MÃ HÓA ĐỐI XỨNG

MÃ HÓA ĐỐI XỨNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO __________ ĐỒ ÁN MÔN HỌC BẢO MẬT THÔNG TIN CHƯƠNG 6: MÃ HÓA ĐỐI XỨNG Sinh viên thực hiện: Trần Thị Huyền 08110227 Nguyễn MinhNhật 08110168 Tp. Hồ Chí Minh Tháng 04/2011 1 Tóm tắt chương: Hệ DES Des được xem như là chuẩn mã hóa dữ liệu cho các ứng dụng. Song căn cứ vào lỗ hổng tiềm năng của DES đối với việc tấn công hàng loạt, đã tạo ra một sự quan tâm đáng kể về việc tìm một giải pháp thay thế đó là sử dụng nhiều mã hoá với DES và nhiều khóa mã: DES 2 lớp, DES 3 lớp 2 khóa mã, DES 3 lớp 3 khóa mã. DES 2 lớp có thể bị thám mã bằng việc tấn công dùng xác suất. 3DES với 2 khóa mã là phương án thay thế khá thông dụng cho DES. Trong thực tế người sử dụng 3 DES với 2 khóa cảm thấy một vài lo âu. Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu ngày nay cảm thấy sử dụng 3DES 3 khóa là giải pháp thay thế ưa thích hơn. Chế độ hoạt động mã hóa theo khối Chế độ hoạt động mã hóa theo khối có 5 kiểu điển hình: kiểu electric codebook, kiểu chuỗi khối mã hóa, kiểu phản hồi mã hóa, kiểu phản hồi đầu ra, và kiểu máy đếm. • Kiểu electric codebook (ECB): Thông điệp được chia thành các khối độc lập, được mã hóa riêng rẽ. Các khối hoàn toàn độc lập với nhau. • Kiểu mã hóa chuỗi khối (CBC): Thông điệp cũng được chia thành các khối nhưng có liên kết với nhau trong qui trình mã hóa. Các khối mã hóa có liên kết với chuỗi văn bản nguồn. Sử dụng vector khởi tạo IV nhằm không để kẻ thứ 3 đoán được thông điệp gửi và nhận. • Kiểu phản hồi mã hóa (CFB): Thông điệp cũng được chia thành các khối, kết quả được dùng làm đầu vào cho vòng sau. Nếu lỗi xảy ra sẽ lan truyền cho các khối sau đó. • Kiểu phản hồi đầu ra (OFB): Thông điệp cũng được chia thành các khối có liên kết với nhau, sử dụng thanh ghi dịch. Nếu lỗi xảy ra sẽ không ảnh hưởng đến khối kế tiếp. • Kiểu máy đếm (CTR): Máy đếm được mã hóa và sau đó XOR với bản nguồn để tạo ra bản mã, sử dụng tính năng song song. Phương thức mã hóa dòng (stream cipher) Phương thức mã hóa dữ liệu theo từng bit. Một mã dòng điển hình sẽ mã hóa bản rõ mỗi lần được 1 byte mặc dù mã dòng có thể được thiết kế để hoạt động mỗi lần trên 1 bit hay trên những đơn vị lớn hơn 1 byte. Trong cấu trúc này, một khóa được đưa vào một bộ sinh chuỗi bit ngẫu nhiên giả mà tạo ra được một dòng những bộ đếm 8 bit bề ngoài có vẻ như ngẫu nhiên. Dữ liệu ra của bộ sinh, được gọi là dòng khóa, kết hợp mỗi lần 1 byte với dòng plaintext sử dụng phép toán đảo bit loại trừ OR (XOR). Thuật toán RC4 RC4 là loại mã dòng được Ron Rivest thiết kế cho RSA Security. RC4 là mã dòng với độ dài khóa không cố định cùng những thao tác định hướng byte. Thuật toán dựa trên cách sử dụng phép hoán vị ngẫu nhiên. Thuật toán đối xứng RC4 được ứng dụng trong WEP cung cấp bảo mật cho dữ liệu trên mạng không dây. 2 Chương 6: Mã hóa đối xứng 6.1 Quá trình mã hóa tổ hợp và DES 3 lớp…………………………… .Trang 5 DES 2 lớp…………………………………………………………Trang 5 DES 3 lớp với 2 khóa mã Trang 10 DES 3 lớp với 3 khóa…………………………………………… Trang 15 6.2 Chế độ hoạt động của kiểu mã hóa theo khối……………………….Trang 16 Kiểu Electronic Codebook (ECB)….…………………………… .Trang 17 Kiểu mã hóa chuỗi khối (CBC)………………………………… .Trang 19 Kiểu phản hồi mã hóa (CFB)…………………………………… .Trang 21 Kiểu phản hồi đầu ra (OFB).…………………………………… Trang 24 Kiểu máy đếm (CTR) …………………………………………….Trang 25 6.3 Mã hóa dòng và RC4……………………………………………… Trang 27 Cấu trúc mã hóa dòng…………………………………………… Trang 27 Thuật toán RC4……………………………………………………Trang 31 6.4 Giới thiệu sách đọc và Website………………………………………Trang 36 6.5. Thuật ngữ then chốt, câu hỏi ôn tập, và vấn đề………………………Trang 37 Thuật ngữ then chốt……………………………………………… .Trang 37 Câu hỏi ôn tập………………………………………………………Trang 38 Bài toán…………………………………………………………… Trang 38 3 “ Tôi gần như quen với tất cả các dạng của viết bảo mật, và chính tôi là tác giả của những nghiên cứu vặt theo chủ đề, trong đó tôi phân tích 160 mã hóa riêng biệt”, theo Holmes. Cuộc phiêu lưu của những người khiêu vũ, Arthur Conan Doyle. Chương này tiếp tục cho chúng ta thảo luận về mã hóa đối xứng, bắt đầu với chủ đề mã háo tổ hợp, được sử dụng rộng rãi nhất trong qui trinh mã hóa tổ hợp là DES 3 lớp. Chương tiếp theo đề cập đến chế độ hoạt động của kiểu mã hóa theo khối, chúng ta nhận thấy 3 cách khác nhau để đưa mã hóa theo khối đến bản nguồn với mỗi ưu điểm riêng và ứng dụng cụ thể. 4 Trọng tâm: • Mã hóa tổ hợp là kỹ thuật trong đó thuật toán mã háo được dùng nhiều thời gian. Trong giải pháp đầu tiên, bản nguồn được chuyển thành bản mã sử dụng thuật toán mã hóa. Bản mã này sau đó được dùng như đầu vào và thuật toán được áp dụng lại. Tiến trình này được lặp đi lặp lại cho bất kì giai đoạn nào. • DES 3 lớp sử dụng 3 giai đoạn trong thuật toán DES, dùng tổng cộng 2 hoặc 3 khóa riêng biệt. • Kiểu hoạt động là kỹ thuật cải tiến hiệu quả của giải thuật mã hóa hay tương thích giải thuật cho ứng dụng, như là đưa mã háo theo khối đến chuỗi dữ liệu khối hoặc dữ liệu dòng. • 5 kiểu hoạt động được chuẩn hóa cho việc sử dụng mã hóa khối đối xứng như là: kiểu electric codebook, kiểu chuỗi khối mã hóa, kiểu phản hồi mã hóa, kiểu phản hồi đầu ra, và kiểu máy đếm. • Mã hóa theo luồng là thuật toán mã hoá đối xứng, trong đó đầu ra mã hóa được tạo ra từng bit một, hoặc từng byte một cho luồng đầu vào văn bản nguồn, được sử dụng rộng rãi như thuật mã hóa là RC4. Cuối cùng, chương này phát biểu chủ đề mã hóa luồng đối xứng, khác với cách mã hóa khối đối xứng, chúng ta cũng thấy quan trọng nhất như mã hóa, RC4. 6.1. Quá trình mã hóa tổ hợp và DES 3 lớp Căn cứ vào lỗ hổng tiềm năng của DES đối với việc tấn công hàng loạt, đã tạo ra một sự quan tâm đáng kể về việc tìm một giải pháp thay thế. Một phương pháp đó là thiết kế một thuật toán mới hoàn toàn, mà AES là ví dụ tiêu biểu. Một giải pháp khác, sẽ bảo tồn đầu tư hiện có trong phần mềm và thiết bị, đó là sử dụng nhiều mã hoá với DES (Chuẩn mã hoá dữ liệu) và nhiều khóa mã. Chúng ta bắt đầu bằng cách kiểm tra ví dụ đơn giản nhất của giải pháp thứ hai này. Sau đó chúng ta xét về phương pháp chuẩn hóa dữ liệu 3 lớp (3DES) được chấp nhận rộng rãi. DES 2 lớp Hình thức đơn giản nhất của quá trình mã hóa tổ hợp có hai giai đoạn mã hóa và hai khóa ( Hình 6.1a ) . Cho một bản nguồn (plaintext) P thô và hai khóa mã hóa K 1 và K 2 , bản mã (ciphertext) C được tạo ra như sau C = E(K 2 , E(K 1 , P)) 5 Hình 6.1. Mã hoá tổ hợp Quá trình giải mã đòi hỏi những khóa mã phải được áp dụng theo trật tự ngược lại: P = D (K 1 , D (K 2 , C)) 6 Đối với DES thì nhìn bề ngoài, giản đồ này có chứa độ dài của khóa mã 56 x 2 = 112 bits, dẫn đến việc độ dài ghi mã sẽ tăng lên đáng kể. Tuy nhiên ta cũng cần nghiên cứu kĩ lưỡng hơn về thuật toán này. Giảm thiểu đến từng giai đoạn đơn lẻ (Reduction to a Single Stage) Giả sử điều đó là đúng cho DES, với mọi giá trị khóa 56 bits, dựa vào bất kì 2 khóa K 1 , K 2 nào thì cũng sẽ tìm được 1 khóa mã K 3 tương ứng. Phương trình 6 – 1: E (K 2 , E(K 1 , P)) = E (K 3 , P) Nếu thuộc trường hợp này thì quá trình mã hóa đôi và thực ra là bất kì giai đoạn nào của quá trình mã hóa tổ hợp bằng DES cũng sẽ trở nên vô ích, bởi kết quả cũng sẽ tương đương với một quá trình mã hóa đơn bằng một khóa mã đơn 56 bit. Xét theo bề ngoài thì Phương trình (6.1) có vẻ không cố định được. Hãy xét đến việc mã hóa bằng DES là một phép ánh xạ các khối kí hiệu 64 bit đến các khối 64 bit. Thực ra, phép ánh xạ có thể xem như một sự hoán vị. Nghĩa là, nếu chúng ta xem xét tất cả 264 khối dữ liệu vào có thể thì mã hóa DES với một khóa mã cụ thể sẽ ánh xạ từng khối vào một khối độc nhất 64 bit. Mặt khác, nếu hai khối dữ liệu 7 vào đã cho được ánh xạ đến cùng một khối dữ liệu xuất thì sau đó quá trình giải mã sẽ không thể khôi phục lại đoạn văn bản gốc. Với 264 dữ liệu vào có thể, thì sẽ có bao nhiêu phép ánh xạ khác nhau để tạo ra một sự hoán vị cho những khối dữ liệu vào? Ta có thể dễ dàng nhận thấy trị số sẽ là: Mặt khác, DES xác định một phép ánh xạ khác nhau cho mỗi mã khóa khác nhau, đối với tổng cộng số cách gán: 2 56 > 10 17 Vì thế, cũng hợp lý khi giả định rằng nếu DES được sử dụng 2 lần bằng 2 khóa mã khác nhau thì sẽ tạo ra một trong số nhiều phép ánh xạ mà không hề được xác định bởi ứng dụng đơn lẻ của DES. Mặc dù có nhiều bằng chứng ủng hộ cho giả thuyết này nhưng mãi đến năm 1992 thì điều này mới được chứng minh [CAMP92]. Tấn công dùng xác suất (Meet-in-the-middle attack) Như vậy, việc sử dụng DES 2 lớp dẫn đến một phép ánh xạ không tương đương với một thuật mã hóa đơn DES. Tuy nhiên có một cách để thâm nhập hệ thống này, một cách mà không lệ thuộc vào bất kì đặc tính riêng biệt nào của DES nhưng lại sẽ hoạt động chống lại bất kì mật mã mã hóa khối. 8 Thuật toán được biết đến như là một dạng tấn công dùng xác suất, lần đầu tiên được mô tả trong [DIF77], dựa trên sự quan sát như sau, nếu ta có C = E(K 2 , E(K 1 ,P)) Thì (xem biểu đồ 6.1a) X = E(K 1 , P) = D(K 2 , P) Dựa vào một cặp đã biết, (P, C), quá trình thâm nhập tiến hành như sau. Đầu tiên, mã hóa P cho tất cả 256 giá trị có thể có của K 1 . Lưu lại những kết quả này trên 1 bảng biểu, rồi phân loại bảng này dựa trên những giá trị của X. Tiếp đó giải mã C, sử dụng tất cả 256 giá trị có thể của K 2 . Khi mỗi quá trình giải mã được tạo ra, kiểm tra kết quả với bảng biểu xem có khớp hay không. Nếu khớp thì thử hai khóa mã kết quả với một cặp văn bản rõ – bản mã đã biết mới. Nếu hai khóa đó tạo ra bản mã đúng thì chấp nhận chúng là những khóa mã đúng. Đối với bất kì bản nguồn (plaintext) đã cho P nào, DES 2 lớp cũng có thể tạo ra 2 64 giá trị bản mã. Thực vậy, DES đôi sử dụng một khóa dài 112 bit, để có được 2 112 khóa mã có thể có. Vì thế, trung bình đối với 1 văn bản gốc đã cho P, số khóa mã 112 bit sẽ tạo ra 1 bản mã đã cho C là 2 112 / 2 64 = 2 48 . Như vậy, quá trình nói trên sẽ 9 tạo ra khoảng 2 48 báo động giả trên cặp đầu tiên (P, C). Một lý luận tương tự cũng chỉ ra rằng bằng mỗi 64 bit bổ sung của văn bản rõ và bản mã đã biết thì tỉ lệ báo động giả được giảm đến 2 48-64 = 2 -16 . Nói cách khác, nếu tấn công bằng xác suất được thực hiện trên hai khối của bản ró – bản mã đã biết thì khả năng mà khóa mã đúng sẽ được xác định là 2 -16 . Kết quả là việc tấn công một bản rõ đã biết sẽ thành công dựa trên DES đôi có kích thước khóa 112 bit, với nỗ lực trên bậc 2 56 , không nhiều hơn bậc 2 55 đòi hỏi đối với DES đơn. DES ba lớp với 2 khóa mã (Triple DES with Two Keys) Một cách đếm hiển nhiên trong tấn công bằng xác suất là sử dụng ba giai đoạn của quá trình mã hóa với ba khóa khác nhau. Việc này làm tăng hao phí của tấn công văn bản rõ đã biết tới 2 112 , quá mức cái gọi là thực tiễn hiện tại và xa trong tương lai. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm của việc đòi hỏi độ dài khóa 56 x 3 = 118 bit là hơi khó điều khiển. Để thay thế, Tuchman đã đề ra phương thức mã hóa ba lần mà chỉ sử dụng có 2 khóa [TUCH79]. Vận hành theo chuỗi mã hóa – giải mã – mã hóa (EDE) (Sơ đồ 6.1b): C = E(K 1 , D(K 2 , E(K 1 , P))) 10 [...]... thuật mã hóa và không phải giải mã giải thuật Những vấn đề này đa số khi sự giải mã giải thuật khác đáng kể so với giải thuật mã hóa, như nó làm cho AES Ngoài ra, khóa giải mã không cần được thực thi 6.3 Mã hóa dòng và RC4 Trong phần này chúng ta sẽ xem xét loại mã dòng đối xứng có lẽ là thông dụng nhất, RC4 Chúng ta sẽ bắt đầu khái quát chung về cấu trúc mã hóa dòng rồi nghiên cứu về RC4 Cấu trúc mã hóa. .. lí, một mã hóa dòng có thể an toàn ngang với mã khối với độ dài khóa so sánh được Ưu điểm chính của 1 mã hóa dòng là những mã dòng hầu như lúc nào cũng nhanh hơn và sử dụng ít mã số hơn nhiều so với mã khối Ví dụ trong phần này, RC4 có được thực thi chỉ bằng một vài dòng mật mã Bảng 6.2 sử dụng dữ liệu từ [RESC01] so sánh thời gian thực hiện của RC4 với ba mã khối đối xứng nổi tiếng Ưu điểm của mã khối... nguồn mà đã được mã hóa Điển hình, máy đếm được khởi tạo tới giá trị nào đó và sau đó được tăng lên 1 cho mỗi khối kế tiếp ( modulo với b là kích thước khối) Đối với mã hóa, máy đếm được mã hóa và sau đó XOR với khối văn bản nguồn để tạo ra khối văn bản mã; không có sự móc nối Đối với giải mã, cùng 1 chuỗi những giá trị máy đếm được sử dụng, với mỗi máy đếm được mã hóa XOR với khối văn bản mã để khôi phục... gồm cả chức năng mã hoá lẫn giao thức tạo ra sử dụng chúng 6.4 Giới thiệu sách đọc và Website [SCHN96] cung cấp rất nhiều chi tiết về mật mã khối đối xứng cũng như một số thuật toán mã hóa theo luồng [ROBS95b] là một xét nghiệm thú vị và đáng giá của các vấn đề thiết kế liên quan đến khối mã hóa đối xứng [KUMA97] chứa đựng một thảo luận tuyệt vời và dài những nguyên lý thiết kế mã hóa theo luồng.Một... văn Những giá trị đơn của việc bản gốc được mã hoá độc truyền tải bảo mật ( e lập dùng khóa giống nhau g., khóa mã hóa ) Cipher Block Chaining (CBC) Đầu vào cho thuật toán mã hóa được XOR 64 bit kế tiếp của văn bản gốc và 64 bit có trước của văn bản mã hoá Đầu vào được xử lí j bit đồng thời.Văn bản mã hoá có trước được dùng như đầu vào cho thuật toán mã hóa để tạo đầu ra ngẫu nhiên, được XOR với văn... được hiển thị trên trang 189 trong bản in ) Mã hóa dòng cũng tương tự như mật mã khóa sử dụng 1 lần (one-time pad) được nói đến ở chương 2 Khác nhau ở chỗ là one-time pad sử dụng dòng số ngẫu nhiên có thực trong khi mã hóa dòng sử dụng dòng số theo chuỗi ngẫu nhiên giả [KUMA97] liệt kê những chú ý quan trọng về thiết kế đối với mã hóa dòng như sau: 1 Chuỗi mã hóa nên có chu kì lớn Bộ sinh chuỗi số ngẫu... khả thi của việc mã hóa để mà mã hóa khối có thể được dùng Khi có những yêu cầu và ứng dụng mới, NIST mở rộng danh sách chế độ yêu cầu lên năm trong ấn phẩm đặc biệt 800 - 38A Những chế độ này là nhằm để dùng bất kì mã hóa khối đối xứng nào, bao gồm AES và DES 3 lớp Chế độ được tóm tắt trong bảng 6.1 và mô tả ngắn gọn trong phần còn lại của phần này Bảng 6.1 Chế độ hoạt động của kiểu mã hóa theo khối... khối Kiểu mã hóa chuỗi khối (CBC) Để khắc phục những khiếm khuyết bảo mật của ECB, chúng tôi giới thiệu kỹ thuật trong đó khối văn bản gốc giống nhau, nếu lặp lại, tạo ra khối văn bản mã khác nhau Một cách đơn giản để đáp ứng yêu cầu này là kiểu mã hóa chuỗi khối (CBC) ( Hình 6.4 ) Trong kiểu này, đầu vào thuật toán mã hóa là XOR các khối văn bản gốc hiện tại và khối văn bản mã trước đó; khóa giống... thể liên kết chuỗi khối văn bản gốc với nhau Đầu vào hàm mã hoá cho mỗi khối văn bản gốc sinh ra không có mối liên hệ cố định với khối văn bản mã Do đó, mẫu lặp lại của b bit không được lộ ra Hình 6.4 Kiểu mã hóa chuỗi khối ( CBC ) 19 Đối với việc giải mã, mỗi khối mã đã được giải thông qua thuật toán giải mã Kết quả được XOR với khối văn bản mã có trước để tạo ra khối văn bản gốc Để xem công việc... mã hóa (Cipher Feedback Mode) Qui trình DES chủ yếu là kỹ thuật mã hoá theo khối, sử dụng khối b- bit Tuy nhiên, có thể chuyển DES thành mã hóa theo luồng, sử dụng như phản hồi mã hóa ( CFB) hoặc kiểu phản hồi đầu ra Mã hóa theo luồng loại bỏ nhu cầu thêm thông điệp để được số nguyên của khối Nó cũng có thể thực thi theo thời gian thực Vì vậy, nếu luồng ký tự được truyền, mỗi kí tự có thể được mã hoá