Tìm hiểu cơ sở hạ tầng mật mã khoá công khai và ứng dụng

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Chúng ta biết Nhà nước ta tiến hành cải cách hành chính, việc xây dựng phủ điện tử đóng vai trị trọng tâm Nói đến phủ điện tử nói đến vấn đề hạ tầng máy tính, người, tổ chức, sách, an tồn – an ninh thơng tin… Trong đảm bảo an tồn – an ninh thơng tin cho dịch vụ đóng vai trị quan trọng thơng tin mà khơng đảm bảo an ninh – an tồn, đặc biệt thơng tin nhạy cảm việc xây dựng phủ điện tử, thương mại điện tự trở nên vơ nghĩa lợi bất cập hại Xây dựng sách, đảm bảo an ninh – an tồn thơng tin liên quan chặt chẽ đến việc xây dựng hệ thống sở hạ tầng mật mã khố cơng khai, viết tắt PKI (Public Key Infrastrueture) Trong thời đại cơng nghệ thơng tin giấy tở cách chứng nhận thoả thuận bên Ở nhiều nước tiên tiến, thoả thuận thông qua hệ thống thông tin điện tử bên hợp pháp hố có giá trị tương đương với thoả thuận thông thường mặt pháp lý Sự kiện đánh dấu bước nhảy quan trọng việc phát triển phủ điện tử, thương mại điện tử Tuy nhiên dự án chưa triển khai rộng rãi, nhiều nguyên nhân khác Một nguyên nhân quan trọng người dùng ln cảm thấy không an tâm sử dụng hệ thống Chẳng hạn gửi mẫu tin văn bản, hình ảnh, video….người nhận có quyền nghi ngờ: Thơng tin có phải đối tác khơng, có bị xâm phạm người khác giải mã khơng… Những vấn đề đặt thu hút ý nhiều nhà khoa học lĩnh vực nghiên cứu bảo mật thông tin Đây nguyên nhân giải thích PKI ngày trọng nghiên cứu, phát triển Đến nước tiên tiến giới ứng dụng thành công PKI Ở châu Á nhiều nước có ứng dụng mức độ khác Singapore, Hàn Quốc, Trung Quốc, Thái Lan… Trong Sigapore, Hàn Quốc sẵn sàng tài trợ chính, kỹ thuật, chuyên gia lĩnh vực mật mã sang giúp Việt Nam xây dựng hệ thống PKI Do vấn đề mới, nhạy cảm, gắn liền với bảo mật thơng tin nên cần tìm hiểu sâu sắc thận trọng vấn đề Đây vấn đề cấp thiết nên không tiến hành nghiên cứu Là kỹ sư cơng nghệ thơng tin tương lai, có nhiệm vụ nghiên cứu, tìm hiểu sâu sắc vấn đề quan trọng cấp bách nhắm góp phần đảm bảo an ninh – an tồn thơng tin, điều có ý nghĩa hội nhập WTO, làm chủ công nghệ giúp giữ vững an ninh quốc gia, thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội Xuất phát từ lý trên, trí nhà trường thầy giáo hướng dẫn, em chọn đề tài “Tìm hiểu sở hạ tầng mật mã khố cơng khai ứng dụng” làm đề tài khố luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu, đánh giá, phân tích giải thuật mật mã điển hình - Nghiên cứu thành phần PKI ứng dụng Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Các giải thuật mã đối xứng, phi đối xứng, hàm băm, chữ ký số Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến mã hoá, mật mã - Tham khảo tài liệu, tổng hợp, đánh giá Bố cục đề tài bao gồm: Mục lục, danh mục từ viết tắt, danh mục hình vẽ, mở đầu, nội dung, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo Phần nội dung gồm phần chia làm chương, phần A (chương 1, 2) kiến thức chung mật mã, phần B (Chương 3, 4, 5) sở hạ tầng mật mã khố cơng khai ứng dụng Chương 1: LÝ THUYẾT MẬT MÃ Giới thiệu lịch sử hình thành cảm mật mã; khái niệm mật mã; đồng thời trình bày hệ mật mã đối xứng, hệ mật mã công khai, ưu nhược điểm hệ mật mã này; khái niệm hệ mật RSA, Elgamal Đây kiếm thức tảng giúp bạn hiểu PKI Chương 2: XÁC THỰC, CHỮ KÝ SỐ VÀ HÀM BĂM Trình bày khái niệm xác thực; khái niệm chữ ký số, chữ ký số dựa RSA Elgamal; khái niệm hàm băm, số hàm băm điển hình Xác thực, chữ ký số ứng dụng cụ thể nhất, thường gặp xây dựng hệ thống PKI; hàm băm kỹ thuật mã hố khơng thể thiếu nghiên cứu, xây dựng hệ thống giúp đảm bảo an ninh – an tồn thơng tin Chương 3: CƠ SỞ HẠ TẦNG MẬT MÃ KHỐ CƠNG KHAI Tổng quan PKI, sở lí luận, chức PKI Chương trình bày kiến thức liên quan đến PKI giải thích lại phải xây dựng hệ thống PKI Chương 4: CHỨNG CHỈ SỐ Trình bày khái niệm liên quan, chức nhiệm vụ CA, phân loại CA Chứng số phần đặc biệt quan trọng PKI, chương trình bày cụ thể chứng số CA Chương 5: ỨNG DỤNG Trình bày ứng dụng dịch vụ web, email PHẦN A: NHỮNG KIẾN THỨC BỔ TRỢ Chương 1: LÝ THUYẾT MẬT MÃ 1.1 GIỚI THIỆU Mật mã người sử dụng từ lâu, nghiên cứu văn minh Ai Cập cổ đại người ta tìm chứng chứng minh hình thức mật mã sơ khai, cách khoảng nghìn năn trước Trải qua hàng nghìn năm mật mã sử dụng rộng rãi quốc gia khác giới để giữ bí mật q trình trao đổi thơng tin nhiều lĩnh vực hoạt động người, quốc gia đặc biệt lĩnh vực ngoại giao, qn sự, kinh tế Mật mã khố cơng khai (PKI) mảng quan trọng mật mã, chất PKI hệ thống cơng nghệ vừa mang tính tiêu chuẩn, vừa mang tính ứng dụng để khởi tạo, lưu trữ quản lý chứng số Vào năm 1995 người ta đưa sáng kiến thiết lập PKI mà phủ nước, doanh nghiệp cần chuẩn để đảm bảo liệu truyền mạng an toàn Cho đến nay, sau 10 năm hình thành phát triển, ý tưởng hoá PKI vào thực, nhiều chuẩn đảm bảo thông tin mạng đời Một số kết từ sáng kiến PKI là: SSL/TLS ( Secure Sockets Layer/ Transport Layer Security) VPN (Virtual Private Network) 1.2 CÁC KHÁI NIỆM BAN ĐẦU A muốn gửi thơng điệp cho B có nhiều cách khác thư tín, email, fax… thơng qua người trung gian, tức thơng tin bị người khác biết Vấn đề đặt làm thơng điệp A gửi cho B có B đọc được? Để làm điều A tiến hành mã hố thơng điệp gửi cho B đoạn mã hoá, B giải mã đoạn mã hố thơng qua quy ước (Khố chung) hai người, người C nhận khơng biết thơng tin Khố chung gọi khố mật mã, ta có số khái niệm liên quan: - Mã hố: Là q trình chuyển thông tin thông thường (văn rõ) thành dạng không đọc (văn mã) - Giải mật mã: Là trình ngược lại, phục hồi văn thường từ văn mã - Thuật toán giải mã: Ngược lại để giải mã ta cần thuật toán khố bí mật tương ứng để giải mã mã 1.3 HỆ MẬT MÃ Lý thuyết mật mã khoa học nghiên cứu cách viết bí mật, rõ (plain text, clear text) biến đổi thành mã (cipher text, cryptogram) Quá trình biến đổi gọi mã hố (encipherment, encryption) Q trình ngược lại biến đổi từ mã thành rõ gọi giải mã (decipherment, decryption) Cả hai q trình nói điều khiển (hay nhiều) khoá mật mã Mật mã sử dụng để bảo vệ tính bí mật thơng tin thông tin truyền kênh truyền thông cơng cộng kênh bưu chính, điện thoại, mạng truyền thơng máy tính, mạng internet, … Giả sử người gửi A muốn gửi đến người nhận B văn (chẳng hạn, thư) p, để bảo mật A lập cho p mật mã c thay cho việc gửi p, A gửi cho B mật mã c, B nhận c “giải mã’ c để lại văn p A định gửi Để A biến p thành c B biến ngược lại c thành p, A B phải thoả thuận trước với thuật toán lập mã giải mã đặc biệt khoá mật mã chung K để thực thuật tốn Người ngồi, khơng biết thơng tin (đặc biệt khơng biết khố K), cho dù có lấy trộm c kênh truyền thông công cộng, tìm văn p mà hai người A, B muốn gửi cho Sau cho định nghĩa hình thức hệ thống mật mã cách thức thực để lập mã giải mật mã Định nghĩa Hệ mật mã định nghĩa năm (P, C, K, E, D) đó: P tập hữu hạn rõ C tập hữu hạn mã K tập hữu hạn khố E tập hàm lập mã D tập hàm giải mã Với k Ỵ K, có hàn lập mã ek Ỵ E, ek: P → C hàm giải mã dk Ỵ D, dk: C → P cho dk(ek(x)) = x, " x Ỵ P Key k Key k Ciphertext (Y) Plaintext (X) E Y = EK(X) plaintext (X) D Hình : Q trình mã hóa giải mã 1.3.1 Hệ mã hóa khóa bí mật (hay cịn gọi Hệ mật mã khóa đối xứng) Các phương pháp cổ điển biết đến từ 4000 năm trước Một số kỹ thuật người Ai Cập cổ đại sử dụng từ nhiều kỷ trước Những kỹ thuật chủ yếu sử dụng phương pháp thay ký tự ký tự khác dịch chuyển ký tự, chữ xếp theo trật tự Hệ mật mã DES xây dựng Mỹ năm 70 theo yêu cầu văn phòng quốc gia chuẩn (NBS) DES kết hợp phương pháp thay dịch chuyển DES thực khối rõ xâu 64 bit, có khóa xâu 56 bít cho mã xâu 64 bít Hiện DES biến thể 3DES sử dụng thành công nhiều lĩnh vực Trong hệ mật mã đối xứng có khóa chia sẻ bên tham gia liên lạc Cứ lần truyền tin bên truyền bên nhận phải thỏa thuận trước với khóa chung K, sau người gửi dùng e k để lập mã cho thông báo gửi người nhận dùng dk để giải mã Người gửi người nhận có chung khóa K, khóa bên giữ bí mật Độ an tồn hệ mật mã bí mật phụ thuộc vào khóa K, biết khóa K lập mã giải mã thông điệp *Ưu nhược điểm hệ mật mã khóa đối xứng Ưu điểm : Ưu điểm hệ mật mã khóa đối xứng tốc độ mã hóa/ giải mã nhanh xác Ví dụ mật mã DES có tốc độ mã/ giải mã 35Kb/s ; IDEA 70 Kb/s Mặt khác độ an toàn hệ mật chứng minh cao khơng gian khóa K đủ lớn Nhược điểm : Tuy nhiên nhiên nhược điểm hệ mật mã khóa đối xứng vấn đề phân phối khóa, trao đổi khóa phức tạp phải sử dụng đến kênh truyền tuyệt đối bí mật Điều bất lợi trung tâm muốn liên lạc với họ lại cách xa 1.3.2 Hệ mật mã khóa cơng khai Để khắc phục vấn đề phân phối thỏa thuận khóa mật mã khóa bí mật, năm 1976 Diffie Dellman đưa khái niệm mật mã khóa cơng khai phương pháp trao đổi khóa cơng khai để tạo khóa bí mật chung mà tính an tồn bảo đảm độ khó tốn học tính ‘Logarit rời rạc’ Hệ mật mã công khai sử dụng cặp khóa, khóa dùng để mã hóa gọi khóa cơng khai (Public key), khóa dùng để giải mã gọi khóa bí mật (Private key), ngun tắc khóa cơng khai khóa bí mật khác Một người có khả sử dụng khóa cơng khai để mã hóa tin có người có khóa bí mật giải mã tin Mật mã khóa cơng khai (Public key) hay cịn gọi mật mã bất đối xứng mơ hình mã hóa chiều sử dụng cặp khóa khóa riêng (Private key) khóa cơng khai (Public key) Khóa cơng khai dùng để mã hóa khóa riêng dùng để giải mã - Hệ thống mật mã hóa khóa cơng khai sử dụng với mục đích : + Mã hóa : giữ bí mật thơng tin có người có khóa bí mật giải mã + Tạo chữ ký số : cho phép kiểm tra văn có phải tạo với khóa bí mật hay khơng + Thỏa thuận khóa : Cho phép thiết lập khóa dùng để trao đổi thơng tin mật bên Directory of Public Keyss Public ALICE key P of Bob Hi Bob k Tập khóa K Asymmetric Cryptography Bản mã mã hóa Hình : Sử dụng khóa cơng khai P để mã hóa thông điệp Private key of Bob Hi Bob k Asymmetric Cryptography BOB Bản mã nhận thừ ALICE Hình : Sử dụng khóa riêng để giải mã thơng điệp Các hệ mật mã khóa cơng khai biết đến nhiều hệ RSA Trong hệ mật mã khóa cơng khai hệ RSA cộng đồng quốc tế chấp nhận ứng dụng rộng rãi *Ưu nhược điểm hệ mật mã khóa cơng khai Ưu điểm : Ưu điểm hệ mật mã khóa cơng khai giải vấn đề phân phối khóa trao đổi khóa thuận lợi Một số ứng dụng quan trọng phổ biến xác thực chữ ký số, mà hệ mật mã khóa đối xứng chưa giải Nhược điểm : Nhược điểm hệ mật khóa cơng khai tốc độ mã hóa/ giải mã chậm (chậm khoảng ngàn lần so với mật mã khóa đối, mã DES chẳng hạn) phải sử dụng đến số nguyên tố lớn trường hữu hạn Mặt khác, người ta tin tuân thủ theo chuẩn (của Mỹ) hệ mật khóa cơng khai RSA, Elgamal… có độ an tồn mật mã cao chưa có tác giả chứng minh điều Vì khóa cơng khai công bố cách rộng khắp nên ta có phải khóa ta cần khơng vâbs đề giải thủ tục xác thực X.509, Kerberos… ưu điểm hệ mật mã khóa cơng khai ứng dụng lĩnh vực chữ ký số, với kết hàm băm, thủ tục ký để đảm bảo tính tồn vẹn văn giải 1.4 HỆ RSA Hệ mật mã RSA, Rivest, Shamir, Adleman tìm ra, cơng bố lần vào tháng năm 1977 tạp chí Scientific American Hệ mật mã RSA sử dụng rộng rãi thực tiễn đặc biệt lĩnh vực bảo mật xác thực liệu số Tính bảo mật an tồn chúng đảm bảo tốn phân tích số nguyên thành thừa số nguyên tố 1.4.1 Định nghĩa Giả sử n=p.q p, q hai số nguyên tố lẻ khác Ф(n) hàm Ơle Hệ RSA định nghĩa sau : Cho P=C=Zn ; K= {(n,p,q,a,b) :ab ≡ mod Ф (n)} Với k=(n,p,q,a,b) xác định : b y= ek(x)=x mod n a dk(y)=y mod n (x,y Ỵ Zn) giá trị n, b công khai p, q, a bí mật 1.4.2 Kiểm tra quy tắc giải mã Do ab ≡ mod Ф (n), Ф (n)= (p-1)(q-1)= Ф (p) Ф (q) nên ab=1+t Ф (n), với t số nguyên khác Chú ý ≤ x < n *Giả sử (x,n)=1 ta có a b a y mod n ≡ (x ) mod n ≡ x.1 mod n=x ** Nếu (x,n) > d=p d=n a Nếu d=n x=0 đương nhiên y=0 Do y mod n=0 Giả sử d=p ≤ x < n nên x=p a ab ab Ta có y mod n = x mod n ≡ p mod n ab Ký hiệu u=p mod n ab Thế u+kn=p , ≤ x < n hay u+kpq=p ab ab Do u=p(p - kq) Vế phải chia hết cho p nên vế trái chia hết cho p, nghĩa u phải chia hết cho p Nhưng ≤ u < n nên u=0 u=p Nếu u=0 p ab-1 chia hết cho q Suy p chia hết cho q Vơ lý p,q hai số ngun tố khác Thế u=p=x, tức y mod n=x a b a Vậy (x ) mod n=x, với x Î [1,n-1] 1.4.3 Độ an toàn hệ RSA b Độ ăn toàn hệ RSA dựa hy vọng hàm mã hóa e k(x)=x mod n chiều, từ đối phương khơng thể tính tốn giải mã Vấn đề mấu chốt phân tích n=p.q ( với p, q hai số nguyên tố ) biết p,q tính Ф (n) sau tính a nhờ hàm Ơclit mở rộng Cho đến người ta thấy tốn phân tích n=p.q khó (n lớn) nên tính an tồn RSA đảm bảo 1.4.4 Thực RSA Việc thiết lập RSA Bob tiến hành theo bước sau : - Sinh hai số nguyên tố lớn p q - Tính n=p.q Ф (n)=(p-1)(q-1) - Chọn ngẫu nhiênb (0