Giáo trình An toàn và bảo mật thông tin
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------
Giáo trình
An toàn và bảo mật thông tin
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN VÀ BẢO MẬT THÔNG TIN
1.1. Nội dung của an toàn và bảo mật thông tin
Khi nhu cầu trao đổi thông tin dữ liệu ngày càng lớn và đa dạng, các tiến bộ
về điện tử - viễn thông và công nghệ thông tin không ngừng được phát triển ứng
dụng để nâng cao chất lượng và lưu lượng truyền tin thì các quan niệm ý tưởng
và biện pháp bảo vệ thông tin dữ liệu cũng được đổi mới. Bảo vệ an toàn thông
tin dữ liệu là một chủ đề rộng, có liên quan đến nhiều lĩnh vực và trong thực tế
có thể có rất nhiều phương pháp được thực hiện để bảo vệ an toàn thông tin dữ
liệu. Các phương pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu có thể được quy tụ vào
ba nhóm sau:
- Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp hành chính.
- Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp kỹ thuật (phần cứng).
- Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp thuật toán (phần mềm).
Ba nhóm trên có thể được ứng dụng riêng rẽ hoặc phối kết hợp. Môi trường
khó bảo vệ an toàn thông tin nhất và cũng là môi trường đối phương dễ xân nhập
nhất đó là môi trường mạng và truyền tin. Biện pháp hiệu quả nhất và kinh tế
nhất hiện nay trên mạng truyền tin và mạng máy tính là biện pháp thuật toán.
An toàn thông tin bao gồm các nội dung sau:
- Tính bí mật: tính kín đáo riêng tư của thông tin
- Tính xác thực của thông tin, bao gồm xác thực đối tác( bài toán nhận
danh), xác thực thông tin trao đổi.
- Tính trách nhiệm: đảm bảo người gửi thông tin không thể thoái thác trách
nhiệm về thông tin mà mình đã gửi.
Để đảm bảo an toàn thông tin dữ liệu trên đường truyền tin và trên mạng
máy tính có hiệu quả thì điều trước tiên là phải lường trước hoặc dự đoán trước
các khả năng không an toàn, khả năng xâm phạm, các sự cố rủi ro có thể xảy ra
đối với thông tin dữ liệu được lưu trữ và trao đổi trên đường truyền tin cũng như
1
trên mạng. Xác định càng chính xác các nguy cơ nói trên thì càng quyết định
được tốt các giải pháp để giảm thiểu các thiệt hại.
Có hai loại hành vi xâm phạm thông tin dữ liệu đó là: vi phạm chủ động và
vi phạm thụ động. Vi phạm thụ động chỉ nhằm mục đích cuối cùng là nắm bắt
được thông tin (đánh cắp thông tin). Việc làm đó có khi không biết được nội
dung cụ thể nhưng có thể dò ra được người gửi, người nhận nhờ thông tin điều
khiển giao thức chứa trong phần đầu các gói tin. Kẻ xâm nhập có thể kiểm tra
được số lượng, độ dài và tần số trao đổi. Vì vậy vi pham thụ động không làm sai
lệch hoặc hủy hoại nội dung thông tin dữ liệu được trao đổi. Vi phạm thụ động
thường khó phát hiện nhưng có thể có những biện pháp ngăn chặn hiệu quả. Vi
phạm chủ động là dạng vi phạm có thể làm thay đổi nội dung, xóa bỏ, làm trễ,
xắp xếp lại thứ tự hoặc làm lặp lại gói tin tại thời điểm đó hoặc sau đó một thời
gian. Vi phạm chủ động có thể thêm vào một số thông tin ngoại lai để làm sai
lệch nội dung thông tin trao đổi. Vi phạm chủ động dễ phát hiện nhưng để ngăn
chặn hiệu quả thì khó khăn hơn nhiều.
Một thực tế là không có một biện pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu nào
là an toàn tuyệt đối. Một hệ thống dù được bảo vệ chắc chắn đến đâu cũng
không thể đảm bảo là an toàn tuyệt đối.
2
1.2. Các chiến lượt an toàn hệ thống :
a. Giới hạn quyền hạn tối thiểu (Last Privilege):
Đây là chiến lược cơ bản nhất theo nguyên tắc này bất kỳ một đối tượng
nào cùng chỉ có những quyền hạn nhất định đối với tài nguyên mạng, khi thâm
nhập vào mạng đối tượng đó chỉ được sử dụng một số tài nguyên nhất định.
b.
Bảo vệ theo chiều sâu (Defence In Depth):
Nguyên tắc này nhắc nhở chúng ta : Không nên dựa vào một chế độ an toàn
nào dù cho chúng rất mạnh, mà nên tạo nhiều cơ chế an toàn để tương hỗ lẫn
nhau.
c.
Nút thắt (Choke Point) :
Tạo ra một “cửa khẩu” hẹp, và chỉ cho phép thông tin đi vào hệ thống của
mình bằng con đường duy nhất chính là “cửa khẩu” này. => phải tổ chức một cơ
cấu kiểm soát và điều khiển thông tin đi qua cửa này.
d.
Điểm nối yếu nhất (Weakest Link) :
Chiến lược này dựa trên nguyên tắc: “ Một dây xích chỉ chắc tại mắt duy
nhất, một bức tường chỉ cứng tại điểm yếu nhất”
Kẻ phá hoại thường tìm những chỗ yếu nhất của hệ thống để tấn công, do
đó ta cần phải gia cố các yếu điểm của hệ thống. Thông thường chúng ta chỉ
quan tâm đến kẻ tấn công trên mạng hơn là kẻ tiếp cận hệ thống, do đó an toàn
vật lý được coi là yếu điểm nhất trong hệ thống của chúng ta.
e.
Tính toàn cục:
Các hệ thống an toàn đòi hỏi phải có tính toàn cục của các hệ thống cục bộ.
Nếu có một kẻ nào đó có thể bẻ gãy một cơ chế an toàn thì chúng có thể thành
công bằng cách tấn công hệ thống tự do của ai đó và sau đó tấn công hệ thống từ
nội bộ bên trong.
f. Tính đa dạng bảo vệ :Cần phải sử dụng nhiều biện pháp bảo vệ khác
nhau cho hệ thống khác nhau, nếu không có kẻ tấn công vào được một hệ thống
thì chúng cũng dễ dàng tấn công vào các hệ thống khác.
3
1.3 Các mức bảo vệ trên mạng :
Vì không thể có một giải pháp an toàn tuyệt đối nên người ta thường phải
sử dụng đồng thời nhiều mức bảo vệ khác nhau tạo thành nhiều hàng rào chắn
đối với các hoạt động xâm phạm. Việc bảo vệ thông tin trên mạng chủ yếu là
bảo vệ thông tin cất giữ trong máy tính, đặc biệt là các server trên mạng. Bởi thế
ngoài một số biện pháp nhằm chống thất thoát thông tin trên đường truyền mọi
cố gắng tập trung vào việc xây dựng các mức rào chắn từ ngoài vào trong cho
các hệ thống kết nối vào mạng. Thông thường bao gồm các mức bảo vệ sau:
a. Quyền truy nhập
Lớp bảo vệ trong cùng là quyền truy nhập nhằm kiểm soát các tài nguyên
của mạng và quyền hạn trên tài nguyên đó. Dĩ nhiên là kiểm soát được các cấu
trúc dữ liệu càng chi tiết càng tốt. Hiện tại việc kiểm soát thường ở mức tệp.
b. Đăng ký tên /mật khẩu.
Thực ra đây cũng là kiểm soát quyền truy nhập, nhưng không phải truy
nhập ở mức thông tin mà ở mức hệ thống. Đây là phương pháp bảo vệ phổ biến
nhất vì nó đơn giản ít phí tổn và cũng rất hiệu quả. Mỗi người sử dụng muốn
được tham gia vào mạng để sử dụng tài nguyên đều phải có đăng ký tên và mật
khẩu trước. Người quản trị mạng có trách nhiệm quản lý, kiểm soát mọi hoạt
động của mạng và xác định quyền truy nhập của những người sử dụng khác theo
thời gian và không gian (nghĩa là người sử dụng chỉ được truy nhập trong một
khoảng thời gian nào đó tại một vị trí nhất định nào đó).
Về lý thuyết nếu mọi người đều giữ kín được mật khẩu và tên đăng ký của
mình thì sẽ không xảy ra các truy nhập trái phép. Song điều đó khó đảm bảo
trong thực tế vì nhiều nguyên nhân rất đời thường làm giảm hiệu quả của lớp
bảo vệ này. Có thể khắc phục bằng cách người quản mạng chịu trách nhiệm đặt
mật khẩu hoặc thay đổi mật khẩu theo thời gian.
c. Mã hoá dữ liệu
Để bảo mật thông tin trên đường truyền người ta sử dụng các phương pháp
mã hoá. Dữ liệu bị biến đổi từ dạng nhận thức được sang dạng không nhận thức
4
được theo một thuật toán nào đó và sẽ được biến đổi ngược lại ở trạm nhận (giải
mã). Đây là lớp bảo vệ thông tin rất quan trọng.
d. Bảo vệ vật lý
Ngăn cản các truy nhập vật lý vào hệ thống. Thường dùng các biện pháp
truyền thống như ngăn cấm tuyệt đối người không phận sự vào phòng đặt máy
mạng, dùng ổ khoá trên máy tính hoặc các máy trạm không có ổ mềm.
e. Tường lửa
Ngăn chặn thâm nhập trái phép và lọc bỏ các gói tin không muốn gửi hoặc
nhận vì các lý do nào đó để bảo vệ một máy tính hoặc cả mạng nội bộ (intranet)
Tường lửa (Fire Walls)
Bảo ệ vật lý (Physical protect)
Mã hoá dữ liệu (Data Encryption)
Đăng ký và mật khẩu (Login/Password)
Quyền truy nhập (Access Rights)
Thông tin (Information)
f. Quản trị mạng.
Trong thời đại phát triển của công nghệ thông tin, mạng máy tính quyết
định toàn bộ hoạt động của một cơ quan, hay một công ty xí nghiệp. Vì vậy việc
bảo đảm cho hệ thống mạng máy tính hoạt động một cách an toàn, không xảy ra
sự cố là một công việc cấp thiết hàng đầu. Công tác quản trị mạng máy tính phải
được thực hiện một cách khoa học đảm bảo các yêu cầu sau :
5
- Toàn bộ hệ thống hoạt động bình thường trong giờ làm việc.
- Có hệ thống dự phòng khi có sự cố về phần cứng hoặc phần mềm xảy ra.
- Backup dữ liệu quan trọng theo định kỳ.
- Bảo dưỡng mạng theo định kỳ.
- Bảo mật dữ liệu, phân quyền truy cập, tổ chức nhóm làm việc trên mạng.
1.4. An toàn thông tin bằng mật mã
Mật mã là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu các phương pháp truyền
tin bí mật. Mật mã bao gồm : Lập mã và phá mã. Lập mã bao gồm hai quá trình:
mã hóa và giải mã.
Để bảo vệ thông tin trên đường truyền người ta thường biến đổi nó từ
dạng nhận thức được sang dạng không nhận thức được trước khi truyền đi
trên mạng, quá trình này được gọi là mã hoá thông tin (encryption), ở trạm
nhận phải thực hiện quá trình ngược lại, tức là biến đổi thông tin từ dạng
không nhận thức được (dữ liệu đã được mã hoá) về dạng nhận thức được
(dạng gốc), quá trình này được gọi là giải mã. Đây là một lớp bảo vệ thông tin
rất quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong môi trường mạng.
Để bảo vệ thông tin bằng mật mã người ta thường tiếp cận theo hai
hướng:
- Theo đường truyền (Link_Oriented_Security).
- Từ nút đến nút (End_to_End).
Theo cách thứ nhất thông tin được mã hoá để bảo vệ trên đường truyền
giữa hai nút mà không quan tâm đến nguồn và đích của thông tin đó. Ở đây ta
lưu ý rằng thông tin chỉ được bảo vệ trên đường truyền, tức là ở mỗi nút đều
có quá trình giải mã sau đó mã hoá để truyền đi tiếp, do đó các nút cần phải
được bảo vệ tốt.
Ngược lại theo cách thứ hai thông tin trên mạng được bảo vệ trên toàn
đường truyền từ nguồn đến đích. Thông tin sẽ được mã hoá ngay sau khi mới
tạo ra và chỉ được giải mã khi về đến đích. Cách này mắc phải nhược điểm là
6
chỉ có dữ liệu của người ung thì mới có thể mã hóa được còn dữ liệu điều
khiển thì giữ nguyên để có thể xử lý tại các nút.
1.5. Vai trò của hệ mật mã
Các hệ mật mã phải thực hiện được các vai trò sau:
- Hệ mật mã phải che dấu được nội dung của văn bản rõ (PlainText) để
đảm bảo sao cho chỉ người chủ hợp pháp của thông tin mới có quyền truy cập
thông tin (Secrety), hay nói cách khác là chống truy nhập không đúng quyền
hạn.
- Tạo các yếu tố xác thực thông tin, đảm bảo thông tin lưu hành trong hệ
thống đến người nhận hợp pháp là xác thực (Authenticity).
- Tổ chức các sơ đồ chữ ký điện tử, đảm bảo không có hiện tượng giả
mạo, mạo danh để gửi thông tin trên mạng.
Ưu điểm lớn nhất của bất kỳ hệ mật mã nào đó là có thể đánh giá được
độ phức tạp tính toán mà “kẻ địch” phải giải quyết bài toán để có thể lấy được
thông tin của dữ liệu đã được mã hoá. Tuy nhiên mỗi hệ mật mã có một số ưu
và nhược điểm khác nhau, nhưng nhờ đánh giá được độ phức tạp tính toán mà
ta có thể áp dụng các thuật toán mã hoá khác nhau cho từng ứng dụng cụ thể
tuỳ theo dộ yêu cầu về đọ an toàn.
Các thành phần của một hệ mật mã :
Định nghĩa :
Một hệ mật là một bộ 5 (P,C,K,E,D) thoả mãn các điều kiện sau:
- P là một tập hợp hữu hạn các bản rõ (PlainText), nó được gọi là không
gian bản rõ.
- C là tập các hữu hạn các bản mã (Crypto), nó còn được gọi là không
gian các bản mã. Mỗi phần tử của C có thể nhận được bằng cách áp dụng
phép mã hoá Ek lên một phần tử của P, với k ∈ K.
- K là tập hữu hạn các khoá hay còn gọi là không gian khoá. Đối với mỗi
phần tử k của K được gọi là một khoá (Key). Số lượng của không gian khoá
7
phải đủ lớn để “kẻ địch: không có đủ thời gian để thử mọi khoá có thể
(phương pháp vét cạn).
- Đối với mỗi k ∈ K có một quy tắc mã eK: P → C và một quy tắc giải
mã tương ứng dK ∈ D. Mỗi eK: P → C và dK: C → P là những hàm mà:
dK (eK(x))=x với mọi bản rõ x ∈ P.
Bản mã
Bản rõ
Bản rõ
Mã hoá
Giải mã
Khoá
Mã hoá với khoá mã và khoá giải giống nhau
1.6. Phân loại hệ mật mã
Có nhiều cách để phân loại hệ mật mã. Dựa vào cách truyền khóa có thể
phân các hệ mật mã thành hai loại:
- Hệ mật đối xứng (hay còn gọi là mật mã khóa bí mật): là những hệ mật
dung chung một khoá cả trong quá trình mã hoá dữ liệu và giải mã dữ liệu.
Do đó khoá phải được giữ bí mật tuyệt đối.
- Hệ mật mã bất đối xứng (hay còn gọi là mật mã khóa công khai) : Hay
còn gọi là hệ mật mã công khai, các hệ mật này dùng một khoá để mã hoá sau
đó dùng một khoá khác để giải mã, nghĩa là khoá để mã hoá và giải mã là
khác nhau. Các khoá này tạo nên từng cặp chuyển đổi ngược nhau và không
có khoá nào có thể suy được từ khoá kia. Khoá dùng để mã hoá có thể công
khai nhưng khoá dùng để giải mã phải giữ bí mật.
8
Ngoài ra nếu dựa vào thời gian đưa ra hệ mật mã ta còn có thể phân làm hai
loại: Mật mã cổ điển (là hệ mật mã ra đời trước năm 1970) và mật mã hiện đại
(ra đời sau năm 1970). Còn nếu dựa vào cách thức tiến hành mã thì hệ mật mã
còn được chia làm hai loại là mã dòng (tiến hành mã từng khối dữ liệu, mỗi
khối lại dựa vào các khóa khác nhau, các khóa này được sinh ra từ hàm sinh
khóa, được gọi là dòng khóa ) và mã khối (tiến hành mã từng khối dữ liệu với
khóa như nhau)
1.7. Tiêu chuẩn đánh giá hệ mật mã
Để đánh giá một hệ mật mã người ta thường đánh giá thông qua các tính
chất sau:
a, Độ an toàn: Một hệ mật được đưa vào sử dụng điều đầu tiên phải có độ
an toàn cao. Ưu điểm của mật mã là có thể đánh giá được độ an toàn thông
qua độ an toàn tính toán mà không cần phải cài đặt. Một hệ mật được coi là an
toàn nếu để phá hệ mật mã này phải dùng n phép toán. Mà để giải quyết n
phép toán cần thời gian vô cùng lớn, không thể chấp nhận được.
Một hệ mật mã được gọi là tốt thì nó cần phải đảm bảo các tiêu chuẩn
sau:
- Chúng phải có phương pháp bảo vệ mà chỉ dựa trên sự bí mật của các
khoá, công khai thuật toán.
- Khi cho khoá công khai eK và bản rõ P thì chúng ta dễ dàng tính được
eK(P) = C. Ngược lại khi cho dK và bản mã C thì dễ dàng tính được dK(M)=P.
Khi không biết dK thì không có khả năng để tìm được M từ C, nghĩa là khi
cho hàm f: X → Y thì việc tính y=f(x) với mọi x∈ X là dễ còn việc tìm x khi
biết y lại là vấn đề khó và nó được gọi là hàm một chiều.
- Bản mã C không được có các đặc điểm gây chú ý, nghi ngờ.
b, Tốc độ mã và giải mã: Khi đánh giá hệ mật mã chúng ta phải chú ý đến
tốc độ mã và giải mã. Hệ mật tốt thì thời gian mã và giải mã nhanh.
9
c, Phân phối khóa: Một hệ mật mã phụ thuộc vào khóa, khóa này được
truyền công khai hay truyền khóa bí mật. Phân phối khóa bí mật thì chi phí sẽ
cao hơn so với các hệ mật có khóa công khai. Vì vậy đây cũng là một tiêu chí
khi lựa chọn hệ mật mã.
10
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA CỔ ĐIỂN
2.1. Các hệ mật mã cổ điển
2.1.1. Mã dịch vòng ( shift cipher)
Phần này sẽ mô tả mã dịch (MD) dựa trên số học theo modulo. Trước tiên
sẽ điểm qua một số định nghĩa cơ bản của số học này.
Định nghĩa
Giả sử a và b là các số nguyên và m là một số nguyên dương. Khi đó ta
viết a ≡ b (mod m) nếu m chia hết cho b-a. Mệnh đề a ≡ b (mod m) được gọi là "
a đồng dư với b theo modulo m". Số nguyên m được gọi là mudulus.
Giả sử chia a và b cho m và ta thu được phần thương nguyên và phần dư,
các phần dư nằm giữa 0 và m-1, nghĩa là a = q1m + r1 và b = q2m + r2 trong đó 0
≤ r1 ≤ m-1 và 0 ≤ r2 ≤ m-1. Khi đó có thể dễ dàng thấy rằng a ≡ b (mod m) khi
và chỉ khi r1 = r2 . Ta sẽ dùng ký hiệu a mod m (không dùng các dấu ngoặc) để
xác định phần dư khi a được chia cho m (chính là giá trị r1 ở trên). Như vậy: a ≡
b (mod m) khi và chỉ khi a mod m = b mod m. Nếu thay a bằng a mod m thì ta
nói rằng a được rút gọn theo modulo m.
Nhận xét: Nhiều ngôn ngữ lập trình của máy tính xác định a mod m là phần
dư trong dải - m+1,.. ., m-1 có cùng dấu với a. Ví dụ -18 mod 7 sẽ là -4, giá trị
này khác với giá trị 3 là giá trị được xác định theo công thức trên. Tuy nhiên, để
thuận tiện ta sẽ xác định a mod m luôn là một số không âm.
Bây giờ ta có thể định nghĩa số học modulo m: Zm được coi là tập hợp
{0,1,. . .,m-1} có trang bị hai phép toán cộng và nhân. Việc cộng và nhân trong
Zm được thực hiện giống như cộng và nhân các số thực ngoài trừ một điểm là
các kết quả được rút gọn theo modulo m.
Ví dụ tính 11× 13 trong Z16 . Tương tự như với các số nguyên ta có 11
×13 = 143. Để rút gọn 143 theo modulo 16, ta thực hiện phép chia bình thường:
143 = 8 × 16 + 15, bởi vậy 143 mod 16 = 15 trong Z16 .
11
Các định nghĩa trên phép cộng và phép nhân Zm thảo mãn hầu hết các quy
tắc quen thuộc trong số học. Sau đây ta sẽ liệt kê mà không chứng minh các tính
chất này:
1. Phép cộng là đóng, tức với bất kì a,b ∈ Zm ,a +b ∈ Zm
2. Phép cộng là giao hoán, tức là với a,b bất kì ∈ Zm
a+b = b+a
3. Phép cộng là kết hợp, tức là với bất kì a,b,c ∈ Zm
(a+b)+c = a+(b+c)
4. 0 là phần tử đơn vị của phép cộng, có nghĩa là với a bất kì ∈ Zm
a+0 = 0+a = a
5. Phần tử nghịch đảo của phép cộng của phần tử bất kì (a ∈ Zm ) là m-a,
nghĩa là a+(m-a) = (m-a)+a = 0 với bất kì a ∈ Zm .
6. Phép nhân là đóng , tức là với a,b bất kì ∈ Zm , ab ∈ Zm .
7. Phép nhân là giao hoán , nghĩa là với a,b bất kì ∈ Zm , ab = ba
8. Phép nhân là kết hợp, nghĩa là với a,b,c ∈ Zm , (ab)c = a(cb)
9. 1 là phần tử đơn vị của phép nhân, tức là với bất kỳ a ∈ Zm
a×1 = 1×a = a
10. Phép nhân có tính chất phân phối đối với phép cộng, tức là đối với
a,b,c ∈ Zm , (a+b)c = (ac)+(bc) và a(b+c) = (ab) + (ac)
Các tính chất 1,3-5 nói lên rằng Zm lâp nên một cấu trúc đại số được gọi là
một nhóm theo phép cộng. Vì có thêm tính chất 4 nhóm được gọi là nhóm Aben
(hay nhóm giao hoán).
Các tính chất 1-10 sẽ thiết lập nên một vành Zm . Một số ví dụ quen thuộc
của vành là các số nguyên Z, các số thực R và các số phức C. Tuy nhiên các
vành này đều vô hạn, còn mối quan tâm của chúng ta chỉ giới hạn trên các vành
hữu hạn.
12
Vì phần tử ngược của phép cộng tồn tại trong Zm nên cũng có thể trừ các
phần tử trong Zm . Ta định nghĩa a-b trong Zm là a+m-b mod m. Một cách
tương tự có thể tính số nguyên a-b rồi rút gon theo modulo m.
Ví dụ : Để tính 11-18 trong Z31, ta tính 11+31 – 18 mod 31= 11+13 mod 31
= 24. Ngược lại, có thể lấy 11-18 được -7 rồi sau đó tính -7 mod 31 =31-7= 24.
Mã dịch vòng được xác định trên Z26 (do có 26 chữ cái trên bảng chữ cái
tiếng Anh) mặc dù có thể xác định nó trên Zm với modulus m tuỳ ý. Dễ dàng
thấy rằng, MDV sẽ tạo nên một hệ mật như đã xác định ở trên, tức là dK(eK(x)) =
x với mọi x∈ Z26 . Ta có sơ đồ mã như sau:
Giả sử P = C = K = Z26 với 0 ≤ k ≤ 25 , định nghĩa:
eK(x) = x +K mod 26
và
dK(x) = y -K mod 26
(x,y ∈ Z26)
Nhận xét: Trong trường hợp K = 3, hệ mật thường được gọi là mã Caesar
đã từng được Julius Caesar sử dụng.
Ta sẽ sử dụng MDV (với modulo 26) để mã hoá một văn bản tiếng Anh
thông thường bằng cách thiết lập sự tương ứng giữa các kí tự và các thặng dư
theo modulo 26 như sau: A ↔ 0,B ↔ 1, . . ., Z ↔ 25. Vì phép tương ứng này
còn dùng trong một vài ví dụ nên ta sẽ ghi lại để còn tiện dùng sau này:
Sau đây là một ví dụ nhỏ để minh hoạ
Ví dụ 1.1:
Giả sử khoá cho MDV là K = 11 và bản rõ là:
wewillmeetatmidnight
Trước tiên biến đổi bản rõ thành dãy các số nguyên nhờ dùng phép tương
ứng trên. Ta có:
13
22
0
4
22
12
8
8
11
3
11
13
12
8
4
6
4
7
19
19
19
sau đó cộng 11 vào mỗi giá trị rồi rút gọn tổng theo modulo 26
7
15
4
7
19
19
22
14
22
24
23
19
15
17
15
18
4
4
11
23
Cuối cùng biến đổi dãy số nguyên này thành các kí tự thu được bản mã
sau:
HPHTWWXPPELEXTOYTRSE
Để giả mã bản mã này, trước tiên, Bob sẽ biến đổi bản mã thành dãy các
số nguyên rồi trừ đi giá trị cho 11 ( rút gọn theo modulo 26) và cuối cùng biến
đổi lại dãy này thành các ký tự.
Nhận xét: Trong ví dụ trên, ta đã dùng các chữ in hoa cho bản mã, các chữ
thường cho bản rõ để tiện phân biệt. Quy tắc này còn tiếp tục sử dụng sau này.
Nếu một hệ mật có thể sử dụng được trong thực tế thì nó phảo thoả mãn
một số tính chất nhất định. Ngay sau đây sẽ nêu ra hai trong số đó:
1. Mỗi hàm mã hoá eK và mỗi hàm giải mã dK phải có khả năng tính toán
được một cách hiệu quả.
2. Đối phương dựa trên xâu bản mã phải không có khả năng xác định
khoá K đã dùng hoặc không có khả năng xác định được xâu bản rõ x.
Tính chất thứ hai xác định (theo cách khá mập mờ) ý tưởng "bảo mật".
Quá trình thử tính khoá K (khi đã biết bản mã y) được gọi là mã thám (sau này
khái niệm này sẽ được làm chính xác hơn). Cần chú ý rằng, nếu Oscar có thể xác
định được K thì anh ta có thể giải mã được y như Bob bằng cách dùng dK. Bởi
vậy, việc xác định K chí ít cũng khó như việc xác định bản rõ x.
Nhận xét rằng, MDV (theo modulo 26) là không an toàn vì nó có thể bị
thám theo phương pháp vét cạn. Do chỉ có 26 khoá nên dễ dàng thử mọi khoá dK
14
có thể cho tới khi nhận được bản rõ có nghĩa. Điều này được minh hoạ theo ví
dụ sau:
Ví du 1.2
Cho bản mã
JBCRCLQRWCRVNBJENBWRWN
ta sẽ thử liên tiếp các khoá giải mã d0 ,d1 .. . và y thu được:
15
j b c r c l q r w c r v n b j e n b w r w n
i a b q b k p q v b q u m a i d m a v q v m
h z a p a j o p u a p t l z h c l z u p u l
g y z o z i n o t z o s k y g b k y t o t k
j x y n y h m n s y n r j e x f a j x s n s j
e w x m x g l m r x m q i w e z i w r m r i
d v w l w f k l q w l p h v o d y h v q l q h
c u v k v e j k p v k o g u c x g u p k p g
b t u j u d i j o u j n f t b w f o j o f
a s t i t c h i n t i m e s a v e s n i n e
Tới đây ta đã xác định được bản rõ và dừng lại. Khoá tương ứng K = 9.
Trung bình có thể tính được bản rõ sau khi thử 26/2 = 13 quy tắc giải mã.
Như đã chỉ ra trong ví dụ trên, điều kiện để một hệ mật an toàn là phép tìm
khoá vét cạn phải không thể thực hiện được, tức không gian khoá phải rất lớn.
Tuy nhiên, một không gian khoá lớn vẫn chưa đủ đảm bảo độ mật.
2.1.2. Mã thay thế
Một hệ mật nổi tiếng khác là hệ mã thay thế. Hệ mật này đã được sử dụng
hàng trăm năm. Trò chơi đố chữ "cryptogram" trong các bài báo là những ví dụ
về MTT.
Trên thực tế MTT có thể lấy cả P và C đều là bộ chữ cái tiếng anh, gồm
26 chữ cái. Ta dùng Z26 trong MDV vì các phép mã và giải mã đều là các phép
toán đại số. Tuy nhiên, trong MTT, thích hợp hơn là xem phép mã và giải mã
như các hoán vị của các kí tự.
Mã thay thế
Cho P =C = Z26 . K chứa mọi hoán vị có thể của 26 kí hiệu 0,1, . . . ,25
Với mỗi phép hoán vị π ∈K , ta định nghĩa:
eπ(x) = π(x)
và
dπ(y) = π -1(y)
-1
đó π là hoán vị ng
ược của π.
Sau đây là một ví dụ về phép hoán vị ngẫu nhiên π tạo nên một hàm mã
hoá (cũng như trước, các ký hiệu của bản rõ được viết bằng chữ thường còn các
ký hiệu của bản mã là chữ in hoa).
Như vậy, eπ (a) = X, eπ (b) = N,. . . . Hàm giải mã là phép hoán vị ngược.
Điều này được thực hiện bằng cách viết hàng thứ hai lên trước rồi sắp xếp theo
thứ tự chữ cái. Ta nhận được:
Bởi vậy dπ (A) = d, dπ(B) = 1, . . .
Ví dụ: Hãy giải mã bản mã:
M G Z V Y Z L G H C M H J M Y X S S E M N H A H Y C D L M H A.
Mỗi khoá của MTT là một phép hoán vị của 26 kí tự. Số các hoán vị này
là 26!, lớn hơn 4 ×10 26 là một số rất lớn. Bởi vậy, phép tìm khoá vét cạn không
thể thực hiện được, thậm chí bằng máy tính. Tuy nhiên, sau này sẽ thấy rằng
MTT có thể dễ dàng bị thám bằng các phương pháp khác.
2.1.3. Mã Affine
MDV là một trường hợp đặc biệt của MTT chỉ gồm 26 trong số 26! Các
hoán vị có thể của 26 phần tử. Một trường hợp đặc biệt khác của MTT là mã
Affine được mô tả dưới đây. Trong mã Affine, ta giới hạn chỉ xét các hàm mã có
dạng:
e(x) = ax + b mod 26
a, b ∈ Z26 . Các hàm này được gọi là các hàm Affine (chú ý rằng khi a = 1,
ta có MDV).
Để việc giải mã có thể thực hiện được, yêu cầu cần thiết là hàm Affine
phải là đơn ánh. Nói cách khác, với bất kỳ y ∈ Z26, ta muốn có đồng nhất thức
sau:
ax + b ≡ y (mod 26)
phải có nghiệm x duy nhất. Đồng dư thức này tương đương với:
ax ≡ y-b (mod 26)
17
Vì y thay đổi trên Z26 nên y-b cũng thay đổi trên Z26 . Bởi vậy, ta chỉ cần
nghiên cứu phương trình đồng dư:
ax ≡ y (mod 26)
(y∈ Z26 ).
Ta biết rằng, phương trình này có một nghiệm duy nhất đối với mỗi y khi
và chỉ khi UCLN(a,26) = 1 (ở đây hàm UCLN là ước chung lớn nhất của các
biến của nó). Trước tiên ta giả sử rằng, UCLN(a,26) = d >1. Khi đó, đồng dư
thức ax ≡ 0 (mod 26) sẽ có ít nhất hai nghiệm phân biệt trong Z26 là x = 0 và x =
26/d. Trong trường hợp này, e(x) = ax + b mod 26 không phải là một hàm đơn
ánh và bởi vậy nó không thể là hàm mã hoá hợp lệ.
Ví dụ, do UCLN(4,26) = 2 nên 4x +7 không là hàm mã hoá hợp lệ: x và
x+13 sẽ mã hoá thành cùng một giá trị đối với bất kì x ∈ Z26 .
Ta giả thiết UCLN(a,26) = 1. Giả sử với x1 và x2 nào đó thảo mãn:
ax1 ≡ ax2 (mod 26)
Khi đó
a(x1- x2) ≡ 0(mod 26)
bởi vậy
26 | a(x1- x2)
Bây giờ ta sẽ sử dụng một tính chất của phép chia sau: Nếu UCLN(a,b)=1
và a ⏐bc thì a ⏐c. Vì 26 ⏐ a(x1- x2) và UCLN(a,26) = 1 nên ta có:
26⏐(x1- x2)
tức là
x1 ≡ x2 (mod 26)
Tới đây ta chứng tỏ rằng, nếu UCLN(a,26) = 1 thì một đồng dư thức dạng
ax ≡ y (mod 26) chỉ có (nhiều nhất) một nghiệm trong Z26 . Do đó, nếu ta cho x
thay đổi trên Z26 thì ax mod 26 sẽ nhận được 26 giá trị khác nhau theo modulo
26 và đồng dư thức ax ≡ y (mod 26) chỉ có một nghiệm y duy nhất.
18
Không có gì đặc biệt đối vơí số 26 trong khẳng định này. Bởi vậy, bằng
cách tương tự ta có thể chứng minh được kết quả sau:
Định lí
Đồng dư thức ax ≡ b mod m chỉ có một nghiệm duy nhất x ∈ Zm với mọi b
∈ Zm khi và chỉ khi UCLN(a,m) = 1.
Vì 26 = 2 ×13 nên các giá trị a ∈ Z26 thoả mãn UCLN(a,26) = 1 là a = 1,
3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 và 25. Tham số b có thể là một phần tử bất
kỳ trong Z26 . Như vậy, mã Affine có 12 × 26 = 312 khoá có thể (dĩ nhiên con
số này quá nhỉ để bảo đảm an toàn).
Bây giờ ta sẽ xét bài toán chung với modulo m. Ta cần một định nghĩa
khác trong lý thuyết số.
Định nghĩa
Giả sử a ≥ 1 và m ≥ 2 là các số nguyên. UCLN(a,m) = 1 thì ta nói rằng a
và m là nguyên tố cùng nhau. Số các số nguyên trong Zm nguyên tố cùng nhau
với m thường được ký hiệu là φ(m) (hàm này được gọi là hàm Euler).
Một kết quả quan trọng trong lý thuyết số cho ta giá trị của φ(m) theo các
thừa số trong phép phân tích theo luỹ thừa các số nguyên tố của m. (Một số
nguyên p >1 là số nguyên tố nếu nó không có ước dương nào khác ngoài 1 và p.
Mọi số nguyên m >1 có thể phân tích được thành tích của các luỹ thừa các số
nguyên tố theo cách duy nhất. Ví dụ 60 = 2 3 × 3 × 5 và 98 = 2 × 7 2 ).
Số khoá trong mã Affine trên Zm bằng φ(m), trong đó φ(m) được cho theo
công thức trên. (Số các phép chọn của b là m và số các phép chọn của a là φ(m)
với hàm mã hoá là e(x) = ax + b). Ví dụ, khi m = 60, φ(60)=φ(5.22.3)=φ(5).
φ(22). φ(3) = 2 × 2 × 4 = 16 và số các khoá trong mã Affine là 960. (xem tính
chất của hàm phi euler chương 4)
Bây giờ ta sẽ xét xem các phép toán giải mã trong mật mã Affine với
modulo m = 26. Giả sử UCLN(a,26) = 1. Để giải mã cần giải phương trình đồng
dư y ≡ax+b (mod 26) theo x. Từ thảo luận trên thấy rằng, phương trình này có
19
Tải về để xem bản đầy đủ
110 trang
21100
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình An toàn và bảo mật thông tin", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_an_toan_va_bao_mat_thong_tin.pdf
