giao thức thỏa thuận khóa diffie - hellman

giao thức thỏa thuận khóa diffie - hellman

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bài tập lớn An toàn bảo mật thông tin Đề tài Giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Phương Nhung Nhóm sinh viên: 1. Phạm Thị Yến 2. Nguyễn Thị Nhâm 3. Nguyễn Đình Triệu 4. Lê Thanh Nghị Hà Nội, Tháng 11/2012 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman Mục Lục Phân công công việc Stt Mã SV Tên SV Nội dung Trang- trang Nhận xét 1 0541060168 Nguyễn Thị Nhâm Tìm hiểu về giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman + Ví dụ bằng số 4 - 10 Tích cực hoạt động, và nghiên cứu.Hoàn thành tốt nhiệm vụ 2 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman minh họa 2 0541060137 Lê Thanh Nghị Viết chương trình thực hiện giao thức Diffie - Hellman Tích cực nghiên cứu. Hoàn thành tốt nhiệm vụ 3 0541060129 Nguyễn Đình Triệu Tìm hiểu các đặc điểm đặc trưng của giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman 10 - 14 Tích cực nghiên cứu. Hoàn thàn tốt nhiệm vụ 4 0541060165 Phạm Thị Yến Tìm hiểu về giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman + Ví dụ bằng số min họa 4 - 10 Tích cực nghiên cứu. Hoàn thành tốt nhiệm vụ. Lời mở đầu Trao đổi thông tin luôn là nhu cầu cần thiết của con người, đặc biệt là trong cuộc sống hiện đại ngày nay khi mà mạng máy tính và Internet phát triển một cách mạnh mẽ và giữ vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội như: 3 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman chính trị, quân sự, học tập, mua sắm, kinh doanh,… Tất cả những thông tin liên quan đến những công việc này đều được máy vi tính quản lý và truyền đi trên hệ thống mạng. Đối với những thông tin bình thường thì không ai chú đến, nhưng đối với những thông tin mang tính chất sống còn đối với một cá nhân hay một tổ chức thì vấn đề bảo mật thông tin là rất quan trọng và được đặt lên hàng đầu. Chính vì vậy nên rất nhiều tổ chức, cá nhân đã nghiên cứu, tìm kiếm và đưa ra rất nhiều giải pháp bảo mật thông tin. Trong đó giao thức Diffie - Hellman rất thích hợp trong truyền thông tin giữ liệu và có tính bảo mật khá cao. Báo cáo này do nhóm biên soạn dựa trên những kiến thức lĩnh hội được từ cô giáo Th.S. Trần Phương Nhung, và thông qua sự tìm hiểu, nghiên cứu tích cực của các thành viên trong nhóm.Báo cáo của nhóm đi sâu về đi sâu vào trình bày giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman với nội dung 3 chương được chia thành các chủ đề khác nhau, từ việc giới thiệu sơ bộ, trình bày khái niệm, cách thiết lập, sơ đồ và các ví dụ minh họa cụ thể về giao thức thỏa thuận khóa. Mặc dù nhóm đã rất cố gắng song vẫn không tránh khỏi một số thiếu sót mong thầy cô và bạn bè đóng góp ý kiến để nhóm hoàn thiện hơn báo cáo này. Xin chân thành cảm ơn tới bạn bè, người thân đã góp ý, giúp đỡ nhóm. Đặc biệt cảm ơn cô giáo Th.S. Trần Phương Nhung người đã hướng dẫn nhóm hoàn thành báo của mình! Chương I: Giới thiệu về giao thức Diffie - Hellman Năm 1976, một sự đột phá đã thay đổi nền tảng cơ bản trong cách làm việc của các hệ thống mật mã hóa. Đó chính là việc công bố của bài viết phương hướng mới trong mật mã học (New Directions in Cryptography) của Whitfield Diffie và Martin Hellman. Bài viết giới thiệu một phương pháp hoàn toàn mới về cách thức 4 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman phân phối các khóa mật mã. Là hệ thống đầu tiên sử dụng "public-key" hoặc các khóa mật mã "không đối xứng", và nó được gọi là trao đổi khóa Diffie-Hellman (Diffie-Hellman key exchange). Bài viết còn kích thích sự phát triển gần như tức thời của một lớp các thuật toán mật mã hóa mới, các thuật toán chìa khóa bất đối xứng (asymmetric key algorithms). Trao đổi khóa Diffie-Hellman bị cáo buộc rằng nó đã được phát minh ra một cách độc lập một vài năm trước đó trong Trụ sở Truyền Thông Chính phủ Anh (GCHQ) bởi Malcolm J. Williamson). Vào năm 2002, Hellman đã đưa ra thuật toán được gọi chung là trao đổi khóa Diffie–Hellman–Merkle công nhận sự đóng góp của cả Ralph Merkle, người đã phát minh ra thuật toán mã hóa công khai. Trước thời kỳ này, hầu hết các thuật toán mật mã hóa hiện đại đều là những thuật toán khóa đối xứng (symmetric key algorithms), trong đó cả người gửi và người nhận phải dùng chung một khóa, tức khóa dùng trong thuật toán mật mã, và cả hai người đều phải giữ bí mật về khóa này. Tất cả các máy điện cơ dùng trong thế chiến II, kể cả mã Caesar và mã Atbash, và về bản chất mà nói, kể cả hầu hết các hệ thống mã được dùng trong suốt quá trình lịch sử nữa đều thuộc về loại này. Đương nhiên, khóa của một mã chính là sách mã (codebook), và là cái cũng phải được phân phối và giữ gìn một cách bí mật tương tự. Do nhu cầu an ninh, khóa cho mỗi một hệ thống như vậy nhất thiết phải được trao đổi giữa các bên giao thông liên lạc bằng một phương thức an toàn nào đấy, trước khi họ sử dụng hệ thống (thuật ngữ thường được dùng là 'thông qua một kênh an toàn'), ví dụ như bằng việc sử dụng một người đưa thư đáng tin cậy với một cặp tài liệu được khóa vào cổ tay bằng một cặp khóa tay, hoặc bằng cuộc gặp gỡ mặt đối mặt, hay bằng một con chim bồ câu đưa thư trung thành Vấn đề này chưa bao giờ được xem là dễ thực hiện, và nó nhanh chóng trở nên một việc gần như không thể quản lý được khi số lượng người tham gia tăng lên, hay khi người ta không còn các kênh an toàn để trao đổi khóa nữa, hoặc lúc họ phải liên tục thay đổi các chìa khóa-một thói quen nên thực hiện trong khi làm việc với mật mã. Cụ thể là mỗi một cặp truyền thông cần phải có một khóa riêng nếu, theo như thiết kế của hệ thống mật mã, không một người thứ ba nào, kể cả khi người ấy là một người dùng, được phép giải mã các thông điệp. Một hệ thống thuộc loại này được gọi là một hệ thống dùng chìa khóa mật, hoặc một hệ thống mật mã hóa dùng khóa đối xứng. Hệ thống trao đổi khóa Diffie-Hellman (cùng những phiên bản được nâng cấp kế tiếp hay các biến thể của nó) tạo điều kiện cho các hoạt động này trong các hệ thống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều, đồng thời cũng an toàn hơn, hơn tất cả những gì có thể làm trước đây. 5 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman Mặc dù, bản thân thuật toán là một giao thức chọn khóa nặc danh (không cần thông qua xác thực) nhưng nó đã cung cấp ra một cơ sở cho các giao thức xác thực khác nhau khá hoàn hảo. Phương thức tiếp nối ngay sau Diffie – Hellman là RSA, một thể hiện của mã khóa công khai sử dụng thuật toán bất đối xứng. Chương II: Giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman 1. Khái niệm thỏa thuận khóa. Thoả thuận khoá: việc trao đổi khoá giữa các chủ thể trong một cộng đồng nào đó có thể được thiết lập một cách tự do giữa bất cứ hai người nào khi có nhu cầu trao đổi thông tin. 2. Giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman. 6 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman - Trao đổi khóa Diffie – Hellman là thiết lập một khóa chia sẻ bí mật được sử dụng cho thông tin liên lạc bí mật bằng cách trao đổi dữ liệu thông qua mạng công cộng. Đây mà một trong số nhiều phương thức dùng để trao đổi khóa trong ngành mật mã học. - Phương pháp này không cần có sự can thiệp của một TA ( cơ quan ủy thác) làm nhiệm vụ điều hành hoặc phân phối khóa. - Phương pháp này cho phép những người sử dụng có thể cùng nhau tạo ra một khóa bí mật thông qua một kênh truyền thông không đảm bảo về độ bảo mật. Khóa bí mật này sẽ được dùng để người sử dụng trao đổi thông tin với nhau. 2.1. Cách thiết lập giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman. • Tình huống: + Alice và Bob muốn chia sẻ thông tin bảo mật cho nhau nhưng phương tiện truyền thông duy nhất của họ là không an toàn. Tất cả các thông tin mà họ trao đổi được quan sát bởi Eve kẻ thù của họ. + Làm thế nào để Alice và Bob chia sẻ thông tin bảo mật cho nhau mà không làm cho Eve biết được? + Thoạt nhìn ta thấy Alice và Bob phải đối mặt với một nhiệm vụ không thể. • Giải quyết tình huống trên: + Alice và Bob đồng ý dùng chung về một nhóm cyclic hữu hạn G và một yếu tố tạo ra g trong G. (Điều này thường được thực hiện rất lâu trước khi phần còn lại của giao thức, g được giả định là được biết đến bởi tất cả các kẻ tấn công) + Khi Alice và Bob muốn truyền thông tin bảo mật cho nhau có thể cùng thực hiện theo giao thức sau để trao đổi: 1. Alice chọn ngẫu nhiên số a A (0 ≤ a A ≤ p-2) bí mật, tính pgb A a A mod = và gửi b A cho Bob . 2. Tương tự, Bob chọn ngẫu nhiên số a B (0 ≤ a B ≤ p-2) bí mật, tính pgb B a B mod = và gửi b B cho Alice. 3. Alice tính được khóa: pbK A a BA mod = 4. Bob tính được khóa: pbK B a AB mod = + Bây giờ Alice và Bob có cùng khóa chung là: pgKK BA aa BA mod == + Mô tả giao thức Diffie - Hellman bằng bảng sau: Alice Bob Bí mật Công khai Tính toán Gửi Tính toán Công khai Bí mật 7 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman a A p, g → a B a A p, g, b A pgb A a A mod = b A → p, g a B a A ←b B pgb B a B mod = p, g, b B a B a A, K A p, g, b A, b B p, g, b A, b B a B, K B • Chú ý là chỉ có a A, a B và K A, K B là được giữ bí mật. Tất cả các giá trị còn lại như p, g, b A , b B đều công khai. Một khi Alice và Bob tính được khóa bí mật dùng chung, họ có thể dùng nó làm khóa mã hóa chỉ họ biết để gửi các thông điệp qua cùng kênh giao tiếp mở. Đương nhiên, để đảm bảo an toàn, các giá trị a A , a B và p cần được lấy lớn hơn, g không cần lấy giá trị quá lớn. Thực tế thì g thường lấy giá trị 2 hoặc 5 2.2. Sơ đồ giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman. Sơ đồ dưới đây minh họa phần nào ý tưởng chung. Đầu tiên, Alice và Bob đã thống nhất về màu sơn chung (màu vàng), Alice và Bob trao đổi màu sắc đã được trộn của họ. Cuối cùng, điều này tạo ra một màu bí mật giống hệt nhau mà kẻ khác không có khả năng tạo được ra giống vậy. Kể từ đây, Alice và Bob sẽ trao đổi bằng cách mã hóa và giải mã sử dụng khóa bí mật đó (thể hiện bằng màu sơn bí mật cuối cùng). 8 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman Hình 1: Sơ đồ giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman 2.3. Ví dụ bằng số minh họa. 1. Alice và Bob thống nhất với nhau chọn số nguyên tố p = 37 và g = 5. 2. Alice chọn một giá trị ngẫu nhiên bất kỳ a A = 7 và bí mật a A. Alice tính b A = 5 7 mod 37 = 18. Sau đó Alice gửi b A = 18 cho Bob. Bob chọn một giá trị ngẫu nhiên bất kỳ a B = 5 và bí mật a B Bob tính b B = 5 5 mod 37 = 17. Sau đó Bob gửi b B = 17 cho Alice. 4. Bob nhận được b A = 18 và tính khóa chung: K B = 18 4 mod 37=15, và bí mật K B 5. Alice nhận được b B =17 và tính khóa chung: K A = 17 7 mod 37=15, và bí mật K A 9 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman 2.4. Mở rộng bài toán cho nhiều bên Thỏa thuận khóa Diffie-Hellman không chỉ giới hạn để thương lượng một khóa dùng chung giữa hai bên. Bất cứ một số lượng người dùng nào cũng có thể tham gia vào một thỏa thuận như thế bằng cách lặp các giao thức thỏa thuận và trao đổi dữ liệu trung gian. Ví dụ, Alice, Bob và Carol có thể tham gia vào một thỏa thuận Diffie-Hellman như sau (với tất cả phép toán đều lấy mod p): 1. Các bên đồng ý với các tham số của giải thuật là p và g. 2. Các bên tự sinh khóa bí mật, đặt tên là a A , a B và a c . 3. Alice tính A a g và gửi nó cho Bob. 4. Bob tính BA aa g )( = BA aa g và gửi nó cho Carol. 5. Carol tính CBA a aa g )( = CBA aaa g và dùng nó làm khóa bí mật. 6. Bob tính B a g và gửi nó cho Carol. 7. Carol tính C B a a g )( = CB aa g và gửi nó cho Alice. 8. Alice tính A CB a aa g )( = ACB aaa g = CBA aaa g và dùng nó làm khóa bí mật. 9. Carol tính C a g và gửi nó cho Alice. 10. Alice tính A C a a g )( = CA aa g và gửi nó cho Bob. 11. Bob tính BAC aaa g = BAC aaa g = CBA aaa g và dùng nó làm khóa bí mật. Một kẻ nghe trộm có thể biết A a g , B a g , C a g , BA aa g , CB aa g , AC aa g nhưng không thể nào kết hợp chúng để sinh lại CBA aaa g . Để mở rộng cơ chế này cho các nhóm lớn hơn cần phải tuân thủ 2 nguyên tắc cơ bản sau: • Bắt đầu với một khóa “rỗng” chỉ gồm có g, khóa bí mật được tạo ra bằng cách tăng giá trị hiện tại theo số mũ bí mật của những bên tham gia một lần, theo thứ tự bất kỳ. • Bất kỳ giá trị trung gian nào (số mũ sẽ lên tới tích N-1 số mũ, trong đó N là số bên tham gia vào nhóm) đều có thể bị công khai, nhưng giá trị cuối cùng (khi cả N số mũ đều được dùng) sẽ tạo thành khóa bí mật dùng chung và do đó phải tránh bị công khai. Vì vậy, mỗi người dùng cần thu về bản sao của khóa mật bằng cách sử dụng khóa mật của chính họ lúc cuối cùng (mặt khác, không có cách nào để bên tham gia cuối cùng trao khóa cuối cho bên nhận của nó, vì bên này phải giữ bí mật khóa) 10 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 [...]... http://stackoverflow.com/questions/5656835/generator-gs-requirement-to-be-aprimitive-root- modulo-p-in-the -diffie- hellman? rq=1 14 Cryptography in C and C++ - Michael Welschenbach 2nd Edition (2005) 15 Primitive Roots - David Savtt 16 The Primitive Root Theorem - Philadelphia University 17 New Directions in Cryptography - Invited Paper - Whitfield Diffie and Martin E Hellman 18 A Review of the Diffie- Hellman Algorithm and its... tạo khoá của A cả • Cơ chế giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman có chứng chỉ xác nhận Việc trao đổi khoá giữa hai người dùng A và B được thực hiện theo giao thức sau đây: 1 A chọn ngẫu nhiên số aA (0 ≤ aA(≤ p-2), tính bA = g a A mod p và gửi bA cho B 15 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman 2 B chọn ngẫu nhiên số aB (0 ≤ aB≤ p-2), tính , y B = sig B (bA... ĐH Giao Thông Vân Tải Whitfield Diffie, Martin E Hellman, “ New Directions in Cryptography”, IEEE transactions on information theory, Vol IT-22, No.6, November 1976 4 A Review of the Diffie- Hellman Algorithm and its Use in Secure Internet Protocols - David A Carts 5 Diffie- Hellman Key Exchange – A Non-Mathematician’s Explanation http://www.packetsource.com/article/encryption/40070 /diffie- hellman- keyexchange-a-non-mathematicians-explanation... A = 2 a A mod 17 = 13 12 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman K A, B = 2 a A mod 17 = 139 mod 17 KA,B= 13 Eve Biết p = 17 g=2 bA = 2 a A mod 17 = 13 Không biết aA = ? aB =? KA,B = ? bB = 2 aB mod 17 = 2 K A = 2 a A mod 17 K B = 13 aB mod 17 K A, B = 2 a A mod 17 = 13aB mod 17 13 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 • Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman Ta thấy Eve rơi vào tình thế tiến... Non-Mathematician’s Explanation http://www.packetsource.com/article/encryption/40070 /diffie- hellman- keyexchange-a-non-mathematicians-explanation 6 Discrete Logarithms and Diffie - Hellman 7 http://www.math.brown.edu/~jhs/MathCrypto/SampleSections.pdf 8 http://bytes.com/topic/c/answers/795749-storing-doing-modulus-long-doubles 9 http://diendan.congdongcviet.com/showthread.php?t=48110 10 http://diendan.congdongcviet.com/showthread.php?t=4155.. .Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman Những nguyên tắc này mở ra rất nhiều tùy chọn để sắp xếp các bên tham gia đóng góp tạo khóa Phương pháp đơn giản và rõ ràng nhất là sắp N bên tham gia vào một vòng tròn và có N khóa quay quanh vòng tròn này, cho tới khi mỗi khóa đều đã được N bên đóng góp xây dựng (kết thúc với chính bên sở hữu nó) và mỗi bên tham gia đều đã đóng góp vào N khóa (kết... ngẫu nhiên bất kỳ aB = 9 và bí mật aB Bob tính bB = 29 mod 17 = 2 Sau đó Bob gửi bB = 2 cho Alice 4 Bob nhận được bA = 13 và tính khóa chung: KB = 139 mod 17=13, và bí mật KB 11 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5  Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman 5 Alice nhận được bB = 2 và tính khóa chung: KA= 26 mod 17=13, và bí mật KA Eve là một kẻ nghe trộm – cô ta theo dõi những gì Alice và Bob gửi cho nhau nhưng không... thuật toán, tất cả các bên tham gia đều đã sở hữu khóa mật g a AaB aC aD aE aF aG aH 2.5.1 • • , nhưng mỗi bên chỉ phải tính toán 4 lần số mũ thành phần, thay vì phải tính 8 lần như trong sắp xếp vòng tròn đơn giản 2.5 Các đặc điểm đặc trưng của giao thức thảo thuận khóa Diffie - Hellman Giao thức là an toàn đối với việc tấn công thụ động Giao thức là an toàn đối với việc tấn công thụ... có kiểm thử để xác nhận tính đúng đắn của các khoá công khai b Avà bB Người ta đưa vào giao thức trao đổi khoá Diffie- Hellman thêm vai trò điều phối của một TA để được một hệ phân phối khoá Diffie- Hellman như một cách khắc phục nhược điểm này Trong hệ phân phối khoá Diffie- Hellman, sự can thiệp của TA là rất yếu, thực ra TA chỉ làm mỗi việc là cấp chứng chỉ... các thông tin về khoá (cả bí mật lẫn công khai) thì do các người dùng trao đổi trực tiếp với nhau Với cách khắc phục có vai trò hết sức hạn chế đó của TA, ta được giao thức sau đây: 2.6 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman có chứng chỉ xác nhận Mỗi người dùng A có một danh tính ID(A) và một sơ đồ chữ ký với thuật toán ký sigA và thuật toán kiểm thử verA TA cũng có một . đổi thông tin. 2. Giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman. 6 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman - Trao đổi khóa Diffie – Hellman là thiết lập một khóa chia sẻ bí mật. mã sử dụng khóa bí mật đó (thể hiện bằng màu sơn bí mật cuối cùng). 8 Nhóm 7 : ĐHKHMT2-K5 Giao thức thỏa thuận khóa Diffie Hellman Hình 1: Sơ đồ giao thức thỏa thuận khóa Diffie - Hellman 2.3 http://stackoverflow.com/questions/5656835/generator-gs-requirement-to-be-a- primitive-root- modulo-p-in-the -diffie- hellman? rq=1 14. Cryptography in C and C++ - Michael Welschenbach 2 nd Edition (2005) 15. Primitive Roots - David Savtt 16.