Nghiên cứu các phương pháp mật mã đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trong trường học thông minh luận

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VƯƠNG THỊ HẠNH NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP MẬT MÃ ĐẢM BẢO TÍNH TỒN VẸN DỮ LIỆU TRONG TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN HÀ NỘI 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VƯƠNG THỊ HẠNH NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP MẬT MÃ ĐẢM BẢO TÍNH TỒN VẸN DỮ LIỆU TRONG TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH Ngành: Hệ thống thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ PHÊ ĐÔ TS PHÙNG VĂN ỔN HÀ NỘI 2017 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Phê Đô thầy Phùng văn Ổn Các thầy tận tâm, tận lực hƣớng dẫn, định hƣớng phƣơng pháp nghiên cứu khoa học cho tôi, đồng thời cung cấp nhiều tài liệu tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến thầy, cô môn Hệ thống thông tin khoa công nghệ thông tin, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt thời gian học tập trƣờng Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên lớp K22-HTTT, ngƣời đồng hành suốt khóa học có nhiều góp ý bổ ích cho tơi Cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm động viên giúp tơi có nghị lực phấn đấu để hoàn thành tốt luận văn Do kiến thức thời gian có hạn nên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót định Một lần xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc Hà Nội, tháng năm 2017 Học viên thực Vƣơng Thị Hạnh i LỜI CAM ĐOAN Luận văn thạc sĩ đánh dấu cho thành quả, kiến thức tiếp thu đƣợc suốt trình rèn luyện, học tập trƣờng Tơi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp mật mã đảm bảo tính tồn vẹn liệu trường học thơng minh” đƣợc hồn thành q trình học tập nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn TS Lê Phê Đô TS Phùng văn Ổn Trong toàn nội dung nghiên cứu luận văn, vấn đề đƣợc trình bày tìm hiểu nghiên cứu cá nhân tơi trích dẫn nguồn tài liệu số trang web đƣợc đƣa phần Tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan lời thật chịu trách nhiệm trƣớc thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ Hà Nội, tháng năm 2017 Vƣơng Thị Hạnh i TT Từ viết tắt RSA SHA SHAKE 10 11 12 CKĐT CA UCLN CNTT 13 NIST 14 CRHF 15 16 OWHF IP 17 LFSR 18 IV PRF MDC NFC MAC HMAC DANH MỤC VIẾT TẮT Tiếng anh Rivest Shamir Adleman Tiếng Việt Thuật toán mật mã hóa khóa cơng khai Secure Hash Algorithm -3 Thuật tốn băm an tồn SHA3 Secure Hash Algorithm Thuật tốn băm an tồn Keccak Keccak Chữ ký điện tử Electronic Signature Certificate Authority Ủy quyền chứng Ƣớc chung lớn Công nghệ thông tin pseudo random function Chức giả ngẫu nhiên Modification Detection Code Mã phát sửa đổi Near Field Communications Công cụ kết nối không dây Message Authentication Code Mã xác thực thông điệp Hash Message Authentication Mã xác thực thông điệp hàm Code băm National Institute of Standards Viện tiêu chuẩn công nghệ and Technology Quốc gia (Mĩ) Collision Resistant Hash Hàm băm kháng xung đột Function One way hash function Hàm băm chiều Internet Protocol Giao thức giao tiếp mạng Internet Linear Feedback Shift Register Thanh ghi phản hồi dịch tuyến tính Giá trị ban đầu Initial Value i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN .II DANH MỤC VIẾT TẮT III MỤC LỤC HÌNH .V CHƢƠNG 1: AN TỒN THƠNG TIN Ở TRƢỜNG HỌC THƠNG MINH .2 1.1 TỔNG QUAN VỀ TRƢỜNG HỌC THÔNG MINH 1.2 XÂY DỰNG TRƢỜNG HỌC THÔNG MINH Ở VIỆT NAM 1.3 CÁC NGUY CƠ MẤT AN TOÀN THÔNG TIN TRONG TRƢỜNG HỌC 1.4 GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN TỒN THƠNG TIN TRONG TRƢỜNG CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP MẬT MÃ ĐẢM BẢO TOÀN VẸN DỮ LIỆU .12 2.1 HỆ MẬT MÃ 12 2.1.1 Định nghĩa hệ mật mã 12 2.1.2 Những yêu cầu hệ mật mã 12 2.1.3 Phân loại hệ mật mã 12 2.2 HỆ MÃ KHÓA ĐỐI XỨNG 13 2.3 HỆ MÃ KHÓA BẤT ĐỐI XỨNG .15 2.3.1 Giới thiệu chung 15 2.3.2 Hệ mật RSA .16 2.3.3 Hệ mật Elgama 19 2.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐẢM BẢO TÍNH TỒN VẸN DỮ LIỆU BẰNG HÀM BĂM 20 2.4.1 Giới thiệu hàm băm mật mã .20 2.4.3 Hàm băm SHA ( secure hash algorithm) 25 2.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐẢM BẢO TÍNH TỒN VẸN BẰNG MÃ XÁC THỰC 38 2.5.1 Xác thực thông điệp 38 2.5.2 Phân loại mã xác thực .38 2.5.3 Mã xác thực thông điệp mã hóa ( CMAC – CBC MAC) 39 2.5.4 Mã xác thực thông điệp sử dụng hàm chiều .43 2.5.5 Ứng dụng hàm MAC thực tế 44 2.6 CHỮ KÝ SỐ 46 2.6.1 Chữ ký điện tử 46 2.6.2 Chữ ký số 47 2.6.3 Cách tạo chữ ký số .49 2.6.4 Sơ đồ chữ ký số RSA 51 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG CHỮ KÝ ĐIỆN TỬ ĐẢM BẢO TÌNH TỒN VẸN DỮ LIỆU TRONG TRƢỜNG HỌC 53 3.1 THỰC TRẠNG QUY TRÌNH RA ĐỀ THI VÀ BẢO MẬT THÔNG TIN ĐỀ THI CÁC TRƢỜNG ĐH - CĐ 53 3.2 YÊU CẦU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ ĐỀ THI THEO PHƢƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI 55 3.3 QUÁ TRÌNH KÝ VÀ XÁC THỰC KÝ SỐ 56 3.4 CHƢƠNG TRÌNH DEMO 58 3.4.1 Giới thiệu chƣơng trình 58 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 i MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình lớp học thông minh .2 Hình 1.2: Giảng đường thơng minh trường ĐH Y Dược TP.HCM Hình 1.3 Xem trộm thông điệp Hình 1.4 Sửa thơng điệp Hình 1.5 Mạo danh Hình 1.6 Sao chép thông điệp Hình 1.7 Qui trình quản lý ATTT .8 Hình 2.1 Mơ hình mã hóa đối xứng .13 Hình 2.2 Sơ đồ mã hóa khóa cơng khai 15 Hình 2.3: Sơ đồ phân loại hàm băm 21 Hình 2.4: Thơng tin đường truyền 22 Hình 2.5: Cấu trúc tổng quát hàm băm 23 Hình 2.6: Mơ hình khối liệu sử dụng hàm băm 24 Hình 2.7: Mơ hình thuật toán băm 25 Hình 2.8 Qui ước đặt tên cho trạng thái keccak –p 29 Hình 2.9: Minh họa θ áp dụng cho bits đơn 32 Hình 2.10: Hình minh họa ρ với b = 200 32 Hình 2.11: Minh họa lát cắt π 33 Hình 2.12: Minh họa mơ hình thuật tốn Chi(X) 34 Hình 2.13: Xây dựng sponge: Z=SPONGE[f,pad,r](M,d) 34 Hình 2.14: Sơ đồ CBC – MAC (nguyên thủy) .40 Hình 2.15: sơ đồ OMAC thơng báo với khối có độ dài 40 Hình 2.16: Sơ đồ OMAC thông báo với khối cuối ngắn khối trước 40 Hình 2.17: Băm nhiều lần 42 Hình 2.19: Qui trình tạo chữ ký 49 Hình 2.20: Qui trình kiểm tra chữ ký số 49 56 Hình 3.1: Mơ hình tính khóa .56 Hình 3.2 Mơ hình quy trình tạo chữ ký thẩm định chữ ký 57 v MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng so sánh hàm băm SHA1 họ hàm băm SHA 28 Bảng 1.2: Keccak – p hoán vị chiều rộng số liệu liên quan 29 Bảng 2.1: offset ρ 32 Bảng 3.2: So sánh SHA1, SHA2 SHA3 36 v MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận văn Mơ hình trƣờng học thơng minh trƣờng học có thiết bị đại bao gồm: Máy chủ, máy chiếu Projector, hình LCD, camera ghi hình với hệ thống internet đƣợc kết nối đồng Sử dụng phần mềm hỗ trợ học tập, phần mềm quản lý học tập giao tiếp hai chiều giáo viên, học sinh gia đình Giải pháp trƣờng học thông minh đƣợc triển khai thành công nhiều trƣờng học Mỹ, Trung Đông số nƣớc Châu Âu, Châu Á Trƣờng học thông minh tạo môi trƣờng tốt cho giáo viên học sinh học tập; nâng cao chất lƣợng dạy học Tuy nhiên, với lợi ích việc sử dụng phần mềm quản lý học sinh thông qua mạng internet vấn đề an tồn thơng tin nhƣ: mát liệu, rị rỉ thơng tin làm ảnh hƣởng nghiêm trọng đến nhà trƣờng, thầy cô học sinh Vì đảm bảo an tồn thơng tin trƣờng học thông minh nhiệm vụ quan trọng mà đề cập luận văn Trƣờng học Việt Nam có quan tâm nhiều nhƣng chƣa đƣợc tồn diện, nên mục tiêu đối tƣợng mà hƣớng đến “Nghiên cứu phương pháp mật mã đảm bảo tính tồn vẹn liệu trường học thơng minh” Mục đích nghiên cứu:  Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu mơ hình trƣờng học thơng minh - Nhận diện thách thức biện pháp giải đảm bảo tồn vẹn liệu nói chung tồn vẹn liệu trƣờng học nói riêng - Xây dựng chƣơng trình mơ  Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Các trƣờng học lớp học thơng minh  Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm hiểu mơ hình lớp học thơng minh giới Việt Nam nhƣ nguy cơng nghệ ảnh hƣởng đến trƣờng học - Tìm hiểu phƣơng pháp mật mã để đảm bảo toàn vẹn liệu trƣờng học  Phƣơng pháp sử dụng hàm băm SHA  Phƣơng pháp dùng mã xác thực liệu MAC  Phƣơng pháp dùng chữ ký số Nội dung đề tài, vấn đề cần giải a Hƣớng nghiên cứu: - Mơ hình trƣờng học thông minh - Các nguy công nghệ đảm bảo an toàn liệu b Nội dung: Chƣơng 1: An tồn thơng tin trƣờng học thơng minh Chƣơng 2: Các phƣơng pháp mật mã đảm bảo toàn vẹn liệu Chƣơng 3: Ứng dụng chữ ký điện tử đảm bảo tính tồn vẹn liệu trƣờng học Chƣơng trình demo CHƢƠNG 1: AN TỒN THƠNG TIN Ở TRƢỜNG HỌC THÔNG MINH 1.1 TỔNG QUAN VỀ TRƢỜNG HỌC THƠNG MINH Bƣớc sang kỷ 21, cơng nghệ thơng tin đƣợc ứng dụng mạnh q trình tổ chức đào tạo, thay đổi nội dung, phƣơng pháp giảng dạy bám sát yêu cầu thực tiễn theo xu chung giới hình thành trƣờng học tảng số hóa Cơng nghệ động lực then chốt cho phát triển giáo dục, chuyển đổi mơ hình giáo dục thụ động sang giáo dục thông minh Trƣờng học thông minh triển khai thành công nhiều nƣớc Mỹ, Trung Đông số quốc gia Châu Âu, Châu Á Giáo dục ngày phát triển kéo theo có nhiều phần mềm giáo dục đời, sách điện tử ứng dụng khác sẳn có ngày đa dạng phong phú Trƣờng học thông minh so với phƣơng pháp giảng dạy truyền thống tối ƣu hóa thiết bị, tài liệu Điều tạo giao tiếp hai chiều giáo viên học sinh thuận lợi Việc truyền đạt giáo viên dễ dàng, đầy đủ đa dạng, học sinh tiếp nhận kiến thức dễ hiểu hơn, sâu hơn, chủ động Lớp học thông minh – trƣờng học thông minh trọng vào dạy tƣơng tác quản lý học tập Giảng dạy tƣơng tác giáo viên – học sinh trao đổi giảng, tài liệu, tập, câu hỏi – trả lời,… thông qua hình tƣơng tác Ngồi ra, giáo viên quản lý, theo dõi đƣợc trình học tập em thơng qua tính quản lý từ máy tính PC giáo viên - Giảng dạy tƣơng tác: hỗ trợ cách sử dụng chức chia sẻ hình, hình giám sát hoạt động nhóm, kiểm tra thăm dò ý kiến,… - Quản lý học tập: hỗ trợ giáo viên lập kế hoạch quản lý khóa học, học Hầu hết phịng học đƣợc kết nối internet thông qua wifi băng thông rộng khơng dây có trang thiết bị máy tính để bàn, máy tính xách tay, máy tính bảng, Mục tiêu nhà giáo dục cải tiến giáo dục thông qua công cụ giảng dạy tƣơng tác ngồi lớp học Hình 1.1 Mơ hình lớp học thơng minh 1.2 XÂY DỰNG TRƢỜNG HỌC THƠNG MINH Ở VIỆT NAM Xây dựng mơ hình “Trƣờng học thơng minh” nhằm tối ƣu hóa thiết bị dạy học điện tử đại nhƣ: Máy tính chủ kết nối hình tƣơng tác điện tử, máy chiếu Projecto hình LCD, camera ghi hình, laptop, ibad, …cùng với hệ thống