Nghiên cứu và xây dựng hạ tầng khóa công khai

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Nghiên cứu và xây dựng hạ tầng khóa công khai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Hồ Sĩ Đàm, TS Lê Đức Phong Những người thầy đã cho tôi những định hướng và những ý kiến rất quý báu để tôi hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô, bạn bè đã dìu dắt, giúp đỡ tôi tiến bộ trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp Xin cảm ơn gia đình và bè bạn, những người luôn khuyến khích và giúp đỡ tôi trong mọi hoàn cảnh khó khăn Tôi xin cảm ơn bộ môn Truyền Thông và Mạng Máy Tính, khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Công Nghệ-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học, làm và hoàn thành khóa luận này.

MỤC LỤC

Trần Quang Thuận 1

HÀ NỘI - 2010 1

Trần Quang Thuận 2Khóa luận “Hạ tầng khóa công khai (PKI), vấn đề cấp phát chứng thực số và ứng dụng trong thương mại điện tử” Hạ tầng khóa công khai là một bộ khung cơ bản để xây dựng mô hình an ninh, bảo mật trong thương mại điện tử Tìm hiểu vai trò của chứng thực số trong hạ tầng khóa công khai Vai trò của chứng thực số trong các giao dịch trực tuyến Người sử dụng, ngoài hình thức bảo mật thông thường như mật khẩu, cũng phải dùng một chứng thực số cá nhân để khẳng định danh tính của mình, xác nhận các hoạt động giao dịch của mình với dịch vụ ngân hàng, thương mại điện tử, dao dịch chứng khoán Chứng thực số sẽ giúp nhà quản lý đảm bảo rằng khách hàng không thể chối cãi các giao dịch của mình, khi họ đã dùng chứng thực số Từ đó đặt ra các vấn đề quản lý (cấp phát,xác thực) thu hồi và cấp phát lại chứng thực số 5Trong khóa luận tôi sẽ trình bày về các vấn đề chính xoay quanh vấn đề hạ tầng khóa công khai (PKI) Phần đầu của khóa luận (chương 1) giới thiệu vấn đề và cách tiếp cận giải quyết vấn đề sẽ trình bày khái quát về một vài khái niệm cơ bản về mật mã học khóa công khai, hạ tầng khóa công khai ; các khái niệm cơ bản về thuật toán và lý thuyết độ phức tạp; một vài công cụ nền tảng của mật mã học khóa công khai (mã hóa thông tin, hàm băm, chữ ký số) Chương 2 của khóa luận sẽ làm rõ hơn các khái niệm, các vấn đề cơ bản bên trong một hạ tầng khóa công khai (chứng thực số, các dịch vụ đăng ký, cấp phát, xác thực, thu hồi, … khóa công khai); ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong giao dịch điện tử ngày nay ; và một vài hệ thống hạ tầng khóa công khai trong thực tế Chương 3 đặc tả một hạ tầng khóa công khai đơn giản và Kết Luận 5

Trong khóa luận tôi sẽ trình bày về các vấn đề chính xoay quanh vấn đề hạ tầng khóa công khai (PKI) Phần đầu của khóa luận (chương 1) giới thiệu vấn đề và cách tiếp cận giải quyết vấn đề sẽ trình bày khái quát về một vài khái niệm cơ bản về mật mã học khóa công khai, hạ tầng khóa công khai ; các khái niệm cơ bản về thuật toán và lý thuyết độ phức tạp; một vài công cụ nền tảng của mật mã học khóa công khai (mã hóa thông tin, hàm băm, chữ ký số) Chương 2 của khóa luận sẽ làm rõ hơn các khái niệm, các vấn đề cơ bản bên trong một hạ tầng khóa công khai (chứng thực số, các dịch vụ đăng ký, cấp phát, xác thực, thu hồi, … khóa công khai); ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong giao dịch điện tử ngày nay ; và một vài hệ thống hạ tầng khóa công khai trong thực tế Chương 3 đặc tả một hạ tầng khóa công khai đơn giản và Kết Luận.

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PKI Public Key Infrastructure

CA Certificate Authority

RSA Rivest Shamir Adleman

DSA Digital Signature Algorithm

MD5 Message Digest 5

RA Registration Authority

SHA Secure Hash Algorithm

SHS Secure Hash Standard

H Hash function

RFC Request For Comments

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1.1: Cấp phát khóa riêng khóa công khaiHình 1.2: Mã hóa thông tin

Hình 1.3: Tạo và xác thực chữ ký sốHình 1.4 : Mô hình xây dựng PKI cơ bảnBảng 1.5 : mô hình xử dụng xác thực

Hình 2.1 : Đặc điểm của các thuật toán băm SHA

Bảng 2.2 :So sánh thời gian tạo khóa, tạo chữ ký và xác nhận chữ ký của RSA với DSA

Hình 2.3 : Thời gian xác nhận chữ ký của RSA và DSAHình 2.4 : Thời gian tạo chữ ký của RSA và DSAHình 2.5 : Thời gian xác nhận chữ ký của RSA và DSAHình 2.6 : Mô hình phân cấp

Hình 3.1 : Hàm tạo cặp khóa riêng và khóa công khaiHình 3.2 : Mô phỏng tạo khóa

Hình 3.3 : Tạo chữ ký số

Hình 3.4 : Form nhập thông tin của client

Hình 3.5 : Thông báo trả về khi kết quả gửi thông tin thành côngHình 3.6 : Xác thực khóa công khai và chữ ký số

Mở Đầu

Trong kỷ nguyên của công nghệ thông tin, tính phổ biến rộng rãi của Internet một mặt đem lại nhiều ứng dụng tiện lợi, thú vị và dần thay thế các hoạt động truyền thống trong thế giớ thực; mặt khác nó đặt ra các vấn đề về sự an toàn, tính tin cậy của những giao dịch trên Internet Cơ sở hạ tầng khóa công khai (PKI) có thể đáp ứng, giải quyết những vấn đề cơ bản nhất cho những yêu cầu trên Dựa trên các dịch vụ cơ bản về chứng thực số và chữ ký số, một PKI chính là bộ khung của các chính sách, dịch vụ và phần mềm mã hóa, đáp ứng nhu cầu bảo mật của người sử dụng.

Không chỉ nằm trong lĩnh vực thương mại điện tử, chứng thực số hiện còn được sử dụng như một dạng chứng minh thư cá nhân Tại các nước công nghệ phát triển, chứng thực số CA được tích hợp vào các chip nhớ nằm trong thẻ căn cước, thẻ tín dụng để tăng cường khả năng bảo mật, chống giả mạo, cho phép chủ thẻ xác thực danh tính của mình trên nhiều hệ thống khác nhau, chẳng hạn như xe bus, thẻ rút tiền ATM, kiểm soát hải quan, ra vào chung cư v.v.

Với các đặc điểm nổi bật như không thể giả mạo, chứng thực nguồn gốc xuất xứ, các quốc gia phát triển đều đã sử dụng chứng thực số như một bằng chứng pháp lý từ rất sớm Đây là yếu tố rất quan trọng để có thể phát triển thương mại điện tử, vì không ai dám mạo hiểm với tiền của mình, khi họ chưa chắc chắn được rằng các hoạt động đó có được đảm bảo, và có được pháp luật công nhận hay không.

Trong bản khóa luận tốt nghiệp này, tác giả xin trình bày tổng quát về cơ sở hạ tầng khóa công khai và ứng dụng của nó trong thương mại điện tử Qua đó trình bày một bản platform mô phỏng hoạt động của một hạ tầng khóa công khai (PKI) cơ bản.

Chương 1 : Giới Thiệu

1.1.Tìm hiểu Mật mã học khoá công khai

1.1.1.Mật mã học khoá công khai

1.1.1.1.Mật mã học khóa công khai (Phi đối xứng) là gì

- là một chuyên ngành của mật mã học cho phép người sử dụng trao đổi các thông tin mật mà không cần phải trao đổi các khóa chung bí mật trước đó Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một cặp khóa có quan hệ toán học với

nhau là khóa công khai và khóa cá nhân (hay khóa bí mật).

- Trong mật mã học khóa công khai, khóa cá nhân phải được giữ bí mật trong khi khóa công khai được phổ biến công khai Trong 2 khóa, một dùng để mã hóa và khóa còn lại dùng để giải mã Điều quan trọng đối với hệ thống là không thể tìm ra khóa bí mật nếu chỉ biết khóa công khai.[1]

1.1.1.2.Mục đích của hệ thống mã hoá công khai :

- Cấp phát khoá riêng và khoá công khai :

Hình 1.1: Cấp phát khóa riêng khóa công khai

 Việc cấp phát khoá công khai và khoá bí mật thông qua thuật toán RSA (phổ biến) Thuật toán RSA tạo ra cặp khoá bằng các phương thức toán học từ 2 số nguyên tố bất kỳ đủ lớn.

- Mã hoá :

Hình 1.2: Mã hóa thông tin

 Bob mã hóa thông tin gửi cho Alice bằng khóa công khai của Alice Alice nhận được tin nhắn từ Bob kiểm tra tin nhắn và giải mã bằng khóa bí mật của Alice.

- Tạo và xác thực chữ ký số :

Hình 1.3: Tạo và xác thực chữ ký sốS = H(m)^d mod n (Tạo chữ kí số)

 Cho phép kiểm tra một văn bản có phải đã được tạo với một khóa bí mật nào đó hay không.

 Tạo chữ kí số bằng khóa bí mật của Alice. Và ký vào tin nhắn Alive gửi cho Bob

 Bob kiểm tra chữ ký số bằng khóa công khai của Alice:

S^e mod n =H(m) với H(m) là giá trị sau khi băm tin nhắn Alice

gửi cho Bob Chữ ký số đúng đắn đồng nghĩa với việc các thông tin Alice gửi bob là đúng đắn.

1.1.2.Ứng dụng

- Ứng dụng rõ ràng nhất của mật mã hóa khóa công khai là trong lĩnh vực bảo mật,

an toàn thông tin: Một văn bản được mã hóa bằng khóa công khai của một người

sử dụng thì chỉ có thể giải mã với khóa bí mật của người đó.Các thuật toán tạo chữ ký số khóa công khai cho phép định danh một tin nhắn hay 1 tài liệu Một người sử dụng có thể mã hóa văn bản với khóa bí mật của mình Nếu một người khác có

thể giải mã với khóa công khai của người gửi thì có thể tin rằng văn bản thực sự

xuất phát từ người gắn với khóa công khai đó (Đây là nguyên lý sinh & xác thực chữ ký số, người gửi sử dụng khóa bí mật của mình để sinh ra 1 chữ ký số cho 1 tin nhắn, tài liệu Bên nhận có thể xác thực tính đúng đắn của chữ ký số đó nhờ

vào khóa công khai của người gửi).Các đặc điểm trên còn có ích cho nhiều ứng

dụng khác như: tiền điện tử, thỏa thuận khóa Các vấn đề và mục đích của đề tài.1.2.Thuật toán và độ phức tạp thuật toán

1.2.1.Thuật toán

- Thuật toán được hiểu là sự đặc tả chính xác của một dãy các bước có thể được

thực hiện một cách máy móc để giải quyết một vấn đề Cần nhấn mạnh rằng, mỗi thuật toán có một dữ liệu vào (Input) và dữ liệu ra (Output); khi thực hiện thuật toán (thực hiện các bước đã mô tả) , thuật toán cần cho ra các kiểu dữ liệu ra tương ứng với các dữ liệu vào.[2]

1.2.2.Phân tích thuật toán

1.2.2.1.Tính hiệu quả của thuật toán

- Khi giải một vấn đề, chúng ta cần chọn trong số các thuật toán, một thuật toán

mà chúng ta cho là “tốt” nhất Cơ sở đánh chọn lựa thuật toán : Thuật toán đơn giản, dễ hiểu, dễ cài đặt(dễ viết chương trình)

 Thuật toán sử dụng tiết kiệm nhất các nguồn tài nguyên của máy tính và đặc biệt chạy nhanh nhất có thể được

- Tính hiệu quả của thuật toán bao gồm 2 nhân tố cơ bản :

 Dung lượng không gian nhớ cần thiết để lưu giữ các dữ liệu vào, các kết quả tính toán trung gian và các kết quả của thuật toán

 Thời gian cần thiết để thực hiện thuật toán(hay thời gian chạy) [3]

1.2.2.2.Đánh giá thời gian thực hiện thuật toán

- Thời gian chạy chương trình phụ thuộc vào các nhân tố chính sau:

 Các dữ liệu vào

 Chương trình dịch để chuyển chương trình nguồn thành mã máy.

 Tốc độ thực hiện của các phép toán của máy tính được sử dụng để chạy chương trình.

- Giả sử T(n) là thời gian thực hiện thuật toán và f(n) là hàm xác định dương.T(n)=O(f(n)) nếu ∃ các hằng số dương c và n0 sao cho T(n) ≤c.g(n) với

- Trước tiên chúng hiểu thế nào là PKI và tính cấp thiết của PKI hiện nay :

 PKI : viết tắt của Public Key Infrastructure tức là hạ tầng cơ sở khóa công

khai Là một cơ chế để cho một bên thứ 3 (thường là nhà cung cấp chứng thực số) cung cấp và xác thực định danh các bên tham gia vào quá trình trao đổi thông tin.Cơ chế này cũng cho phép gán cho mỗi người sử dụng trong hệ thống một cặp khóa công khai/khóa bí mật.

 Trong kỷ nguyên bùng nổ của công nghệ thông tin, mọi giao dịch từ xa có thể thông qua internet Tuy nhiên, mặt khác khó mà bảo đảm rằng những giao dịch trên Internet luôn an toàn Cơ sở hạ tầng khóa công khai (PKI) đã đáp ứng những yêu cầu cấp thiết đó Dựa trên cách sử dụng của chìa khóa mật mã công cộng và chữ ký điện tử, một PKI chính là bộ khung của các chính sách, dịch vụ và phần mềm mã hóa, đáp ứng nhu cầu bảo mật của người sử dụng.

1.3.2.Cở sở hạ tầng khóa công khai

Hình 1.4 : Mô hình xây dựng PKI cơ bản

- PKI cung cấp một cặp chìa khóa, trong đó có một chìa là chìa khóa công khai (Public key) để có thể sử dụng dịch vụ, chìa còn lại là chìa khóa bí mật (Private key) mà người sử dụng phải giữ bí mật Hai chìa khóa này có liên quan mật thiết đến nhau, sao cho một thông điệp được mã hóa bởi một chìa khóa mật mã công khai thì chỉ giải mã được bởi một chìa khóa bí mật tương ứng.

- Ví dụ về mô hình xử dụng xác thực :

Giả sử có 2 người dùng Bob và Alice muốn chuyển thư điện tử cho nhau để đảm bảo tính xác thực và bảo mật họ dùng 1 phần mềm PKI

Hành độngTrạng thái của hệ thống PKI

Bob muốn chuyển một thư điện tử đến cho Alice, với yêu cầu rằng giao dịch phải chứng minh được chính anh đã gởi nó đi và nội dung bức thư không bị thay đổi.

Phần mềm PKI dùng chìa khóa cá nhân của Bob tạo ra một chữ ký điện tử cho bức thư

Bob muốn chắc chắn rằng không ai ngoài Alice đọc được bức thư này

Phần mềm PKI của Bob dùng chìa khóa công cộng của Alice để mã hóa thông

điệp của Bob.

Alice muốn đọc thư do Bob gởi Phần mềm PKI dùng chìa khóa cá nhân của Alice để để giải mã thông điệp.

Alice muốn kiểm chứng rằng chính Bob đã gởi đi thông điệp đó và nội dung thông điệp không bị chỉnh sửa.

Phần mềm PKI của Alice dùng chìa khóa công cộng của Bob để kiểm chứng chữ ký điện tử của anh ta.

Bảng 1.5 : Mô hình sử dụng xác thực

1.4.Một vài kiến trúc và công nghệ PKI hiện hành 1.4.1.Một số ứng dụng

- Mục tiêu chính của PKI là cung cấp khóa công khai và xác định mối liên hệ giữa

khóa và định dạng người dùng Nhờ vậy người dùng có thể sử dụng trong một số ứng dụng như:

 Mã hoá Email hoặc xác thực người gửi Email (OpenPGP hay S/MIME). Mã hóa hoặc nhận thực văn bản (Các tiêu chuẩn Chữ ký XML* hoặc mã hoá

XML* khi văn bản được thể hiện dưới dạng XML).

 Xác thực người dùng ứng dụng (Đăng nhập bằng thẻ thông minh - smartcard, nhận thực người dùng trong SSL).

 Các giao thức truyền thông an toàn dùng kỹ thuật Bootstrapping (IKE, SSL): trao đổi khóa bằng khóa bất đối xứng, còn mã hóa bằng khóa đối xứng.

1.4.2.Một số hệ thống PKI

- Dưới đây là danh sách một số hệ thống PKI, trong đó một số nhà cung cấp chứng

thực số hàng đầu (ví dụ VeriSign) không được liệt kê vì các phần mềm của họ không được công bố công khai :

 Hệ thống quản lý chứng thực Red Hat Computer Associate eTrust PKI

 Microsoft

 OpenCA (Một mô hình PKI mã nguồn mở) RSA Security

 IDX-PKI Simple CA

1.5.Mục đích của đề tài

- Một vài năm trở lại đây PKI là 1 chủ đề nóng đối với các doanh nghiệp lớn Ở Việt Nam đây vấn là một đề tài khá mới mẻ Do vậy tìm hiểu và xây dựng hạ tầng cơ sở xác thực khóa công khai(PKI) là một cách tiếp cận cho một nền tảng mới Từ đó nêu rõ vai trò và ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong thương mại điện tử.

- Tìm hiểu về các thuật toán(sinh số ngẫu nhiên trong việc tạo khóa, hàm băm, mã hóa, tạo chữ ký số )

 Làm sao từ khóa công khai của 1 người hệ thống PKI phải xác định xem chữ ký số có phải của người đó hay không.

 Vấn đề toàn vẹn dữ liệu Hệ thống PKI phải xác định xem liệu tin nhắn gửi đi giữa client và server có bị thay đổi hay không?

 Một thông điệp được mã hóa bởi một chìa khóa mật mã công khai thì chỉ giải mã được bởi một chìa khóa bí mật tương ứng.

 Khóa của bên thứ 3 bên thẩm định sẽ do cấp hay tổ chức nào giám đinh Hay phải có cơ chế nào để chống giả mạo bên chứng thực.

 Các Vấn đề liên quan đến chứng thực số cấp phát, xác thực và quản lý tại server ra sao.

1.7.Các vấn đề sẽ giải quyết trong khóa luận

- Với những yêu cầu về một hệ thống PKI như trên chúng ta phải xây dựng bài toán như thế nào.Chương trình thiết kế phải bao gồm 3 đối tượng :

• Server :

 Cho phép người dùng trong hệ thống đăng ký khóa công khai Cấp phát 1 chứng thực số (certificat) cho người dùng đó nếu khóa công khai hợp lệ Quản lý khóa công khai, Thu hồi/cấp phát lại chứng thực số

 Cho phép bên thứ 3 kiểm tra tính đúng đắn của 1 chứng thực số bất kỳ

• User :

 Hệ thống PKI cấp phát một khóa công khai cho user và khóa bí mật (Khóa riêng) do PKI client cấp phát và user phải giữ bí mật.

 Tạo chữ ký số cho từng văn bản ngẫu nhiên.

• Bên thứ 3 là bên thẩm định và đánh giá :

 Cấp phát và bảo mật Khóa riêng và khóa công khai của CA.

Chương 2 : Xây dựng hạ tầng khóa công khai(PKI), vấn đề cấp phát chứng thực số và ứng dụng trong thương mại điện

2.1.Hàm băm mật mã học 2.1.1.Hàm băm

- Hàm băm (tiếng Anh: hash function) là hàm sinh ra các giá trị băm tương ứng với

mỗi khối dữ liệu (có thể là một chuỗi kí tự, một đoạn tin nhắn ) Giá trị băm đóng vai trò gần như một khóa để phân biệt các khối dữ liệu, tuy nhiên, người ta chấp nhận hiện tượng trùng khóa hay còn gọi là đụng độ và cố gắng cải thiện giải thuật để giảm thiểu sự đụng độ đó Hàm băm thường được dùng trong bảng băm nhằm giảm chi phí tính toán khi tìm một khối dữ liệu trong một tập hợp (nhờ việc so

sánh các giá trị băm nhanh hơn việc so sánh những khối dữ liệu có kích thước lớn).

2.1.2.Hàm băm mật mã học

- Trong ngành mật mã học, một hàm băm mật mã học (tiếng Anh: Cryptographic hash function) là một hàm băm với một số tính chất bảo mật nhất định để phù hợp

việc sử dụng trong nhiều ứng dụng bảo mật thông tin đa dạng, chẳng hạn như

chứng thực (authentication) và kiểm tra tính nguyên vẹn của thông điệp (message integrity) Một hàm băm nhận đầu vào là một xâu ký tự dài (hay thông điệp) có độ

dài tùy ý và tạo ra kết quả là một xâu ký tự có độ dài cố định, đôi khi được gọi là

tóm tắt thông điệp (message digest) hoặc chữ ký số (digital fingerprint).[4]

2.1.3.Đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu

- Hàm băm mật mã học là hàm bam và có tính chất là hàm 1 chiều Từ khối dữ liệu hay giá trị băm đầu vào chỉ có thể đưa ra 1 giá trị băm duy nhất Như chúng ta đã biết đối với tính chất của hàm 1 chiều Một người nào đó dù bắt được giá trị băm họ cũng không thể suy ngược lại giá trị, đoạn tin nhắn băm khởi điểm.

- Hàm băm thường được dùng trong bảng băm nhằm giảm chi phí tính toán khi tìm một khối dữ liệu trong một tập hợp Giá trị băm đóng vai trò gần như một khóa để phân biệt các khối dữ liệu

- Giá trị đầu vào(tin nhắn, dữ liệu ) bị thay đổi tương ứng giá trị băm cũng bị thay đổi Do vậy nếu 1 kẻ tấn công phá hoại, chỉnh sửa dữ liệu thì server có thể biết ngay lập tức.

2.1.4.Một số hàm băm thông dụng 2.1.4.1.Thuật toán hàm băm MD5

a Thuật toán hàm băm MD5

- MD5 (Message-Digest algorithm 5) là một hàm băm mật mã được sử dụng

phổ biến, được thiết kể bởi Giáo sư Ronald L Rivest tại trường MIT vào năm 1991 để thay thế cho hàm băm trước đó là MD4 (1990) Là một chuẩn Internet (RFC 1321), MD5 đã được dùng trong nhiều ứng dụng bảo mật và cũng được dùng phổ biến để kiểm tra tính toàn vẹn của tập tin Cũng như các hàm băm khác như MD4 và SHS (Secure Hash Standard), MD5 là phương pháp có ưu điểm tốc độ xử lý rất nhanh, thích hợp với các thông điệp dài và cho ra giá trị băm dài 128 bit.

- Trong MD5, thông điệp ban đầu X sẽ được mở rộng thành dãy bit X có độ dài là bội của 512 Dãy bit X gồm các thành phần được sắp thứ tự như sau: Dãy bit X ban đầu, một bit 1, dãy d bit 0 (d được tính sao cho dãy X cuối cùng là bội của 512), dãy 64 bit l biểu diễn chiều dài của thông điệp Đơn vị xử lý trong MD5 là các từ 32-bit, nên dãy bit X ở trên sẽ được biểu diễn thành dãy các từ X[i] 32-bit sau:

X=X[0] X[1] X[2] …X[N−1] , với N là bội của 16.[5]

b Phương pháp MD5 có những ưu điểm sau so với phương pháp MD4

- Thay vì có 3 chu kỳ biến đổi như trong MD4, MD5 bổ sung thêm chu kỳ thứ 4 để tăng mức độ an toàn.

- Trong mỗi thao tác của từng chu kỳ, MD5 sử dụng hằng số ti phân biệt, trong

khi MD4 sử dụng hằng số chung cho mọi thao tác trong cùng chu kỳ biến đổi.- Hàm G ở chu kỳ 2 của MD4: G(X,Y,Z) = ((XΛZ) ∨(XΛY) ∨ (YΛZ)) được

thay thế bằng G(X,Y,Z) = (XΛZ) ∨(YΛ(¬Z)) để giảm tính đối xứng.

- Mỗi bước biến đổi trong từng chu kỳ chịu ảnh hưởng kết quả của bước biến đổi trước, vì vậy làm tăng nhanh tốc độ của hiệu ứng lan truyền (avalanche).- Các hệ số dịch chuyển xoay vòng trong mỗi chu kỳ được tối ưu hóa nhằm tăng

tốc độ hiệu ứng lan truyền Ngoài ra, mỗi chu kỳ sử dụng 4 hệ số dịch chuyển khác nhau.

- Lý do MD5 được thiết kế thay thế cho MD4 là vì các phân tích chỉ ra rằng phương pháp MD4 có vẻ không an toàn Den Boer và Bosselaers đã chỉ ra các điểm yếu trong MD4 trong một bài báo được đăng vào năm 1991và một tấn công xung đột đầu tiên được tìm thấy bởi Han Dobbertin vào năm 1996

- Tuy nhiên, các nỗ lực tấn công, phân tích của các nhà nghiên cứu cho thấy MD5 cũng không còn an toàn và cần được thay thế bằng một thuật toán băm khác như các công bố của Den Boer và Bosselaers năm 1993; của Hans Dobbertin năm 1996; của nhóm tác giả Xiaoyun Wang, Dengguo Feng, Xuejia Lai, và Hongbo ngày 19/8/2004; của Arjen Lenstra, Xiaoyun Wang, và Benne de Weger ngày 1/3/2005; và của Vlastimil Klima, …

2.1.4.2.Chuẩn băm an toàn SHS

- SHS (Secure Hash Standard) là chuẩn gồm tập hợp các thuật toán băm mật mã an toàn (Secure Hash Algorithm – SHA) như SHA-1, SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512 do NIST2 và NSA3 xây dựng.

- Phương pháp SHA-1 (cũng như SHA-0) được xây dựng trên cùng cơ sở với phương pháp MD4 và MD5 Tuy nhiên, phương pháp SHA-1 sử dụng trên hệ thống Big-endian5 thay vì Little-endian6 như phương pháp MD4 và MD5 Ngoài ra, hàm băm SHA-1 tạo ra thông điệp rút gọn kết quả có độ dài 160 bit nên thường được sử dụng

- Phương pháp SHA-1 giống với MD5 (cải tiến từ MD4) nhưng thông điệp tóm tắt được tạo ra có độ dài 160 bit Dưới đây là một số điểm so sánh giữa MD5 và SHA-1:

 Giống như MD5, SHA-1 cũng thêm chu kỳ thứ 4 để tăng mức độ an toàn cho thuật toán Tuy nhiên, chu kỳ 4 của SHA-1 sử dụng lại hàm f của chu kỳ thứ 2.

 Trong SHA-1, 20 bước biến đổi trong cùng một chu kỳ sử dụng cùng một hàng số K[t] Trong khi đó, mỗi bước biến đổi trong cùng một chu kỳ của MD5 sử dụng các hằng số khác nhau.

 So với MD4, hàm G trong MD5 được thay thế thành hàm mới để làm giảm tính đối xứng Trong khi SHA-1, hàm G trong SHA-1 vẫn giữ lại hàm G của MD4.

 Cả MD5 và SHA-1, mỗi bước biến đổi trong từng chu kỳ chịu ảnh hưởng kết quả của biến đổi trước, vì vậy làm tăng nhanh tốc độ của hiệu ứng lan truyền.

Hình 2.1: Đặc điểm của các thuật toán băm SHA

2.2.Mã hóa thông tin

- Có rất nhiều thông tin mà chúng ta không muốn người khác biết khi gửi đi như: thông tin về Credit-Card, thông tin về kinh doanh của công ty, thông tin về tài khoản cá nhân, thông tin về cá nhân như số chứng minh thư, số thẻ

- Các thông tin bí mật được cung cấp cho các máy tính quan mạng Internet bằng nhiều phương thức khác nhau ví dụ : Một cách bảo mật đơn giản nhưng minh bạch nhất là lưu các thông tin bí mật trên các bộ nhớ có thể xoá được (Removable Storage) như đĩa mềm Tuy nhiên dạng bảo mật phổ biến nhất vẫn là dựa vào quá trình mã hoá dữ liệu (Encryption).

- Các hệ thống mã hoá trong máy tính phổ biến nhất thuộc một trong hai loại sau:

 Mã hoá với khoá đối xứng (Symmetric-key Encryption) : Trong phương pháp mã hoá với khoá đối xứng, mỗi máy tính có một khoá bí mật (dạng mã) dùng để mã hoá các gói thông tin trước khi chúng được gửi qua mạng tới các máy tính khác Phương pháp mã hoá với khoá đối xứng đòi hỏi người sử dụng phải xác định được những máy tính nào đang liên lạc trao đổi thông tin với nhau để cài đặt khoá này trên mỗi máy.

 Mã hoá với khoá công khai (Public-key Encryption).[6]

2.3.Chữ ký số 2.3.1.Chữ ký số

- Chữ ký số (Digital Signature) chỉ là tập con của chữ ký điện tử Chữ ký số là

chữ ký điện tử dựa trên kỹ thuật mã hóa với khóa công khai, trong đó, mỗi người có một cặp khóa (một khóa bí mật và một khóa công khai) Khóa bí mật không bao giờ được công bố, trong khi đó, khóa công khai được tự do sử dụng Để trao đổi thông điệp bí mật, người gửi sử dụng khóa công khai của người nhận để mã hóa thông điệp gửi, sau đó, người nhận sẽ sử dụng khóa bí mật tương ứng của mình để giải mã thông điệp.

- Chữ ký điện tử là thông tin được mã hoá bằng Khoá riêng của người gửi, được gửi kèm theo văn bản nhằm đảm bảo cho người nhận định danh, xác thực đúng nguồn gốc và tính toàn vẹn của tài liệu nhận được Chữ ký điện tử thể hiện văn bản gửi đi

là đã được ký bởi chính người sở hữu một Khoá riêng tương ứng với một Chứng chỉ điện tử nào đó.”

- Chữ ký số khóa công khai (hay hạ tầng khóa công khai) là mô hình sử dụng các kỹ

thuật mật mã để gắn với mỗi người sử dụng một cặp khóa công khai - bí mật và qua đó có thể ký các văn bản điện tử cũng như trao đổi các thông tin mật Khóa công khai thường được phân phối thông qua chứng thực khóa công khai Quá trình sử dụng chữ ký số bao gồm 2 quá trình: tạo chữ ký và kiểm tra chữ ký [7]

2.3.2.Tạo và kiểm tra chữ ký số

2.3.2.1.Các thuật toán chữ ký số thông dụng

- Chữ ký số giúp xác định được người tạo ra hay chịu trách nhiệm đối với một thông điệp được ký Một phương pháp chữ ký số phải bao gồm ít nhất 3 thuật

toán chính, đó là thuật toán dùng để tạo khóa, thuật toán dùng để tạo ra chữ

ký số và thuật toán tương ứng để xác nhận chữ ký số.

2.3.2.2.Thuật toán chữ ký số RSA

- Phương pháp chữ ký số RSA được xây dựng dựa trên thuật toán mã hóa khóa công khai RSA Để tạo một cặp khóa, RSA thực hiện các bước sau:

 Chọn 2 số nguyên tố lớn ngẫu nhiên p, q Nhằm có sự an toàn tối đa nên chọn p và q có độ dài bằng nhau.

 Tính n=pq và φ=(p−1)(q−1)

 Chọn ngẫu nhiên một số nguyên e (1<e<φ) sao cho gcd(e, φ)=1 với gcd là ước số chung lớn nhất

 Tính: d=e−1 mod φ

- Kết quả là ta có được cặp khóa: khóa công khai (n,e) và khóa bí mật (n,d)

Hai người sẽ sử dụng chung một hàm băm an toàn trước hiện tượng xungℋđột Để ký một thông điệp m, người ký thực hiện các bước sau:

 Dùng hàm băm để băm thông điệp m: ℋ h= (m).ℋ

 Tạo chữ ký số sử dụng khóa bí mật (n,d) để tính:s=hd mod n

- Chữ ký của m là s và được gửi kèm với thông điệp m đến người nhận Để xác

nhận chữ ký, người nhận thực hiện các bước sau:

 Sử dụng khóa công khai (n,e) của người ký để giải mã chữ ký: h=semod n

 Sử dụng cùng hàm băm ℋ với người ký để băm thông điệp m: h′=H(m)

 Chấp nhận chữ ký nếu h′=h Ngược lại từ chối chữ ký

2.3.2.3.Thuật toán chữ ký số DSA

- Thuật toán chữ ký số DSA (Digital Signature Algorithm) được đề nghị bởi NIST vào tháng 8/1991 để sử dụng trong chuẩn chữ ký số DSS (Digital Signature Standard), được chỉ ra trong FIPS 186, được chấp nhận năm 1993 Một sửa đổi nhỏ được đưa ra ngày năm 1996 trong FIPS 186-1, chuẩn được mở rộng hơn năm 2000, được xem như xem như FIPS 186-2 Việc tạo khóa gồm hai bước Bước thứ nhất là lựa chọn các tham số cho thuật toán được chia sẻ giữa các người sử dụng khác nhau trong cùng hệ thống:

 Chọn một hàm băm mã hóa Trong DSS chuẩn luôn là SHA-1,ℋ ℋnhưng các hàm băm tốt hơn trong nhóm SHA cũng đang được sử dụng Đôi khi đầu ra của một thuật toán băm mới hơn bị rút ngắn kích thước so với các thuật toán băm mới cũ để tương tích với cặp khóa hiện có

 Chọn kích thước khóa L Đây là thước đo chính quyết định sức mạnh mã hóa của khóa DSS chuẩn ràng buộc L là bội số của 64 và 512≤L≤1024 Sau đó, FIPS 186-2 xác định L luôn là 1024 Không lâu sau, NIST 800-57 đề nghị độ dài khóa là 2048 (hoặc 3072) để thời gian an toàn đến năm 2010 (hoặc 2030), sử dụng tương ứng với các giá trị băm và q dài hơn Bản thảo FIPS 186-3 cũng tính đến các hàm băm sau này và các khóa dài hơn.

 Chọn một số nguyên tố q cùng số bit với đầu ra của ℋ

 Chọn một số nguyên tố p độ dài L bit sao cho p–1 là bội của q Tức là p=qz–1 với số nguyên z nào đó.

 Chọn g = h(p−1/q mod p với h bất kỳ (1<h<p–1), và chọn lại nếu kết quả là 1 Hầu hết cách chọn h đều nhận được g có thể sử dụng, thông thường chọn h=2.

- Các tham số thuật toán (p,q,g) có thể chia sẻ giữa những người khác nhau trong hệ thống Bước thứ hai tính các khóa bí mật và khóa công khai của từng người :

 Chọn x ngẫu nhiên sao cho 0<x<q.

 Tính y=gx mod p.

 Khóa công khai là (p,q,g,y), khóa bí mật là x.

- Phiên bản FIPS 186-3 sắp tới sử dụng SHA-224/256/384/512 là các hàm băm, kích thước của q là 224 (hoặc 256 bit), và L bằng 2048 (hoặc 3072).

- Để ký một thông điệp m, người ký thực hiện các bước sau:

 Phát sinh một số ngẫu nhiêu k (0<k<q) cho mỗi thông điệp.

 Tính r=(gk mod p) mod q.

 Tính s = k−1( (m) + xr)) mod q.ℋ

 Tính toán lại chữ ký trong trường hợp không chắc chắn r=0 hoặc s=0. Chữ ký là (r,s).

- Để xác nhận chữ ký, người nhận thực hiện các bước sau:

 Loại bỏ chữ ký nếu 0<r<q hoặc 0<s<q không thỏa mãn.

- Tính đúng đắn của giải thuật được chứng minh như sau:

 Đầu tiên, nếu g = h(p−1/qmod p suy ra gp=hp−1−1=1 (mod p) theo định lý Fermat nhỏ Bởi vì g>1 và q là số nguyên tố nên g có bậc q.

 Người ký tính s = k−1( (m) + xr)) mod q.ℋ

 Như vậy k= (m)sℋ −1 +xrs−1= (m)w+xrw (mod q).ℋ Bởi vì g có bậc q nên ta có:

gk=gH(m)w.gxrw=gH(m)wyrw=gu1yu2 (mod p). Cuối cùng, tính đúng đắn của DSA suy ra từ:

r= (gk mod p) mod q= (gu1yu2 mod p) mod q=v.

- Phương pháp DSA đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng chữ ký 320 bit cho văn bản 160 bit với các phép tính được thực hiện trên tập con có 2160 phần tử với p là số nguyên tố 512 bit.

Bảng 2.2 So sánh thời gian tạo khóa, tạo chữ ký và xác nhận chữ ký của RSA

Kích thước (bit)

Tạo khóa (giây) Tạo chữ ký (giây) Xác nhận chữ ký (giây)

RSA RSA DSA RSA/ DSA RSA DSA RSA/ DSA 512 0,0408 0,5676 13,93 0,0351 0,0011 32,60 0,0320 0,0017 19,32 576 0,0568 0,8030 14,14 0,0361 0,0013 27,24 0,0321 0,0022 14,60 640 0,0757 1,2464 16,47 0,0371 0,0015 24,53 0,0319 0,0025 12,57 704 0,0994 1,7948 18,06 0,0387 0,0019 20,25 0,0320 0,0031 10,16 768 0,1278 2,3668 18,52 0,0408 0,0016 25,29 0,0321 0,0040 7,94 832 0,1609 3,0526 18,97 0,0428 0,0021 20,31 0,0322 0,0044 7,34 896 0,2026 4,2369 20,92 0,0454 0,0027 16,58 0,0321 0,0050 6,36 960 0,2446 5,4622 22,33 0,0480 0,0026 18,45 0,0321 0,0061 5,29 1024 0,2734 7,1210 26,05 0,0515 0,0035 14,86 0,0318 0,0068 4,69

với DSA

Hình 2.3 : Thời gian tạo khóa của RSA và DSA

 Kết quả Thử nghiệm 2.5 cho thấy tốc độ tạo khóa của RSA nhanh hơn rất nhiều so với DSA và khi kích thước khóa tăng lên thì tỷ lệ này ngày càng gia tăng Hơn nữa, khi tăng kích thước L của DSA và tương ứng với các hàm băm SHA có đầu ra lớn hơn thì DSA sẽ còn chậm hơn rất nhiều.

Hình 2.4 : Thời gian tạo chữ ký của RSA và DSA

 Kết quả Thử nghiệm 2.2 cho thấy tốc độ tạo chữ ký của RSA chậm hơn DSA nhưng tỷ lệ này có xu hướng giảm khi kích thước khóa tăng lên