Đồ án Bảo mật thông tin - Digital Signature

Đồ Án Môn Bảo Mật Thông Tin Digital Signature GVHD: Th.s Lê Phúc Nhóm thực hiện: Nguyễn Thị Huyền Trần Thị Thu Hồng Trần Quốc Việt Digital Signature 2 Mục lục: I. Tổng quan: 1. Giới thiệu 2. Chữ ký số II. Kiến thức nền tảng: 1. Thuật ngữ 2. Mã hóa đối xứng 3. Mã hóa bất đối xứng 4. Hàm băm 5. Giải thuật SHA-1 III. Thuật toán tạo chữ ký số 1. Giải thuật DSA 2. Giải thuật RSA IV. Phụ lục 1. SHA-256 2. SHA-384 và SHA-512 3. Thuật toán kiểm tra số nguyên tố. 4. Thuật toán sinh 2 số nguyên tố p và q trong giải thuật DSA V. Ví dụ 1. SHA-1 2. DSA 3. RSA Digital Signature 3 VI. Chương trình minh họa 1. Các chức năng chính 2. Sơ lược về việc ký và xác minh 3. Giao diện chương trình Tài liệu tham khảo. Digital Signature 4 I. Tổng quan: I.1.Giới thiệu: Mạng máy tính ra đời giúp con người có thể trao đổi thông tin một cách thuận lợi hơn, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng lớn và đa dạng, các tiến bộ về khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển ứng dụng để nâng cao chất lượng và lưu lượng truyền tin thì các quan niệm ý tưởng về biện pháp bảo vệ an toàn thông tin cũng được đổi mới. An toàn thông tin bao gồm các nội dung sau:  Tính bí mật: tính kín đáo riêng tư của thông tin.  Tính xác thực: bao gồm xác thực đối tác, xác thực thông tin trao đổi.  Tính trách nhiệm: bảo đảm người gởi không thoái thác trách nhiệm về thông tin mình đã gởi.  Tính toàn vẹn: thông điệp nhận được không bị thay đổi một cách ngẫu nhiên hay cố ý. Bảo vệ an toàn thông tin là một chủ đề rộng liên quan đến nhiều lĩnh vực và trong thực tế có nhiều phương pháp để thực hiện bảo vệ an toàn thông tin. Phương pháp đạt hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay là bảo vệ an toàn thông tin bằng biện pháp thuật toán (Mật mã thông tin). Mật mã thông tin là việc biến đổi thông tin thành một dạng khác nhằm che dấu nội dung, ý nghĩa thông tin. Ngày nay, rất nhiều ứng dụng mã hóa và bảo mật thông tin được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trên thế giới như an ninh, quân sự, quốc phòng... cho đến các ứng dụng thương mại điện tử ngân hàng... Trong những năm gần đây sự phát triển của khoa học máy tính và Internet càng cho thấy tầm quan trọng của mật mã thông tin. Ứng dụng của mật mã thông tin không chỉ đơn thuần là mã hóa và giải mã thông tin nó còn được dùng trong việc chứng thực nguồn gốc thông tin, xác thực người sở hữu mã hóa, các quy trình giúp trao đổi thông tin và thực hiện trao đổi an toàn trên mạng. Sự phát triển nhanh chóng của Internet đã kéo theo một loạt các dịch vụ mới ra đời như trò chuyện, quảng cáo, đặt hàng, mua hàng... qua Internet. Trong số đó thì các dịch vụ thương mại điện tử là một bước nhảy vọt trong việc ứng dụng của Internet vào cuộc sống và kinh doanh.  Ưu điểm: việc trao đổi thông tin, dữ liệu không cần qua giấy tờ, tiện lợi trong giao dịch.  Nhược điểm: vấn đề xác thực nguồn gốc và nội dung thông tin. I.2. Chữ ký số (Digital Signature): Digital Signature 5 Là một kỹ thuật giúp sự phát triển của thương mại điện tử, giúp việc trao đổi dữ liệu được tin cậy hơn. Chữ ký số chứng minh rằng một thông điệp đã thực sự được gởi được chính người gởi mà không phải của kẻ khác giả mạo. Khi sử dụng chữ ký số ta có thể kiểm tra được tính xác thực của thông điệp. Nó không chỉ kiểm tra được thông tin về người gởi mà còn có thể kiểm tra được cả thông tin về thông điệp, giúp ta có thể biết được thông điệp có bị giả mạo hay can thiệp gì không trong quá trình vận chuyển. Chữ ký số cung cấp các chức năng quan trọng như: tính xác thực (authentication), tính bí mật (confidentiatly), tính toàn vẹn dữ liệu (data integrity), tính không thoái thác (non-repudiation).  Quy trình tạo và xác minh chữ ký số: Hình 1- Những xử lý trong mô hình chữ ký số. Tạo chữ ký số Xác minh chữ ký số Message/Data Hash function Message Digest Message/Data Hash function Message Digest Sinh chữ ký số Private Key Chữ ký Xác minh chữ ký số Public Key Hợp lệ hay không hợp lệ Digital Signature 6 II. Kiến thức nền tảng: II.1 Thuật ngữ:  Message/Data: thông điệp dữ liệu ban đầu chưa qua quá trình xử lý (plaint-text).  CA (Certification Authority): một thực thể trong hạ tầng khóa công khai (PKI) đảm nhiệm việc cấp phát chứng chỉ và những đòi hỏi từ chính sách PKI.  PKI (Public Key Infrastructure): một cơ cấu được tổ chức để cấp phát, duy trì, và loại bỏ những chứng chỉ khóa công cộng.  Hash function: là hàm ánh xạ từ một chuối bit có kích thước tùy ý sang một chuỗi có kích thước cố định.  Message Digest: kết quả của sự tính toán hàm băm trên thông điệp nguồn (cũng được hiểu như là hash value).  Key pair: cặp public key và private key.  Private key: là một khóa trong thuật toán mã hóa bất đối xứng. Trong chữ ký số khóa này có mối quan hệ toán học với public key và không được công khai. Private key thường dùng để tạo chữ ký số và được xác minh bằng public key tương ứng.  Public key: là một khóa trong thuật toán mã hóa bất đối xứng. Khóa này có quan hệ toán học với private key và được công khai. Đối với chữ ký số, public key được dùng để xác minh chữ ký đã được ký với private key tương ứng. II.2 Mã hóa đối xứng (Symmetric Cryptography): Người gởi và người nhận sẽ dùng chung một khóa để mã hóa và giải mã dữ liệu. Trước khi mã hóa dữ liệu gởi đi trên mạng người gởi và người nhận phải thống nhất khóa và thuật toán mã. Một số thuật toán ứng dụng của mã hóa bí mật: DES, 3DES, RC2, RC4...  Ưu điểm:  Có thể hỗ trợ bằng phần cứng, đạt hiệu quả cao. Khóa tương đối ngắn.  Có thể kết hợp để tạo ra các thuật toán mã hóa mạnh hơn.  Nhược điểm:  Trong quá trình truyền thông giữa hai người cần phải giữ bí mật cho cả hai phía.  Trong một mạng lớn thì số lượng khóa cần quản lý rất nhiều, do vậy để quản lý hiệu quả cần có một bên thứ ba tin cậy.  Khóa bí mật cần được trao đổi thường xuyên. II.3 Mã hóa bất đối xứng (Asymmetric Cryptography) Digital Signature 7 Hay còn gọi là phương pháp mã hóa công khai giải quyết được vấn đề phải trao đổi khóa bí mật của mã hóa đối xứng. Với phương pháp mã hóa công khai mỗi thực thể duy trì 2 khóa là public key và private key. Public key được công khai trên mạng trong khi Private Key thì được giữ kín. Hai khóa này có quan hệ với nhau nhưng tính năng thì trái ngược nhau, một khóa dùng cho việc mã hóa, còn khóa kia dùng cho việc giải mã.  Ưu điểm:  Chỉ có Private key cần được giữ bí mật với điều kiện việc công khai Public key cần được đảm bảo.  Cặp khóa riêng và công khai có thể sử dụng trong thời gian dài.  Nhiều mô hình khóa công cộng được phát triển hình thành nên các kỹ thuật chữ ký số hiệu quả  Trong mạng lớn số lượng khóa quan tâm ít hơn nhiều so với việc dùng khóa đối xứng.  Khuyết điểm:  Tốc độ cho các phương thức mã hóa công khai chậm hơn rất nhiều so với các mô hình mã hóa đối xứng.  Kích thước khóa lớn hơn rất nhiều so với mã hóa đối xứng.  Không có mô hình mã hóa công khai nào được chứng minh là an toàn. Phần lớn các mô hình mã hóa hiện nay có sự an toàn dựa trên các giả thuyết của của một tập nhỏ các vấn đề lý thuyết số học.  Không có bề dày lâu đời như hệ mã hóa đối xứng, nó chỉ được tìm ra vào những năm 1970. II.4 Hàm băm (hash function): Hash function ánh xạ giữa một thông điệp có chiều dài bất kì thành một giá trị băm có kích thước cố định (message digest). Dùng với mục đích xác thực thông điệp. II.4.1 Điều kiện xác thực Trong quá trình truyền dữ liệu qua mạng có một số loại hình tấn công sau:  Mạo danh (Masquerade): gởi những thông điệp vào mạng từ nguồn giả. Đây là việc tạo các thông điệp từ một thực thể nào đó mà đã được xác thực.  Chỉnh sửa nội dung (content-modification): việc thay đổi nội dung của thông điệp như là thêm, sửa, xóa.  Chỉnh sửa thứ tự (Sequence-modification): chỉnh sửa thứ tự các thông điệp gởi giữa thực thể như là việc thêm, sửa, sắp xếp lại.  Chỉnh sửa thời gian (timing-modification): làm trì hoãn hay phát lại thông điệp.  Nguồn từ chối (Source Repudiation): nguồn từ chối đã truyền thông điệp. Digital Signature 8  Đích từ chối (Destination Repudiatin): đích từ chối nhận thông điệp. Nói chung, việc xác thực thông điệp là một thủ tục để xác minh tính thông điệp nhận được từ một nguồn hợp lệ và không bị thay đổi. Xác thực thông điệp cũng có thể xác minh thứ tự và tính hơp thời của thông điệp. Chữ ký số cũng là một kỹ thuật xác thực có khả năng chống lại tính chối cãi của nguồn. II.4.2 Hash function Hàm băm một chiều là một loại mã xác thực. Chấp nhận đầu vào là một thông điệp có chiều dài bất kì và đầu ra là một mã băm có chiều dài cố định, gọi là hash code H(M). Không giống với MAC (Message Authentication Code), hàm băm không dùng khóa để tính mã xác thực, thay vào đó là một hàm được thao tác trên thông điệp. II.4.3 Tính bảo mật của hàm băm Đối với hệ mã hóa đồng bộ và bất đồng bộ, ta có thể chia cách tấn công vào hàm băm thành hai loại chính là: Brute force và phân tích (cryptanalysis). II.4.3.1 Brute force attack: Độ mạnh của hàm băm phụ thuộc vào độ dài của hash code khi sinh ra bởi thuật toán. Một vài thuộc tính của hàm băm:  One way (một chiều): cho giá trị h, không thể tìm ra x để H(x)=h. Cần thử 2n lần.  Đụng độ yếu (weak conllistion restriction): cho trước khối x, không thể tìm khối y ≠ x sao cho H(y) = H(x). Cần thử 2n lần.  Đụng độ mạnh (strong collistion restriction): không thể tìm thấy một cặp (x,y) sao cho H(x)=H(y). Cần thử 2n/2 lần. Muốn chống lại đụng độ mạnh (điều này xem là mục đích bảo mật chính của hàm băm), giá trị 2n/2 dùng để xác định độ mạnh của hàm băm chống lại brute force attack. II.4.3.2 Cryptanalysis Ngoài ra còn một cách tấn công nữa là tìm lỗ hổng của giải thuật để tấn công MAC hay hàm băm, việc tấn công này không cần phải vét cạn như vậy số lần thử trong cách phân tích luôn nhỏ hơn hoặc bằng với brute force. II.5 Giải thuật hàm băm bảo mật SHA  Hàm băm (hash function) hiệu quả trong quá trình xác thực thông điệp, xem như là một fingerprint cho thông tin. Một giá trị h được sinh bởi hàm H có dạng: h=H(M)  Trong đó M là thông điệp có chiều dài tùy ý, h gọi là giá trị băm có chiều dài cố định. Giá trị băm này được đính kèm với thông điệp nguồn, bên nhận sẽ xác thực Digital Signature 9 thông điệp đó thông qua việc tính toán lại giá trị băm. Do bản thân hàm băm tự nó không bí mật nên cần có biện pháp bảo vệ giá trị băm. Thuật toán SHA: có 4 thuật toán: SHA-1, SHA-256, SHA-384 và SHA-512. Đây là những hàm băm một chiều (one-way hash function) có thể xử lý một thông điệp để tạo ra Message Digest. Những giải thuật này đảm bảo tính toàn vẹn của thông điệp: bất kì sự thay đổi nào trong thông điệp gốc sẽ có khả năng phát hiện ra sự thay đổi đó. Điều này rất có ý nghĩa trong vấn đề tạo và xác minh chữ ký số. Mỗi thuật toán SHA đều trải qua 2 quá trình đó là tiền xử lý và tính toán hash value. Tiền xử lý bao gồm quá trình: padding, chia thông điệp sau khi thêm bit thành N blocks m-bits, khởi tạo một số giá trị cho việc tính giá trị băm (W, H[i], K). Tiếp đó là quá trình tính toán tìm giá trị băm thông qua một quy trình lặp. Sự so sánh giữa các giải thuật SHA: Hình 2- Các thuộc tính của SHA Chi tiết giải thuật SHA-1: ( Các giải thuật SHA-2 xem trong phần phụ lục) Block size: 512 bits=64bytes Word size=32 bits Message Digest=160bits Message size < 2 64 .  Thêm bit (padding) Giả sử chiều dài của thông điệp M là ℓ bits. Thêm bit “1” vào sau chuỗi, tiếp đó là k bit 0 (k≥0) sao cho k này là nhỏ nhất thỏa điều kiện sau: ℓ+1+k ≡ 448 mod 512. Phần còn lại là 64 bits để mô tả chiều dài thực của thông điệp M ℓ bits. Ví dụ: giả sử M=”abc”. Vậy ℓ=24, M thêm 1 bit 1 và 448-ℓ-1=448-24-1=423 bits 0. Sau đó thêm 64bits còn lại mô tả chiều dài chuỗi. Digital Signature 10 Điều này tương tự với các thông điệp có kích thước nhiều khối, sau khi thêm thì chiều dài thông điệp chia hết cho 512.  Chia nhỏ thông điệp đã thêm bit: Sau khi thông điệp được thêm bit nó cần được chia thành những khối 512 bits (độ dài này tùy theo giải thuật SHA).  Khởi tạo giá trị H: Vì đơn vị xử lý của SHA-1 là 32 bits nên: H0 (0) = 67452301 H1 (0) = efcdab89 H2 (0) = 98badcfe H3 (0) = 10325476 H4 (0) = c3d2e1f0  Tính toán SHA-1 Sau khi chia thông điệp đã padding thành N block 512-bits For i=1 to N { 1. Tính Wt của từng block 2. Khởi tạo biến a, b, c , d, e. Digital Signature 11 3. For t=0 to 79 { } 4. Tính hash value thứ i: } Sau khi thực hiện qua N block ta thu được Message Digest của thông điệp M là: Trong đó:  ROLn(a): quay chuỗi a n bits  : phép xor.  +: (a+b)= cộng theo số nguyên và modulo 2^32. Digital Signature 12   III. Các thuật toán Chữ ký số Việc dùng mã xác thực chỉ có thể bảo vệ hai thực thể tham gia trong phiên giao dịch đối với sự xâm phạm của thực thể thứ 3, tuy nhiên lại chưa có thể bảo vệ giữa hai thực thể với nhau. Ví dụ: giả sử A gởi cho B một thông điệp đã được xác thực theo mô hình sử dụng mã xác thực thông điệp (MAC), A có thể tạo ra một thông điệp khác và tính toán MAC dựa vào key share giữa A và B, lúc này A nói thông điệp mà A tạo ra là do B gởi, B không có khả năng chứng minh điều này là sai. Giải pháp để giải quyết vấn đề này là chữ ký số. Chữ ký số có khả năng:  Xác minh người ký và thời điểm ký.  Xác minh nội dung thông điệp tại thời điểm ký.  Có thể xác minh bởi thực thể khác giải quyết việc tranh cãi của hai thực thể này. Có hai kỹ thuật tạo chữ ký:  Ký trực tiếp (Direct Digital Signature): hai thực thể tham gia truyền thông trực tiếp ký trên thông điệp, đòi hỏi đích phải biết public key của nguồn để xử lý trong quá trình xác minh. Chữ ký số này có thể là việc mã hóa cả thông điệp với private key hay việc mã hóa hash code của thông điệp với khóa riêng. Vấn đề bảo mật khóa riêng trong kỹ thuật ký trực tiếp.  Ký qua trọng tài: Digital Signature 13  Trường hợp 1: sử dụng kỹ thuật mật mã đối xứng, trọng tài có thể xem nội dung thông tin. X → A: M + E([IDX +H(M)], Kxa) A → Y: E([IDX +M + E([IDX+H(M)], Kxa) +T], Kay)  Trường hợp 2: sử dụng mật mã đối xứng, trong tài không thể xem nội dung thông tin. X → A: IDX+E(M,Kxy) +E([IDX +H(E(M,Kxy))],Kxa) A → Y: E([IDX + E(M, Kxy)], Kay) + E([IDX + H(E(M, Kxy)) + T], Kxa)  Trường hợp 3: sử dụng mã bất đối xứng, trọng tài không thể xem nội dung thông tin. X  A: IDX + E([IDX + E(E(M, PRx), PUy)], PRx) A  Y: E([IDX + E(E(M, PRx), PUy) + T], PRa) Kỹ thuật chữ ký số là kỹ thuật số để mô phỏng chứ ký bằng tay, dùng để xác định người tạo ra và chịu trách nhiệm với thông tin người đó đã kí vào. Kỹ thuật chữ ký số bao gồm 2 phần: thuật toán ký tên và thuật toán xác nhận hay kiểm tra chữ ký. Theo kỹ thuật này thì chỉ có người tạo ra chữ ký mới có khả năng ký tên và tất cả mọi người đều có thể kiểm chứng chữ ký. Theo mô hình chữ ký số trên khóa riêng dùng trong quá trình sinh chữ ký, chỉ có chủ sở hữu mới có thể sinh chữ ký, do đó khóa riêng này cần được giữ bí mật. Những kỹ thuật chữ ký số được thiết kế để ngăn cản những kẻ tấn công tuy không biết khóa bí mật nhưng vẫn có thể sinh ra chữ ký đúng trên các thông điệp. Khóa công khai dùng trong quá trình xác minh chữ ký số, nó không cần được giữ bí mật nhưng tính toàn vẹn cần được đảm bảo. Bất kì ai cũng có thể xác minh một thông điệp được ký đúng dùng khóa công khai thích hợp. Digital Signature 14 Đối với cả hai quá trình sinh chữ ký và xác minh chữ ký, thông điệp được ánh xạ thành một giá trị có chiều dài cố định (hash value). Cần có sự đảm bảo khóa công cộng dùng để xác minh là của thực thể đã ký thông điệp. Mô hình chữ ký số cũng giống mô hình mã hóa công khai do vậy thuật toán RSA có thể áp dụng để xây dựng chữ ký số. Hiện nay có 2 thuật toán chữ ký số thông dụng là: RSA, DSA.  Yêu cầu chữ kí số:  Chữ ký phải dựa vào thông điệp được ký.  Chứa thông tin duy nhất của người gởi để tránh giả mạo.  Dễ dàng tạo chữ ký.  Dễ nhận diện và xác nhận chữ ký số.  Khó khăn giả mạo chữ ký. Để có thể sử dụng chữ ký số ta cần sử dụng một hàm băm để rút gọn thông điệp có chiều dài bất kì thành một giá trị băm có kích thước cố định. Giá trị này có thể được kiểm chứng tính toàn vẹn thông tin.  Đặc điểm của chữ ký số:  Tính xác thực: bảo đảm người ký là người tạo ra nó.  Tính an toàn: không thể giả chữ ký nếu như không biết thông tin bí mật tạo chữ ký.  Không thể dùng lại: một chữ ký số không thể dùng cho một tài liệu khác.  Không thể phủ nhận: người ký không thể phủ nhận thông tin đã ký.  Tính hiệu quả: ký và xác minh nhanh chóng dễ dàng.  Hai mô hình chữ ký số: (a) Tiếp cận RSA Digital Signature 15 (b)Tiếp cận DSA Hình 3 – Mô hình tạo và xác minh chữ ký số. III.1 Thuật toán DSA: Mỗi bản ký kết sử dụng một cặp khóa, một khóa riêng x và một khóa chung y có mối quan hệ toán học với nhau. Khóa riêng được sử dụng trong một khoảng thời gian cố định khi mà chữ ký số được sinh ra, còn khóa công cộng sẽ vẫn còn được sử dụng khi mà chữ ký đã được sinh ra đó còn cần xác minh. Thuật toán DSA tính toán trên một tập các tham số, một khóa riêng x, một số bí mật trên từng thông điệp k, dữ liệu cần được ký, và một hàm băm. Đối với quá trình xác minh cũng sử dụng các tham số, một khóa công khai y có mối quan hệ toán học với x, dữ liệu cần được xác minh, hàm băm sử dụng trong lúc ký. p là số nguyên tố mà 2L-1 <p< 2L , L là chiều dài bit của p. q là số nguyên tố chia hết bởi (p-1), 2N-1 <q< 2N , N là chiều dài bit của p. g là một nhóm phụ của p và q, trong đó 1<g<p. x là khóa riêng, cần giữ bí mật, 1<x<q. y là khóa công khai, y=g x mod p. k là số bí mật được sinh ra trên từng thông điệp, 1<k<q. III.1.1 Lựa chọn những tham số chiều dài hàm băm cho DSA Giả sử gọi L và N lần lượt là số bit chiều dài của p và q. Chuẩn DSA nêu một số đặc tính kỹ thuật cho 2 tham số này. L=1024, N=160 L=2048, N=224 L=2048, N=256 L=3028, N=256 Độ mạnh bảo mật của thuật toán DSA bé hơn độ mạnh bảo mật của của cặp (L,N) và độ mạnh bảo mật của hàm băm. Kết hợp cả hai yếu tố này sẽ xác định được độ mạnh bảo mật của chữ ký số. Digital Signature 16 III.1.2 Những tham số DSA Thuật toán DSA đòi hỏi cặp khóa chung và riêng sử dụng cho quá trình sinh và xác minh chữ ký số được sinh ra từ một tập các tham số riêng. Những tham số này có thể đại diện cho một nhóm người sử dụng và có thể là công khai. Một người sử dụng của một tập tham số sẽ phải có sự đảm bảo khi muốn sử dụng chúng. Tập tham số này có thể được sử dụng trong khoảng thời gian cố định. Miền tham số của DSA là các số nguyên p, q, g. Các xử lý trong DSA:  Tạo khóa chung:  Tạo 1 số nguyên tố p đủ lớn chiều dài từ 512-1024 bits, là bội số chiều dài và độ lớn của 64.  Số nguyên tố q sao cho q chia hết (p-1), chiều dài 160 bits.  Số nguyên g=h(p-1)/q mod p . Trong đó: 11.  Tạo khóa bí mật x  Khóa bí mật là giá trị x sao cho: 0 < x < q  Tạo khóa công khai y  Khóa công khai là số nguyên y thỏa: y = g x mod p  Tạo số bí mật k  Số bí mật là số nguyên thỏa mãn: 0 < k < q  Tạo chữ ký (signing)  r = (gk mod p) mod q  s = [ k-1 ( H(M) + xr)] mod q  Signature = (r,s)  Xác minh chữ ký (verifying)  Nhận được thông điệp M’ với chữ ký là (r’,s’) xác minh xem chữ ký này có hợp lệ hay không.  w = ( s’ )-1 mod q  u1 = [ H(M’)w] mod q  u2 = r’ w mod q  v = [ (gu1yu2) mod p ] mod q  nếu r’ == v thì chữ ký được xác minh. Digital Signature 17 Hình 4 – Ký và xác minh DSA III.2 Thuật toán RSA Thuật toán RSA do 3 nhà toán học Ron Rivest, Adi Shamir và Len Adleman tại đại học MIT vào năm 1977 và được công bố vào năm 1978. Thuật toán n