Bài giảng An ninh mạng - Bài 4: Giao thức mật mã - Bùi Trọng Tùng
BÀI 4.
GIAO THỨC MẬT MÃ
Bùi Trọng Tùng,
Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông,
Đại học Bách khoa Hà Nội
1
Nội dung
• Tổng quan về giao thức mật mã
• Các giao thức trao đổi khóa
• Các giao thức chữ ký điện tử
2
1
1. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC MẬT MÃ
3
Giao thức mật mã là gì?
• Chúng ta đã biết về “mật mã” và các ứng dụng của nó:
Bảo mật
Xác thực
• Nhưng chúng ta cần biết “Sử dụng mật mã như thế nào?”
Hệ mật mã an toàn chưa đủ để làm cho quá trình trao đổi thông tin
Cần phải tính đến các yếu tố, cá nhân tham gia không trung thực
• Giao thức là một chuỗi các bước thực hiện mà các bên
phải thực hiện để hoàn thành một tác vụ nào đó.
Bao gồm cả quy cách biểu diễn thông tin trao đổi
• Giao thức mật mã: giao thức sử dụng các hệ mật mã để
đạt được các mục tiêu an toàn bảo mật
4
2
Các thuộc tính của giao thức mật mã
• Các bên tham gia phải hiểu về các bước thực hiện giao
thức
• Các bên phải đồng ý tuân thủ chặt chẽ các bước thực
hiện
• Giao thức phải rõ ràng, không nhập nhằng
• Giao thức phải đầy đủ, xem xét mọi tình huống có thể
• Với giao thức mật mã: Giao thức phải được thiết kế
để khi thực hiện không bên nào thu được nhiều lợi
ích hơn so với thiết kế ban đầu.
5
Giao thức có trọng tài(Trusted arbitrator)
• Trọng tài là bên thứ 3 thỏa mãn:
Không có quyền lợi riêng trong giao thức
Không thiên vị
• Các bên cần tin tưởng vào trọng tài
Mọi thông tin từ trọng tài là đúng và tin cậy
• Ví dụ: Alice cần bán một chiếc máy tính cho Bob, người
sẽ trả bằng séc
Alice muốn nhận tờ séc trước để kiểm tra
Bob muốn nhận máy tính trước khi giao séc
6
3
Giao thức có trọng tài – Ví dụ
• Alice và Bob tin tưởng vào Trent-Bên thứ 3 mà cả 2 cùng
tin tưởng
Trent
(1)
(2)
(3)
(4)
(7)
(6)
OK
Bob
(5)
OK
Alice
7
Giao thức có trọng tài – Ví dụ
• Alice tin tưởng vào ngân hàng mà Bob ủy nhiệm
(1)
(3)
Bob
(3)
Alice
8
4
Giao thức sử dụng trọng tài
• Khi 2 bên đã không tin tưởng nhau, có thể đặt niềm tin
vào bên thứ 3 không?
• Tăng chi phí
• Tăng trễ
• Trọng tài trở thành “cổ chai” trong hệ thống
• Trọng tài bị tấn công
9
Giao thức có người phân xử(Adjudicated
Protocols)
• Chia giao thức có trọng tài thành 2 giao thức:
Giao thức không cần đến trọng tài, có thể thực hiện bất kỳ khi nào
2 bên muốn
Giao thức cần người phân xử: chỉ sử dụng khi có tranh chấp
• Hãy xem xét lại giao dịch trong ví dụ trên với giải pháp
10
5
Giao thức tự phân xử(Self-Enforcing
Protocols)
• Không cần đến bên thứ 3
• Giao thức có cơ chế để một bên có thể phát hiện sự gian
lận của bên còn lại
• Không phải tình huống nào cũng có thể tìm ra giao thức
như vậy
11
Các dạng tấn công vào giao thức mật mã
• Có thể lợi dụng các điểm yếu trong:
Hệ mật mã
Các bước thực hiện
• Tấn công thụ động: nghe trộm
• Tấn công chủ động: can thiệp vào giao thức
Thay thế thông điệp
Sử dụng lại thông điệp
Giả mạo một trong các bên
12
6
Một ví dụ khác-Shamir 3-pass protocol
1. Bob Alice: E(K1,M)
2. Alice Bob: E(K2, E(K1,M))
3. Bob Alice: D(K1, E(K2, E(K1,M)))
4. Alice: D(K2, D(K1, E(K2, E(K1,M))))
13
2. CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓABÍ MẬT
14
7
Hãy xem lại sơ đồ bảo mật sử dụng mật
mã khóa đối xứng
?
KS
KS
M
M
Mã hóa
Giải mã
Alice
Bob
C
C
Kênh truyền
Thám mã
Làm thế nào để Alice
chuyển khóa một cách an
toàn cho Bob!
*
M
Kẻ tấn
công
KS*
15
Giao thức phân phối khóa không tập
trung
• Khóa chính: KM đã được A và B chia sẻ an toàn
Làm thế nào vì đây chính là bài toán đang cần giải quyết
Khóa chính được sử dụng để trao đổi khóa phiên KS
• Khóa phiên KS: sử dụng để mã hóa dữ liệu trao đổi
• Giao thức 1.1
(2) B A: E(KM, IDB||KS)
• Giao thức này đã đủ an toàn chưa?
Tấn công nghe lén
Tấn công thay thế
Tấn công giả mạo
Tấn công phát lại
16
8
Giao thức phân phối khóa không tập
trung – Giao thức 1.2
• Sử dụng các yếu tố chống tấn công phát lại
(replay attack)
(1) A B: IDA || N1
(2) B A: E(KM, IDB || KS || N1 || N2)
(3) A B: A kiểm tra N1 và gửi E(KS, N2)
(4) B kiểm tra N2
• Hạn chế của phân phối khóa không tập trung?
17
Giao thức phân phối khóa tập trung
• Sử dụng bên thứ 3 được tin cậy – KDC (Key Distribution
Centre):
Sinh khóa bí mật KS
Phân phối KS tới A và B
• A và KDC đã chia sẻ một khóa bí mật KA, B và KDC đã
chia sẻ một khóa bí mật K
18
9
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.1
(1) A KDC: IDA || IDB
(2) KDC A: E(KA, KS || IDA || IDB || E(KB, IDA || KS))
(3) A giải mã, thu được KS
(4) A B: E(KB, IDA || KS)
(5) A ↔ B: E(KS, Data)
• Hãy xem xét tính an toàn của giao thức này?
Tấn công nghe lén
Tấn công thay thế
Tấn công giả mạo
Tấn công phát lại
19
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.2 (Needham-Schroeder)
(1) A KDC: IDA || IDB || N1
(2) KDC A: E(KA, KS || IDA || IDB || N1 || E(KB, IDA || KS))
(3) A giải mã, kiểm tra N1 thu được KS
(4) A B: E(KB, IDA || KS) B giải mã, thu được KS
(5
(6) A B: E(KS, f(N2)) B giải mã kiểm tra f(N2)
(7) A ↔ B: E(KS, Data)
N1, N2: giá trị ngẫu nhiên dùng 1 lần (nonce)
f(x): hàm biến đổi dữ liệu bất kỳ
• Hãy xem xét lại tính an toàn của giao thức này!
20
10
Giao thức 2.2 (Needham-Schroeder)
21
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.3 (Denning)
(1) A KDC: IDA || IDB
(2) KDC A: E(KA, KS || IDA || IDB || T || E(KB, IDA || KS || T))
(3) A giải mã, kiểm tra T, thu được KS
(4) A B: E(KB, IDA || KS || T) B giải mã, kiểm tra T
(5
(6) A B: E(KS, f(N1)) B giải mã, kiểm tra N1
(7) A ↔ B: E(KS, Data)
T: nhãn thời gian (time stamp)
• Kiểm tra tính an toàn của sơ đồ này:
Mất đồng bộ đồng hồ của các bên
22
11
Giao thức 2.3 (Denning)
23
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.4 (Kehne)
(1) A B: IDA || NA
(2) B KDC: IDB || NB || E(KB, IDA || NA || TB)
(3) KDC A: E(KA, IDB || NA || KS) || E(KB, IDA || KS || TB) || NB
(4) A B: E(KB, IDA || KS || TB) || E(KS, NB)
• Vì sao việc sử dụng nhãn thời gian TB của B tốt hơn nhãn
thời gian T của KDC trong giao thức 2.3
• Hãy xem thêm các giao thức khác trong Section 3.1,
Chapter 3, “Applied Cryptography: Protocols, Algorthms,
and Source Code in C”, 2nd Edition, Bruce Schneier
24
12
Giao thức 2.4 (Kehne)
25
3. CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓACÔNG KHAI
26
13
Hãy xem lại sơ đồ bảo mật sử dụng mật
mã khóa công khai
KUB
KRB
?
M
M
Mã hóa
Giải mã
Alice
Bob
C
C
Kênh truyền
*
Alice có thể chắc
M
Kẻ tấn
công
chắn rằng khóa KUB
đúng là khóa công
khai của Bob?
Thám mã
*
K
RB
27
Giao thức phân phối khóa không tập
trung
• Hãy xem xét giao thức sau(Giao thức 3.1):
(1) A B: IDA || KUA || N1
(2) B A: IDB || KUB || N2 || E(KUA, f(N1))
(3) A kiểm tra f(N1)
(4) B kiểm tra g(N2)
(5) B A: E(KUA, DataA)
(6) A B: E(KUB, DataB)
• Nhận xét: Nếu f(x) và g(x) được giữ bí mật hoàn toàn thì
C không thể giả mạo A hoặc B?
28
14
Giao thức 3.1 – Tấn công man-in-the-middle
• C tự sinh cặp khóa (K’UA, K’RA) và (K’UB, K’RB)
A
C
B
(1) A B: IDA || KUA || N1
(1’) C B: IDA || K’UA || N1
(2)BA: IDB || KUB || E(K’UA, f(N1) || N2)
(2’)CA: IDB || K’UB || E(KUA, f(N1) || N2)
(3) A B: E(K’UB, g(N2))
(3’) C B: E(KUB, g(N2))
(4)BA: E(K’UA, DataB)
(4’)BA: E(KUA, DataA)
(5) A B: E(K’UB,DataA)
(5) A B: E(KUB,DataA)
29
Giao thức 3.2
• Hãy xem xét giao thức sau(Giao thức 3.2):
(1) A B: IDA || KUA || N1
B chỉ gửi một phần
của mẩu tin này cho A
(2) B A: IDB || KUB || N2 ||
A chỉ gửi một phần mẩu tin này cho B
(3) A B:
(4) B gửi phần còn lại bản tin
(4
A gửi phần còn lại của bản tin cho B
(4’’) B giải mã với KRB nhận được g(N2) và kiểm tra.
(5) B A: E(KUA, DataA)
(6) A B: E(KUB, DataB)
30
15
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.1
• Sử dụng bên thứ 3 tin cậy – PKA (Public Key Authority)
Có cặp khóa (KUPKA, KRPKA
)
Nhận các khóa công khai KUA của A và KUB của B một cách an
toàn. Làm thế nào vì đây chính là bài toán đang cần giải quyết
• A và B đều có khóa công khai KUPKA của PKA
• Giao thức 4.1
(1) A PKA: IDA || IDB
(2) PKA A: E(KRPKA, IDB || KUB)
(3) A B: E(KUB, N1)
(4) B PKA: IDB || IDA
(5) PKA B: E(KRPKA, IDA || KUA)
(6) B A: E(KUA, N1)
- Kiểm tra tính an toàn
của giao thức này?
- Có thể tấn công vào
giao thức này như
thế nào?
31
Giao thức 4.1
32
16
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.2
(1) A PKA: IDA || IDB || T1
(2) PKA A: E(KRPKA, IDB || KUB || T1)
(3) A B: E(KUB, N1)
(4) B PKA: IDB || IDA || T2
(5) PKA B: E(KRPKA, IDA || KUA || T2)
(6) B A: E(KUA, N1)
T1, T2: nhãn thời gian chống tấn công phát lại
• Giao thức này có hạn chế gì?
33
Giao thức 4.2
34
17
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.3
• Bên thứ 3 được tin cậy – CA(Certificate Authority)
Có cặp khóa (KUCA, KRCA
)
Phát hành chứng thư số cho khóa công khai của các
bên có dạng
Cert = E(KRCA, ID || KU || Time)
ID: định danh của thực thể
KU: khóa công khai của thực thể đã được đăng ký tại CA
Time: Thời hạn sử dụng khóa công khai. Thông thường
có thời điểm bắt đầu có hiệu lực và thời điểm hết hiệu
lực.
35
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.3 (tiếp)
(1) A CA: IDA || KUA || TimeA
(2) CA A: CertA= E(KRCA, IDA || KUA || TimeA)
(3) B CA: IDB || KUB || TimeB
(4) CA B: CertB= E(KRCA, IDB || KUB || TimeB)
(5
(6) B A: CertB
• Làm thế nào để A và B có thể yên tâm sử dụng khóa công
khai của nhau?
• Hãy cải tiến lại các giao thức trong các khâu cần đến xác
thực thông điệp (sử dụng MAC hoặc hàm băm)
• Đọc thêm về PKI và chứng thư số theo chuẩn X.509
36
18
Giao thức 4.3 (tiếp)
37
Phân phối khóa bí mật của hệ mật mã
khóa đối xứng
• Hạn chế chung của các giao thức phân phối khóa bí mật
trong hệ mật mã khóa đối xứng
Giao thức không tập trung: Số lượng khóa sử dụng lớn
Giao thức tập trung: PKA phải đáp ứng yêu cầu với tần suất rất lớn
Không có cơ chế xác thực rõ ràng
kí
(1) A B: E(KUB, E(KRA, KS))
(2) B giải mã với KRB, sau đó kiểm tra để chắc chắn thông điệp xuất
phát từ A. Khóa KS thu được là khóa phiên.
(3) A ↔ B: E(KS, Data)
• Tất nhiên giao thức trên không chống được tấn công phát
lại. Việc cải tiến giao thức trên như là một bài tập.
38
19
Kết luận
• Hệ thống có nguy cơ mất an toàn ngay cả khi chúng ta sử
dụng hệ mật mã tốt nếu không có một giao thức quản lý
và phân phối khóa an toàn
• Mật mã phải gắn liền với xác thực
• Thực tế các giao thức phân phối khóa đã trình bày đều
xác thực dựa trên các sơ đồ mã hóa của hệ mật mã.
Chúng ta biết rằng, giải pháp này chưa thực sự an toàn
(hãy xem lại những phân tích trong bài §3. Xác thực
thông điệp).
Bài tập: Hãy sử dụng MAC, hàm băm, chữ ký điện tử để tăng
cường an toàn cho các sơ đồ trên.
39
4. CÁC GIAO THỨC CHỮ KÝ ĐIỆN TỬ
40
20
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
24261
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng An ninh mạng - Bài 4: Giao thức mật mã - Bùi Trọng Tùng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_an_ninh_mang_bai_4_giao_thuc_mat_ma_bui_trong_tung.pdf
