Chương 1: MỘT SỐ HỆ MẬT MÃ HÓA THÔNG DỤNG 1.Giới thiệu về các hệ mật mã Mật mã là một môn khoa học nghiên cứu cách viết bí mật. Về phương diện lịch sử, mật mã gắn liền với quá trình mã hóa, điều này có nghĩa là nó gắn với cách thức để chuyển đổi thông tin từ dạng này sang dạng khác, từ dạng thông thường có thể nhận thức được thành dạng không thể nhận thức được, làm cho thông tin trở thành dạng không thể đọc được nếu như không có các thông tin bí mật. Quá trình mã hóa chủ yếu được sử dụng để đảm bảo được tính bí mật của các thông tin quan trọng, chẳng hạn trong công tác tình báo, quân sự hay ngoại giao cũng như các bí mật về kinh tế, thương mại. Mật mã được dùng để bảo vệ bí mật thông tin khi thông tin được truyền đi.
Giả sử có hai người muốn trao đổi thông tin với nhau A và B. Khi đó chẳng hạn A muốn gửi thông tin là một văn bản nào đó dưới dạng điện tử, gọi là bản rõ cho B, muốn được bảo mật thì A phải mã hóa cho bản rõ đó, được bản mã và gửi cho B. Như vậy giữa A và B phải có sự thỏa thuận nào đó về việc dùng khóa để A có thể mã hóa thông tin để được bản mã và B giải mã thông tin từ bản mã nhằm thu được bản rõ. Khi đó, một người nào đó không có khóa thì dù họ có lấy được bản mã trên đường truyền thì cũng không thể dịch ngược thành bản rõ.
Người ta chia hệ mã làm hai loại chính là hệ mã khóa bí mật và hệ mã khóa công khai. Các hệ mã khóa bí mật thực hiện việc bảo mật đều dựa trên cơ sở là có một khóa để dùng chung cho việc lập mã và giải mã. Các hệ mã khóa công khai là trong đó mỗi người tham gia vào quá trình truyền tin sẽ có hai khóa khác nhau, một khóa công khai để lập mã và một khóa bí mật dùng để giải mã. Khóa công khai được công khai hóa cho mọi người, còn khóa mật của mỗi người được giữ bí mật.
Thông tin trước khi gửi được mã hóa bởi khóa công khai của người nhận. Chỉ có người nhận mới có khả năng giải mã bản mã bằng khóa mật của mình. Độ bảo mật Trang 5 của các hệ mã công khai rất cao vì được đảm bảo bằng độ phức tạp tính toán của thao tác tìm các số nguyên tố lớn và phân tích một số nguyên tố lớn thành tích các thừa số. Một hệ mật mã là một bộ năm (P, C, K, E, D) thỏa mãn các điều kiện sau: ▪ P là một tập hợp các bản rõ (chứa thông tin cần mã hóa).
▪ C là tập hữu hạn các bản mã (chứa thông tin đã được mã hóa từ bản rõ). ▪ K là tập hữu hạn các khóa. ▪ Với mỗi khóa k K tồn tại luật mã hóa ek E và luật giải mã d k D tương ứng. Luật mã hóa ek : P → C và luật giải mã ek : C → P là hai ánh xạ thỏa mãn d k ( ek (x)) = x, x P.
Có 2 phương pháp mã hóa khóa, đó là phương pháp mã hóa khóa đối xứng và phương pháp mã hóa khóa không đối xứng. Những hệ mật mã dựa trên phương pháp mã hóa khóa đối xứng gọi là hệ mật mã khóa đối xứng (Symmetric Key Cryptography) hay hệ mật mã khóa bí mật. Ngược lại, các hệ mật mã dựa trên phương pháp mã hóa khóa không đối xứng gọi là hệ mật mã khóa không đối xứng (Asymmetric Key Cryptography) hay hệ mật mã khóa công khai (Public Key Cryptography). Mã hóa là quá trình chuyển thông tin có thể đọc được (gọi là Bản rõ) thành thông tin “khó” có thể đọc được theo cách thông thường (gọi là Bản mã).
Giải mã là quá trình chuyển thông tin ngược lại: từ Bản mã thành Bản rõ. Thuật toán mã hóa hay giải mã là thủ tục tính toán để thực hiện mã hóa hay giải mã. Khóa mã hóa là một giá trị làm cho thuật toán mã hóa thực hiện theo cách riêng biệt và sinh ra bản rõ riêng. Thông thường khóa càng lớn thì bản mã càng an toàn.
Phạm vi các giá trị có thể của khóa được gọi là không gian khóa. Hệ mã hóa là tập các thuật toán, các khóa nhằm che giấu thông tin, cũng như làm cho rõ nó. Mật mã hóa được sử dụng phổ biến để đảm bảo an toàn cho thông tin liên lạc. Các thuộc tính được yêu cầu là: Trang 6 ▪ Bí mật: Chỉ có người nhận đã xác thực có thể lấy ra được nội dung của thông tin chứa đựng trong dạng đã mật mã hóa của nó.
Nói khác đi, nó không thể cho phép thu lượm được bất kỳ thông tin đáng kể nào về nội dung của thông điệp. ▪ Nguyên vẹn: Người nhận cần có khả năng xác định được thông tin có bị thay đổi trong quá trình truyền thông hay không. ▪ Xác thực: Người nhận cần có khả năng xác định người gửi và kiểm tra xem người gửi đó có thực sự gửi thông tin đi hay không. Thuật toán mã hóa: Là một thuật toán nhằm mã hóa thông tin của chúng ta, biến đổi thông tin từ dạng rõ sang dạng mờ, để ngăn cản việc đọc trộm nội dung của thông tin.
Thông thường các thuật toán sử dụng một hoặc nhiều khóa để giải mã. Bạn có thể coi khóa này như một password để có thể đọc được nội dung mã hóa. Người gửi sẽ dùng khóa mã hóa để mã hóa thông tin sang dạng mở, và người nhận sẽ dùng khóa giải mã thông tin sang dạng rõ. Chỉ có những người nào có khóa giải mã mới có thể đọc được nội dung.
Nhưng đôi khi “ kẻ thứ ba” không có khóa giải mã vẫn có thể đọc được thông tin, bằng cách phá vỡ thuật toán. Và có một nguyên tắc là bất kỳ thuật toán mã hóa nào cũng đều có thể bị phá vỡ. Do đó không có bất kỳ thuật toán mã hóa nào được coi là an toàn mãi mãi. Độ an toàn của thuật toán được dựa vào nguyên tắc: ▪ Nếu chi phí để giải mã một khối lượng thông tin lớn hơn giá trị của khối lượng thông tin đó thì thuật toán đó được tạm coi là an toàn.
▪ Nếu thời gian để phá vỡ một thuật toán là quá lớn thì thuật toán được coi là an toàn.Hệ mã khóa bí mật (Secrete Key Gryposystem - SKG) Hệ thống mã hoá khóa bí mật là hệ thống mã hóa trong đó quá trình mã hóa và giải mã đều được sử dụng chung một khóa gọi là khóa bí mật (Secret key). Quá trình thực hiện cơ chế mã hoá như sau: Trang 7 Hình 1.1 Quá trình thực hiện cơ chế mã hoá Hình 1.1 mô tả quá trình trao đổi thông tin giữa bên gửi và bên nhận thông qua việc sử dụng phương pháp mã hoá đối xứng. Trong quá trình này, thì thành phần quan trọng nhất cần phải được giữ bí mật chính là khoá. Việc trao đổi, thoả thuận về thuật toán được sử dụng trong việc mã hoá có thể tiến hành một cách công khai, nhưng bước thoả thuận về khoá trong việc mã hoá và giải mã phải tiến hành bí mật.
Chúng ta có thể thấy rằng thuật toán mã hoá đối xứng sẽ rất có lợi khi được áp dụng trong các cơ quan hay tổ chức đơn lẻ. Nhưng nếu cần phải trao đổi thông tin với một bên thứ ba thì việc đảm bảo tính bí mật của khoá phải được đặt lên hàng đầu. Để thực hiện mã hóa thông tin giữa hai bên thì: Đầu tiên bên gửi và bên nhận bằng cách nào đó sẽ phải thỏa thuận khóa bí mật được dùng để mã hóa và giải mã. Vì chỉ cần biết được khóa bí mật này thì bên thứ ba có thể giải mã được thông tin, thông tin cần được bí mật truyền đi.
Sau đó bên gửi sẽ dùng một thuật toán mã hóa với khóa bí mật tương ứng để mã hóa dữ liệu sắp được truyền đi. Khi bên nhận nhận được sẽ dùng chính khóa bí mật đó để giải mã dữ liệu. Vấn đề lớn nhất của phương pháp mã hóa đối xứng là làm sao để “thỏa thuận” khóa bí mật giữa bên gửi và bên nhận, vì nếu truyền khóa bí mật từ bên gửi sang bên nhận mà không dùng một phương pháp bảo vệ nào thì bên thứ ba cũng có thể dễ dàng lấy được khóa bí mật này.2: Mã hóa dữ liệu Việc bảo mật thông tin phụ thuộc vào việc bảo mật khóa. Nguyên lý cơ bản của hệ thống mã hoá khoá đối xứng được chỉ ra.
Có thể thấy rằng bản chất của mã hoá đối xứng là cả phía thu và phía phát đều sử dụng cùng một khoá bí mật (SK), và thuật toán ở cả hai phía cũng đều giống nhau. Mã hoá đối xứng như trên dựa vào việc phân phối khoá một cách bảo mật giữa cả hai phía. Nhưng thực tế là khoá chung đó lại phân phối tới tất cả mọi người trong mạng, và vấn đề “kênh bảo mật” đã làm đau đầu những nhà quản trị mạng. Điều nguy hiểm nhất là bất cứ ai chiếm được khoá trong quá trình phân phối cũng có toàn quyền truy nhập tới dữ liệu do khoá đó bảo vệ.
Do đó, quá trình phân phối khoá phải trên “kênh bảo mật”, bất kể là kênh logic hay kênh vật lý.3: Quy trình mã hóa ▪ Đặc điểm của hệ mã khóa bí mật: ▪ Ưu điểm: + Hệ mã hóa khóa đối xứng mã hóa và giải mã nhanh hơn hệ mã hóa khóa bất đối xứng. ▪ Hạn chế: + Hệ mã hóa khóa đối xứng chưa thật an toàn với lý do sau: Khóa phải được giữ bí mật tuyệt đối vì biết được khóa này dễ tính được khóa kia và ngược lại. + Vấn đề thỏa thuận khóa và quản lý khóa chung là khó khăn và phức tạp. Người gửi và người nhận phải luôn thống nhất về khóa.
Việc thay đổi khóa là rất khó và dễ bị lộ. Khóa chung phải được gửi cho nhau trên kênh an toàn. ▪ Ứng dụng: Hệ mã hóa khóa đối xứng thường được sử dụng trong môi trường mà khóa chung có thể dễ dàng trao chuyển bí mật, chẳng hạn trong cùng một mạng nội bộ. Hệ mã hóa khóa đối xứng thường được sử dụng để mã hóa những bản tin lớn, vì tốc độ mã hóa và giải mã nhanh hơn hệ mã hóa bất đối xứng.