Bài giảng Mật mã học - Chương 2: Mã hoá hiện đại

MẬT MÃ HỌC
2NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Giới thiệu - Mã hoá cổ điển
Chương 2: Mã hoá hiện đại
Chương 3: Mã hoá khoá công khai và quản lý khoá
Chương 4: Chứng thực thông điệp
Chương 5: Chữ ký số
Chương 6: Các giao thức và ứng dụng
MÃ HOÁ HIỆN ĐẠI
CHƯƠNG 2
4Nội dung
1. Giới thiệu mã hoá hiện đại
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
5. Bài tập
51. Giới thiệu mã hoá hiện đại
• Thường sử dụng mã khối kết hợp với các
phép hoán vị và thay thế.
• Việc biến đổi văn bản được thực hiện nhiều
lần trong một số vòng lặp.
• Khoá con của các vòng lặp sẽ khác nhau và
được sinh ra từ khoá ban đầu.
• Phổ biến có DES, AES, RSA...
61. Giới thiệu mã hoá hiện đại
Phân loại
• Mã hoá khoá đối xứng (symmetric):
 Block ciphers: mã hoá các khối có chiều dài cố
định 64 bit hoặc 128 bit. Phổ biến có IDEA, RC2,
DES, Triple DES, Rijndael (AES), MARS, RC6,
Serpent, Twofish, DESX, DESL, DESXL.
 Stream ciphers: mã hoá từng bit của thông điệp.
Đại diện là RC4.
• Mã hoá khoá bất đối xứng (asymmetric): RSA
72. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
• DES (Data Encryption Standard) được sử dụng
rộng rãi trên thế giới.
• Dùng khoá có độ dài 56 bit để mã hoá các khối dữ
liệu 64 bit.
• Cả bên mã hoá lẫn bên giải mã đều dùng chung
một khoá và DES thuộc vào hệ mã khoá bí mật.
• Xét về độ an toàn, hiện nay 3DES (một cải tiến của
DES) được đánh giá là có độ an toàn cao vì độ dài
khoá của nó gấp 3 lần so với DES.
82. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
92. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
• 17.03.1975: DES được công bố để công chúng đóng
góp ý kiến.
• 11.1976: DES được phê chuẩn làm tiêu chuẩn chính
thức.
• 1992: Biham và Shamir công bố một phương thức
tấn công thám mã vi sai với độ phức tạp thấp hơn
tấn công bạo lực (Trên lý thuyết). Kiểu tấn công này
đòi hỏi người tấn công lựa chọn 247 văn bản rõ (một
điều kiện không thực tế).
• 06.1997: Lần đầu tiên, dự án DESCHALL đã phá vỡ
được một bản tin mã hoá bằng DES.
Lịch sử giải thuật DES
10
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
• 07.1998: Thiết bị thám mã Deep Crack của tổ
chức Electronic Frontier Foundation phá được
một khoá của DES trong vòng 56 giờ.
• 01.1999: Deep Crack cùng với distributed.net
phá được DES trong 22 giờ 15 phút.
• 25.10.1999: Triple DES được khuyến cáo sử
dụng cho các hệ thống quan trọng.
• 26.05.2002: AES trở thành tiêu chuẩn thay thế
cho DES.
11
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
Giải thuật:
• Sử dụng một khoá K tạo ra n khoá con K1, K2, , Kn.
• Hoán vị dữ liệu.
• Thực hiện n vòng lặp. Tại mỗi vòng lặp:
 Dữ liệu được chia thành hai phần
 Áp dụng phép toán thay thế lên một phần, phần còn lại giữ
nguyên.
 Hoán vị hai phần cho nhau.
• Hoán vị dữ liệu.
12
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
13
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
14
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
15
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
16
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
17
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
18
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
19
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
20
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
21
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
22
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
23
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
24
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
25
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
26
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
27
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
28
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
29
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
30
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
31
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
32
2. Chuẩn mã hoá dữ liệu DES
33
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
• AES (Advanced Encryption Standard – Tiêu chuẩn mã
hoá tiên tiến) là một giải thuật mã hoá khoá đối xứng
được công bố năm 2000 để thay thế cho DES. Giải thuật
này thực hiện mã hoá khối bằng cách lập lại nhiều lần
các bước xử lý.
• Giải thuật (còn có tên gọi khác là Rijndael) được đề xuất
bởi hai nhà mật mã học người Bỉ là Joan Daemen và
Vincent Rijmen.
34
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
• Kích thước khối dữ liệu đầu vào là 128 bit, kích thước
khoá lần lượt là 128, 192, 256 bit (AES-128, AES-192,
AES-256).
• Mỗi khoá con là một cột gồm 4 bytes.
• Mỗi khối dữ liệu 128 bit đầu vào, tương ứng với 16 bytes,
tạo thành một ma trận 4x4 của các byte, gọi là ma trận
trạng thái. Ma trận trạng thái này sẽ biến đổi trong quá
trình thực hiện mã hoá.
35
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
36
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
• Hàm SubBytes: mỗi byte trong state được thay thế với các byte
khác, sử dụng một bảng look-up được gọi là S-box. S-box được
dùng bắt nguồn từ hàm ngược trên trường GF(28).
• Hàm ShiftRows: mỗi hàng được chuyển tuần tự với một số lượng
bước cố định. Các phần tử của hàng đầu tiên sẽ không thay đổi vị
trí, hàng thứ hai dịch sang trái một cột, hàng thứ ba dịch sang trái
hai cột, hàng cuối cùng sẽ dịch sang trái ba cột, đảm bảo mỗi cột
của bảng đầu ra đều được tạo thành từ các cột của bảng trạng thái
đầu vào.
37
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
• Hàm MixColumns: mỗi cột được chuyển đổi tuyến tính bằng
cách nhân nó với một ma trận trong trường hữu hạn. Mỗi cột
được xem như một đa thức trong trường GF(28) và được nhân
modulo x4 + 1 với một biểu thức cố định c(x)=3x3+x2+x+2.
• Hàm AddRoundKey: mỗi byte trong bảng trạng thái được thực
hiện phép XOR với một khoá vòng, quá trình xử lý AES thu
được 11 khoá vòng từ các key mã hoá được phân phát cho kỹ
thuật mã hoá.
38
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
39
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
40
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
41
3. Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AES
42
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
• Được sử dụng phổ biến trong thương mại điện tử
• Đảm bảo an toàn với điều kiện độ dài khóa đủ lớn.
• Thuật toán RSA có hai khóa:
 khóa công khai (hay khóa công cộng)
 khóa bí mật (hay khóa cá nhân).
• Mỗi khóa là những số cố định sử dụng trong quá trình
mã hóa và giải mã.
• Khóa công khai được công bố rộng rãi cho mọi người và
được dùng để mã hóa. Những thông tin được mã hóa
bằng khóa công khai chỉ có thể được giải mã bằng khóa
bí mật tương ứng.
43
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
Có thể mô phỏng trực quan một hệ mật mã khoá công
khai như sau :
• Bob muốn gửi cho Alice một thông tin mật.
• Alice sẽ gửi cho Bob một chiếc hộp có khóa đã mở sẵn
và giữ lại chìa khóa.
• Bob nhận chiếc hộp, cho vào đó một tờ giấy viết thư
bình thường và khóa.
• Sau đó Bob gửi chiếc hộp lại cho Alice.
• Alice mở hộp với chìa khóa của mình và đọc thông tin
trong thư.
• Trong ví dụ này, chiếc hộp với khóa mở đóng vai trò
khóa công khai, chiếc chìa khóa chính là khóa bí mật.
44
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
Bob Alice
45
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
Chọn một số ngẫu nhiên lớn để sinh cặp khóa. Dùng khoá công khai để mã hóa, 
nhưng dùng khoá bí mật để giải mã. 
46
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
Dùng khoá bí mật để ký một thông báo; dùng 
khoá công khai để xác minh chữ ký. 
Tổ hợp khoá bí mật của mình với khoá bí 
mật của người khác tạo ra khoá dùng 
chung chỉ hai người biết. 
47
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
48
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
49
4. Hệ mã hoá khoá công khai RSA
• Các giải thuật mã hoá DES và RSA còn được
ứng dụng vào chữ ký điện tử.
• Giải thuật RSA là rất an toàn nhưng tốc độ mã
hoá và giải mã chậm hơn giải thuật DES hàng
ngàn lần.
• Thông thường người ta thường kết hợp hai
phương pháp mã hoá DES và RSA như sau:
 DES mã hoá khối văn bản.
 RSA để mã hoá khoá mà DES đã dùng để
mã hoá khối văn bản.
50
5. Bài tập
1. Nêu chi tiết cơ chế hoạt động của giải thuật mã hoá
DES.
2. Cài đặt ứng dụng Advanced Encryption Package. Cho
biết cách sử dụng công cụ này.
3. Trình bày tổng quan về cơ chế hoạt động của các giải
thuật RC2, RC4, RC6.
4. Trình bày tổng quan về cơ chế hoạt động của giải
thuật RSA.
51
5. Bài tập
5. Viết ứng dụng mã hoá và giải mã cho một giải thuật
mã hoá hiện đại sử dụng DES và AES.
6. Viết ứng dụng mô phỏng giải thuật mã hoá RSA.
7. Nêu cách sử dụng công cụ mã hoá TrueCrypt.
8. Thực hiện mã hoá và giải mã dữ liệu với công cụ
EFS (Encrypt File System).