Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, công nghệ thông tin và thương mại điện tử đã xâm nhập vào mọi khía cạnh của hoạt động xã hội. Việc trao đổi và đảm bảo an toàn cho các thông tin nhạy cảm trên các mạng truyền dẫn là vấn đề mang tính thời sự và vô cùng phức tạp. Trên thực tế, các kỹ thuật mật mã là phương pháp an toàn và hiệu quả nhất để bảo đảm truyền tin an toàn trên mạng.
Trong đó, bài toán trao đổi khóa luôn được đặt ra để có thể đáp ứng được những ứng dụng của các thuật toán mật mã trên. Xác lập khóa (Key Establishment) là tiến trình trong đó hai (hoặc nhiều) đối tượng xác lập một khóa bí mật được chia sẻ. Trong thực tế có hai kiểu giao thức xác lập khóa [3]: 1) Các giao thức truyền khóa (Key Transport Protocols), trong đó một khóa được phát sinh bởi một đối tượng và truyền an toàn đến đối tượng khác. 2) Các giao thức thỏa thuận khóa (Key Agreement Protocols), trong đó các đối tượng trao đổi các thông tin để xác lập một khóa bí mật được chia sẻ.
Trong khuôn khổ luận văn, người viết chỉ quan tâm đến các giao thức thỏa thuận (trao đổi) khóa. Các khóa dùng trong các quá trình mã hóa và giải mã phải được giữ bí mật và cần được trao đổi bằng một phương pháp an toàn như gặp nhau trực tiếp hay thông qua một người đưa thư tin cậy. Vì vậy quá trình phân phối khóa trong thực tế gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là khi số lượng người sử dụng rất lớn. Mật mã hóa khóa công khai đã giải quyết được vấn đề này vì nó cho phép người dùng gửi thông tin mật trên đường truyền không an toàn mà không cần thỏa thuận khóa từ trước.
Thuật toán mật mã hóa khóa công khai được thiết kế đầu tiên bởi James H. Ellis, Clifford Cocks, và Malcolm Williamson vào đầu thập kỷ 1970. Năm 1976, Whitfield Diffie và Martin Hellman công bố một hệ thống mật mã hóa khóa bất đối xứng trong đó nêu ra phương pháp trao đổi khóa công khai. Trao đổi 1 khóa Diffie-Hellman (DH) là phương pháp có thể áp dụng trên thực tế đầu tiên để phân phối khóa bí mật thông qua một kênh thông tin không an toàn.
Giao thức DH được thiết kế để có khả năng chống lại các tấn công thụ động, tuy nhiên nó không cung cấp sự xác thực giữa các đối tượng tham gia truyền thông. Giải pháp xác thực cần được sử dụng khi áp dụng giao thức này trong thực tế là: sử dụng kết hợp với trung tâm phân phối khóa (CA) hoặc chữ ký số (CKS). Tuy nhiên, khi sử dụng kết hợp với CA, việc thay đổi khóa công khai là ít vì vậy khóa bí mật chia sẻ thường chỉ được sử dụng làm khóa chủ để mã hóa các khóa phiên trong các phiên liên lạc. Khi kết hợp với CKS, việc thay đổi khóa công khai sẽ dễ dàng hơn.
Arazi là người đầu tiên kết hợp giao thức DH và CKS DSA để cung cấp tính năng xác thực khóa. Tuy nhiên, Nyberg and Rueppel [7] đã chỉ ra một điểm yếu trong lược đồ của Arazi là tấn công khóa biết. Một kiểu tấn công khác như là tấn công khoá chia sẻ không biết hay tấn công lặp lại khóa. Vì vậy, năm 2004 Lein Harn đã mở rộng cách tiếp cận của Arazi để tích hợp một cách tin cậy giao thức DH trong DSA.
Giao thức TĐK do Lein Harn đề xuất đã cung cấp được các đặc tính như: an toàn khóa biết, ngăn cản tấn công khóa chia sẻ không biết (unknown key–share resilience) và ngăn cản tấn công khóa lặp lại. Ba tính năng an toàn này là các yêu cầu chuẩn cho giao thức TĐK bất kỳ. Tuy nhiên, giao thức này không cung cấp hai tính năng chuẩn an toàn khác, như là: an toàn phía trước và khả năng làm mới khóa. Phan đã sắp xếp giao thức để đảm bảo cả hai đặc tính an toàn phía trước và khả năng làm mới khóa mà vẫn duy trì được các đặc tính cơ bản của giao thức gốc.
Năm 2010 Jie Liu và Jianhua Li đưa ra sự cải tiến nhằm làm cho giao thức an toàn hơn nhưng vẫn giữ được các yêu cầu cơ bản trong lược đồ của Phan. Tuy nhiên giao thức cải tiến của Liu và li vẫn chưa khắc phục được tính năng bảo mật chống lại lộ trạng thái khóa phiên. 2 Trong vòng 50 năm qua, rất nhiều thuật toán được xây dựng và triển khai. Các nghiên cứu đưa ra nhằm cải thiện sự an toàn của các giao thức.
Các giao thức mới có tính bảo mật ngày càng tốt hơn. Mục đích của đề tài Nghiên cứu tổng quan một số vấn đề về trao đổi khóa, những thuật toán mật mã liên quan, nghiên cứu giao thức trao đổi khóa bí mật Diffie – Hellman và các phát triển của giao thức này được giới thiệu bởi Arazi, Lein Harn, Phan, và Liu và Li từ đó đưa ra cải tiến giao thức trao đổi khóa an toàn trên cơ sở sử dụng giao thức trao đổi khóa Diffe – Hellman kết hợp với chữ ký số làm tăng độ bảo mật của giao thức. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1. Nhiệm vụ đề tài Trước hết đây là vấn đề khó, đòi hỏi phải có tập trung nghiên cứu trong thời gian dài.
Do đó người viết chỉ tập trung vào một số vấn đề sau: + Tìm hiểu tổng quan về vấn đề trao đổi khóa, các thuật toán mật mã liên quan như hàm băm, chữ ký điện tử, giải thuật ký số…. + Phân tích các thuật toán đã được đưa ra để tim ra vấn đề tồn tại về bảo mật trong trao đổi khóa. Từ đó đưa ra các cải tiến để khắc phục vấn đề còn tồn tại. + Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình Visual studio 2010 để viết chương trình mô phỏng cách thức hoạt động của giao thức cải tiến.
Giới hạn đề tài Do đặc thù ngành và điều kiện vật chất nên các nghiên cứu về mật mã và an ninh mạng hiện nay thường ít được triển khai trong thực tê. Do đó người thực hiện chỉ giới hạn nghiên cứu về mặt lý thuyết và toán học. Phương pháp nghiên cứu 3 Phương pháp phân tích: nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích về vấn đề trao đổi khóa, cơ sở toán học, các đặc tính phải có của một giao thức trao đổi khoá, các giao thức trao đổi khóa đã được triển khai tìm ra những ưu điểm và hạn chế. Phương pháp mô phỏng: Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình từ đó xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động của giao thức 4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
An toàn và bảo mật thông tin Khi nhu cầu trao đổi thông tin dữ liệu ngày càng lớn và đa dạng, các tiến bộ về điện tử viễn thông và công nghệ thông tin không ngừng được phát triển ứng dụng để nâng cao chất lượng và lưu lượng truyền tin thì các quan niệm ý tưởng và biện pháp bảo vệ thông tin dữ liệu cũng được đổi mới. Bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu là một chủ đề rộng, có liên quan đến nhiều lĩnh vực và trong thực tế có thể có rất nhiều phương pháp được thực hiện để bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu. Các phương pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu có thể được quy tụ vào ba nhóm 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 nhóm trên có thể được ứng dụng riêng rẽ hoặc phối kết hợp. Môi trường khó bảo vệ an toàn thông tin nhất và cũng là môi trường đối phương dễ xâm nhập nhất đó là môi trường mạng và truyền tin. Biện pháp hiệu quả nhất và kinh tế nhất hiện nay trên mạng truyền dẫn và mạng máy tính là biện pháp thuật toán.
Để đảm bảo an toàn thông tin dữ liệu trên đường truyền này hiệu quả thì đầu tiên, ta phải lường trước hoặc dự đoán trước các khả năng không an toàn, khả năng xâm phạm, các sự cố rủi ro có thể xảy ra đối với thông tin dữ liệu được lưu trữ và trao đổi trên đường truyền tin cũng như trên mạng. Xác định càng chính xác các nguy cơ nói trên thì càng quyết định được tốt các giải pháp để giảm thiểu các thiệt hại. Có hai loại hành vi xâm phạm thông tin dữ liệu đó là: tấn công chủ động và tấn công thụ động. - Tấn công thụ động chỉ nhằm mục đích cuối cùng là nắm bắt được thông tin (đánh cắp thông tin).
Việc làm đó có khi không biết được nội dung cụ thể nhưng có thể dò ra được người gửi, người nhận nhờ thông tin điều khiển giao thức chứa trong 5 phần đầu các gói tin. Kẻ xâm nhập có thể kiểm tra được số lượng, độ dài và tần số trao đổi. Vì vậy tấn công thụ động không làm sai lệch hoặc hủy hoại nội dung thông tin dữ liệu được trao đổi. Tấn công thụ động thường khó phát hiện nhưng có thể có những biện pháp ngăn chặn hiệu quả.
- Tấn công chủ động là dạng tấn công có thể làm thay đổi nội dung, xóa bỏ, làm trễ, sắp xếp lại thứ tự hoặc làm lặp lại gói tin tại thời điểm đó hoặc sau đó một thời gian. Tấn công chủ động có thể thêm vào một số thông tin ngoại lai để làm sai lệch nội dung thông tin trao đổi. Tấn công chủ động dễ phát hiện nhưng để ngăn chặn hiệu quả thì khó khăn hơn nhiều. Một thực tế là không có một biện pháp bảo vệ an toàn thông tin dữ liệu nào là an toàn tuyệt đối.
Một hệ thống dù được bảo vệ chắc chắn đến đâu cũng không thể đảm bảo là an toàn tuyệt đối. Mật mã học Mật mã học là ngành khoa học ứng dụng toán học vào việc biến đổi thông tin thành một dạng khác với mục đích che dấu nội dung, ý nghĩa thông tin cần mã hóa. Đây là một ngành quan trọng và có nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội. Ngày nay, các ứng dụng mã hóa và bảo mật thông tin đang được sử dụng ngày càng phổ biến hơn trong các lĩnh vực khác nhau trên thế giới, từ các lĩnh vực an ninh, quân sự, quốc phòng…, cho đến các lĩnh vực dân sự như thương mại điện tử, ngân hàng… Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và Internet, các nghiên cứu và ứng dụng của khoa học mật mã ngày càng trở nên đa dạng hơn, mở ra nhiều hướng nghiên cứu chuyên sâu vào từng lĩnh vực ứng dụng đặc thù với những đặc trưng riêng.