CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓA TRONG BẢO MẬT VÀ AN TOÀN THÔNG TIN TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓA TRONG BẢO MẬT VÀ AN TOÀN THÔNG TIN TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN Tìm hiểu các kỹ thuật quản trị và kiểm tra việc sử dụng khóa. Tìm hiểu giao thức socket an toàn – công nghệ ứng dụng sử dụng các giao thức tạo lập khóa đã nghiên cứu, cơ sở hạ tầng khóa công khai PKI trong môi trường mạng toàn cầu.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Lê Anh Trung

ĐỀ TÀI : CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓA TRONG BẢO MẬT

VÀ AN TOÀN THÔNG TIN TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 60.48.01.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN PHÙNG

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

- Tìm hiểu các kỹ thuật quản trị và kiểm tra việc sử

dụng khóa

- Tìm hiểu giao thức socket an toàn – công nghệ ứng

dụng sử dụng các giao thức tạo lập khóa đã nghiên cứu, cơ sở

hạ tầng khóa công khai PKI trong môi trường mạng toàn cầu

2 Hướng phát triển của luận văn

- Nghiên cứu thay đổi các giao thức trao đổi khi đưa

vào thực tế nhằm làm tăng thêm độ an toàn và tin cậy cho các

bên tham gia truyền thông

- Nghiên cứu các khả năng tránh được các tấn công

dùng lại, an toàn tiếp theo, tránh tấn công từ chối dịch vụ và bảo

vệ danh tính của khóa phiên trong các giao thức trao đổi khóa

- Nghiên cứu và đề xuất một vài giải pháp cho các hệ

thống ứng dụng mã hóa đòi hỏi sự tin cậy nhiều nhất hiện nay

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT, AN TOÀN THÔNG TIN VÀ QUẢN LÝ KHÓA BÍ MẬT 7 1.1 Nội dung về bảo mật và an toàn thông tin 7 1.2 Vai trò của chìa khóa trong các giải pháp bảo mật và an toàn

1.3 Quản lý khóa bí mật 9 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI KHÓA 11 2.1 Sơ đồ phân phối khóa 11 2.2 Trung tâm phân phối khóa 11 2.3 Phân phối khóa theo phương pháp thông thường 12 2.4 Phân phối khóa theo phương pháp hiệu quả 12 CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓA 13 3.1 Nhu cầu thỏa thuận, chuyển vận và phân phối khóa 13 3.2 Sơ đồ phân phối khóa Blom 13 3.3 Hệ phân phối khóa Kerberos 14 3.4 Hệ phân phối khóa Diffie – Hellman 14 3.5 Sơ đồ chia sẻ bí mật ngưỡng Shamir 15 3.6 Các giao thức chuyển vận khóa 15 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG GIAO THỨC KEBEROS CHO BÀI TOÁN GIAO THỨC BẢO MẬT MẠNG CỤC BỘ 16 4.1 Môi trường thử nghiệm 16 4.2 Dữ liệu đầu vào, đầu ra và yêu cầu bài toán 17

4.3 Các giao diện chính của chương trình 20

4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá 22

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 23

- Thay vì gửi các thông tin gốc, Kerberos sử dụng ticket

đã được mã hóa để chứng thực người dùng

 Nhược điểm :

- Nếu máy chủ Services Security, Domain Controler ngừng hoạt động thì mọi hoạt động sẽ ngừng lại, do đó cần sử dụng nhiều máy chủ chạy song song

- Đòi hỏi đồng hồ của tất cả máy tính phải được đồng bộ trong hệ thống, nếu không đảm bảo được thì hệ thống nhận thực dựa trên thời hạn sử dụng sẽ khoonghoatj động Thiết lập đòi hỏi các đồng hồ không được sai lệch quá 5 phút

- Cơ chế thay đổi mật khẩu không được tiêu chuẩn hóa Nguy cơ mất an toàn cao khi hệ thống bị tấn công

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

Ý nghĩa của việc nghiên cứu vấn đề

Vấn đề đặt ra trong luận văn rất cần thiết trong nghiên cứu về mật mã, và sử dụng chúng trong các ứng dụng, đặc biệt

là ngày nay khi mà hầu hết các hoạt động trao đổi thông tin của con người đều được thực hiện thông qua mạng truyền thông công cộng như Internet Trong bối cảnh đó kể cả khi hệ thống

sử dụng phương pháp mã hóa công khai thì việc quản lý và điều phối việc sử dụng khóa vẫn cực kỳ cần thiết Còn nếu hệ thống

sử dụng thuật toán mã hóa đối xứng thì việc trao đổi, phân phối, chuyển vận giá trị bí mật một cách an toàn cho hai bên là yêu cầu tất yếu Trên cơ sở đó luận văn đã cố gắng tìm hiểu các giao thức tạo lập khóa bí mật và các kỹ thuật quản trị khóa và đạt được một vài kết quả nhất định

1 Các kết quả đạt được

- Nghiên cứu tìm hiểu và phân tích các giao thức tạo lập khóa: Trao đổi, phân phối, chuyển vận khóa

4.5 Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Chương trình thử nghiệm chỉ đưa ra tính năng lấy khóa

phiên giao dịch từ Web Service Security Giao diện của client

sẽ hiện thị các giá trị Key ID, Token Type, Signature Value,

Time Created và Time Life

Sau khi gửi Request Token, Services Security sẽ kiểm

tra client có nằm trong hệ thống Active Directory không, nếu

thỏa mãn chứng thực người dùng sẽ cấp cho client khóa phiên

với thời gian hiệu lực và thời gian tồn tại (Timestamp, Lifetime)

Sau khi nhận được khóa, client và Web Service dùng khóa đấy

để mã hóa và trao đổi thông tin đảm bảo rằng sẽ không có bên

thứ 3 có thể giải mã lấy thông tin

 Ưu điểm :

- Mật khẩu không được truyền trực tiếp trên đường

chuyền mạng, hạn chế tối đa các cuộc tấn công

- Giao thức được mã hóa theo tiêu chuẩn mã hóa cao cấp

- Khóa phiên được cấp rất khó tái sử dụng do có thời gian

hiệu lực và thời gian tồn tại

MỞ ĐẦU

1 Tính thời sự và lý do chọn đề tài

Ngày nay, chúng ta đang sống trong một thời đại mới, thời đại phát triển rực rỡ của công nghệ thông tin, công nghệ thông tin hầu như có mặt ở mọi phương diện trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta từ thương mại đến giải trí và thậm chí

cả văn hóa Mạng máy tính và Internet đang ngày càng đóng vai trò thiết yếu trong mọi lĩnh vực hoạt động của đời sống xã hội, tạo nên một xã hội toàn cầu, nơi mà mọi người có thể tương tác và liên lạc với nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả Ở một khía cạnh nào đó, học giả, nhà báo Mỹ Thomas Friedman đã ám chỉ điều này trong cuốn sách “Nóng, Phẳng, Chật” (Hot, Flat and Crowded) đại ý là ngày nay nhờ công nghệ thông tin phát triển mạnh và hiện đại nên mọi người có thể " ở " gần nhau hơn Và một khi mạng máy tính và Internet trở thành phương tiện làm việc trong các hệ thống thì nhu cầu bảo mật thông tin được đặt lên hàng đầu vì nó còn là một phương tiện thông tin mạnh và hữu hiệu giữa các cá nhân trong

tổ chức, mà quan hệ giữa người với người trở nên nhanh chóng,

dễ dàng và gần gũi hơn sẽ mang lại nhiều vấn đề xã hội cần giải quyết, nhất là vấn đề kiểm soát, bảo mật thông tin Nhu cầu này không chỉ có ở các bộ máy An ninh, Quốc phòng, Quản lý Nhà nước, mà đã trở thàncấp thiết trong nhiều hoạt động kinh tế

xã hội: Tài chính, ngân hàng, thương mại…thậm chí trong cả một

số hoạt động thường ngày của người dân (thư điện tử, thanh toán tín dụng,…) Do ý nghĩa quan trọng này mà những năm gần đây công nghệ mật mã và an toàn thông tin đã có những bước tiến vượt bậc và thu hút sự quan tâm của các chuyên gia trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ

Một điểm đặc biệt của công nghệ bảo mật hiện đại là

không dựa vào khả năng giữ bí mật của phương pháp (công

nghệ), vì nó thường không chỉ một người nắm giữ, nói chung

thường là nhóm đông người biết, mà khả năng giữ bí mật tuyệt

đối của cả một nhóm người là không thể, vì thế bí mật chỉ có

thể giữ bởi một người mà lợi ích của người này gắn liền với bí

mật đó Chính vì vậy, trong mã hóa hiện đại, người ta luôn giả

thiết rằng phương pháp mã hóa thông tin là cái không thể giữ

được bí mật, chúng sẽ được công khai, còn việc thực hiện thì

cho phép thay đổi theo một tham số do từng người sử dụng tự

ấn định (mỗi giá trị của tham số sẽ xác định một cách mã hóa

riêng), việc lập mã và giải mã chỉ có thể được thực hiện khi biết

được tham số đó Tham số như vậy được gọi là “chìa khóa” và

đó là thông tin duy nhất cần phải giữ bí mật Tóm lại, một hệ

mã hiện đại cần phải dựa trên nguyên tắc: Chốt tính bảo mật

vào chìa khóa, chứ không phải vào phương pháp (thuật toán)

Theo đó, đề tài : “Các giao thức phân phối khóa trong

bảo mật và an toàn thông tin trên đường truyền”hướng nghiên

cứu vào việc tham gia giải quyết vấn đề nêu trên

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu, xác định rõ vai trò của chìa khóa trong các

giải pháp bảo mật và an toàn thông tin Trên cơ sở đó, nghiên

cứu và phân tích các giải pháp an toàn khóa trong việc phân

phối, trao đổi, chuyển vận khóa, cũng như các phương thức

quản lý để mang lại hiệu quả cao nhất trong quá trình thực hiện

các giao thức đó

3 Đối thượng và phạm vi nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết vai trò của chìa khóa trong các giải

pháp bảo mật và an toàn thông tin, các kỹ thuật quản lý

khóa

Sau khi gọi hàm Request Token

Việc kiểm tra khóa nếu thông tin về khóa không đúng sẽ hiện bảng thông báo invalid

- Khai báo các hàm sử dụng :

- Phương thức để gọi hàm:

- Khai thác và xác minh mã thông báo từ SOAP

Đối với client :

- Khai báo các hàm sử dụng

- Thêm web proxy cho dịch vụ vừa tạo

- Gọi hàm lấy khóa Kerberos Token

- Kiểm tra xem các mã có nhận được hay không

Nếu có thì tạo ra một lớp proxy đã được tạo ra và

thêm các mã vào RequestSoapContext của hàm

gọi

- Hàm gọi dịch vụ

4.4 Các giao diện chính của chương trình

Màn hình khi khởi động client

- Phương pháp phân khối khóa

- Giao thức phân phối khóa

4 Phương pháp nghiên cứu

quan đến các giao thức, các mô hình trong phân phối, vận chuyển khóa Tổng hợp một cách có hệ thống các tài liệu thu được

giao thức, các mô hình trong phân phối, trao đổi và vận chuyển khóa Từ đó làm rõ vấn đề an toàn khóa trong các giao thức để phân tích, lựa chọn giải pháp và tiến hành cài đặt, thử nghiệm giao thức

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học :

Phần nghiên cứu lý thuyết sẽ cung cấp một cách nhìn tổng quan về vấn đề an toàn khóa và bảo mật thông tin

Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho những người phát triển các ứng dụng liên quan đến vấn đề phân phối khóa mật, cung cấp tài liệu tiếng Việt về các vấn đề liên quan

Ý nghĩa thực tiễn:

Tìm hiểu các giao thức phân phối khóa, giúp thấy được cách thức quản lý, sử dụng khóa hiệu quả và an toàn

Nắm bắt được kỹ thuật phân phối khóa cũng như nắm rõ được các giao thức phân phối khóa Trên cơ sở đó để phát triển các Web Service Security tốt có hiệu quả bảo đảm an toàn cho các Web Service

6 Kết cấu luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Phụ lục, Luận văn bao gồm 4 chương

Chương 1: Tổng quan về bảo mật và an toàn thông tin và

quản lý khóa bí mật

Chương 2: Các phương pháp phân phối khóa

Chương 3: Các giao thức phân phối khóa

Chương 4: Chương trình thử nghiệm ứng dụng giao

thức phân phối khóa

Nội dung luận văn sẽ được trình bày theo thứ tự chương,

mục trên

Từ đó có thể chống lại các cuộc tấn công nghe lén Từ việc quản lý giá trị Time Created và Time Life giúp hạn chế được việc tấn công tái sử dụng khóa bí mật

4.3 Mô tả hoạt động của chương trình

Sơ đồ hoạt động của chương trình như hình dưới

Trong phần này sẽ trình bày cách thức cài đặt Web Service Security vào dịch vụ web và cách thức đưa các dịch vụ cũng như hàm lấy khóa keberos cũng như các hàm xác nhận vào client

Đối với Web Service Security :

cách tối ưu hóa những thao tác an toàn, mà yêu cầu ít thời gian

sử dụng CPU hơn

Tuy nhiên việc chọn cơ chế an toàn cho Web Service

phải đòi hỏi sao cho người dùng không cảm thấy quá phức tạp

tạo một sự gò bó, do đó việc chọn cơ chế an toàn nào trong

Web Service Security thì phụ thuộc nhiều vào loại service và

những tính năng mà servive này cung cấp

Từ yêu cầu đặt ra của bài toán, nhận thấy rằng việc sử

dụng giao thức phân phối khóa bí mật Kerberos là hợp lý

Trong hệ thống dựa vào chứng thực người dùng qua hệ thống

Active Directory có thể chống được những giao dịch không hợp

pháp (Unauthorized transactions) Thông tin trao đổi giữa

client/server sẽ được mã hóa mà chỉ có duy nhất người dùng đã

được chứng thực và Web Service của phiên trao đổi có thể giải

mã được thông tin đó, khóa này được quy định hay được cấp từ

Web Service Security, và các thông tin trao đổi này sẽ được gửi

đi bằng các SOAP message đã được đính kèm chữ ký xác thực

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO MẬT, AN TOÀN THÔNG TIN VÀ QUẢN LÝ KHÓA BÍ MẬT 1.1 Nội dung về bảo mật và an toàn thông tin

Về nội dung về phần bảo mật an toàn thông tin, sẽ trình bầy về các định nghĩa, quan điểm về bảo mật và an toàn thông tin Chủ đạo về các thuộc tính :

- Confidentiality: Thông tin không thể bị truy nhập trái phép bởi những đối tượng ngoại lai (người không có thẩm quyền) Mỗi dữ liệu được phân quyền hoặc mã hóa bằng nhiều phương pháp để đảm bảo chỉ được truy xuất bởi chính chủ sở hữu, hoặc các user nắm giữ chìa khóa giải mã dữ liệu

- Integrity: Thông tin không thể bị sửa đổi, bị làm giả bởi các đối tượng không có thẩm quyền Dữ liệu được lưu trữ trong hệ thống luôn “toàn vẹn”, không bị thay đổi bởi tác động ngoại ý và thông thường trong các hệ thống thông tin, tính năng này thể hiện qua phương thức so sánh các giá trị của hàm băm (Hash function)

- Availability: Thông tin luôn sẵn sàng đáp ứng yêu cầu sử dụng của người có thẩm quyền Dữ liệu được lưu trữ dưới nhiều hình thức tùy chọn nhưng đảm bảo tính đáp ứng cao nhất có thể và trong suốt đối với người dùng Các phương thức thường được sử dụng trong nâng cao độ sẵn sàng là nâng cấp năng lực hệ thống, triển khai cluster, điện toán đám mây, …

- Authenticity: Thông tin luôn được gắn với các chính sách về quyền truy cập, xác thực một cách chặt chẽ Tính xác thực và nhận dạng trong các hệ thống thông tin thường được thể hiện qua các cơ chế, giải pháp xác thực, phân quyền

- Non-repudiation: Thông tin được cam kết về mặt

pháp luật của người cung cấp Thuộc tính “không thể chối

cãi” đảm bảo các hành động đã được thực thi trong quá

khứ để làm bằng chứng và dấu vết cho các hoạt động

kiểm tra, kiểm soát, truy tìm dấu vết

1.2 Vai trò của chìa khóa trong các giải pháp bảo

mật và an toàn thông tin

Trình bày về vai trò của chìa khóa trong 4 vấn đề :

- Trong hệ mã khóa đối xứng : trong hệ mã này khóa

dùng mã hóa và khóa dùng giải mã là cùng một khóa

Tính an toàn của hệ mã phụ thuộc và các yếu tố : Thuật

toán phải đủ mạng để không thể giải mã được văn bản;

thứ hai là tính an toàn của khóa bí mật Việc bảo mật khóa

bí mật là mấu chốt của hệ mã hóa đối xứng

- Hệ mã khóa công khai : trong hệ mã này khóa để

mã hóa và giải mã sẽ khác nhau Khóa để mã hóa sẽ công

khai và khóa để giải mã sẽ là bí mật Bên gửi sẽ dùng

khóa mã hóa của bên nhận để mã hóa, sau đó gửi cho bên

nhận Bên nhận sẽ dùng khóa bí mật của mình để giải mã

và thu được văn bản rõ Vì vậy đối tính an toàn của hệ mã

hóa công khai phụ thuộc vào khả năng không bị lộ của

khóa bí mật từ những thông tin của khóa công khai, vấn

đề này nằm ở độ khó của thuật toán sử dụng Đến nay vẫn

chưa có chứng minh bằng toán học nào chỉ ra rằng có bài

toán đủ khóa hoặc khó có thể giải được trong một thời

gian xác định

- Trong sơ đồ xưng danh và xác nhận danh tính : việc

xưng danh thường phải thông qua một giao thức Hỏi –

Đáp nhất định, mỗi bên sẽ phải hỏi đối phương về một bí

mật riêng nào đó mà bên hỏi nắm giữ xem đối phương có

 Nền cơ bản xây dựng code:

- Microsoft.Net Framework 2.0

- Microsoft Web Services Enhancements (WSE) 2.0

- ASP.NET Web Service (C#)

4.2 Dữ liệu đầu vào, đầu ra và yêu cầu bài toán

Xem xét những nhân tố rủi ro ảnh hưởng đến mức an toàn của những ứng dụng dựa trên web service :

 Những giao dịch không hợp pháp (Unauthorized

transactions)

 Những thông báo không mã hóa (Readable messages in

clear text-no encryption)

 Những thông điệp bị thay đổi hoặc mất mát (SOAP

message susceptible to modification-no integrity)

Yêu cầu của bài toán an toàn cho các dịch vụ là :sự chứng thực, tính bí mật, và sự toàn vẹn thông tin Trước khi có Web Service Security, phương pháp thường sử dụng là an toàn trên kênh chuyển thông điệp Sự an toàn kênh chuyển thông điệp ở chỗ là nó mã hóa toàn bộ thông điệp, dẫn đến sử dụng CPU cao hơn Tuy nhiên với WS-Security, nó cung cấp những