Nghiên cứu tìm hiểu chuẩn chứ ký số DSS và ứng dụng trong chính phủ điện tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THƠNG NƠNG HẠNH PHÚC NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CHUẨN CHỮ KÝ SỐ DSS VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHÍNH PHỦ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NƠNG HẠNH PHÚC NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CHUẨN CHỮ KÝ SỐ DSS VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHÍNH PHỦ ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ VĂN CANH Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thực thân, hướng dẫn khoa học TS Hồ Văn Canh Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Tất nội dung tham khảo, kế thừa tác giả khác trích dẫn đầy đủ Em xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tác giả Nông Hạnh Phúc ii LỜI CẢM ƠN Học viên trân trọng cảm ơn quan tâm, tạo điều kiện động viên Lãnh đạo Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông, Đại học Thái Nguyên, thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học, khoa đào tạo quý phòng ban Học viện suốt thời gian qua Học viên xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới TS Hồ Văn Canh nhiệt tình định hướng, bồi dưỡng, hướng dẫn học viên thực nội dung khoa học suốt trình nghiên cứu, thực luận văn Xin chân thành cảm ơn động viên, giúp đỡ to lớn từ phía Cơ quan đơn vị, đồng nghiệp gia đình hỗ trợ học viên suốt trình triển khai nội dung nghiên cứu Mặc dù học viên cố gắng, nhiên, luận văn không tránh khỏi thiếu sót Học viên kính mong nhận đóng góp từ phía Cơ sở đào tạo, q thầy cơ, nhà khoa học để tiếp tục hồn thiện tạo sở cho nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 2020 Học viên Nông Hạnh Phúc năm iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG AN TỒN THƠNG TIN TRONG CHÍNH PHỦ ĐIỆN TỬ 1.1 Khái quát phủ điện tử 1.1.1 Hệ thống hành 1.1.2 Chính phủ điện tử 1.1.3 Nguy an tồn thơng tin CPĐT .9 1.2 Mã hóa liệu 10 1.2.1 Hệ mã hóa .10 1.2.2 Phân loại 11 1.3 Chữ ký số 13 1.3.1 Khái niệm chữ ký số .13 1.3.2 Phân loại lược đồ chữ ký số 15 1.3.3 Phương pháp công chữ ký số 18 1.3.4 Tình hình ứng dụng chữ ký số 18 Kết luận chương 22 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN CHỮ KÝ SỐ 23 2.1 Hàm băm 23 2.1.1 Định nghĩa .23 2.1.2 Đặc tính 24 2.1.3 Tính chất 24 2.1.4 Một số hàm băm phổ biến .25 2.1.5 Hàm băm chữ ký số 34 2.2 Một số lược đồ chữ ký số đơn giản 35 2.2.1 Lược đồ ký RSA 35 2.2.2 Lược đồ ký Elgamal 37 2.3 Thuật toán chữ ký số đường cong Elliptic .39 2.3.1 Một số kiến thức toán học đường cong Elliptic 40 iv 2.3.2 Mơ tả thuật tốn 44 2.3.3 Tính bảo mật chữ ký số ECDSA 47 2.4 Thuật toán chữ ký số chuẩn DSA/DSS 48 2.4.1 Giới thiệu thuật toán 48 2.4.2 Mơ tả thuật tốn 49 2.4.3 Tính bảo mật DSS 51 Kết luận chương 52 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP CHỮ KÝ SỐ ỨNG DỤNG TRONG CHÍNH PHỦ ĐIỆN TỬ 53 3.1 Mục đích, yêu cầu 53 3.2 Lựa chọn giải pháp 54 3.2.1 Giải pháp chữ ký số 54 3.2.2 Giải pháp Chat chữ ký số 56 3.2.3 Giải pháp kết hợp kỹ thuật giấu tin ảnh chữ ký số 56 3.3 Xây dựng giải pháp thực nghiệm 58 3.3.1 Giải pháp Chat ứng dụng chữ ký số 58 3.3.2 Giải pháp kết hợp kỹ thuật giấu tin ảnh chữ ký số 60 3.4 Đề xuất áp dụng lĩnh vực phủ điện tử 64 Kết luận chương 65 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC .68 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết tắt ANSI AES API C CNSS CSA DSS DSA/DSS E, D GCD GF(P) GF(2) IT ISO IEC K NIST NSA P ϕ(n) (p, q) n x y k' k '' s r vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân loại hệ mật 11 Hình 1.2: Sơ đồ mật mã đối xứng 11 Hình 1.3: Hệ thống mã khóa khóa cơng khai 13 Hình 1.4: Phân loại lược đồ ký 15 Hình 1.5: Mơ hình lược đồ chữ ký kèm thơng điệp 16 Hình 1.6: Mơ hình lược đồ chữ ký khôi phục thông điệp .17 Hình 2.1: Minh họa hàm băm 23 Hình 2.2: Một thao tác MD5 27 Hình 2.3: Xử lý thơng tin SHA-1 33 Hình 2.4: Hệ sinh chữ ký điện tử có sử dụng hàm băm 34 Hình 2.5: Hàm băm kiểm tra tính tồn vẹn liệu .35 Hình 2.6: Phép cộng đường cong Elliptic 42 Hình 2.7: Sơ đồ chữ ký DSA/DSS 49 Hình 3.1: Lược đồ ký RSA 54 Hình 3.2: Tạo khóa cho lược đồ ký .54 Hình 3.3: Tạo chữ ký số 55 Hình 3.4: Mơ tả q trình kiểm tra chữ ký số 56 Hình 3.5: Giao diện máy Cliente A, B, C 59 Hình 3.6: Chức tạo khóa .59 Hình 3.7: Trao đổi thơng tin Chat ứng dụng chữ ký số 60 Hình 3.8: Giao diện Giải pháp kết hợp giấu tin ảnh chữ ký số .61 Hình 3.9: Chức tạo chữ ký số file ảnh có giấu tin 62 Hình 3.10: Kiểm tra chữ ký số hợp lệ 63 Hình 3.11: Kiểm tra chữ ký số khơng hợp lệ 63 54 3.2 Lựa chọn giải pháp 3.2.1 Giải pháp chữ ký số Luận văn nghiên cứu xây dựng lược đồ chữ ký số mật mã khóa cơng khai RSA 1024 bit Nội dung chi tiết trình bày chương Các chức lược đồ ký thể sau: Hình 3.1: Lược đồ ký RSA + Chức tạo khóa: Hình 3.2: Tạo khóa cho lược đồ ký 55 + Chức ký: Sau lựa chọn tin thông điệp để ký, thuật tốn tiến hành ký lên thơng điệp Hình 3.3: Tạo chữ ký số Sau ký bên gửi gửi tin cho bên nhận + Chức giải ký: Bên nhận tiến hành thuật toán giải ký kiểm tra tính tồn vẹn liệu ký thơng qua liệu thơng tin nhận kiểm tra so sánh giá trị hàm băm đính kèm để kết luận hợp lệ hay khơng hợp lệ 56 Hình 3.4: Mơ tả q trình kiểm tra chữ ký số 3.2.2 Giải pháp Chat chữ ký số Luận văn tiến hành xây dựng giải pháp Chat cho thành viên liên lạc với Mỗi thành viên cấp user mật kèm để đăng nhập vào hệ thống Server quản lý Mỗi phiên liên lạc đầu mối tiến hành đăng nhập cấp cặp khóa (bí mật cơng khai) để trao đổi thơng tin với theo thuật tốn ký trình bày Theo người cấp khóa (nạp khóa) liên lạc hợp lệ với Trường hợp lại liệu tính khơng hợp lệ 3.2.3 Giải pháp kết hợp kỹ thuật giấu tin ảnh chữ ký số Tác giả lựa chọn thuật tốn ký theo mơ hình RSA kết hợp với hàm băm để xác minh tính hợp lệ thơng điệp ký Tuy nhiên phạm vi luận văn này, tác giả đề xuất cải tiến lược đồ cách ứng dụng kỹ thuật giấu tin ảnh để kiểm tra tính tồn vẹn liệu ảnh nhận Giải pháp có ưu điểm trội sau: 57 Che giấu tồn thơng tin: Thay trao đổi thơng tin + ta gửi ảnh có chứa nội dung thơng tin Tăng độ an tồn liệu người có khóa dấu tin + giải mã thơng tin Kết hợp ký với giấu tin ảnh hướng mới, phổ biến nên + an tồn trước kẻ công Trong phạm vi luận văn đề xuất lựa chọn giải pháp ký RSA kết hợp giấu tin ảnh jpg sử dụng thuật toán giấu F5 ưu điểm dung lượng định dạng jpg Lấy phần thể RGB ảnh đầu vào (lấy giữ liệu ảnh) Biến đổi miền liệu ảnh sang miền tần số DCT sau lượng tử hóa hệ số DCT theo Q ta hệ số DCT lượng tử Tính khả nhúng khơng sử dụng matrix encoding C = hDCT − h DCT 64 − h(0)− h(1)+ 0,49h , đó: hDCT tổng số hệ số DCT; h(0) số hệ số AC DCT h(1) hệ số AC DCT có trị tuyệt đối h DCT số hệ số DC; − h(1)+ 0,49h = −0,5h ước lượng mức độ hao hụt 64 Mật người dùng sử dụng để tạo khởi tạo giải ngẫu nhiên PRNG để định nhúng bit thông điệp vào vị trí ngẫu nhiên PRNG thường sử dụng để phát sinh dòng bit giả ngẫu nhiên phép XOR với thơng điệp tạo dịng bit ngẫu nhiên Trong q trình nhúng, hệ số DC hệ số thường bỏ qua Thông điệp chia thành đoạn gồm k bit, đoạn nhúng vào nhóm hệ số DCT 2k −1 theo bước giả ngẫu nhiên Nếu giá trị băm nhóm khơng phù hợp với bit thơng điệp giá trị tuyệt đối 58 hệ số nhóm bị giảm cho phù hợp Nếu hệ số trở thành (hệ số gọi điểm hội tụ- shrinkage), bà k bit thơng điệp nhúng nhóm hệ số DCT Nếu độ dài thông điệp phù hợp với khả giấu ảnh q trình giấu thành công, ngược lại thông báo lỗi cho biết độ dài lớn ảnh giấu để điều chỉnh thông điệp giấu thay đổi ảnh dùng để giấu thông điệp 3.3 Xây dựng giải pháp thực nghiệm 3.3.1 Giải pháp Chat ứng dụng chữ ký số Việc cài đặt tổ chức mơ hình liên lạc tiến hành Server để cung cấp dịch vụ (file chạy server.exe), cài đặt ứng dụng Chat máy client theo mơ hình Server-client (file chạy ClientDSS.exe) Trước tiên cần khởi động cho Server hoạt động cách chọn Start, sau máy Client đăng nhập vào hệ thống Để thực nghiệm tính hệ thống, ta tiến hành đăng nhập với tài khoản người dùng A, B, C hệ thống máy chủ Khi trên Server hiển thị toàn tài khoản hoạt động, đồng thời giao diện tài khoản hiển thị danh bạ tài khoản khác hoạt động cho phép người dùng lựa chọn để liên lạc 59 Hình 3.5: Giao diện máy Cliente A, B, C 3.3.1.1 Chức tạo nạp khóa Sau kết nối, đầu mối hệ thống gửi liệu cho giống mạng Chat thông thường Tuy nhiên liệu nhận chưa ký nên hiển thị thông báo “Không hợp lệ” Trường hợp A muốn gửi thơng báo có ký hợp lệ cho B, trước tiên A phải nạp khóa bí mật B phải nạp khóa cơng khai A Hình 3.6: Chức tạo khóa 60 Tương tự, để A nhận liệu hợp lệ B B phải nạp khóa bí mật A nạp khóa cơng khai B Như để A B trao đổi thơng tin hợp lệ A B cần phải nạp khóa theo giải thuật tạo khóa trình bày mục 3.1.1 3.3.1.2 Chức ký giải ký Sau nạp khóa, A lựa chọn thơng điệp cần gửi thuật toán tiến hành ký A giải ký B để thị thông báo hợp lệ B theo thuật toán ký giải ký trình bày phần Trường hợp thơng tin bị thay đổi sửa chữa tức không đảm bảo tính tồn vẹn liệu, hệ thống hiển thị thông báo không hợp lệ sau tiến hành giải ký so sánh hàm băm Hình 3.7: Trao đổi thông tin Chat ứng dụng chữ ký số 3.3.2 Giải pháp kết hợp kỹ thuật giấu tin ảnh chữ ký số Giả sử trường hợp xấu nhất, phiên liên lạc Chat A B, kẻ lạ mặt đột nhập chiếm toàn quyền sử dụng A, tức có tồn 61 tham số mật mã để A B trao đổi hợp lệ qua lược đồ ký Khi kẻ mạo danh gửi liệu cho B, theo lược đồ ký phổ biến B khơng thể phát liệu giả mạo Vì trường hợp này, tác giả đề xuất sử dụng thêm ứng dụng để phát điều đó, khơng dùng phương pháp phổ biến so sánh giá trị băm tóm lược mà áp dụng kỹ thuật ẩn giấu thông tin để kiểm tra tính tồn vẹn, tác giả có số kết nghiên cứu kỹ thuật ẩn giấu thông tin ảnh Một ảnh trước ký giấu thơng tin bí mật đó, ảnh ký có bị sửa chữa hay can thiệp giải mã thông điệp giấu Dựa vào điểm ta kiểm tra tính toàn vẹn liệu cách hiệu đơn giản 3.3.2.1 Giao diện Để thuận tiện, tác giả tiến hành xây dựng tích hợp giải pháp giải pháp Chat Hình 3.8: Giao diện Giải pháp kết hợp giấu tin ảnh chữ ký số 62 3.3.2.2 Chức tạo khóa Việc tạo khóa thực trình bày Để ký giải ký, người gửi cần nạp khóa bí mật mình, đồng thời bên nhận phải nạp khóa cơng khai người gửi Khóa sinh theo thuật tốn ký số trình bày Mặt khác theo thuật toán giấu tin, cần nạp khóa bí mật Trong chương trình ứng dụng, để đơn giản, luận văn lựa chọn phương pháp tạo khóa cách chọn ký tự đoạn đầu văn nhập vào để làm mầm khóa cho thuật toán giấu tin 3.3.2.3 Chức tạo chữ ký Quá trình giấu tin ảnh tác giả tổ chức với chức tạo chữ ký số ảnh có giấu tin Trước tiên cần nạp khóa bí mật người gửi lược đồ ký Sau lựa chọn ảnh đầu vào thông tin nội dung chữ ký Chương trình chạy thuật tốn giấu tin F5 ký số Hình 3.9: Chức tạo chữ ký số file ảnh có giấu tin Sau chọn ký file ta có chữ ký file ảnh jpg có chứa tin bên gửi cho người nhận 63 3.3.2.4 Chức kiểm tra chữ ký Người nhận nhận file ký giải ký khóa cơng khai người gửi Đồng thời chương trình tính tốn kiểm tra tính tồn vẹn thơng điệp cách so sánh mã hàm băm Nếu chúng giống kết luận hợp lệ, có nghĩa đảm bảo tính tồn vẹn Hình 3.10: Kiểm tra chữ ký số hợp lệ Trường hợp ngược lại, chúng khác hiển thị khơng hợp lệ Hình 3.11: Kiểm tra chữ ký số khơng hợp lệ 64 3.4 Đề xuất áp dụng lĩnh vực phủ điện tử Trong thực tiễn cơng tác ln cho thấy bên cạnh giải pháp phủ điện tử tổng thể cần có giải pháp mang tính hỗ trợ cho người dùng, trực tiếp cán bộ, nhân viên, người dân Hai giải pháp đề xuất luận văn tiếp tục cải tiến Tuy nhiên nhận thức rõ dịch vụ điện tử để sử dụng, không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo chuẩn mật mã, mà cần cấp phép quan chuyên trách có thẩm quyền, theo quy định điều khoản Luật an tồn thơng tin Giải pháp Chat trang bị đầy đủ đưa vào ứng dụng thực tiễn Do đó, thời gian tới, học viên tập trung nghiên cứu giải pháp Chat nhằm cải tiến để đưa vào ứng dụng thử đơn vị Sở Giáo dục Đào tạo Nếu triển khai, giải pháp Chat tương đối thân thiện, dễ dàng quản lý sử dụng Ta biết thân lược đồ chữ ký số đảm bảo tinh an toàn xác thực thơng điệp mà khơng có tinh chất bảo mật Do vậy,với giải pháp kết hợp kỹ thuật giấu tin ảnh chữ ký số cách tiếp cận tương đối mới, sử dụng kết hợp với giải pháp sẵn có, để trao đổi thơng điệp có u cầu độ bí mật cao 65 Kết luận chương Với mục tiêu, yêu cầu cần tổ chức xây dựng lược đồ chữ ký số sử dụng mật mã khóa cơng khai, tồn nội dung chương trình bày cách thức lựa chọn giải pháp tổng thể đến lựa chọn giải pháp xây dựng ứng dụng Từ kết tảng đạt đó, học viên mạnh dạn đề xuất phát triển xây dựng, tích hợp lược đồ ký hai sản phẩm có tính ứng dụng cao, phù hợp đáp ứng phần nhu cầu sử dụng; học viên mạnh dạn đề xuất số hướng ứng dụng sản phẩm trên, góp phần trong thực tiễn cơng tác Tuy nhiên cần thấy rằng, để triển khai ứng dụng thực tiễn, cần phát triển giải pháp theo hướng tổng thể bao gồm việc xây dựng hệ thống hạ tầng, triển khai thiết bị an toàn phần cứng cần tiếp tục phát triển sản phẩm theo hướng đa dạng giải pháp loại hình liên lạc để đáp ứng tốt nhu cầu, yêu cầu kỹ thuật, nghiệp vụ quy định pháp luật 66 KẾT LUẬN Luận văn “Nghiên cứu tìm hiểu chuẩn chữ ký số DSS ứng dụng phủ điện tử” hồn thành đạt số kết sau: Đã tổ chức nghiên cứu tổng quan phủ điện tử nguy an ninh an toàn triển khai sử dụng Từ cách tiếp cận giải pháp khắc phục, học viên trình bày kết nghiên cứu kỹ thuật mật mã lược đồ ký để bảo mật thơng tin cách bí mật, toàn vẹn, xác thực, sẵn sàng chống chối bỏ trao truyền qua internet Nghiên cứu cho thấy ứng dụng rộng rãi không quan, tổ chức nhà nước, doanh nghiệp mà phổ biến tất chủ thể tham gia hoạt động kinh tế, trị, xã hội, người dân Dựa sở lý thuyết toán học, luận văn tiến hành nghiên cứu hàm băm, gồm thuật toán MD, SHA nội dung quan trọng để sử dụng lược đồ ký Tiếp luận văn mơ tả tồn q trình sinh khóa, tạo chữ ký giải ký số thuật toán ký Đồng thời phân tích, nghiên cứu đánh giá độ an tồn hệ chữ ký số Phần nội dung luận văn, học viên sử dụng kiến thức công nghệ phần mềm, công nghệ mạng để xây dựng chương trình chữ ký số với đầy đủ chức theo yêu cầu đề Trên sở đạt được, học viên tiếp tục mạnh dạn sâu nghiên cứu phát triển, tích hợp giải thuật chữ ký số hai sản phẩm ứng dụng Giải pháp Chat chữ ký số Giải pháp chữ ký số cải tiến sử dụng kỹ thuật giấu tin ảnh thay cho sử dụng hàm băm lược đồ ký, để kiểm tra tính tồn vẹn thơng tin (định dạng ảnh jpg) nhận Học viên tiến hành thực nghiệm, đánh giá chất lượng sản phẩm xây dựng đề xuất ứng dụng số hướng phát triển nghiên cứu 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Chính phủ, “Nghị số 17/NQ-CP số nhiệm vụ, giải pháp trọng tâm phát triển phủ điện tử giai đoạn 2019-2020 định hướng đến năm 2025”, 2019 [2] Đỗ Minh Đức, Hồ Văn Canh, “Nghiên cứu xây dựng giải pháp giấu tin đơn giản, an toàn”, 2011 [3] Lê Thị Hà, Bùi Thế Hồng “Sơ đồ định danh mật chữ ký số ứng dụng thương mại điện tử”, Đại học Thái Nguyên, 2012 [4] Nguyễn Huy Thắng, Trần Đình Quế “Nguyên cứu chữ ký số ứng dụng hóa đơn điện tử VNPT Hà Nội”, Học viện cơng nghệ Bưu viễn thơng, 2013 [5] Phạm Thị Tâm, Đoàn Văn Ban, “Một số thuật toán chữ ký số ứng dụng bảo mật liệu điện tử”, Đại học Thái Nguyên, 2017 [6] Trịnh Nhật Tiến, Bài giảng “Một số vấn đề an tồn liệu” Đại học cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004 [7] Trần Danh Đại, Hồ Văn Hương, “Nghiên cứu chữ ký số ứng dụng quản lý tài liệu lưu trữ quốc gia”, 2015 Tiếng Anh [8] A K Jain, “Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice – Hall”, 1989 [9] J BUCHMANN, “The Digital Signature Algorithm”, 2001 [10] D Johnson, A Menezes And S Vanstone, 1554, The Eliptic, Curve Digital Signature Algorithm, Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, 2005 68 PHỤ LỤC Phụ lục mã nguồn sản phẩm (được gửi kèm đĩa CD) Chương trình hệ chữ ký số Chương trình Chat sử dụng chữ ký số Chương trình kiểm tra chữ ký số ảnh ... sắc Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng số lược đồ chữ ký số lĩnh vực phủ điện tử - Nghiên cứu số vấn đề bảo mật liệu triển khai phủ điện tử Từ sâu tìm hiểu phương pháp bảo... hai thuật tốn ký thuật toán chữ ký số đường cong Elliptic thuật toán chữ ký số chuẩn DSA /DSS Chương 3: Nghiên cứu xây dựng số giải pháp chữ ký số ứng dụng Chính phủ điện tử Nghiên cứu xây dựng... phủ điện tử việc ứng dụng chữ ký số, nguy an ninh an tồn phủ điện tử Đồng thời phân tích ưu, nhược điểm, tình hình triển khai nghiên cứu ứng dụng sử dụng phủ điện tử giới Việt Nam Chương 2: Nghiên