Tài liệu Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng bảo mật trên pda

Lời cảm ơn Chúng em cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đề tài. K H TN Chúng con gởi tất cả lòng biết ơn và sự kính trọng của chúng con đến cha mẹ cùng toàn thể gia đình, những người đã sinh thành, dưỡng dục và là chỗ dựa vững chắc cho chúng con vượt qua mọi khó khăn. Chúng em trân trọng biết ơn thầy Dương Anh Đức, thầy Trần Minh Triết đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em để chúng em thực hiện tốt đề tài luận văn tốt H nghiệp. Đ Chúng em cảm ơn quý thầy cô đã giảng dạy, trang bị những kiến thức quý báu cho chúng em trong những năm học vừa qua. – Xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên C N TT chúng tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Mặc dù chúng em đã nỗ lực hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong K H O A nhận được sự thông cảm, góp ý và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, 07/2004 Nhóm sinh viên thực hiện Văn Đức Phương Hồng – Nguyễn Minh Huy i Lời mở đầu Ngày nay, công nghệ thông tin và các sản phẩm công nghệ thông tin đã góp phần giúp cuộc sống của con người thoải mái hơn. Liên lạc giữa các cá nhân và tổ chức trở nên thuận tiện, từ đó lượng thông tin, dữ liệu giao dịch tăng nhanh về số K H TN lượng lẫn chất lượng. Trước sự bùng nổ thông tin, việc bảo mật các dữ liệu nhạy cảm giữ vai trò rất quan trọng. Với sự ra đời của các thiết bị di động cầm tay và các thiết bị hỗ trợ cá nhân kỹ thuật số, thông tin có thể được quản lý dễ dàng ở mọi lúc mọi nơi. Sự cơ động của các thiết bị đem lại nhiều tiện lợi cho người sử dụng nhưng đồng thời H cũng mang lại những rủi ro cao khi dữ liệu trong các thiết bị bị mất hoặc bị lấy cắp. Do đó nhu cầu về ứng dụng mã hóa và bảo mật trên các thiết bị là cần thiết. Đ Trên thực tế, việc bảo mật trên thiết bị di động chưa được quan tâm rộng rãi. – Các hệ thống bảo mật trên thiết bị di động chỉ giới hạn ở các chức năng bảo mật được cung cấp tích hợp trong phần cứng thiết bị. Một số ít ứng dụng phần mềm mã bình. C N TT hóa bảo mật trên thiết bị di động có giá thành cao nhưng độ bảo mật ở mức trung Với lý do trên, chúng em đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng bảo mật trên PDA" nhằm nghiên cứu, thử nghiệm về các phương pháp, thuật toán mã hóa bảo mật đồng thời cũng nghiên cứu khả năng đưa chức năng mã hóa K H O A vào ứng dụng trên thiết bị hỗ trợ cá nhân kỹ thuật số. Dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu, chúng em thực hiện xây dựng bộ thư viện SPDA Cryptolib với các thuật toán được xem là mới và hiệu quả hiện nay. Bộ thư viện là công cụ giúp các lập trình viên có thể thực hiện mã hóa bảo mật trên thiết bị. Sử dụng thư viện đã xây dựng, chúng em thực hiện ứng dụng Pocket Secure Data với các chức năng giúp người dùng có thể thực hiện mã hóa, giải mã thông tin, tạo và xác nhận chữ ký điện tử một cách nhanh chóng và thuận tiện. ii Nội dung luận văn được trình bày trong 10 chương; trong đó, 6 chương đầu trình bày các vấn đề về lý thuyết mã hóa và giới thiệu về thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số; 4 chương cuối tập trung vào bộ thư viện SPDA Cryptolib và ứng dụng Pocket Secure Data. · Chương 1. Tổng quan: Giới thiệu về mã hóa và xác định mục tiêu đề tài. K H TN · Chương 2. Mã hóa quy ước: Giới thiệu tóm tắt một số phương pháp mã hóa quy ước. · Chương 3. Mã hóa khóa công khai.: Trình bày một số phương pháp mã hóa khóa công khai. · Chương 4. Các thuật toán hàm băm và chữ ký điện tử: Trình bày các H thuật toán trong chuẩn hàm băm an toàn và giới thiệu về chữ ký điện tử Đ · Chương 5. Tổng quan về PDA và môi trường phát triển .NET Compact – Framework: Giới thiệu về thiết bị PDA và trình bày về môi trường phát C N TT triển .NET Compact Framework. · Chương 6. Xây dựng ứng dụng bảo mật trên PDA - vấn đề và giải pháp: Trình bày các vấn đề gặp phải khi xây dựng ứng dụng bảo mật trên PDA và các giải pháp đề nghị. · Chương 7. Xây dựng bộ thư viện SPDA Cryptolib: Giới thiệu bộ thư viện K H O A SPDA Cryptolib . · Chương 8. Xây dựng ứng dụng Pocket Secure Data: Giới thiệu ứng dụng Pocket Secure Data. · Chương 9. Cài đặt và triển khai ứng dụng · Chương 10. Tổng kết: Tóm tắt vấn đề đã nghiên cứu thực hiện và hướng phát triển trong tương lai. iii Mục lục Trang K H O A C N TT – Đ H K H TN Lời cảm ơn ............................................................................................................... i Lời mở đầu .............................................................................................................. ii Mục lục ............................................................................................................. iv Danh sách hình........................................................................................................ vii Danh sách bảng ........................................................................................................ ix Một số khái niệm và thuật ngữ ................................................................................ x Chương 1. Tổng quan............................................................................................ 2 1.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 2 1.1.1. Khái niệm mật mã học.......................................................................... 2 1.1.2. Các định nghĩa ...................................................................................... 2 1.1.3. Các loại mã hóa .................................................................................... 3 1.2. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 3 Chương 2. Mã hóa quy ước .................................................................................. 3 2.1. Giới thiệu mã hóa quy ước........................................................................... 3 2.1.1. Hệ thống mã hóa quy ước..................................................................... 3 2.1.2. Các thuật toán mã hóa quy ước ............................................................ 3 2.2. Các thuật toán ứng viên AES và Rijndael ................................................... 3 2.2.1. Các thuật toán ứng viên AES ............................................................... 3 2.2.2. Thuật toán Rijndael .............................................................................. 3 2.3. Đánh giá các phương pháp mã hóa quy ước................................................ 3 Chương 3. Mã hóa khóa công khai. ..................................................................... 3 3.1. Giới thiệu mã hóa khóa công khai ............................................................... 3 3.2. Phương pháp RSA ....................................................................................... 3 3.2.1. Mô hình mã hóa dữ liệu với RSA......................................................... 3 3.2.2. Mô hình trao đổi khóa theo RSA.......................................................... 3 3.3. Phương pháp ECC (Elliptic Curve Cryptography) ...................................... 3 3.3.1. Lý thuyết Elliptic Curve ....................................................................... 3 3.3.2. Áp dụng lý thuyết Elliptic Curve vào mã hóa ..................................... 3 3.4. Đánh giá các phương pháp mã hóa khóa công khai .................................... 3 3.4.1. Ứng dụng của mã hóa khóa công khai ................................................. 3 3.4.2. So sánh giữa các phương pháp mã hóa khóa công khai....................... 3 Chương 4. Các thuật toán hàm băm và chữ ký điện tử..................................... 3 4.1. Các thuật toán hàm băm............................................................................... 3 4.1.1. Giới thiệu hàm băm .............................................................................. 3 4.1.2. Giới thiệu các chuẩn thuật toán hàm băm Secure Hash Standard(SHS) trong FIPS180-2 (02/2004) ................................................................................. 3 4.1.3. Giới thiệu đề xuất hàm băm mới AES–HASH của Bram Cohen......... 3 4.2. Chữ ký điện tử.............................................................................................. 3 4.2.1. Mô hình chữ ký điện tử theo RSA........................................................ 3 iv K H O A C N TT – Đ H K H TN 4.2.2. Thuật toán chữ ký điện tử DSA........................................................... 3 4.2.3. Thuật toán chữ ký điện tử trên Elliptic Curve (ECDSA) ..................... 3 Chương 5. Tổng quan về PDA và môi trường phát triển .NET Compact Framework .............................................................................................................. 3 5.1. Tìm hiểu thiết bị PDA.................................................................................. 3 5.1.1. Đặc điểm của PDA ............................................................................... 3 5.1.2. Các hạn chế của PDA ........................................................................... 3 5.2. Tổng quan về WindowCE và Pocket PC ..................................................... 3 5.2.1. Giới thiệu hệ điều hành Windows CE .................................................. 3 5.2.2. Giới thiệu Pocket PC ............................................................................ 3 5.3. Giới thiệu .NET Compact Framework......................................................... 3 Chương 6. Xây dựng ứng dụng bảo mật trên PDA - vấn đề và giải pháp .... 3 6.1. Các vấn đề khi xây dựng ứng dụng bảo mật trên PDA ............................... 3 6.1.1. Khả năng tính toán................................................................................ 3 6.1.2. Khả năng lưu trữ................................................................................... 3 6.1.3. Khả năng tương tác giữa người sử dụng và thiết bị ............................. 3 6.1.4. Mức độ hỗ trợ của các thư viện lập trình ............................................. 3 6.2. Các giải pháp cụ thể ..................................................................................... 3 6.2.1. CryptoAPI............................................................................................. 3 6.2.2. Xây dựng bộ thư viện SPDA Cryptolib ............................................... 3 Chương 7. Xây dựng bộ thư viện SPDA Cryptolib............................................ 3 7.1. Phát biểu bài toán......................................................................................... 3 7.2. Kiến trúc bộ thư viện ................................................................................... 3 7.2.1. Sơ đồ kiến trúc bộ thư viện .................................................................. 3 7.2.2. Danh sách các lớp trong thư viện ......................................................... 3 Chương 8. Xây dựng ứng dụng Pocket Secure Data.......................................... 3 8.1. Phát biểu bài toán......................................................................................... 3 8.2. Phân tích yêu cầu ......................................................................................... 3 8.2.1. Bảng chú giải ........................................................................................ 3 8.2.2. Các yêu cầu chức năng ........................................................................ 3 8.2.3. Các yêu cầu phi chức năng ................................................................... 3 8.3. Sơ đồ Usecase .............................................................................................. 3 8.3.1. Một số đặc tả Usecase chính ................................................................ 3 8.3.2. Một số sơ đồ tuần tự chính ................................................................... 3 8.4. Sơ đồ lớp ...................................................................................................... 3 8.4.1. Phân hệ client ....................................................................................... 3 8.4.2. Phân hệ server....................................................................................... 3 8.5. Thiết kế dữ liệu ............................................................................................ 3 8.5.1. Sơ đồ dữ liệu......................................................................................... 3 8.5.2. Mô tả dữ liệu......................................................................................... 3 8.5.3. Ràng buộc toàn vẹn .............................................................................. 3 8.6. Thiết kế giao diện......................................................................................... 3 8.6.1. Sơ đồ màn hình..................................................................................... 3 v K H O A C N TT – Đ H K H TN 8.6.2. Màn hình phân hệ server ...................................................................... 3 8.6.3. Màn hình phân hệ client ....................................................................... 3 Chương 9. Cài đặt và triển khai ứng dụng ......................................................... 3 9.1. Môi trường cài đặt........................................................................................ 3 9.2. Mô hình cài đặt ............................................................................................ 3 9.3. Kết quả thử nghiệm...................................................................................... 3 Chương 10. Tổng kết ............................................................................................... 3 10.1. Kết luận .................................................................................................... 3 10.2. Hướng phát triển ...................................................................................... 3 Phụ lục .............................................................................................................. 3 Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 3 vi Danh sách hình Hình 2-1: Mô hình hệ thống mã hóa quy ước. ........................................................... 3 Hình 2-2: Sơ đồ quá trình mã hóa dữ liệu bằng phương pháp DES........................... 3 Hình 3-1: Mô hình hệ thống mã hóa khóa công khai. ................................................ 3 K H TN Hình 3-2: Một ví dụ về elliptic curve. ........................................................................ 3 Hình 3-3: Điểm ở vô cực. ........................................................................................... 3 Hình 3-4: Phép cộng trên elliptic curve...................................................................... 3 Hình 3-5: Phép nhân đôi trên elliptic curve................................................................ 3 Hình 3-6: Mô hình CA tập trung. ............................................................................... 3 Hình 3-7: Mô hình CA phân cấp. ............................................................................... 3 H Hình 3-8: Mô hình CA Web of Trust. ....................................................................... 3 Đ Hình 3-9: So sánh mức độ bảo mật giữa ECC, RSA / DSA....................................... 3 Hình 7-1: Class diagram của thư viện SPDA Cryptolib ............................................ 3 – Hình 8-1: Usecase diagram của ứng dụng Pocket Secure Data. ................................ 3 C N TT Hình 8-2: Class diagram trên phân hệ client .............................................................. 3 Hình 8-3: Class diagram trên phân hệ server. ........................................................... 3 Hình 8-4: Sơ đồ thiết kế dữ liệu của Pocket Secure Data. ......................................... 3 Hình 8-5: Sơ đồ màn hình phân hệ server. ................................................................. 3 Hình 8-6: Sơ đồ màn hình phân hệ client. .................................................................. 3 K H O A Hình 8-7: Màn hình chính Server. .............................................................................. 3 Hình 8-8: Màn hình User Registration. ...................................................................... 3 Hình 8-9: Màn hình User Management ...................................................................... 3 Hình 8-10: Màn hình Server Settings. ........................................................................ 3 Hình 8-11: Màn hình chính Client.............................................................................. 3 Hình 8-12: Màn hình Cipher....................................................................................... 3 Hình 8-13: Màn hình KeyExchange. .......................................................................... 3 Hình 8-14:Màn hình Signature ................................................................................... 3 Hình 8-15: Màn hình Key Generator.......................................................................... 3 vii Hình 8-16: Màn hình Group Management. ................................................................ 3 Hình 8-17: Màn hình Find Contact............................................................................. 3 K H O A C N TT – Đ H K H TN Hình 9-1:Mô hình cài đặt thư viện và ứng dụng. ....................................................... 3 viii Danh sách bảng Bảng 2-1: Các hàm và ký hiệu sử dụng trong phương pháp Rijndael........................ 3 Bảng 3-1: So sánh các phép toán trên elliptic trên tọa độ Affine và tọa độ chiếu . ... 3 Bảng 3-2: So sánh kích thước khóa giữa mã hóa quy ước và mã hóa khóa công khai K H TN với cùng mức độ bảo mật. ................................................................................... 3 Bảng 3-3: So sánh kích thước khóa RSA và ECC với cùng độ bảo mật.................... 3 Bảng 4-1:Các tính chất của các thuật toán băm an toàn............................................. 3 Bảng 7-1: Danh sách các lớp trong thư viện SPDA Cryptolib .................................. 3 Bảng 8-1: Danh sách các Usecase. ............................................................................. 3 Bảng 8-2: Chi tiết các màn hình ở phân hệ client....................................................... 3 H Bảng 9-1: Kết quả mã hóa thử nghiệm trên Desktop và PDA. .................................. 3 K H O A C N TT – Đ Bảng 9-2: Kết quả thử nghiệm tạo khóa RSA và ECC .............................................. 3 ix Một số khái niệm và thuật ngữ Thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số - Personal Digital Assistant. NIST Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Hoa Kỳ - National Institute of Standard and Technology. FIPS Federal Information Processing Standard Publications NSA National Security Agency. DES Chuẩn mã hóa dữ liệu – Data Encryption Standard. AES Chuẩn mã hóa nâng cao – Advanced Encryption Standard. SHA Thuật toán băm an toàn – Secure Hash Algorithm. SHS Chuẩn băm an toàn – Secure Hash Standard. ECC Phương pháp mã hóa theo đưòng cong elip - Elliptic Curve Cryptography ECDH Elliptic Curve Diffie – Hellman. DSA Thuật toán chữ ký điện tử - Digital Signature Algorithm. ECDSA Elliptic Curve Digital Signature Algorithm. SSL Giao thức kết nối an toàn - Socket Secure Layer. C N TT – Đ H K H TN PDA Khóa công khai Public key – khóa được công bố rộng rãi cho mọi người, sử dụng trong mã hóa khóa công khai. Khóa riêng Private key – khóa của một cá nhân được giữ bí mật, có quan hệ với khóa công khai, sử dụng trong mã hóa khóa công khai. K H O A Khóa bí mật Secret key – khóa quy ước sử dụng trong mã hóa quy ước. Mã hóa quy ước Conventional cryptography - Còn gọi là mã hóa đối xứng (symmetric cryptography), hệ thống mã hóa sử dụng cùng một khóa cho mã hóa và giải mã. Mã hóa khóa công khai Public key cryptography – còn gọi là mã hóa bất đối xứng (asymmetric cryptography), hệ thống mã hóa sử dụng một cặp khóa để mã hoá và giải mã. Trao đổi khóa Key exchange – phương pháp để trao đổi các thông tin khóa bí mật giữa các đối tác. x Digital Signature - dãy bit phát sinh từ dữ liệu và khóa gởi kèm với dữ liệu khi trao đổi nhằm để xác nhận nguồn gốc dữ liệu, xác nhận tính toàn vẹn của dữ liệu. ECDLP Bài toán logarit rời rạc trên Elliptic curve - Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem. CryptoAPI Bộ thư viện các hàm mã hóa ứng dụng trên Windows CE - Cryptographic Application Programming Interface. .NET CF .NET Compact Framework. SPDA Security on Personal Digital Assistant. K H O A C N TT – Đ H K H TN Chữ ký điện tử xi K H O A C N TT – Đ H K H TN Phần 1: Mở đầu 1 Chương 1 Tổng quan Chương 1. Tổng quan 1.1. Giới thiệu 1.1.1. Khái niệm mật mã học K H TN Mật mã học là ngành khoa học ứng dụng toán học vào việc đảm bảo an toàn thông tin. Mật mã học giữ vai trò quan trọng và có nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội từ lĩnh vực an ninh quân sự , đến các lĩnh vực dân sự như kinh tế, ngân hàng, thương mại.... Đối tượng nghiên cứu của mật mã học là các kỹ thuật để mã hóa và bảo mật H thông tin. Đ 1.1.2. Các định nghĩa E, D) thỏa mãn các điều kiện sau: – Định nghĩa 1.1: Một hệ thống mã hóa (cryptosystem) [8] là một bộ-năm (P, C, K, có C N TT 1. Tập nguồn P là tập hợp hữu hạn tất cả các mẩu tin nguồn cần mã hóa có thể 2. Tập đích C là tập hợp hữu hạn tất cả các mẩu tin có thể có sau khi mã hóa 3. Tập khóa K là tập hợp hữu hạn các khóa có thể được sử dụng K H O A 4. Với mỗi khóa kÎK, tồn tại luật mã hóa ekÎE và luật giải mã dkÎD tương ứng. Luật mã hóa ek: P ® C và luật giải mã ek: C ® P là hai ánh xạ thỏa mãn d k ( ek ( x ) ) = x, " x Î P ( 1.1) Tính chất 4 là tính chất chính và quan trọng của một hệ thống mã hóa. Tính chất này bảo đảm việc mã hóa một mẩu tin xÎP bằng luật mã hóa ekÎE có thể được giải mã chính xác bằng luật dkÎD. 2 Chương 1 Tổng quan Định nghĩa 1.2: Zm được định nghĩa là tập hợp {0, 1, ..., m-1}, được trang bị phép cộng (ký hiệu +) và phép nhân (ký hiệu là ´). Phép cộng và phép nhân trong Zm được thực hiện tương tự như trong Z, ngoại trừ kết quả tính theo modulo m. 1.1.3. Các loại mã hóa Mã hóa quy ước K H TN 1.1.3.1. Mã hóa quy ước (hay còn gọi mã hóa đối xứng ) là hệ thống mã hóa sử dụng cùng một khóa gọi là khóa bí mật (secret key / symmetric key) để thực hiện mã hóa hay giải mã thông tin. Việc bảo mật thông tin tùy thuộc vào việc bảo mật khóa bí mật. H Phương pháp mã hóa quy ước DES được đưa vào sử dụng từ năm 1977 đã Đ không còn được xem là an toàn khi tốc độ xử lý tính toán của các bộ vi xử lý ngày càng tăng nhanh chóng. Tháng 10/2000, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Hoa Kỳ – NIST đã công bố chuẩn mã hóa mở rộng AES và quyết định chọn thuật toán 1.1.3.2. C N TT Rijndael làm phương pháp mã hóa quy ước đại diện cho AES. Mã hóa khóa công khai Mã hoá khóa công khai (hay còn gọi mã hóa bất đối xứng) là hệ thống mã hóa sử dụng một cặp khóa để mã hóa và giải mã thông tin. Một khóa được công bố rộng rãi (khóa công khai) để mã hóa thông tin, khóa tương ứng còn lại được giữ bí mật K H O A (khóa riêng ) để giải mã thông tin. Lợi ích lớn nhất của mã hóa khóa công khai chính là giúp người sử dụng tránh các rủi ro khi trao đổi khóa. Một số hệ thống mã hóa khóa công khai bao gồm: Diffie-Hellman (Whitfield Diffie - Martin Hellman ), RSA (Rivest – Shamir – Adleman), Elgamal (Tahel Elgamal), DSA (David Kravitz) và ECC (Neal Koblitz Victor Miller). Trong số đó, RSA được sử dụng rộng rãi nhất và những năm gần đây, ECC đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. 3 Chương 1 Tổng quan Mã hóa khóa công khai là nền tảng của nhiều ứng dụng bảo mật có ý nghĩa quan trọng trong đời sống xã hội như: chữ ký điện tử, chứng nhận điện tử, an toàn trong truyền dữ liệu trên mạng (SSL). 1.2. Mục tiêu của đề tài K H TN Ngày nay, các thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số đang dần trở nên quen thuộc và được người sử dụng ưa chuộng. Tuy nhiên, mức độ bảo mật của các thiết bị phụ thuộc rất nhiều vào nhà cung cấp phần cứng. Dữ liệu của người sử dụng chưa được đảm bảo an toàn. Những giải pháp phầm mềm cho công việc bảo mật trên PDA hiện tại trên thế giới có chi phí rất cao cùng với độ bảo mật chỉ ở mức trung H bình. Đề tài "Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng bảo mật trên PDA" được thực Đ hiện với mục đích tìm hiểu, nghiên cứu và thử nghiệm các phương pháp mã hóa quy ước và mã hóa khóa công khai cùng với các phương pháp ký và xác nhận chữ ký – điện tử. Đồng thời, chúng em cũng tìm hiểu các thuật toán mã hóa quy ước là ứng C N TT viên của chuẩn mã hóa nâng cao AES, thuật toán mã hóa khóa công khai ECC và các thuật toán hàm băm mới SHA-224, AES-Hash đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong thời gian gần đây. Trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu được, chúng em thực hiện xây dựng một bộ thư viện mã hóa SPDA Cryptolib trên thiết bị PDA. Bộ thư viện SPDA Cryptolib sẽ K H O A cung cấp các thuật toán mã hóa thông dụng và mới nhất hiện nay bên cạnh khả năng hỗ trợ lập trình trên thiết bị PDA. Sử dụng thư viện mã hóa SPDA Cryptolib, chúng em đã thực hiện ứng dụng Pocket Secure Data cung cấp các chức năng về mã hóa, chữ ký điện tử và quản lý khóa cho người sử dụng PDA. Ứng dụng sẽ hoạt động trên hai phân hệ: máy tính cá nhân để bàn và máy PDA. 4 K H TN Phần 2: C N TT – Đ H Lý thuyết K H O A mã hoá 5 Chương 2 Mã hóa quy ước Chương 2. Mã hóa quy ước Dẫn nhập: Chương 1 chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về mật mã học, nội dung chương 2 sẽ giới thiệu chi tiết hơn về hệ thống mã hóa quy ước với các thuật toán mã hóa quy ước. Đặc biệt chương 2 sẽ đề cập cụ thể hơn về chuẩn mã hóa quy ước đánh giá về các phương pháp mã hóa quy ước. 2.1. Giới thiệu mã hóa quy ước 2.1.1. Hệ thống mã hóa quy ước K H TN mở rộng AES và các thuật toán ứng viên của AES. Chương 2 cũng sẽ trình bày H Hệ thống mã hóa quy ước là hệ thống mã hóa trong đó quy trình mã hóa và giải mã đều sử dụng chung một khóa gọi là khóa bí mật. Việc bảo mật thông tin phụ Đ thuộc vào việc bảo mật khóa. K H O A C N TT – Xét mô hình hệ thống mã hóa quy ước sau: Hình 2-1: Mô hình hệ thống mã hóa quy ước. 6 Chương 2 Mã hóa quy ước Dữ liệu nguồn x được người gởi A mã hóa bằng thuật toán mã hóa quy ước với khóa bí mật k được thống nhất trước giữa người gởi A và người nhận B. Dữ liệu sau khi mã hóa y sẽ đuợc truyền cho người nhận B. Người nhận B sử dụng khóa bí mật k để giải mã y để có được thông điệp nguồn x ban đầu. Nếu một người C có được khóa bí mật k thì C sẽ có khả năng giải mã tất cả K H TN dữ liệu A mã hóa bằng khóa k và gởi cho B. Do đó vấn đề an toàn bảo mật thông tin được mã hóa phụ thuộc vào việc giữ bí mật nội dung mã khóa k. 2.1.2. Các thuật toán mã hóa quy ước Các thuật toán mã hóa quy ước được phân thành 2 loại: mã hóa theo ký tự và Mã hóa theo ký tự Đ 2.1.2.1. H mã hóa theo khối. Mã hóa theo ký tự là phương pháp mã hóa bằng cách thay thế từng ký tự – trong thông điệp nguồn thành một ký tự khác trong tập ký tự mã hóa. C N TT Dạng mã hóa quy ước theo ký tự đã xuất hiện từ thời đế chế La mã dưới sự chỉ huy của Caesar. Một số phương pháp mã hóa theo ký tự được biết đến bao gồm[8]: · Shift Cipher: Thông điệp được mã hóa bằng cách dịch chuyển (xoay vòng) từng ký tự đi k vị trí trong Zn. Trong trường hợp đặc biệt k = 3, phương pháp K H O A Shift Cipher được gọi là phương pháp mã hóa Caesar. · Substitution Cipher: Khóa k Î K là tập hợp hoán vị các phần tử trong tập nguồn P. Hàm mã hóa thực hiện ánh xạ một ký tự trong thông điệp nguồn vào khóa k. Hàm giải mã là ánh xạ ngược của hàm mã hóa. · Affine Cipher: Khoá k là một bộ (a, b) sao cho ax + b = y (mod n) có nghiệm duy nhất. Trong đó a và n nguyên tố cùng nhau. Gọi f(n) là số phần tử trong Zn, nguyên tố cùng nhau với n, ta có n khả năng xác định b, f(n) khả năng xác định a nên không gian khóa K có n ´ f(n) phần tử. 7 Chương 2 Mã hóa quy ước Giá trị y = ax + b chính là dữ liệu sau khi mã hóa của x tương ứng. Để giải mã, cần tìm giá trị a-1 Î Z sử dụng thuật toán Euclid mở rộng. Do đó: x = (a-1(y – b)) mod n. ( 2.1) · Multiplicative Cipher: Cho P = C = Zn, K = {k Î Zn: gcd(k, n) = 1}. K H TN Với mỗi khóa kÎZn, định nghĩa: ek(x) = kx mod n và dk(y) = k–1y mod n với x, y Î Zn ( 2.2) Các phương pháp mã hóa quy ước theo ký tự đơn giản, có không gian khóa tương đối nhỏ và các ký tự trùng nhau rất dễ bị phát hiện . Do đó các phương pháp này không còn được an toàn trong điều kiện tốc độ xử lý của máy tính tăng nhanh như Mã hóa theo khối Đ 2.1.2.2. H hiện nay. – Mã hóa theo khối là phương pháp chia thông điệp cần mã hóa thành những khối thông điệp có độ dài cố định. Một hàm mã hóa sẽ thao tác trên từng khối thông điệp C N TT để trả về thông điệp đã mã hóa. · Vigenere Cipher: Sử dụng từ khoá k là một dãy có m phần tử. Phương pháp Vigenere Cipher chính là áp dụng m phép Shift Cipher luân phiên nhau theo chu kỳ. · Hill Cipher: Mỗi phần tử xÎP là một bộ m thành phần, tập nguồn P = Zn ´ K H O A Zn. Khóa k gồm m tổ hợp tuyến tính của m thành phần trong mỗi phần tử x. Như vậy không gian khóa K chính là tập hợp các ma trận m ´ m khả nghịch. Thao tác mã hóa là thực hiện phép nhân ma trận: æ k1,1 ç ç k 2,1 ek ( x ) = xk = ( x1 , x2 ,..., xm )ç  ç çk è m,1 với x=(x1, x2, ..., xm) Î P 8 k1, 2   k m, 2  k1,m ö ÷  k 2, m ÷  ÷ ÷  k m,m ÷ø ( 2.3) Chương 2 Mã hóa quy ước Để giải mã cần tìm ma trận nghịch đảo k-1 của khóa k và thực hiện phép tính toán sau: dk(y) = yk–1. Lưu ý là tất cả các phép toán số học đều được thực hiện trên Zn . · Permutation Cipher: Mỗi phần tử xÎP là một bộ m thành phần, tập nguồn P = Zn ´ Zn. Khóa k Î K là tập hợp hoán vị m thành phần trong phần tử x. K H TN Hàm mã hóa thực hiện ánh xạ một ký tự trong thông điệp nguồn vào khóa k. Hàm giải mã là ánh xạ ngược của hàm mã hóa. · Data Encryption Standard (DES): Khoảng những năm 1970, tiến sĩ Horst Feistel đã đặt nền móng đầu tiên cho chuẩn mã hóa dữ liệu DES với phương pháp mã hóa Feistel Cipher. Vào năm 1976 H cơ quan bảo mật quốc gia Hoa Kỳ (NSA) đã công nhận DES dựa trên Feistel Cipher Đ là chuẩn mã hóa dữ liệu. DES được công bố trong tài liệu FIPS của NIST[20]. Kích khóa được rút xuống còn 56 bit.[6] – thước khóa của DES ban đầu là 128 bit nhưng tại bản công bố FIPS kích thước C N TT DES có kích thước khối 64 bit. DES thực hiện mã hóa dữ liệu qua 16 vòng lặp mã hóa, mỗi vòng sử dụng một khóa chu kỳ 48 bit thu được từ khóa 56 bit ban đầu. DES sử dụng 8 bảng hằng số Sbox để thao tác. Quá trình mã hóa của DES có thể được tóm tắt như sau: Biểu diễn thông điệp nguồn xÎP bằng dãy 64bit. Khóa k có 56bit. Thực hiện mã K H O A hóa theo 3 giai đoạn: - Tạo dãy 64 bit bằng cách hoán vị x theo hoán vị IP. - Thực hiện 16 vòng lặp từ 64 bit thu được và 56 bit của khoá k (chỉ sử dụng 48 bit của khoá k trong mỗi vòng lặp). 64 bit kết quả thu được qua mỗi vòng lặp sẽ là đầu vào cho vòng lặp sau. - Sau 16 vòng lặp, áp dụng hoán vị ngược IP-1 cho 64bit thu được. Kết quả cuối cùng chính là khối dữ liệu đã mã hóa y. 9