Giáo trình môn An toàn và bảo mật thông tin
MỤC LỤC
ĐỀ MỤC
TRANG
1.2. Các chiến lượt an toàn hệ thống................................................................. 6
1.2.3. Nút thắt (Choke Point) ............................................................................ 6
1.2.4. Điểm nối yếu nhất (Weakest Link) .......................................................... 6
1.2.5. Tính toàn cục........................................................................................... 7
1.2.6. Tính đa dạng bảo vệ.............................................................................. 7
1.3 Các mức bảo vệ trên mạng.......................................................................... 7
1.3.1. Quyền truy nhập...................................................................................... 7
1.3.2. Đăng ký tên /mật khẩu............................................................................. 7
1.3.3. Mã hoá dữ liệu ........................................................................................ 8
1.3.4. Bảo vệ vật lý............................................................................................ 8
1.3.5. Tường lửa................................................................................................ 8
1.3.6. Quản trị mạng ......................................................................................... 8
1.4. An toàn thông tin bằng mật mã.................................................................. 8
1.5. Vai trò của hệ mật mã ................................................................................ 9
1.6. Phân loại hệ mật mã ................................................................................. 10
1.7. Tiêu chuẩn đánh giá hệ mật mã ............................................................... 10
1.7.1. Độ an toàn............................................................................................. 10
1.7.2. Tốc độ mã và giải mã............................................................................ 11
1.7.3. Phân phối khóa..................................................................................... 11
2.1. Các hệ mật mã cổ điển ............................................................................. 12
2.1.1. Mã dịch vòng ( shift cipher)................................................................. 12
2.1.2. Mã thay thế........................................................................................... 13
2.1.3. Mã Affine............................................................................................... 14
2.1.4. Mã Vigenère.......................................................................................... 17
2.1.5. Mật mã Hill .......................................................................................... 17
2.2. Mã thám các hệ mã cổ điển...................................................................... 18
2.2.1. Thám hệ mã Affine ................................................................................ 19
2.2.2. Thám hệ mã thay thế ............................................................................. 21
2.2.3. Thám hệ mã Vigenère........................................................................... 24
3.1 Các định nghĩa........................................................................................... 26
3.2. Sơ đồ chữ kí ELGAMAL......................................................................... 28
3.3. Chuẩn chữ kí số........................................................................................ 28
3.4.2 Mã mẫu tin ............................................................................................. 30
3.5.1 Các yêu cầu............................................................................................ 32
3.5.2 Các hàm hash đơn giản.......................................................................... 32
3.6 Các thuật toán Hash và MAC .................................................................. 34
3.6.1 Các thuật toán Hash và MAC ................................................................ 34
3.7 Các ứng dụng xác thực.............................................................................. 39
3.7.1 Kerberos................................................................................................. 39
3.7.2 Dịch vụ xác thực X.509 .......................................................................... 43
Bài tập.............................................................................................................. 45
3.1. Giới thiệu chung về DES ......................................................................... 47
3.2. Mô tả thuật toán........................................................................................ 47
3.3. Hoán vị khởi đầu...................................................................................... 49
3.4. Khoá chuyển đổi....................................................................................... 49
3.5. Hoán vị mở rộng....................................................................................... 49
3.6. Hộp thay thế S.......................................................................................... 49
3.7. Hộp hoán vị P........................................................................................... 50
3.8. Hoán vị cuối cùng .................................................................................... 50
3.9. Giải mã DES............................................................................................. 51
3.11. Sự an toàn của DES................................................................................ 51
3.12. Tranh luận về DES................................................................................. 52
3.13. DES trong thực tế............................................................................... 53
5.1 Kẻ xâm nhập.............................................................................................. 56
5.1.1 Khái niệm ............................................................................................... 56
5.1.2 Các kỹ thuật xâm phạm.......................................................................... 56
5.1.3 Đoán mật khẩu ....................................................................................... 57
5.1.4 Phát hiện xâm nhập................................................................................ 57
5.1.5 Quản trị mật khẩu .................................................................................. 60
5.2 Phần mềm có hại ...................................................................................... 61
5.2.21. Cửa sau hoặc cửa sập......................................................................... 61
5.2.3 Bom logic ........................................................................................... 61
5.2.4. Ngựa thành Tơ roa............................................................................. 62
5.2.5. Zombie................................................................................................ 62
5.3. Virus......................................................................................................... 62
5.3.3. Sâu......................................................................................................... 64
5.3.5. Phần mềm chống Virus ..................................................................... 65
5.3.8 Tràn bộ đệm ........................................................................................... 67
5.3.9. Tấn công tràn bộ nhớ............................................................................ 67
5.3.10 Code che đậy (Shellcode).................................................................... 68
5.3.11 Bảo vệ tràn bộ nhớ............................................................................... 69
5.4 Bức tường lửa............................................................................................ 70
5.4.1 Mở đầu ................................................................................................... 70
5.4.2 Bức tường lửa – các lọc gói................................................................... 71
5.4.5 Máy chủ Bastion..................................................................................... 72
5.4.6 Kiểm soát truy cập ................................................................................ 72
5.4.7 Các hệ thống máy tính tin cậy................................................................ 72
5.4.8 Mô hình Bell LaPadula .......................................................................... 73
5.4.9 Tiêu chuẩn chung ................................................................................... 73
5.5 Bài tập ....................................................................................................... 74
6.1.1 IPSec....................................................................................................... 75
6.1.2 Kiến trúc an toàn IP............................................................................... 75
6.2.1 Khái niệm ............................................................................................... 78
6.2.2 SSL (Secure Socket Layer) ..................................................................... 78
6.3 Thanh toán điện tử an toàn........................................................................ 82
6.3.1 Yêu cầu ................................................................................................... 82
6.3.2 Thanh toán điện tử an toàn .................................................................... 83
6.3.3 Chữ ký kép.............................................................................................. 83
6.3.3 Yêu cầu trả tiền ...................................................................................... 83
6.3.4 Giấy phép cổng trả tiền.......................................................................... 83
6.3.5 Nhận trả tiền.......................................................................................... 84
6.4 An toàn thư điện tử.................................................................................... 84
6.4.1 Dịch vụ PGP........................................................................................... 84
MÔN HỌC AN TOÀN VÀ BẢO MẬT THÔNG TIN
Mã môn học: MH 25
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
Vị trí của môn học: Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong mô
đun: Mạng máy tính và Quản trị mạng 1.
Tính chất của môn học: Là môn học chuyên môn nghề
Mục tiêu của môn học:
- Trình bày được các nguy cơ đối với dữ liệu, các phương pháp đảm bảo
an toàn dữ liệu.
- Ghi nhớ kiến thức về mật mã, mã hóa, và bảo mật dữ liệu (khái niệm,
yêu cầu, chỉ dẫn, dịch vụ, kỹ thuật, thuật toán,...).
- Trình bày được quy trình khóa và chứng thực (khóa cơ sở dữ liệu / thư
mục,chữ ký số, định danh,...).
- Trình bày chức năng an ninh mạng, trình bày được quy trình bảo mật thư
điện tử và mã hóa thông điệp.
- Trình bày được những kiến thức về hệ thống thương mại điện tử (thanh
toán tự động, đặt chỗ tự động, mô hình giao dịch mạng, bảo mật giao dịch điện
tử...)
Nội dung của môn học:
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ AN TOÀN VÀ BẢO MẬT THÔNG TIN
Mục tiêu:
- Trình bày được nội dung tổng quan an toàn và bảo mật thông tin.
- Xác định được các mức bảo vệ hệ thống.
- Thực hiện các thao tác an toàn với máy tính bằng mật mã.
Nội dung chính:
1.1. Nội dung của an toàn và bảo mật thông tin
Mục tiêu: Trình bày được tổng quan 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 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.
1.2. Các chiến lượt an toàn hệ thống
Mục tiêu: Trình bày được các chiến lược bảo vệ an toàn cho mạng.
1.2.1 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.
1.2.2. 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.
1.2.3. 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.
1.2.4. 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.
1.2.5. 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.
1.2.6. 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.
1.3 Các mức bảo vệ trên mạng
Mục tiêu: Hiểu rõ và xác định được các mức bảo vệ hệ thống 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:
1.3.1. 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.
1.3.2. 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.
1.3.3. 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 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.
1.3.4. 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.
1.3.5. 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)
1.3.6. 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 :
- 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
Mục tiêu: Trình bày được cách bảo mật 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
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
Mục tiêu: phân tích được 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 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.
1.6. Phân loại hệ mật mã
Mục tiêu: Biết phân loại các hệ mật mã khác nhau, so sánh được điểm ưu,
nhược của từng 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.
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
Mục tiêu: đánh giá được một hệ mật mã người ta thường đánh giá thông
qua các tính chất như độ an toà, tốc độ giải mã, cách phân phối khóa.
1.7.1. 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.
1.7.2. 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.
1.7.3. 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.
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA CỔ ĐIỂN
Mục tiêu:
- Trình bày được PKI, chữ ký số, chứng chỉ số, CA, CRL;
- Xây dựng một PKI trên ứng dụng cụ thể ;
- Thực hiện các thao tác an toàn với máy tính.
Nội dung chính:
2.1. Các hệ mật mã cổ điển
Mục tiêu: Trình bày được 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.
Các 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 r1ở 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.
Giả sử P = C = K = Z26 với 0 ≤ k ≤ 25 , định nghĩa:
Ek(x) = x +K mod 26
và (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:
Ví dụ:
Cho bản mã
JBCRCLQRWCRVNBJENBWRWN
ta sẽ thử liên tiếp các khoá giải mã d0 ,d1 .. . và y thu được:
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)
trong đó π -1 là hoán vị ngược 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 ×1026 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)
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.
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 = 23× 3 × 5 và 98 = 2 × 72).
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.
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
một nghiệm duy nhất trong Z26 . Tuy nhiên ta vẫn chưa biết một phương pháp
hữu hiệu để tìm nghiệm. Điều cần thiết ở đây là có một thuật toán hữu hiệu để
làm việc đó. Rất may là một số kết quả tiếp sau về số học modulo sẽ cung cấp
một thuật toán giải mã hữu hiệu cần tìm.
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.
8.
9.
Phép nhân là giao hoán , nghĩa là với a,b bất kì Zm , ab = ba
Phép nhân là kết hợp, nghĩa là với a,b,c Zm , (ab)c = a(cb)
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.
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:
2.1.4. Mã Vigenère
Trong cả hai hệ MDV và MTT (một khi khoá đã được chọn) mỗi ký tự sẽ
được ánh xạ vào một ký tự duy nhất. Vì lý do đó, các hệ mật còn được gọi hệ
thay thế đơn biểu. Bây giờ ta sẽ trình bày một hệ mật không phải là bộ chữ đơn,
đó là hệ mã Vigenère nổi tiếng. Mật mã này lấy tên của Blaise de Vigenère sống
vào thế kỷ XVI.
Sử dụng phép tương ứng A 0, B 1, . . . , Z 25 mô tả ở trên, ta có
thể gắn cho mỗi khóa K với một chuỗi kí tự có độ dài m được gọi là từ khoá.
Mật mã Vigenère sẽ mã hoá đồng thời m kí tự: Mỗi phần tử của bản rõ
tương đương với m ký tự.
2.1.5. Mật mã Hill
Trong phần này sẽ mô tả một hệ mật thay thế đa biểu khác được gọi là
mật mã Hill. Mật mã này do Lester S.Hill đưa ra năm 1929. Giả sử m là một số
nguyên dương, đặt P = C = (Z26)m . Ý tưởng ở đây là lấy m tổ hợp tuyến tính
của m ký tự trong một phần tử của bản rõ để tạo ra m ký tự ở một phần tử của
bản mã.
2.2. Mã thám các hệ mã cổ điển
Trong phần này ta sẽ bàn tới một vài kỹ thuật mã thám. Giả thiết chung ở
đây là luôn coi đối phương Oscar đã biết hệ mật đang dùng. Giả thiết này được
gọi là nguyên lý Kerekhoff. Dĩ nhiên, nếu Oscar không biết hệ mật được dùng
thì nhiệm vụ của anh ta sẽ khó khăn hơn. Tuy nhiên ta không muốn độ mật của
một hệ mật lại dựa trên một giả thiết không chắc chắn là Oscar không biết hệ
mật được sử dụng. Do đó, mục tiêu trong thiết kế một hệ mật là phải đạt được độ
mật dưới giả thiết Kerekhoff.
Trước tiên ta phân biệt các mức độ tấn công khác nhau vào các hệ mật.
Sau đây là một số loại thông dụng nhất.
Chỉ có bản mã:
Thám mã chỉ có xâu bản mã y.
Bản rõ đã biết:
Thám mã có xâu bản rõ x và xâu bản mã tương ứng y.
Bản rõ được lựa chọn:
Thám mã đã nhận được quyền truy nhập tạm thời vào cơ chế mã hoá. Bởi
vậy, thám mã có thể chọn một xâu bản rõ x và tạo nên xâu bản mã y tương ứng.
Bản mã được lựa chọn:
Thám mã có được quyền truy nhập tạm thời vào cơ chế giải mã. Bởi vậy
thám mã có thể chọn một bản mã y và tạo nên xâu bản rõ x tương ứng.
Trong mỗi trường hợp trên, đối tượng cần phải xác định chính là khoá đã
sử dụng. Rõ ràng là 4 mức tấn công trên đã được liệt kê theo độ tăng của sức
mạnh tấn công. Nhận thấy rằng, tấn công theo bản mã được lựa chọn là thích
hợp với các hệ mật khoá công khai mà ta sẽ nói tới ở chương sau.
Trước tiên, ta sẽ xem xét cách tấn công yếu nhất, đó là tấn công chỉ có
bản mã. Giả sử rằng, xâu bản rõ là một văn bản tiếng Anh thông thường không
có chấm câu hoặc khoảng trống (mã thám sẽ khó khăn hơn nếu mã cả dấu chấm
câu và khoảng trống).
Có nhiều kỹ thuật thám mã sử dụng các tính chất thống kê của ngôn ngữ
tiếng Anh. Nhiều tác giả đã ước lượng tần số tương đối của 26 chữ cái
theo các tính toán thống kê từ nhiều tiểu thuyết, tạp chí và báo. Các ước lượng
trong bảng dưới đây lấy theo tài liệu của Beker và Piper.
Từ bảng trên, Beker và Piper phân 26 chữ cái thành 5 nhóm như sau:
1.
E: có xác suất khoảng 1,120
2.
T, A, O, I, N, S, H, R : mỗi ký tự có xac suất khoảng 0,06 đến 0,09
D, L : mỗi ký tự có xác suất chừng 0,04
3.
4.
C, U, M, W, F, G, Y, P, B: mỗi ký tự có xác suất khoảng 0,015 đến
0,023
5.
V, K, J, X, Q, Z mỗi ký tự có xác suất nhỏ hơn 0,01
Việc xem xét các dãy gồm 2 hoặc 3 ký tự liên tiếp (được gọi là bộ
đôi-
diagrams và bộ ba – Trigrams) cũng rất hữu ích. 30 bộ đôi thông dụng
nhất (theo
thứ tự giảm dần) là: TH, HE, IN, ER, AN, RE, ED, ON, ES, ST, EN, AT,
TO, NT, HA, ND, OU, EA, NG, AS, OR, TI, IS, ET, IT, AR, TE, SE, HI và OF.
12 bộ ba thông dụng nhất (theo thứ tự giảm dần) là: THE, ING, AND, HER,
ERE, ENT, THA, NTH, WAS, ETH, FOR và DTH.
2.2.1. Thám hệ mã Affine
Mật mã Affine là một ví dụ đơn giản cho ta thấy cách thám hệ mã nhờ
dùng các số liệu thống kê. Giả sử Oscar đã thu trộm được bản mã sau:
Bản mã nhận được từ mã Affine:
FMXVEDRAPHFERBNDKRXRSREFMORUDSDKDVSHVUFEDKPK
DLYEVLRHHRH
Phân tích tần suất của bản mã này được cho ở bảng dưới Bản mã chỉ có
57 ký tự. Tuy nhiên độ dài này cũng đủ phân tích thám mã đối với hệ Affine.
Các ký tự có tần suất cao nhất trong bản mã là: R (8 lần xuất hiện), D (6 lần xuất
hiện ), E, H, K (mỗi ký tự 5 lần ) và F, S, V ( mỗi ký tự 4 lần).
Trong phỏng đoán ban đầu, ta giả thiết rằng R là ký tự mã của chữ e và D
là kí tự mã của t, vì e và t tương ứng là 2 chữ cái thông dụng nhất. Biểu thị bằng
số ta có: eK(4) = 17 và eK(19) = 3. Nhớ lại rằng eK(x) = ax +b trong đó a và b
là các số chưa biết. Bởi vậy ta có hai phương trình tuyến tính hai ẩn:
4a +b = 17
19a + b = 3
Hệ này có duy nhất nghiệm a = 6 và b = 19 ( trong Z26). Tuy nhiên đây là
một khoá không hợp lệ do UCLN(a,26) = 2 1. Bởi vậy giả thiết của ta là
khôngđúng. Phỏng đoán tiếp theo của ta là: R là ký tự mã của e và E là mã của t.
Thực hiện như trên, ta thu được a =13 và đây cũng là một khoá không hợp lệ.
Bởi vậy ta phải thử một lần nữa: ta coi rằng R là mã hoá của e và H là mã hoá
của t. Điều này dẫn tới a = 8 và đây cũng là một khoá không hợp lệ. Tiếp tục,
Tải về để xem bản đầy đủ
93 trang
26580
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn 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_mon_an_toan_va_bao_mat_thong_tin.pdf
