Ứng dụng hệ mật mã khóa công khai trong quản lý đề thi

-i- S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Đại học thái nguyên Tr-ờng đại học công nghệ thông tin và truyền thông Hoàng Văn Quyến NG DNG H MT M KHểA CễNG KHAI TRONG QUN Lí THI Luận văn thạc sỹ khoa học Thỏi Nguyờn - 2012 -ii- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN HỆ MẬT MÃ KHÓA CÔNG KHAI 4 1.1. Khái niệm về hệ mật mã 4 1.1.1. Khái niệm chung về mật mã và hệ mật mã 4 1.1.2. Phân loại các hệ mật mã 6 1.2. Lý thuyết độ phức tạp 10 1.2.1. Khái niệm độ phức tạp của thuật toán 10 1.2.2. Các bài toán khó tính toán và ứng dụng trong mật mã học 12 1.3. Hệ mật mã khóa công khai 13 1.3.1. Các quan điểm cơ bản của hệ mật mã khoá công khai 13 1.3.3. Hoạt động của hệ mật mã khóa công khai 14 1.3.4. Các yêu cầu của hệ mật mã khóa công khai 14 1.4. Độ an toàn của hệ mật mã 15 1.2. Chữ ký số 16 1.2.1. Giới thiệu về chữ ký số 16 1.2.2. Quá trình ký và xác thực chữ ký 17 Chương 2 MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÂN PHỐI VÀ QUẢN LÝ KHÓA CÔNG KHAI 22 2.1. Hệ mật mã khóa công khai RSA 22 2.1.1. Cơ sở toán học của hệ mật mã RSA 22 2.1.2. Mô tả hệ mật mã RSA 24 2.1.3. Quá trình tạo khoá, mã hoá và giải mã 24 2.1.4. Tính đúng của quá trình giải mã 26 2.1.5. Chi phí thực hiện trong quá trình mã hóa và giải mã 28 2.1.6. Đánh giá độ mật của hệ mật mã khóa công khai RSA 28 2.1.7. Phân tích cơ chế hoạt động của hệ mã RSA 29 2.1.8. Khả năng bị bẻ khóa của hệ mã công khai RSA 30 2.2. Hệ mật mã khóa công khai ElGamal 33 2.2.1. Bài toán logarit rời rạc 34 2.2.2.Mô tả hệ mật mã ElGamal 34 -iii- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.3. Tính đúng của quá trình giải mã 36 2.2.4. Đánh giá độ an toàn và khả năng ứng dụng của hệ mật mã khóa công khai ElGamal. 36 2.3. Hệ mật mã khóa công khai Rabin 37 2.3.1. Sơ đồ hệ mã khóa Rabin 37 2.3.2. Tính an toàn của hệ mã hoá Rabin 40 2.3.3. Sử dụng dư thừa dữ liệu 41 2.3.4. Tính hiệu quả 42 2.4. Hệ mã hóa AES 43 2.4.1. Quá trình phát triển 43 2.4.2. Mô tả thuật toán 44 2.4.3. Mô tả mức cao của thuật toán 45 2.4.4. Tối ưu hóa 47 2.4.5. An toàn 47 2.4.5. Tấn công kênh bên (Side channel attacks) 48 Chương 3 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM 50 3.1. Bài toán quản lý đề thi trong hệ thống các trường phổ thông 50 3.2. Áp dụng hệ mật mã khóa công khai cho quản lý đề thi trong các trường phổ thông 52 3.2.1. Mô tả hệ thống. 52 3.2.2. Chức năng và giao diện chính của chương trình 54 3.2.3. Các bước thực hiện chương trình 56 3.2.5. Mã chương trình 64 Đánh giá kết quả thử nghiệm chương 3 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 -iv- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn tới trường Đại học CNTT & TT, Viện CNTT Việt Nam, nơi các thầy cô đã tận tình truyền đạt các kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập. Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường và các cán bộ đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng tôi học tập và hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình. Đặc biệt, tôi xin gửi tới TS Bùi Văn Thanh, thầy đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc nhất. Bên cạnh những kiến thức khoa học, thầy đã giúp tôi nhận ra những bài học về phong cách học tập, làm việc và những kinh nghiệm sống quý báu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã động viên khích lệ tinh thần và giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2012 Hoàng Văn Quyến -v- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ 1 RSA Rivest - Shamir - Adleman 2 DES Data Encryption Standard 3 AES Advanced Encryption Standard 4 NIST National Institute of Standards and Technology 5 FIPF Farm Innovation and Promotion Fund 6 NSA National Security Agency 7 THPT Trung học phổ thông -vi- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, toàn bộ nội dung liên quan tới đề tài được trình bày trong luận văn là bản thân tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Bùi Văn Thanh. Các tài liệu, số liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan của mình. Học viên thực hiện Hoàng Văn Quyến -vii- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Bảng chi phí thời gian phân tích số nguyên n ra thừa số nguyên tố….12 Bảng 2.1: Tóm tắt các bước tạo khoá, mã hoá, giải mã của Hệ RSA………… 20 Bảng 2.2: Bảng chi phí thời gian cần thiết để phân tích các số nguyên N…… 24 -viii- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động chung của hệ mật mã 5 Hình 1.2: Sơ đồ hoạt động của mã hóa khóa đối xứng 6 Hình 1.3. Sơ đồ hoạt động của mã hóa khóa không đối xứng 9 Hình 1.4 Lược đồ ký 18 Hình 1.5. Lược đồ xác thực 20 Hình 2.1: Đồ thị so sánh chi phí tấn công khóa bí mật và khóa công khai. 33 Hình 2.4: Bước SubBytes, một trong 4 bước của 1 chu trình 43 Hình 2.5: Mô tả thuật toán AES 44 Hình 2.6: Bước SubBytes 44 Hình 2.7: Bước ShiftRows 45 Hình.3.9: Sơ đồ bài toán quản lý đề thi của các trường THPT 51 Hình 3.10: Sơ đồ quy trình tổng quan hệ thống 52 Hình 3.11: Sơ đồ quy trình tạo khóa RSA 53 Hình 3.12: Sơ đồ quy trình mã hóa văn bản bằng thuật toán AES 53 Hình 3.13: Sơ đồ quy trình mã hóa khóa theo thuật toán RSA 53 Hình 3.14: Sơ đồ quy trình giải mã khóa theo thuật toán RSA 54 Hình 3.15: Giao diện chính của chương trình 54 Hình 3.16: Giao diện tạo khóa RSA 54 Hình 3.17: Mã hóa văn bản bằng AES 55 Hình 3.18: Mã hóa khóa bằng RSA 56 Hình 3.19: Giải mã khóa bằng RSA 56 Hình 3.20: Tạo khóa RSA tùy chọn 56 Hình 3.21:Tạo khóa RSA tự động 57 Hình 3.22:Lưu khóa RSA tự động thành tệp 57 Hình 3.23: Mã hóa nội dung văn bản 57 Hình 3.24: Mở tệp văn bản cần mã hóa 58 Hình 3.25: Thông báo mã hóa thành công. 58 Hình 3.26: Xem nội dung tệp được mã hóa 58 Hình 3.27: Mã hóa tệp *.* 58 Hình 3.28: Chọn File cần mã hóa 59 -ix- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.29: Thông báo kết quả mã hóa 59 Hình 3.30: Xem kết quả file đã mã hóa 59 Hình 3.31: Giải mã nội dung văn bản 60 Hình 3.32: Chọn File cần giải mã 60 Hình 3.33: Thông báo kết quả giải mã 60 Hình 3.234: Xem nội dung tệp vừa giải mã 60 Hình 3.35: Giải mã File được mã hóa 61 Hình 3.36: Mở tệp cần giải mã 61 Hình 3.37: Thông báo kết quả giải mã 61 Hình 3.38: Xem nội dung tệp vừa giải mã 62 Hình 3.39: Mã hóa khóa RSA 62 Hình 3.40: Chọn File khóa cần mã hóa 62 Hình 3.41: Kết quả mã hóa khóa 63 Hình 3.42: Giải mã khóa RSA 63 Hình 3.43: Mở tệp giải mã khóa RSA 63 Hình 3.44: Kết quả giải mã khóa RSA 64 -1- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Thế kỷ XXI là thế kỷ công nghệ thông tin. Công nghệ thông tin đã và đang tác động trực tiếp đến mọi mặt hoạt động kinh tế xã hội trên thế giới. Thông tin có vai trò hết sức quan trọng, vì vậy cần phải đảm bảo để thông tin không bị sai lệch, không bị thay đổi, hay bị lộ trong quá trình truyền từ nơi gửi đến nơi nhận. Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ mạng máy tính, đặc biệt là mạng Internet, khối lượng thông tin ngày càng được truyền nhận nhiều hơn. Vấn đề khó khăn đặt ra là làm sao giữ được tính bảo mật của thông tin, thông tin đến đúng được địa chỉ cần đến và không bị sửa đổi. Hậu quả sẽ khó lường nếu như thư được gửi cho một người nhưng lại bị một người khác xem trộm và sửa đổi nội dung bức thư trái với chủ ý của người gửi. Tệ hại hơn nữa là khi một hợp đồng được ký, gửi thông qua mạng và bị kẻ xấu sửa đổi những điều khoản trong đó. Người gửi thư bị hiểu nhầm vì nội dung bức thư bị thay đổi, còn hợp đồng bị phá vỡ bởi những điều khoản đã không còn như ban đầu. Điều này gây ra những mất mát cả về mặt tài chính và quan hệ, tình cảm, v.v và còn có thể nêu ra rất nhiều tình huống tương tự. Mã hoá thông tin là một trong các phương pháp có thể đảm bảo được tính bảo mật của thông tin. Mã hoá, trong một mức độ nhất định, có thể giải quyết các vấn trên; một khi thông tin đã được mã hoá, kẻ xấu rất khó hoặc không thể giải mã để có được nội dung thông tin ban đầu. Khi mã hóa, thông tin được biến đổi (được mã hóa) bằng thuật toán mã hóa thông qua việc sử dụng “khóa”. Chỉ có người dùng có cùng “khóa” mới phục hồi lại được thông tin ban đầu (giải mã). Do vậy “khóa” cần được bảo vệ nghiêm ngặt và được truyền từ người gửi đến người nhận trên một kênh an toàn riêng sao cho người thứ ba không thể biết được khóa. Phương pháp này được gọi là mã hóa bằng khóa riêng hoặc mật mã khóa đối xứng. Có một số chuẩn thuật toán khóa đối xứng, ví dụ như DES, AES, v.v… Người ta đã chứng minh được khả năng bảo mật cao của các thuật toán đối xứng chuẩn nói trên và chúng đã được kiểm định qua thời gian. Tuy nhiên, vấn đề nảy sinh với các thuật toán đối xứng là việc trao đổi khóa. Các bên tham gia giao tiếp đòi hỏi được chia sẻ một bí mật là “khóa”, “khóa” cần được trao đổi giữa họ qua một kênh thông tin an toàn. An toàn của thuật toán khóa đối xứng phụ thuộc vào độ mật của khoá. Khóa thường có độ dài hàng trăm bit, tùy thuộc vào thuật toán được sử dụng. Vì thông tin có thể trung chuyển qua các điểm trung gian [...]... được về hệ mật mã khóa công khai, các thuật toán mã hóa và giải mã sử dụng trong các hệ mật mã khóa công khai, đồng thời tìm hiểu khả năng ứng dụng hệ mật mã khóa công khai trong quản lý đề thi trong các trường phổ thông Nội dung luận văn gồm 3 chương: Chương I TỔNG QUAN HỆ MẬT MÃ KHÓA CÔNG KHAI Chương này trình bày các kiến thức tổng quan về các hệ mật mã nói chung và hệ mật mã khóa công khai nói... từ K và ngược lại Trong khi đó các hệ mật mã khóa công khai sử dụng các khóa khác nhau trong các quá trình mã hóa và giải mã Thông thường khóa K để mã hóa được công bố công khai, còn khóa k để giải mã được giữ bí mật 2.1 Hệ mật mã khóa công khai RSA 2.1.1 Cơ sở toán học của hệ mật mã RSA Các thực tế và phỏng đoán dưới đây là cơ sở lý thuyết của hệ mật mã khóa công khai RSA 1 Sinh ngẫu nhiên các số nguyên... được dành để trình bày chi tiết về hệ mật mã khóa công khai cũng như quá trình mã hóa và giải mã, cách thức sử dụng khóa công khai và khóa riêng trong hệ mật mã này Chương này cũng đề cập ngắn gọn khái niệm độ phức tạp của thuật toán và một vài bài toán khó tính toán và ứng dụng trong mật mã học, đặc biệt trong hệ mật mã khóa công khai Ngoài ra tính an toàn của hệ mật mã cũng được định nghĩa theo hai quan... xuyên trong khi vẫn duy trì cả tính an toàn lẫn hiệu quả chi phí sẽ cản trở rất nhiều tới việc áp dụng hệ mật mã này 1.1.2.2 Hệ thống mật mã không đối xứng (mật mã khóa công khai) a Định nghĩa Thuật toán mã hóa công khai là thuật toán được thi t kế sao cho khóa mã hóa K khác so với khóa giải mã k và khóa giải mã không thể tính toán được từ khóa mã hóa Khóa mã hóa K gọi là khóa công khai (public key), khóa. .. hệ mật mã khóa công khai cũng như tính bảo mật của chúng Chương II MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÂN PHỐI VÀ QUẢN LÝ KHÓA Chương này đi sâu phân tích cơ chế hoạt động của một số hệ mật mã khóa công khai đã được chấp nhận như các hệ chuẩn như RSA, ELGAMAL và RABIN Độ mật, hiệu suất thực hiện và ứng dụng của các hệ mật mã nói trên cũng được đề cập và đánh giá Chương III XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM Chương này đề. .. giải mã k được gọi là khóa riêng (private key) Hình 1.3 Sơ đồ hoạt động của mã hóa khóa không đối xứng Đặc trưng nổi bật của hệ mật mã công khai là có thể gửi cả khóa công khai và bản mã trên một kênh thông tin không an toàn Với hệ mật mã khóa công khai, người A sử dụng khóa công khai K B do người B tạo để mã hóa thông điệp và gửi cho người B Do biết được khóa riêng k B nên người B có thể giải mã được... định lý về độ mật hoàn thi n của hệ mật mã nói chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -22- Chương 2 MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÂN PHỐI VÀ QUẢN LÝ KHÓA CÔNG KHAI Như đã trình bày trong Chương 1, hệ mật mã đối xứng sử dụng cùng một khóa K để mã hóa và giải mã (hoặc sử dụng khóa K để mã hóa và khóa k để giải mã, nhưng có thể dễ dàng tính được k từ K và ngược lại Trong. .. Chương này đề cập đến việc xây dựng ứng dụng thử nghiệm để giải quyết vấn đề quản lý và bảo mật đề thi trong hệ thống các trường phổ thông dựa vào các thuật toán RSA và AES Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- Chương 1 TỔNG QUAN HỆ MẬT MÃ KHÓA CÔNG KHAI 1.1 Khái niệm về hệ mật mã 1.1.1 Khái niệm chung về mật mã và hệ mật mã Mật mã học là một lĩnh vực liên quan... bản mã C cho B Khi nhận bản mã C, B sẽ giải mã dựa vào khóa riêng k B của mình để tính R  D(k B , C ) 1.3.4 Các yêu cầu của hệ mật mã khóa công khai Thông qua từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà người gửi sử dụng khóa bí mật của mình, khóa công khai của người nhận hoặc cả hai để hình thành một số các ứng dụng phù hợp như sau: ‒ Tính mật: Người gửi A thực hiện mã hóa thông điệp P bằng khóa công khai. .. điểm của hệ thống mật mã khoá đối xứng Năm 1977 nhóm tác giả Ronald Rivest, Adi Shamir và Leonard Adleman đã công bố phương pháp RSA, phương pháp mã hóa khóa công khai RSA hiện được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng mã hóa và bảo mật thông tin RSA nhanh chóng trở thành chuẩn mã hóa khóa công khai trên toàn thế giới do tính an toàn và khả năng ứng dụng của nó Độ an toàn của hệ thống mật mã mới này, . tính toán và ứng dụng trong mật mã học 12 1.3. Hệ mật mã khóa công khai 13 1.3.1. Các quan điểm cơ bản của hệ mật mã khoá công khai 13 1.3.3. Hoạt động của hệ mật mã khóa công khai 14 1.3.4 tìm hiểu khả năng ứng dụng hệ mật mã khóa công khai trong quản lý đề thi trong các trường phổ thông. Nội dung luận văn gồm 3 chương: Chương I. TỔNG QUAN HỆ MẬT MÃ KHÓA CÔNG KHAI Chương này. PHỐI VÀ QUẢN LÝ KHÓA CÔNG KHAI 22 2.1. Hệ mật mã khóa công khai RSA 22 2.1.1. Cơ sở toán học của hệ mật mã RSA 22 2.1.2. Mô tả hệ mật mã RSA 24 2.1.3. Quá trình tạo khoá, mã hoá và giải mã 24