ c nhƣ là một phƣơng tiện cơ bản, chủ yế u để đả m bả o an toà n cho hệ thố ng. 4. Mục tiêu và nguyên tắ c chung củ a an toà n bảo mậ t thông tin Ba mục tiêu của an toàn bảo mật thông tin: Tí nh bí mậ t: Tà i sả n củ a hệ thố ng chỉ đƣợ c truy cậ p bởi những ngƣờ i có thẩ m quyền. Cá c loạ i truy cậ p gồ m có : đọc (reading), xem (viewing), in ấn (printing), sƣ̉ dụng chƣơng trình, hoặc hiểu biết về sƣ̣ tồn tại của một đối tƣợng trong tổ chƣ́ c.Tí nh bí mậ t có thể đƣợc bảo vệ nhờ việc kiểm soát truy cập (theo nhiều kiểu khác nhau ) hoặc nhờ các thuật toán mã hóa dƣ̃ liệu. Kiếm soát truy cập chỉ có thể đƣợc thƣ̣c hiện với các hệ thống phần cƣ́ng vật lý. Còn đối với các dƣ̃ liệu công cộng thì thƣờng phƣơng pháp hiệu quả là cá c phƣơng phá p củ a mậ t mã họ c. Tí nh toà n vẹ n dữ liệ u: tà i sả n củ a hệ thố ng chỉ đƣợ c thay đổ i bởi những ngƣờ i có thẩ m quyền. Tí nh sẵ n dùng: tà i sả n luôn sẵn sàng đƣợc sƣ̉ dụng bởi nhƣ̃ng ngƣời có thẩm quyền. Hai nguyên tắc của an toàn bảo mật thông tin: ThiNganHang.com 3
Chƣơng I: Giới thiệu Việc thẩm định về bảo mật phả i là khó và cần tính tới tất cả các tình huống , khả năng tấ n công có thể đƣợ c thự c hiệ n. Tà i sả n đƣợ c bả o vệ cho tớ i khi hế t gí a trị sử dụ ng hoặ c hế t ý nghĩa bí mậ t. 5. Mật mã học (cryptology) Mật mã học bao gồm hai lĩnh vƣ̣c : mã hóa (cryptography) và thá m mã (cryptanalysis-codebreaking) trong đó: Mã hóa: nghiên cƣ́u các thuật toán và phƣơng thƣ́c để đảm bả o tính bí mật và xá c thự c củ a thông tin (thƣờng là dƣới dạng các văn bản lƣu trƣ̃ trên máy tính ). Cá c sả n phẩm của lĩnh vƣ̣c này là các hệ mã mật , cá c hà m băm, cá c hệ chƣ̃ ký điện tƣ̉ , cá c cơ chế phân phối, quả n lý khóa và cá c giao thứ c mậ t mã . Thá m mã : Nghiên cƣ́u các phƣơng pháp phá mã hoặc tạo mã giả . Sả n phẩ m củ a lĩnh vự c nà y là cá c phƣơng phá p thá m mã , cá c phƣơng phá p giả mạ o c hƣ̃ ký, cá c phƣơng pháp tấn công các hàm băm và các giao thƣ́c mật mã. Trong giới hạn của môn học này chúng ta chủ yếu tập trung vào tìm hiểu các vấn đề mã hóa vớ i cá c hệ mã mậ t, cá c hà m băm, cá c hệ chữ ký điệ n tử, cá c giao thứ c mậ t mã . Mã hó a (cryptography) là một ngành khoa học của các phương pháp truyền tin bảo mật. Trong tiếng Hy Lạp, “Crypto” (krypte) có nghĩa là che dấu hay đảo lộn, còn “Graphy” (grafik) có nghĩa là từ. [3] Ngƣời ta quan niệm rằng: những từ , những ký tự củ a bả n văn bản gố c có thể hiể u đƣợc sẽ cấu thành nên bản rõ ( P-Plaintext), thƣờng thì đây là các đoạn văn bản trong một ngôn ngƣ̃ nào đó; còn những từ, những ký tự ở dạng bí mật không thể hiểu đƣợc thì đƣợc gọi là bản mã ( C-Ciphertext). Có 2 phƣơng thức mã hoá cơ bản: thay thế và hoán vị: Phƣơng thức mã hoá thay thế là phƣơng thức mã hoá mà từng ký tự gốc hay một nhóm ký tự gốc của bản rõ đƣợc thay thế bởi các từ, các ký hiệu khác hay kết hợp với nhau cho phù hợp với một phƣơng thứ c nhất định và khoá. Phƣơng thức mã hoá hoán vị là phƣơng thức mã hoá mà các từ mã của bản rõ đƣợc sắp xếp lại theo một phƣơng thức nhất định. Cá c hệ mã mật thƣờng sƣ̉ dụng kết hợp cả hai kỹ thuật này. 6. Khái niệ m hệ mã mậ t (CryptoSystem) Một hệ mã mật là bộ 5 (P, C, K, E, D) thoả mãn các điều kiện sau: 1) P là không gian bản rõ: là tập hữu hạn các bản rõ có thể có. 2) C là không gian bản mã: là tập hữu hạn các bản mã có thể có. 3) K là kkhông gian khoá: là tập hữu hạn các khoá có thể có. 4) Đối với mỗi k K, có một quy tắc mã hoá e k E và một quy tắc giải mã tương ứng dk D. Với mỗi ek: P →C và dk: C →P là những hàm mà dk(ek(x)) = x cho mọi bản rõ x P. Hàm giải mã dk chí nh là ánh xạ ngượ c của hàm mã hó a ek [5] ThiNganHang.com 4
Chƣơng I: Giới thiệu Thƣờng thì không gian các bản rõ và không gian các bản mã là các văn bản đƣợc tạ o thà nh từ mộ t bộ chữ cá i A nà o đó. Đó có thể là bộ chƣ̃ cái tiếng Anh, bộ mã ASCII, bộ mã Unicode hoặ c đơn giả n nhấ t là cá c bit 0 và 1. Tính chất 4 là tính chất quan trọng nhất của mã hoá. Nội dung của nó nói rằng nếu mã hoá bằng e k và bản mã nhận đƣợc sau đó đƣợc giải mã bằng hàm dk thì kết quả nhận đƣợc phả i là bản rõ ban đầu x. Rõ ràng trong trƣờng hợp này, hàm e k(x) phải là một đơn á nh, nếu không thì ta sẽ không giải mã đƣợc. Vì nếu tồn tại x 1 và x2 sao cho y = ek(x1) = ek(x2) thì khi nhận đƣợc bản mã y ta không biết nó đƣợc mã từ x 1 hay x2. Trong một hệ mậ t bất kỳ ta luôn có |C| ≥ |P| vì mỗi quy tắc mã hoá là một đơn á nh. Khi |C| = |P| thì mỗi hàm mã hoá là một hoán vị. 7. Mô hình truyền tin cơ bản của mật mã học và luậ t Kirchoff Mô hình truyền tin thông thƣờng : Trong mô hình truyền tin thông thƣờng thông tin đƣợc truyền (vận chuyển) tƣ̀ ngƣời gƣ̉i đến ngƣời nhận đƣợc thƣ̣c hiện nhờ một kênh vật lý (chẳng hạn nhƣ việc gƣ̉i thƣ) đƣợc coi là an toàn. Mô hình truyền tin cơ bả n của mật mã học: K1 K2 Insecured Sender Encrypt Channel Decrypt Receiver X Y Y X Enemy Hình 1.1: Mô hình cơ bản của truyền tin bảo mật Đây là mô hình cơ bản của truyền tin bảo mật. Khác với truyền tin thông thƣờng, có các yếu tố mới đƣợc thêm vào nhƣ khái niệm kẻ địch (E-Enemy), các khoá mã hoá và giải mã K để đả m bả o tính bảo mật củ a thông tin cầ n truyền đi. Trong mô hình này ngƣờ i gƣ̉i S (Sender) muố n gửi mộ t thông điệp X (Message – là một bản rõ) tới ngƣời nhận R (Receiver) qua một kênh truyền không an toàn (Insecured Channel), kẻ địch E (Enemy) có thể nghe trộm, hay sửa đổi thông tin X. Vì vậy, S sử dụng phép biến đổi, tức mã hoá ( E-Encryption) lên thông tin X ở dạng đọc đƣợc (P laintext) để tạ o ra một đoạn văn bản đƣợc mã hoá Y (C-Ciphertext) không thể hiểu đƣợc theo một quy luật thông thƣờng sƣ̉ dụng một thông tin bí mật đƣợc gọi là khoá K 1 (Key), khoá K1 chính là thông số điều khiể n cho phép biế n đổ i từ bản rõ X sang bản mã Y (chỉ các bên tham gia truyền tin S và R mới có thể biết khóa này). Giải mã ( D-Decryption) là quá trình ngƣợc lại cho phép ngƣời nhận thu đƣợc thông tin X ban đầ u từ đoạ n mã hoá Y sƣ̉ dụng khóa giả i mã K2 (chú ý là khóa giả i mã và khóa mã hóa có thể khá c nhau hoặc là một tùy thuộc vào hệ mã sƣ̉ dụng). Cá c phép biế n đổ i đƣợ c sử dụ ng trong mô hình truyền tin trên thuộ c về mộ t hệ mã mật (Cryptosytem) nà o đó. ThiNganHang.com 5
앞 14페이지만 표시됩니다. 전체를 보려면 자료를 다운로드하세요.
댓글이 없습니다. 첫 댓글을 남겨보세요!
댓글 (0)
댓글이 없습니다. 첫 댓글을 남겨보세요!