Luận văn Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước

Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------- PHÙNG THỊ THANH MAI BẢO MẬT VÀ AN TOÀN THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG MẠNG CỤC BỘ CỦA CƠ QUAN NHÀ NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011 Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHÙNG THỊ THANH MAI BẢO MẬT VÀ AN TOÀN THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG MẠNG CỤC BỘ CỦA CƠ QUAN NHÀ NƯỚC Chuyên ngành: Bảo đảm toán học cho máy tính và hệ thống tính toán Mã số: 60.46.35 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đoàn Văn Ban Hà Nội – Năm 2011 Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 3 Lời cảm ơn Để hoàn thành Luận văn “Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của nhiều tập thể và cá nhân. Trước hết, tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo cùng Quý thầy cô trong Khoa Toán – Cơ – Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội đã tận tình dạy dỗ; truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu v à tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. Đặc biệt, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS Đoàn Văn Ban – Người thầy luôn ân cần chỉ bảo, nhiệt t ình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu để giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả cũng xin trân trọng cám ơn Sở Thông tin và Truyền thông Thái Bình, các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động vi ên tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp cao học khó có thể diễn đạt hết ý về mặt lý thuyết cũng như kỹ thuật, mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn với tất cả sự nỗ lực của bản thân, xong luận văn khó có thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp để tác giả tiếp tục hoàn thiện kiến thức cũng như giải pháp của mình. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 8 năm 2011 Tác giả Phùng Thị Thanh Mai Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 4 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT ................................ .... 6 DANH MỤC HÌNH VẼ................................ ................................ ................ 7 MỞ ĐẦU................................ ................................ ................................ ....... 8 Chương 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT THÔNG TIN - TỔNG QUAN VỀ HỆ MẬT MÃ................................ ................................ ........... 12 1.1. Vấn đề bảo mật, an toàn thông tin................................ .................. 12 1.1.1. Bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu trong các cơ quan nhà nước...... 13 1.1.2 Các chiến lược bảo vệ an toàn cho hệ thống mạng máy tính ........ 13 1.1.3. An toàn thông tin bằng mật mã ................................ ................... 16 1.1.4. Vai trò của hệ mật mã ................................ ................................ . 17 1.2. Hệ mật mã................................ ................................ ........................ 17 1.2.1. Định nghĩa hệ mật mã ................................ ................................ 17 1.2.2. Những yêu cầu đối với một hệ mật mã................................ ........ 18 1.2.3. Phân loại hệ mật mã................................ ................................ .... 18 1.3. Mã hóa đối xứng ................................ ................................ .............. 19 1.3.1. Định nghĩa ................................ ................................ .................. 19 1.3.2. Chuẩn mã hóa dữ liệu DES................................ ......................... 20 1.4. Mã hóa bất đối xứng (mã hóa khóa công khai) .............................. 26 1.4.1. Giới thiệu chung ................................ ................................ ......... 26 1.4.2. Một thuật toán dùng trong hệ mật mã khoá công khai: RSA ....... 28 1.5. Mã hóa RSA ................................ ................................ ..................... 29 1.5.1. Sự ra đời của hệ mật mã RSA ................................ .................... 29 1.5.2. Mô tả thuật toán ................................ ................................ .......... 29 1.5.3. Hàm băm (hash)................................ ................................ .......... 30 1.5.4. Chứng chỉ số ................................ ................................ .............. 35 1.6. Kết chương................................ ................................ ....................... 44 Chương 2. CHỮ KÝ SỐ................................ ................................ ............. 46 2.1. Chữ ký điện tử ................................ ................................ ................. 46 2.2. Chữ ký số ................................ ................................ ........................ 46 2.3.1. Lược đồ chữ ký kèm thông điệp................................ .................. 48 2.3.2. Lược đồ chữ ký khôi phục thông điệp ................................ ......... 49 2.4. Một số lược đồ chữ ký cơ bản ................................ ......................... 51 Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 5 2.4.1. Lược đồ chữ ký RSA ................................ ................................ .. 51 2.4.2. Lược đồ chữ ký DSA (Digital Signature Standard) ..................... 53 2.5. Hai lược đồ chữ ký khả thi ................................ .............................. 58 2.6. Các phương pháp tấn công chữ ký điện tử ................................ .... 58 2.7. Kết chương................................ ................................ ....................... 59 Chương III. BẢO MẬT GỬI, NHẬN THƯ ĐIỆN TỬ (EMAIL) VÀ TRUYỀN TẢI VĂN BẢN GIỮA CÁC CƠ QUAN NHÀ NƯỚC............ 60 3.1. Tổng quan về gửi/nhận Email và truyền tải văn bản qua mạng ... 60 3.2. Các đặc trưng của gửi/nhận Email và truyền tải văn bản trong hệ thống mạng cục bộ và qua mạng Internet................................ ............. 60 3.3. Các hình thức hoạt động chủ yếu của gửi/nhận Email v à truyền tải văn qua mạng ................................ ................................ ......................... 60 3.4. Bảo mật, chứng thực việc gửi/nhận Email và truyền tải văn bản . 61 3.4.1. Bảo mật việc gửi/nhận Email và truyền tải văn bản qua mạng .... 61 3.4.2. Các khía cạnh an toàn ................................ ................................ . 63 3.4.3. Các kỹ thuật đảm bảo an toàn cho gửi/nhận Email và truyền tải văn bản ................................ ................................ ................................ . 64 3.5. Chương trình ứng dụng ................................ ................................ .. 65 3.5.1. Thuật toán RSA triển khai quá tr ình xác nhận bằng cách sử dụng chữ ký điện tử................................ ................................ ....................... 66 3.5.2. Giới thiệu phần mềm mã hóa PGP (Pretty Good Privacy) ........... 66 3.5.3. Hoạt động của PGP ................................ ................................ .... 67 3.5.4. Cơ chế hoạt động của PGP................................ .......................... 70 3.5.5. Vấn đề bảo mật của PGP ................................ ............................ 73 3.5.6. Phần mềm mã hóa PGP ................................ .............................. 74 3.5.7. Xuất khóa công khai (Public PGP Key) ................................ ...... 79 3.5.8. Nhập khóa công khai PGP key................................ .................... 80 3.5.9. Kiểm tra việc mã hóa file sẽ gửi dùng PGP encryption ............... 81 3.5.10. Dùng chữ ký số cho việc gửi/nhận Email ................................ .. 84 3.6. Kết chương................................ ................................ ....................... 91 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................ ................. 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................ ................................ .......... 93 Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 6 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT CA Certificate Authority – Cơ quan chứng thực chữ ký số DS Digital Signatures - Chữ ký số DSA Digital Signature Algorithm - Giải thuật ký điện tử DES Data Encryption Standard – Chuẩn mã hóa dữ liệu DSS Digital Signature Standard - Chuẩn chữ ký số EMAIL Electronic Mail - Thư điện tử FTP File Transfer Protocol – Giao thức truyền tệp Hacker Người đột nhập vào máy tính và phá hoại máy tính (tin tặc) HTTP Hypertext Transfer Protocol – Giao thức truyền siêu văn bản ID Chỉ danh người dùng trên mạng MD5 Message Digest algorithm 5 - giải thuật của hàm băm Router Thiết bị cho phép gửi các gói dữ liệu dọc theo mạng RSA Rivest, Shamir and Adleman - Giải thuật mã hóa công khai PGP Pretty Good Privacy – Phần mềm mã hóa dữ liệu và xác thực PKI Public Key Infrastructure – Cơ sở hạ tầng khóa công khai SHA Secure Hash Algorithm – Giải thuật băm an toàn S-HTTP Secure Hypertext Transfer Protoco - Giao thức truyền siêu VB an toàn SSL Secure Socket Layer - Giao thức an ninh thông tin UBND Ủy ban nhân dân TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol - một hệ thống các giao thức hỗ trợ việc truyền thông tin trên mạng WEB Một loại siêu văn bản (tập tin dạng HTML hoặc XHTML) tr ình bày thông tin trên mạng Internet, tại một địa chỉ nhất định Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 7 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các mức độ bảo vệ trên mạng máy tính......13 Hình 1.2: Sơ đồ mã hóa khóa đối xứng...17 Hình 1.3: Một vòng của DES..19 Hình 1.4: Hàm f của DES21 Hình 1.5: Sơ đồ thuật toán tạo các khóa từ K1 đến K16 22 Hình 1.6: Sơ đồ mô tả chi tiết DES.22 Hình 1.7: Sơ đồ mô tả bản băm thông điệp.... .30 Hình 1.8a: Đường đi đúng của thông tin.31 Hình 1.8b: Thông tin bị lấy trộm và đã bị thay đổi trên đường truyền.......31 Hình 1.9: Sơ đồ tạo chữ ký số.....33 Hình 1.10: Sơ đồ xác nhận chữ ký số..33 Hình 1.11: Dùng mật khẩu xác thực máy khách kết nối tới máy dịch vụ...35 Hình 1.12. Chứng thực của máy khách kết nối tới máy dịch vụ.37 Hình 1.13: Sơ đồ hoạt động của Hệ thống cấp chứng chỉ khóa công khai .39 Hình 1.14: Mô hình dây chuyền chứng thực...41 Hình 2.1: Lược đồ chữ ký kèm thông điệp......47 Hình 2.2: Lược đồ chữ ký khôi phục thông điệp.48 Hình 2.3: Lược đồ chữ ký DSA..51 Hình 3.1: Sơ đồ mã hóa khóa công khai.....66 Hình 3.2: Sơ đồ của PGP sinh ra chuỗi ký tự mã....70 Hình 3.3: Sơ đồ của PGP tiếp nhận chuỗi ký tự mã....70 Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 8 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Bảo mật và bảo đảm an toàn thông tin dữ liệu đang là vấn đề thời sự được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu, là một chủ đề rộng có liên quan đến nhiều lĩnh vực; trong thực tế có thể có nhiều phương pháp được thực hiện để đảm bảo an toàn thông tin dữ liệu. Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của hạ tầng truyền thông, người sử dụng dựa trên nền tảng này để truyền các thông tin trên mạng thì các nguy cơ xâm nhập vào các hệ thống thông tin, các mạng dữ liệu ngày càng gia tăng. Nhiều chuyên gia đang tập trung nghiên cứu và tìm mọi giải pháp để đảm bảo an toàn, an ninh cho hệ thống, đặc biệt là các hệ thống mạng máy tính trong các cơ quan nhà nước. Việc bảo mật cho hệ thống mạng máy tính có thể thực hiện theo nhiều phương diện, ở nhiều tầng khác nhau, bao gồm từ ph ương diện kiểm soát truy nhập vật lý vào hệ thống; thực hiện sửa chữa, cập nhật, nâng cấp hệ điều hành cũng như vá mọi lỗ hổng về an ninh, quản lý các hoạt động gửi/nhận Email và truyền tải văn bản trên mạng (Giám sát qua tường lửa, các bộ định vị Router, phát hiện và phòng ngừa sự xâm nhập,); xây dựng các giải pháp bảo mật ở mỗi phần mềm để quản lý người dùng thông qua việc cấp quyền sử dụng, mật khẩu, mật mã, mã hóa dữ liệu để che giấu thông tin. Nếu không có sự bảo vệ phụ trợ, như mã hóa dữ liệu thì môi trường Internet thực sự không phải là nơi an toàn để trao đổi dữ liệu và các tài liệu thông tin mật. Với sự phát triển ngày càng nhanh và mạnh của Internet như hiện nay thì việc sử dụng chữ ký số càng có nhiều ứng dụng trong thực tế . Việc sử dụng chữ ký số là hết sức quan trọng và cần thiết trong việc gửi/nhận các văn bản gửi qua hệ thống thư điện tử, qua hệ thống hỗ trợ quản lý, điều h ành, tác nghiệp. Chữ ký số, cơ sở hạ tầng khóa công khai (PKI) cùng các tiêu chuẩn và ứng dụng của nó có thể làm thay đổi phương thức và nâng cao hiệu quả làm Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 9 việc của cán bộ trong các cơ quan nhà nước để đáp ứng công tác điều hành, quản lý trong giai đoạn hiện nay. Mô hình chữ ký số đảm bảo an toàn dữ liệu khi gửi, nhận trên mạng và đươc sử dụng để tạo chứng nhận điện tử trong các thông tin được truyền đi trên mạng Internet. Ngày nay, hệ mã hóa thường được sử dụng để xây dựng các lược đồ chữ ký số, đó là hệ mã hóa RSA. Chính vì những vấn đề thực tiễn trên, luận văn: ”Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước” tập trung nghiên cứu một trong những phương pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu có tính an toàn cao hiện nay, đó là dùng hệ mã hóa khóa công khai, các chứng chỉ số, chữ ký số trong việc xác thực thông tin truyền tải trên mạng và cài đặt ứng dụng để đảm bảo an toàn thông tin trong hệ thống mạng máy tính của cơ quan nhà nước. 2. Mục đích nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu về các giải pháp an toàn thông tin, hệ mật mã, chú trọng nghiên cứu khóa công khai, chữ ký số và ứng dụng của chữ ký số, mã hoá dữ liệu để bảo mật, an toàn thông tin của các cơ quan nhà nước hiện nay trong các giao dịch gửi, nhận thư điện tử và truyền tải văn bản trong hệ thống mạng cục bộ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu các khái niệm của lý thuyết mật mã, thuật toán mã hóa đối xứng (như DES), bất đối xứng (như mật mã khóa công khai RSA), chữ ký số, chứng chỉ số, ứng dụng chữ ký số trong gửi /nhận Email và truyền tải văn bản qua mạng. 4. Phương pháp nghiên cứu + Tiếp cận phân tích và tổng hợp: Đọc tài liệu, tổng hợp lý thuyết, phân tích lý thuyết về Hệ mật mã đối xứng, hệ mật mã bất đối xứng (hệ mật mã khóa công khai), chữ ký số, sử dụng chữ ký số để bảo mật các hệ thống dùng Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 10 chung đang được quản lý tại Trung tâm tích hợp dữ liệu của tỉnh với một số tính năng cơ bản như: có cơ chế phân bổ khóa tự động, mã hóa các thông tin cần thiết khi gửi/nhận các thông tin; + Tiếp cận theo định tính và định lượng: Nghiên cứu cơ sở khoa học của mã hóa, chữ ký số của các tác giả trong và ngoài nước, các bài báo, thông tin trên mạng, tìm hiểu các mô hình bảo mật, chứng chỉ sốtừ đó trình bày theo ý tưởng của mình và đề xuất các giải pháp bảo mật, an toàn thông tin trong gửi/nhận dữ liệu qua mạng Internet của các cơ quan nhà nước trên địa bàn. + Cài đặt phần mềm ứng dụng bảo mật PGP để làm nổi bật tính ứng dụng của hệ mã hóa gửi/nhận Email qua Hệ thống thư điện tử của tỉnh và trao đổi các tệp dữ liệu trong mạng Hệ thống điều hành, quản lý văn bản của Sở. Trên cơ sở nghiên cứu các cơ chế, chính sách sẽ đăng ký với Ban cơ yếu Chính phủ cấp chứng chỉ số cho Sở Thông tin và Truyền thông Thái Bình. Từ đó rút kinh nghiệm và nhân rộng việc triển khai sử dụng chữ ký số tới các sở, ban, ngành, UBND các huyện, thành phố trên địa bàn tỉnh Thái Bình trong năm 2012 và các năm tiếp theo. 5. Bố cục Luận văn Luận văn được trình bày trong ba chương: - Chương 1. Nghiên cứu các vấn đề về bảo mật, an toàn thông tin dữ liệu và các chiến lược bảo vệ an toàn cho hệ thống mạng máy tính trong các cơ quan nhà nước; nghiên cứu tổng quan về hệ mật mã, phương pháp mã hóa đối xứng, mã hóa bất đối xứng và sự ra đời của hệ mật mã khóa công khai RSA, đó là cơ sở khoa học cho việc sử dụng chữ ký số vào việc bảo mật và xác thực thông tin. - Chương 2. Nghiên cứu các lược đồ chữ ký số, tìm ra hai lược đồ chữ ký số khả thi đồng thời nghiên cứu các phương pháp tấn công chữ ký điện tử. Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 11 - Chương 3. Giới thiệu tổng quan, các đặc trưng, yêu cầu của việc bảo mật và chứng thực trong việc gửi/nhận thư điện tử và truyền tải văn bản trong trong hệ thống mạng cục bộ của các cơ quan nhà nước hiện nay; nghiên cứu, cài đặt phần mềm ứng dụng PGP với các cơ chế xuất, nhập khóa công khai, mã hóa file và dùng chữ ký số trong phần mềm ứng dụng PGP. Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 12 Chương 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT THÔNG TIN TỔNG QUAN VỀ HỆ MẬT MÃ 1.1. Vấn đề bảo mật, an toàn thông tin Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin việc ứng dụng các công nghệ bảo mật tr ên mạng máy tính càng trở nên phổ cập và vô cùng cần thiết. Sự xuất hiện mạng Internet cho phép mọi ng ười có thể truy cập, chia sẻ và khai thác thông tin một cách dễ dàng và hiệu quả. Sự phát triển mạnh mẽ của Internet về mặt bản chất chính l à việc đáp ứng lại sự gia tăng không ngừng của nhu cầu gửi/nhận Email và truyền tải văn bản trên hệ thống mạng toàn cầu. Các giao dịch trên Internet trong các cơ quan nhà nước chủ yếu là để gửi/nhận Email và truyền tải văn bản như tệp văn bản, massage, trao đổi tài liệu thông qua Hệ thống quản lý văn bản, điề u hành, tác nghiệp. Nhu cầu gửi/nhận Email và truyền tải văn bản, dữ liệu trong các cơ quan nhà nước ngày càng lớn và đa dạng; cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin trong các c ơ quan nhà nước cũng không ngừng được phát triển, mở rộng để nâng cao chất lượng và lưu lượng truyền tin thì các biện pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu khi trao đổi trên mạng cũng ngày càng được đổi mới. Tuy nhiên vấn đề an toàn thông tin càng trở nên cấp bách hơn khi có Internet. Internet có những kỹ thuật cho phép mọi người truy cập, khai thác và chia sẻ thông tin với nhau. Nhưng nó cũng là nguy cơ chính dẫn đến thông tin dễ bị hư hỏng hay bị phá hủy hoàn toàn. Sở dĩ có lí do đó là vì việc truyền thông tin qua mạng Internet hiện nay chủ yếu sử dụng giao thức TCP/IP. TCP/IP cho phép các thông tin từ máy tính này tới máy tính khác phải đi qua một loạt các máy tính trung gian hoặc các mạng riêng biệt trước khi nó tới được đích. Chính vì vậy, giao thức TCP/IP đã tạo cơ hội cho bên thứ ba có thể thực hiện các hành động gây mất an toàn thông tin trong khi thực hiện việc truyền thông tin trên mạng. Bảo mật và an toàn thông tin trong hệ thống mạng cục bộ của cơ quan nhà nước Trang 13 Để vừa đảm bảo tính bảo mật của thông tin và tăng cường sự trao đổi, quản lý, điều hành giữa các cơ quan nhà nước trong việc gửi/nhận Email và truyền tải văn bản qua mạng, giảm bớt giấy tờ thì chúng ta phải có các giải pháp phù hợp. Hiện có rất nhiều giải pháp cho vấn đề an to àn thông tin trên mạng như mã hóa thông tin, chữ ký điện tử, chứng chỉ số, sử dụng tường lửa, bảo vệ vật lý, dùng mật khẩu để kiểm soát quyền truy cập 1.1.1. Bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu trong các cơ quan nhà nước Chủ yếu theo 03 phương pháp sau: - Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp hành chính. - Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp kỹ thuật (phần cứng). - Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp thuật toán (phần mềm). Ba phương pháp trên có thể được ứng dụng riêng rẽ hoặc phối kết hợp. Môi trường khó bảo vệ an toàn thông tin nhất là môi trường mạng và truyền tin. Biện pháp hiệu quả nhất hiện nay tr ên mạng truyền tin và mạng máy tính là biện pháp dùng thuật toán để mã hóa. Trong thực tế không có một biện pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu nào là an toàn tuyệt đ