Bài giảng Hệ điều hành nâng cao - Chương 8 Bảo mật dựa trên mã hoá

Hệ điều hành mạng nâng cao Giảng viên: Hoàng Xuân Dậu Email: dauhoang@vnn.vn Khoa Công nghệ thông tin 1 Học viện Công nghệ BC-VT HĐH mạng nâng cao VIII. Bảo mật dựa trên mã hoá 2 Các giải pháp đảm bảo an toàn dựa trên mã hoá • Mã hoá khoá bí mật (secret key cryptogrphy). • Mã hoá khoá công khai (public key cryptogrphy). • Các hàm băm (hash functions) • Chữ ký điện tử (digital signatures) • Các giao thức/kỹ thuật bảo mật: SSL/TLS, SET, PGP • Một số mô hình bảo mật HĐH mạng 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