Chương 1. An toàn thông tin và chữ kí số 1. Về mã hóa dữ liệu 1. Khái niệm mã hóa thông tin Theo [9, 4], mã hóa sử dụng thuật toán và khóa để biến đổi dữ liệu từ bản rõ sang bản mã.
Chỉ có những ai có thông tin giải mã thì mới giải mã được và đọc được dữ liệu. Thuật toán mã hóa đề cập tới nghành khoa học nghiên cứu về mã hoá và giải mã thông tin. Cụ thể hơn là nghiên cứu các cách thức chuyển đổi thông tin từ dạng rõ (clear text) sang dạng mã (cipher text) và ngược lại. Mã hóa là một phương pháp hỗ trợ rất tốt cho trong việc chống lại những truy cập bất hợp pháp tới dữ liệu được truyền đi trên mạng, áp dụng mã hoá sẽ khiến cho nội dung thông tin được truyền đi dưới dạng mờ và không thể đọc được đối với bất kỳ ai cố tình muốn lấy thông tin đó.
Hệ thống mã hóa là một bộ năm (P, C, K, E, D) thỏa mãn các điều kiện sau: Tập nguồn P là tập hữu hạn tất cả các mẫu tin nguồn cần mã hóa có thể có Tập đích C là tập hữu hạn tất cả các mẫu tin có sau khi mã hóa Tập khóa K là tập hữu hạn các khóa có thể được sử dụng E và D lần lượt là tập luật mã hóa và giải mã.Với mỗi khóa k K, tồn tại luật mã hóa ek E và luật giải mã dk D tương ứng. Luật mã hóa ek: P → C và luật giải mã ek: C → P là hai ánh xạ thỏa mãn dk(ek(x)) = x, x P Hình 1. Hệ thống mã hóa thông tin Hệ thống mã hoá phải đảm bảo các tính chất sau [1]: 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tính bí mật (Confidentiality): Đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách an toàn và không thể bị lộ thông tin nếu như có ai đó cố tình muốn có được nội dung của dữ liệu gốc ban đầu. Chỉ những người được phép mới có khả năng đọc được nội dung thông tin ban đầu.
Tính xác thực (Authentication): Giúp cho người nhận dữ liệu xác định được chắc chắn dữ liệu mà họ nhận là dữ liệu gốc ban đầu. Kẻ giả mạo không thể có khả năng để giả dạng một người khác hay nói cách khác không thể mạo danh để gửi dữ liệu. Người nhận có khả năng kiểm tra nguồn gốc thông tin mà họ nhận được. Tính toàn vẹn (Integrity): Giúp cho người nhận dữ liệu kiểm tra được rằng dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền đi.
Kẻ giả mạo không thể có khả năng thay thế dữ liệu ban đầu băng dữ liệu giả mạo Tính không thể chối bỏ (Non-repudation): Người gửi hay người nhận không thể chối bỏ sau khi đã gửi hoặc nhận thông tin. Có rất nhiều các thuật toán mã hoá khác nhau. Từ những thuật toán được công khai để mọi người cùng sử dụng và áp dụng như là một chuẩn chung cho việc mã hoá dữ liệu; đến những thuật toán mã hoá không được công bố. Có thể phân loại theo các phương pháp: 1.
Mã hoá cổ điển (Classical cryptography), 2. Mã hoá đối xứng (Symetric cryptography), 3. Mã hoá bất đối xứng(Asymetric cryptography), 4. Hoặc phân loại theo số lượng khoá: 1.
Mã hoá khoá bí mật (Private-key Cryptography), 2. Mã hoá khoá công khai (Public-key Cryptography). Mã hóa khóa bí mật Theo [3, 4], phương pháp mã hóa khóa bí mật (secret key cryptography) còn được gọi là mã hóa đối xứng (symmetric cryptography) sử dụng chung một khóa để mã hóa và giải mã dữ liệu. Trước khi mã hóa dữ liệu để truyền đi trên mạng, hai bên gửi và nhận phải có khóa và phải thống nhất thuật toán dùng để mã hóa và giải mã.
Mã hóa khóa bí mật có thể phân thành hai nhóm: Thuật toán khối (Tác động trên 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bản rõ theo từng nhóm bits), Thuật toán dòng (Tác động lên bản rõ theo từng bit một). Các thuật toán loại này có ưu điểm là tốc độ mã hóa và giải mã rất nhanh nhưng bộc lộ hạn chế khi mã khóa bí mật phải được chia sẻ giữa bên gửi với bên nhận. Vì vậy phương pháp mã hóa khóa bí mật chỉ nên dùng cho mục đích mã hóa dữ liệu của cá nhân hay tổ chức đơn lẻ. Các thuật toán mã hóa khóa bí mật Tên thuật toán Mô tả Data Encryption DES là một thuật toán mã hóa đối xứng dạng mã khối, mã hóa Standard (DES) dữ liệu trong từng khối 64-bit sử dụng một khóa 56-bit với 8 bits chẵn lẽ.
Chính độ dài của khóa ngắn cho nên DES là một thuật toán mã hóa hơi yếu. Triple DES 3DES là một thuật toán mã hóa đối xứng tiến hành mã hóa dữ (3DES) liệu thông qua việc xử lý mỗi block 3 lần và mỗi lần dùng một khóa khác nhau. Trước hết nó sẽ mã hóa bản rõ thành bản mã hóa dùng một khóa, sau đó lại tiếp tục mã hóa bản mã hóa với khóa, và tiếp tục mã hóa bản mã hóa thứ 2 này với một khóa khác nữa. Advanced AES là thuật toán mã hóa đối xứng theo khối 128-bit được Encryption phát triển bởi Vincent Rijmen và được sự hỗ trợ của chính phủ Standard (AES) Mỹ xem như một thuật toán thay thế DES.
AES cũng được algorithm gọi là Rijndael. “Rhine-dale” phát âm theo tên người tạo ra. Rivest Cipher Thuật toán RC bao gồm một series được phát triển bởi Ronald (RC) 4, 5, and 6 Rivest. Tất cả có chiều dài khóa khác nhau.
RC4 là một thuật toán mã hóa dòng. RC5 và RC6 là các thuật toán mã hóa khối với các kích cỡ khác nhau Skipjack Skipjack là một thuật toán mã hóa khối được thiết kế bởi Cơ quan bảo mật quốc gia Hoa kỳ - US National Security Agency (NSA) được sử dụng trong chip Clipper Fortezza PC card Blowfish Blowfish là một thuật toán mã hóa miễn phí theo khối 64-bit sử dụng khóa có độ dài khác nhau. Được phát triển bởi Bruce Schneier. CAST-128 CAST-128, được đặt theo tên người phát triển là Carlisle Adams và Stafford Tavares, là một thuật toán mã hóa đối xứng có chiều dài khóa 128-bit.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong các thuật toán trên, DES là thuật toán mã hoá khóa bí mật điển hình được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Ở thời điểm DES ra đời người ta đã tính toán rằng việc phá được khoá mã DES là rất khó khăn, nó đòi hỏi chi phí hàng chục triệu USD và tiêu tốn khoảng thời gian rất nhiều năm. Cùng với sự phát triển của các loại máy tính và mạng máy tính có tốc độ tính toán rất cao, khoá mã DES có thể bị phá trong khoảng thời gian ngày càng ngắn với chi phí ngày càng thấp. Dù vậy việc này vẫn vượt xa khả năng của các hacker thông thường và mã hoá DES vẫn tiếp tục tồn tại trong nhiều lĩnh vực như ngân hàng, thương mại, thông tin.
nhiều năm nữa đặc biệt với sự ra đời của thế hệ DES mới, tức Triple DES". Quá trình mã hóa của thuật toán DES: Bước đầu tiên là chuyển 64 bit chìa khoá qua một bảng hoán vị gọi là Permuted Choice hay PC-1 để thu được chìa khoá mới có 56 bit. Sau khi vệc chuẩn bị chìa khoá và dữ liệu mã hoá hoàn thành, thực hiện mã hoá bằng thuật toán DES. Đầu tiên, khối dữ liệu đầu vào 64 bit được chia thành hai nửa, L và R.
L gồm 32 bit bên trái và R gồm 32 bit bên phải. Quá trình sau đây được lặp 16 lần tạo thành 16 vòng của DES gồm 16 cặp L[0]-L[15] và R[0]-R[15]: R[r-1]- ở đây r là số vòng, bắt đầu từ 1- được lấy và cho qua bảng E (E- bit Selection Table), bảng này giống như một bảng hoán vị, có điều là một số bit được dùng hơn một lần do vậy nó sẽ mở rộng R[r-1] từ 32 bit lên 48 bit để chuẩn bị cho bước tiếp theo. 48 bit R[r-1] được XOR với K[r] và được lưu trong bộ nhớ đệm, vì vậy R[r-1] không thay đổi. Kết quả của bước trước lại được chia thành 8 đoạn, mỗi đoạn 6 bit, từ B[1] đến B[8].
Những đoạn này tạo thành chỉ số cho các bảng S (Substitution) được sử dụng ở bước tiếp theo. Các bảng S, là một bộ 8 bảng (S[1]-S[8]) 4 hàng, 16 cột. Các số trong bảng có độ dài 4 bit vì vậy có giá trị từ 0 đến 15. Bắt đầu từ B[1], bit đầu và cuối của khối 6 bit được lấy ra và sử dụng làm chỉ số hàng của bảng S[1], nó có giá trị từ 0 đến 3, và 4 bit giữa được dùng làm chỉ số cột, từ 0 đến 15.
Giá trị được chỉ đến trong bảng S được lấy ra và lưu lại. Việc này được lặp lại đối với B[2] và S[2] cho 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Lúc này bạn có 8 số 4 bit, khi nối lại với nhau theo thứ tự thu được sẽ tạo ra một chuỗi 32 bit. Kết quả của bước trước được hoán vị bit bằng bảng hoán vị P (Permutation).
Kết quả thu được sau khi hoán vị được XOR với L[r-1] và chuyển vào R[r]. Lúc này bạn có L[r] và R[r] mới. Bạn tiếp tục tăng r và lặp lại các bước trên cho đến khi r= 17, đIều đó có nghĩa là 16 vòng đã được thực hiện và các chìa khoá phụ K[1]-K[16] đã được sử dụng. Khi đã có L[16] và R[16], chúng được ghép lại với nhau theo cách chúng bị tách ra (L[16] ở bên trái và R[16] ở bên phải) thành 64 bit.
64 bit này được hoán vị để tạo ra kết quả cuối cùng là dữ liệu 64 bit đã được mã hoá. Quá trình giải mã của thuật toán DES: Việc giải mã dùng cùng một thuật toán như việc mã hoá. Để giải mã dữ liệu đã được mã hoá, quá trình như giống như mã hoá được lăp lại nhưng các chìa khoá phụ được dùng theo thứ tự ngược lại từ K[16] đến K[1], nghĩa là trong bước 2 của quá trình mã hoá dữ liệu đầu vào ở trên R[r-1] sẽ được XOR với K[17-r] chứ không phải với K[r]. Mã hóa khóa công khai Theo [4, 7], phương pháp mã hóa khóa công khai (public key cryptography) đã giải quyết được vấn đề của phương pháp mã hóa khóa bí mật là sử dụng hai khóa khóa công khai (public key) và khóa bí mật (private key).
Public key được gửi công khai trên mạng, trong khi đó private key được giữ kín. Public key và private key có vai trò trái ngược nhau, một khóa dùng để mã hóa và khóa kia sẽ dùng để giải mã.