Bài giảng Hệ điều hành mạng nâng cao - Hoàng Xuân Dậu - Chương 8: Bảo mật dựa trên mã hóa

ạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 3
Mục đích mã hoá thông tin
• Mã hoá thông tin có thể được sử dụng để
đảm bảo an toàn thông tin trên đường
truyền với các thuộc tính:
– Bí mật (confidentiality)
– Toàn vẹn (integrity)
– Không thể chối bỏ (non-repudiation)
– Xác thực (authentication)
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 4
Các thành phần của một hệ mã hoá
• Mỗi hệ thống mã hoá được cấu thành từ hai bộ
phận chính:
– Phương pháp mã hoá, còn gọi là “giải thuật”
(algorithm)
– Một tập các khoá, còn gọi là không gian khoá (key
space)
• Nguyên lý Kerckhoff: “tính an toàn của một hệ
mã hoá không nên phục thuộc vào việc giữ bí
mật giải thuật mã hoá, mã chỉ nên phục thuộc
vào việc giữ bí mật khoá mã”.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 5
Lịch sử mã hoá
• Các kỹ thuật mã hoá thô sơ đã được người
cổ Ai cập sử dụng cách đây 4500 năm.
• Người cổ Hy lạp, Ấn độ cũng đã sử dụng mã
hoá cách đây hàng ngàn năm.
• Các kỹ thuật mã hoá chỉ thực sự phát triển
mạnh từ thế kỷ 1800 nhờ công cụ toán học,
và phát triển vượt bậc trong thế kỷ 20 nhờ sự
phát triển của máy tính và ngành CNTT.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 6
Các
công cụ
mã hoá
(crypto-
graphic
primitives)
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 7
Các tiêu chuẩn đánh giá
• Độ an toàn (level of security): thường được đánh giá
thông qua số lượng tính toán để có thể phá được hệ
mã hoá.
• Tính năng (functionality): hệ thống có thể được sử
dụng cho nhiều mục đích bảo mật.
• Chế độ hoạt động (methods of operation): cung cấp
các tính năng khác nhau theo chế độ hoạt động.
• Hiệu năng (performance): có thể được đo bằng tốc
độ mã hoá (bits/giây).
• Độ dễ cài đặt (ease of implementation): độ khó của
việc cài đặt thuật toán trong thực tế trên phần cứng
hoặc phần mềm.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 8
Mã hoá khoá bí mật và
Mã hoá khoá công khai
• Mã hoá khoá bí mật (khóa đối xứng)
– Sử dụng một khoá duy nhất cho cả hai khâu mã hoá
(encryption) và giải mã (decryption).
– Khoá cần được giữ bí mật
• Mã hoá khoá công khai (khóa bất đối xứng)
– Sử dụng một cặp khoá, trong đó khoá công khai dùng
để mã hoá (encryption) và khoá riêng/bí mật để giải
mã (decryption).
– Chỉ có khoá riêng (private key) cần được giữ bí mật,
không cần giữ bí mật khoá công khai (public key).
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 9
Mã hoá khoá bí mật
• Trao đổi khoá:
– Hai bên gửi và nhận trao đổi khoá bí mật (secret key)
– Việc trao đổi khoá phải được thực hiện an toàn.
• Mã hoá tại bên gửi:
– Bản rõ (plaintext) được mã hoá sử dụng khoá bí mật
tạo ra bản mã (ciphertext);
– Bản mã được gửi cho bên nhận.
• Giải mã tại bên nhận:
– Bản mã được giải mã sử dụng khoá bí mật để khôi
phục lại bản rõ ban đầu.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 10
Mã hoá khoá bí mật (tiếp)
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 11
Mã hoá khoá bí mật (tiếp)
• Ưu điểm
– Độ an toàn cao
– Tốc độ cao
• Nhược điểm
– Gặp khó khăn trong việc đảm bảo an toàn khi
chuyển giao khoá (key distribution).
– Càng gặp nhiều khó khăn khi số lượng thực thể
tham gia trao đổi thông tin lớn:
• 2 thực thể dùng chung 1 khoá, 3 thực thể dùng 3 khoá
• 4 thực thể dùng 6 khoá, 5 thực thể dùng 10 khoá
• 100 thực thể dùng 4950 khoá,
• 1000 thực thể dùng 499500 khoá
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 12
Mã hoá khoá công khai
• Trao đổi khoá:
– Bên nhận gửi khoá công khai của mình (public key)
cho bên gửi;
– Việc trao đổi khoá công khai có thể được thực hiện
trong môi trường mở như internet.
• Mã hoá tại bên gửi:
– Bản rõ (plaintext) được mã hoá sử dụng khoá công
khai của bên nhận tạo ra bản mã (ciphertext);
– Bản mã được gửi cho bên nhận.
• Giải mã tại bên nhận:
– Bản mã được giải mã sử dụng khoá bí mật của bên
nhận để khôi phục lại bản rõ ban đầu.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 13
Mã hoá khoá công khai (tiếp)
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 14
Mã hoá khoá công khai (tiếp)
• Ưu điểm:
– Trao đổi khoá đơn giản do:
• Chỉ cần trao đổi khoá công khai của cặp khoá
• Khoá riêng/bí mật luôn được giữ bí mật
– Độ an toàn cao
• Nhược điểm:
– Tốc độ chậm so với mã hoá khoá bí mật
– Đòi hỏi công suất tính toán lớn
– Độ phức tạp của thuật toán cao
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 15
Mã hoá khối và dòng
• Mã hoá khối (block cipher):
– Chia thông điệp thành các khối có chiều dài
cố định và mã hoá từng khối;
– Giải mã cũng được thực hiện trên từng khối
và sau đó ghép các khối lại để khôi phục
thông điệp ban đầu.
• Mã hoá theo dòng (stream cipher):
– Là trường hợp đặc biệt của mã hoá khối khi
chiều dài khối là 1 ký tự.
– Từng ký tự được mã hoá và giải mã riêng rẽ.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 16
DES
• DES (Data Encryption Standard) l à một trong
những phương pháp mã hoá nổi tiếng nhất ra
đời vào những năm 1970.
• DES mã hoá thông điệp theo khối, kích thước
khối 64 bít.
• Khoá của DES dài 64 bít, trong đó:
– 56 bít là khoá hiệu dụng (effective key)
– 8 bít còn lại có thể được dùng như các bít chẵn lẻ.
• Tổng số khoá trong không gian khoá hiệu dụng
là 256
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 17
DES
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 18
Triple DES
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 19
IDEA
• IDEA (International Data Encryption
Algorithm) là phương pháp mã hoá theo
khối:
– Kích thước khối là 64 bít
– Kích thước khoá là 128 bít
• Thuật toán IDEA gồm:
– 8 vòng lặp, kết quả của mỗi vòng trước là đầu
vào cho vòng tiếp theo.
– Một vòng chuyển đổi kết quả
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 20
IDEA
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 21
Mã hoá công khai RSA
• RSA do R. Rivest, A. Shamir, v à
L. Adleman phát minh vào năm 1977, là
phương pháp mã hoá công khai được sử
dụng rộng rãi nhất.
• Độ an toàn của RSA dựa tính khó của việc
phân tách số nguyên lớn.
• RSA được sử dụng để:
– Cung cấp tính bí mật
– Tạo chữ ký điện tử
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 22
RSA: tạo cặp khoá
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 23
RSA: mã hoá & giải mã
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 24
Các yếu tố ảnh hưởng đến
độ an toàn của RSA
• p, q phải là các số nguyên tố “mạnh”
(strong primes).
• p, q phải đủ lớn và có kích thước ngang
nhau.
• Kích thước của các khoá d và e phải
tương tự nhau và tương đương kích
thước của n.
• Kích thước của n phải từ 1024 bít trở lên.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 25
Kích thước khoá RSA
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 26
Các hàm băm
• Một hàm băm (hash function) là một hàm
h với tối thiểu hai thuộc tính sau:
– Nén: h ánh xạ chuỗi vào x có độ dài tuỳ ý
sang chuỗi ra h(x) có độ dài cố định.
– Dễ tính toán: cho trước hàm h và chuỗi vào x,
có thể dễ dàng tính chuỗi ra h(x).
• Hàm băm thường được sử dụng:
– Tạo chuỗi kiểm tra phát hiện sửa đổi MDC
– Tạo chuỗi xác thực thông điệp MAC.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 27
Các hàm băm thông dụng
• MD5 (Message Digest)
– Xử lý chuỗi đầu vào theo khối 512 bít
– Chuỗi đầu ra có kích thước cố định 128 bít
• SHA1 (Secure Hash Algorithm)
– Xử lý chuỗi đầu vào theo khối 512 bít
– Chuỗi đầu ra có kích thước cố định 160 bít
• SHA256, SHA384, SHA512: t ăng kích
thước của chuỗi đầu ra.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 28
Chữ ký điện tử
• Chữ ký điện tử/ chữ ký số (digital
signature) của một thông điệp là một chuỗi
được tạo ra từ thông điệp đó.
• Việc sử dụng chữ ký số liên quan đến 2
quá trình:
– Quá trình tạo chữ ký số cho thông điệp
(digital signature signing)
– Quá trình kiểm tra chữ ký số (digital signature
verification)
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 29
Tạo chữ ký số
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 30
Kiểm tra chữ ký số
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 31
Các giao thức bảo mật
• SSL/TLS (Secure Sockets Layer,
Transport Layer Security) là giao thức bảo
mật được sử dụng rộng rãi nhất trên mạng
Internet.
• SET (Secure Electronic Transaction): giao
thức cho thanh toán điện tử.
• PGP (Pretty Good Privacy): giao th ức bảo
mật dùng cho nhiều mục đích.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 32
SSL/TLS
• SSL do công ty Netscape phát minh, TLS được
xây dựng dựa trên SSL và do IETF phê chuẩn.
• Đặc điểm của SSL/TLS:
– Sử dụng mã hoá khoá công khai để trao đổi khoá
phiên. Mỗi khoá phiên chỉ được sử dụng trong 1
phiên làm việc.
– Sử dụng khoá phiên và mã hoá khoá bí mật để mã
hoá toàn bộ dữ liệu trao đổi.
– Ít nhất một thực thể có chứng chỉ số cho khoá công
khai (public key certificate).
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 33
SSL/TLS trong giao thức TCP/IP
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 34
Các giao thức con của SSL/TLS
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 35
SET
• SET là giao thức cho phép thanh toán
điện tử an toàn, sử dụng thẻ tín dụng.
SET có khả năng đảm bảo các thuộc tính
sau:
– Bí mật thông tin
– Toàn vẹn thông tin
– Xác thực tài khoản chủ thẻ
– Xác thực nhà cung cấp
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 36
Các thành phần của SET
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 37
PGP-Pretty Good Privacy
• PGP do Philip Zimmermann ph át triển năm
1991:
– Cung cấp tính riêng tư
– Cung cấp tính xác thực
• PGP được sử dụng rộng rãi và đã được thừa
nhận thành chuẩn (RFC 3156).
• PGP cho phép:
– Mã hoá dữ liệu sử dụng mã hoá khoá bí mật và khoá
công khai
– Tạo và kiểm tra chữ ký điện tử.
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 38
Mô
hình
tham
khảo:
mã
hoá sử
dụng
DSP
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 39
Kết hợp mã hoá công khai và
chữ ký điện tử
Tính bí mật
Tính toàn vẹn
Tính không
thể chối bỏ
Chữ kí điện tử
Mã hóa
RSA
HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 40
Mô hình cung cấp tính bí mật &
toàn vẹn thông tin