Bài giảng An toàn an ninh thông tin - Chương 5: Chữ ký số - Bùi Trọng Tùng
05/05/2021
BÀI 5.
CHỮ KÝ SỐ
Bùi Trọng Tùng,
Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông,
Đại học Bách khoa Hà Nội
1
1
Nội dung
• Khái niệm cơ bản về chữ ký số
• Một số phương pháp ký số
• Giao thức chữ ký số
• Hạ tầng khóa công khai PKI
2
1
2
05/05/2021
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
3
3
Khái niệm – Digital Signature
• Chữ kí số(Digital Signature) hay còn gọi là chữ ký điện tử
là đoạn dữ liệu được bên gửi gắn vào văn bản gốc để
chứng thực nguồn gốc và nội dung của văn bản
• Yêu cầu:
• Tính xác thực: người nhận có thể chứng minh được văn bản được
ký bởi gửi
• Tính toàn vẹn: người nhận có thể chứng minh được không có ai
sửa đổi văn bản đã được ký
• Không thể tái sử dụng: mỗi chữ ký chỉ có giá trị trên 1 văn bản
• Không thể giả mạo
• Chống từ chối: người gửi không thể phủ nhận được hành động ký
vào văn bản
• Đề nghị của Diffie-Hellman: Sử dụng khóa cá nhân trong
mật mã công khai để tạo chữ ký.
4
2
4
05/05/2021
Chữ ký số
• Hàm sinh khóa: Gen()
• Hàm ký S(sk, m)
• Hàm ký phải có tính
ngẫu nhiên
• Đầu vào:
• sk: Khóa ký
• Bất kỳ ai có khóa sk đều
có thể tạo chữ ký
• m: Văn bản cần ký
• Đầu ra: chữ ký số S
• Bất kỳ ai có khóa pk đều
có thể kiểm tra chữ ký
• Hàm kiểm tra: V(pk, m, sig)
• Đầu vào:
• pk: Khóa thẩm tra
• m, sig
• Đầu ra: True/False
• Tính đúng đắn: V(pk, m, S(sk,m)) = True
5
5
Tấn công vào chữ ký số
• Kẻ tấn công chọn trước một số bản tin ꢀ1, ꢀ2, . . , ꢀꢁ và có
chữ ký của bản tin đó ꢂꢃꢄꢃ ← ꢅ(ꢂꢆ, ꢀꢃ)
• Mục tiêu: Tạo ra chữ ký cho bản tin ꢀ ∉ {ꢀ1, ꢀ2, . . , ꢀꢁ}
• Yêu cầu đồi với chữ ký số: Xác suất tấn công thành công
là không đáng kể
• Quiz: Nếu kẻ tấn công tìm được 2 bản tin m1, m2 sao cho
V(pk, m1, sig) = V(pk, m2, sig) ∀(sk, pk)thì chữ ký số đó có
an toàn không?
6
3
6
05/05/2021
Một số ứng dụng của chữ ký số
• Chữ ký xác thực phần mềm
Khởi tạo cài đặt, pk
sk
Cập nhật, sig
• Chữ ký xác thực giao dịch
Chi tiết giao dịch,
Mã PIN (nếu có)
sk
Chi tiết giao dịch và
Chữ ký số
Chữ ký số
• Chữ ký xác thực thư điện tử: DKIM
• …
7
7
Khi nào cần sử dụng chữ ký số?
• Nếu 1 bên ký và 1 bên xác thực: sử dụng MAC/HMAC
2 bên cần chia sẻ trước 1 khóa bí mật
Không có khả năng chống từ chối: bên nhận có thể thay đổi nội
dung và ký lại
• Nếu 1 bên ký và nhiều bên xác thực: sử dụng chữ ký số
Bên ký cần công bố khóa công khai của mình
Có khả năng chống từ chối
8
4
8
05/05/2021
Chữ ký số dựa trên hàm băm
• Phía gửi : hàm ký
1. Băm bản tin gốc, thu được giá
trị băm h
2. Mã hóa giá trị băm bằng khóa
riêng chữ kí số sig
3. Gắn chữ kí số lên bản tin gốc
(m || sig)
• Phía nhận : hàm xác thực
1. Tách chữ kí số sig khỏi bản tin.
2. Băm bản tin m, thu được giá trị
băm h
3. Giải mã sig với khóa công khai
của người gửi, thu được h’
4. So sánh : h và h’. Kết luận.
9
Một số phương pháp tạo chữ ký số
• Chữ ký số 1 lần: mỗi khóa chỉ dùng để ký 1 bản tin
Thuật toán Lamport
• Chữ ký số nhiều lần:
Chữ ký số RSA
Chữ ký số ElGamal
Chuẩn chữ ký số DSS
• Chữ ký mù: người ký không biết nội dung bản tin
10
5
10
05/05/2021
Chữ ký số RSA
• Sinh cặp khóa: kU = (n, e), kR = (n, d)
• Chữ ký: sig = E(kR, H(m)) = H(m)d mod n
• Thẩm tra: nếu H(m) = sige mod n thì chấp nhận
D(kU, H(m))
11
11
Chuẩn chữ ký số DSS
• Digital Signature Standard
• Các tham số:
Hàm băm H
L: Kích thước khóa, N ≤ Kích thước mã băm
• Tạo khóa nhóm kUG = (p, q, g):
Số nguyên tố p kích thước N bit
Số nguyên q là ước số của p-1
g = h(p - 1)/q mod p
• Khóa riêng: x ngẫu nhiên thỏa mãn 0 < x <q
• Khóa công khai: y = gx mod p
12
6
12
05/05/2021
Chuẩn chữ ký số DSS
• Tạo chữ ký:
Chọn giá trị k ngẫu nhiên, giữ bí mật cho mỗi thông điệp cần ký
Tính r = (gk mod p) mod q ; Nếu r = 0 khởi tại lại quá trình
Tính s = [k -1 (H(m) + xr)] mod q; Nếu s = 0 khởi tại lại quá trình
Chữ ký (r, s)
• Thẩm tra chữ ký:
w = (s)-1 mod q
u1 = [H(m)w] mod q
u2 = (r)w mod q
v = [(gu1yu2) mod p] mod q
Nếu v = r thì chấp nhận
13
13
An toàn cho chữ ký số
• Tính tin cậy của khóa công khai.
• Vấn đề: kẻ tấn công làm sử dụng khóa công khai giả
mạo. Nếu người dùng bị đánh lừa, họ sẽ tin cậy vào
chữ ký giả mạo
• Giải pháp: sử dụng hệ thống PKI để phát hành khóa
công khai dưới dạng chứng thư số
• Tính an toàn của khóa cá nhân
• Vấn đề: nếu khóa cá nhân bị kẻ tấn công đánh cắp, hắn
có thể giả mạo chữ ký của người sở hữu khóa.
• Giải pháp:
• Bảo vệ bằng mật khẩu
• Sử dụng thẻ thông minh(Smart Card)
• Sử dụng thiết bị lưu trữ an toàn (USB Token)
14
7
14
05/05/2021
Bảo vệ khóa cá nhân(1)
• Khóa cá nhân được đóng
gói vào file(ví dụ .pfx), lưu
trên thiết bị nhớ thông
thường (ổ cứng, USB…)
• File được bảo vệ bởi mật
khẩu dạng mã PIN
• Mức an toàn thấp nhất:
• Dễ dàng sao chép file chứa
khóa
• Mã PIN có thể bị đoán nhận
15
15
Bảo vệ khóa cá nhân(2)
• Khóa được lưu trữ trên chip điện
tử (IC) của Smart Card
• Khi thực hiện ký số:
• Giá trị băm được truyền vào chip IC
• Chip IC mã hóa giá trị băm bằng khóa
cá nhân (yêu cầu người dùng nhập mã
PIN) chữ ký số
• Truyền chữ ký số từ Smart Card tới ứng
dụng
• Yêu cầu:
• Phải có đầu đọc chuyên dụng
• Thư viện API để giao tiếp
16
8
16
05/05/2021
Bảo vệ khóa cá nhân (3)
• Khóa được lưu trữ trong thiết bị nhớ
chuyên dụng, sử dụng giao tiếp USB
• Có nhiều mức độ giải pháp khác
nhau:
• Chỉ có chức năng lưu trữ khóa, cho phép
ứng dụng truy xuất khóa cá nhân để sử
dụng
• Kịch bản sử dụng tương tự Smart Card
• Khóa được sinh ngay trên thiết bị
17
17
2. GIAO THỨC CHỮ KÝ SỐ
18
9
18
05/05/2021
Chữ ký điện tử có trọng tài
• Trọng tài (Trent – T) có nhiệm vụ:
Áp dụng một số lần kiểm tra lên bản tin, kiểm tra tính toàn vẹn của nội
dung và nguồn gốc
Kiểm tra nhãn thời gian (timestamp) của bản tin
(1) A T: IDA || E(kUB,m) || SA(E(kUB,m)) || TA || SA(mAT)
(2) T A: IDA || E(kUB,m) || SA(E(kUB,m)) || TA || ST(mTB)
(3) A gửi cho B bản tin 2
SA(E(kUB, m)) = E(kRA, H(E(kUB, m)))
SA(mAT) = E(kRA, H(mAT))
mAT = IDA || E(kUB, m) || SA(E(kUB, m)) || TA
ST(mTB) = E(kRT, H(mTB))
mTB = IDA || E(kUB, m) || SA(E(kUB, m)) || TA
19
19
Chữ ký mù (Blind Signature)
• Một số giao dịch điện tử yêu cầu cần che giấu
thông tin cá nhân của các bên tham gia:
Thương mại điện tử
Bầu cử điện tử
• Chữ ký mù: người ký không biết nội dung của
văn bản
Người kiểm tra tính hợp lệ của phiếu bầu không được
phép biết nội dung của phiếu (tên cử tri, người được cử
tri bầu...)
Sau khi xác minh và chấp nhận cho khách hàng rút
tiền, ngân hàng không thể kiểm tra lại trên tờ tiền điện
tử lưu thông có tên người rút là gì.
20
10
20
05/05/2021
Chữ ký mù RSA cho Phiếu bầu điện tử
• Cơ quan bầu cử sử dụng cặp khóa kU = (e,n), kR = (d,n)
• Sau khi đã thực hiện xác thực với cơ quan bầu cử, Alice
điền thông tin trên phiếu bầu. Thông tin này được ghi lên
bản tin x:
Chữ ký
điện tử
của cơ
quan BC
lên X
Chọn 1 giá trị ngẫu nhiên r
Làm mù nội dung lá phiếu: m’ = (H(x).re) mod n
Đưa cho cơ quan bầu cử ký
• Cơ quan BC thực hiện ký mù
s’ = (m’)d mod n =
• Alice xóa mù chữ ký: s = s’.r−1 mod n = (H(x))d mod n
Lưu ý 1 < r−1 < n là giá trị sao cho r.r−1 mod n = 1
• Phiếu điện tử của Alice (x, s)
• Làm thế nào để cơ quan kiểm phiếu tin tưởng đây là
phiếu bầu do cơ quan bầu cử phát hành?
21
21
Chữ ký mù một phần
• Ngăn chặn người gửi gian lận nội dung
• Giao thức:
(1) Alice gửi cho trọng tài n bản tin (đã được làm mù bởi n
giá trị ngẫu nhiên khác nhau), trong đó có chứa 1 bản
tin cần trọng tài ký
(2) Trọng tài yêu cầu Alice gửi k giá trị làm mù bất kỳ
(3) Trọng tài kiểm tra tính hợp lệ trong nội dung của k bản
tin
(4) Nếu k bản tin trên là hợp lệ, trọng tài ký vào “siêu bản
tin” được ghép từ (n-k) bản tin còn lại
22
11
22
05/05/2021
Chữ ký nhóm
• Yêu cầu: Chỉ xác thực được chữ ký và nhóm nào ký,
không xác định được chính xác người ký
• Giao thức:
(1) Người quản trị tạo ra n*m cặp khóa
(2) Người quản trị phân phối cho mỗi thành viên của nhóm
m cặp khóa
(3) Người quản trị công bố danh sách khóa công khai (thứ
tự đã xáo trộn)
(4) Khi cần ký, mỗi người lựa chọn 1 khóa cá nhân ngẫu
nhiên để ký
(5) Người xác thực tìm khóa công khai trong danh sách (3)
để xác thực chữ ký
23
23
3. HẠ TẦNG KHÓACÔNG KHAI
24
12
24
05/05/2021
Hạ tầng khóa công khai PKI
• Public Key Infrastructure
• Hệ thống bao gồm phần cứng, phần mềm, chính sách,
thủ tục cần thiết để tạo, quản lý và lưu trữ, phân phối và
thu hồi các chứng thư số
• Chứng thư số: văn bản điện tử chứng thực khóa công
khai
• Các thành phần:
• RA(Registration Authority): Chứng thực thông tin đăng ký
• CA(Certification Authority): Phát hành và quản lý chứng thư số
• CR(Certificate Reposiroty): Lưu trữ, chứng thực chứng thư số
• EE(End-Entity): đối tượng sử dụng chứng thư số
25
25
Các thành phần của PKI
26
13
26
05/05/2021
Chứng thư số X.509
27
27
Chứng thư số X.509
• Version: phiên bản của chứng thư số
• Số serial của chứng thư số (tối đa 20 byte)
• Algorithm: Thuật toán chữ ký số được CA sử dụng để ký
• Issuer: Thông tin cơ quan cấp chứng thư số
• C: Quốc gia
• CN: Tên giao dịch của CA
• DN: Tên định danh
• O: Tên tổ chức phát hành
• ST: Tên đơn vị hành chính trực thuộc trung ương
• Validity: Thời gian hiệu lực của chứng thư số
• Not Before: Ngày bắt đầu có hiệu lực
• Not after: Ngày hết hiệu lực
28
14
28
05/05/2021
Chứng thư số X.509(tiếp)
• Subject: Thông tin người được cấp chứng thư
• Các trường con tương tự thông tin tổ chức phát hành
• Subject’s Public Key Information: Thông tin khóa công
khai
• Algorithm: Thuật toán tạo khóa
• Public Key: Giá trị khóa
• Signature: chữ ký số của cơ quan cấp chứng thư số
• Issuer UID: định danh của cơ quan cấp chứng thư số
• Subject UID: định danh của người được cấp chứng thư
• Extensions: Các trường mở rộng khác
29
29
Xác thực chứng thư số
Chứng thư số cần được kiểm tra tính tin cậy:
• Kiểm tra tên thực thể sử dụng có khớp với tên đăng ký
trong chứng thư số
• Kiểm tra hạn sử dụng của chứng thư số
• Kiểm tra tính tin cậy của CA phát hành chứng thư số
• Kiểm tra trạng thái thu hồi chứng thư số
• Kiểm tra chữ ký trên chứng thư số để đảm bảo chứng thư
không bị sửa đổi, làm giả
30
15
30
05/05/2021
Thu hồi chứng thư số
• Thực hiện khi khóa của người dùng mất an toàn
PKI
Công bố:
Thông tin
Chứng thư số ID = 1234
Tình trạng: Đã thu hồi
công bố được
ký bởi CA
Yêu cầu thu hồi
chứng thư số
ID=1234
Kiểm tra thông tin tình
trạng chứng thư số: 2
phương pháp
-
-
CRLs
OCSP
Alice
Bob
31
31
CRLs
• PKI công bố danh sách chứng thư số bị thu hồi. Danh sách
này được ký bởi CA
Chứng thư số ID = 1234
Tình trạng: Đã thu hồi
PKI
Download CRLs
Hạn chế:
-
-
Kích thước CRLs lớn
Không cập nhập liên tục
Bob
32
16
32
05/05/2021
OCSP
• Dịch vụ kiểm tra trạng thái chứng thư số trực tuyến(Online
Certificate Status Protocol)
Hãy cho biết tình trạng của chứng thư số ID = 1234
Chứng thư số ID = 1234 đã bị thu hồi
PKI
Bob
Hãy cho biết tình trạng của chứng thư số ID = 5678
Chứng thư số ID = 5678 còn giá trị
Thông điệp trả lời từ PKI được ký bởi CA
33
33
Kiến trúc PKI
• Kiến trúc PKI rất đa dạng, tương ứng theo mô hình hoạt
động của mỗi tổ chức
• Các kiến trúc PKI sau được phân loại dựa trên số lượng
CA, tổ chức và mối quan hệ giữa chúng:
Kiến trúc đơn CA (Sigle CA)
Kiến trúc PKI xí nghiệp (Enterprise PKI)
Kiến trúc PKI lai (Hybrid PKI)
34
17
34
05/05/2021
Kiến trúc đơn CA
• Chỉ sử dụng 1 CA trong hệ thống PKI
• Đơn giản, phù hợp với hệ thống nhỏ
• Không có khả năng mở rộng
• Mô hình danh sách tin cậy: 2 thực thể
sử dụng chứng thư số được phát hành
bởi 2 CA khác nhau
Mỗi CA có danh sách các CA mà nó tin cậy
Mỗi CA phải nằm trong danh sách tin cậy của
CA còn lại
Hạn chế: Luôn đòi hỏi phải đồng bộ. Ví dụ: 1
CA ngừng hoạt động
35
35
Kiến trúc PKI phân cấp
• Mỗi CA chứng thực cho tất cả các CA cấp dưới của nó
• Dễ dàng mở rộng
• Yêu cầu: Root CA cần được giữ an toàn tuyệt đối(thông
thường Root CA luôn nằm ở phân vùng mạng offline)
36
18
36
05/05/2021
Chứng thư số trong kiến trúc PKI phân cấp
37
37
Chuỗi xác thực
• Một chứng thư được phát hành bởi hệ thống PKI phân
cấp cần được chứng thực theo một chuỗi hướng từ nút
gốc tới nút lá trong cây phân cấp
• Ví dụ: Một chứng thư trong kiến trúc phân cấp
Certificate
“I’m
“I’m
because I say so!”
Certificate
Certificate
because
because
says so”
“I’m
says so”
38
19
38
05/05/2021
Chuỗi chứng thực
Certificate
“I’m
because I say so!”
✓
✓
✓
Certificate
“I’m
because
because
says so”
Certificate
“I’m
says so”
Chuỗi xác thực từ chối chứng thư số nếu có bất kỳ
bước nào cho kết quả xác thực thất bại
39
39
Tổng kết
• Chữ ký số:
Sử dụng hệ mật mã khóa công khai
Tạo chữ ký: người gửi dùng khóa cá nhân của mình để mã hóa mã
băm của bản tin
Xác thực chữ ký: người nhận sử dụng khóa công khai của người
gửi để xác thực
Cần đảm bảo an toàn cho khóa cá nhân và xác thực khóa công
khai
• PKI
Phát hành chứng thư số để xác thực khóa công khai của người
dùng
Chứng thư số X.509: chứa khóa thông tin công khai của người
dùng, được xác thực bởi chữ ký số của CA
40
20
40
20 trang
13100
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng An toàn an ninh thông tin - Chương 5: Chữ ký số - Bùi Trọng Tùng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_an_toan_an_ninh_thong_tin_chuong_5_chu_ky_so_bui_t.pdf
