zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Công Nghệ Thông Tin

» An ninh - Bảo mật

Bài giảng An toàn hệ thống thông tin: Chương 2a - Nguyễn Thị Hạnh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Báo xấu

64
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng An toàn hệ thống thông tin: Chương 2a Mã hóa đối xứng cung cấp cho người học những kiến thức như: Mã cổ điển (Classical Encryption); Mã dòng (Stream Ciphers) và Mã khối (Block Ciphers); Mã DES (Data Encryption Standard); Mã hiện đại AES (Advanced Encryption Standard); Các mô hình ứng dụng mã khối. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng An toàn hệ thống thông tin: Chương 2a - Nguyễn Thị Hạnh

07/01/2018 Chương 2: SYMMETRIC CIPHERS (Mã hóa đối xứng) Giáo viên: Nguyễn Thị Hạnh Nguyễn Thị Hạnh 1 Contents 1. Mã cổ điển (Classical Encryption) 2. Mã dòng (Stream Ciphers) và Mã khối (Block Ciphers) 3. Mã DES (Data Encryption Standard) 4. Mã hiện đại AES (Advanced Encryption Standard) 5. Các mô hình ứng dụng mã khối ( Cryptography and Network Security: Principles and Practices (3rd Ed.) – Chapter 2, 3, 5, 6) Nguyễn Thị Hạnh 2 1
07/01/2018 1. Mã cổ điển (Classical Encryption) 1.1 Khái niệm về Mã đối xứng (Symmetric Cipher) 1.2 Một số mã đối xứng nổi tiếng Nguyễn Thị Hạnh 3 1.1 Khái niệm mã đối xứng ˗ Mô hình mã hóa đối xứng Nguyễn Thị Hạnh 4 2
07/01/2018 1.1 Khái niệm mã đối xứng ˗ Bản rõ X (Plaintext): được gọi là bản tin gốc. Đây là dữ liệu ban đầu ở dạng rõ. Bản rõ có thể được chia nhỏ có kích thước phù hợp. ˗ Thuật toán mã hóa (Encryption algorithm): là thuật toán được sử dụng để mã hóa (thay thế hoặc biến đổi) bản rõ ˗ Khóa bí mật (Secret key): Khóa bí mật được đưa vào thuật toán mã hóa. Khóa này là giá trị độc lập với bản rõ và thuật toán mã hóa. Thuật toán sẽ tạo ra đầu ra (input) khác nhau tùy thuộc vào khóa đặc biệt được dùng tại thời điểm đó. Các kỹ thuật thay thế (substitution) và hoán vị (transformation) được thực hiện bởi thuật toán tùy thuộc vào khóa (key) Nguyễn Thị Hạnh 5 1.1 Khái niệm mã đối xứng ˗ Bản mã (Ciphertext): Thông tin, dữ liệu đã được mã hoá ở dạng mờ. Nó tùy thuộc vào plain text và secret key. Cho trước một thông điệp, 2 khóa khác nhau thì sẽ tạo ra được hai bản mã khác nhau. Bản mã là một dòng dữ liệu ngẫu nhiên và nó bền vững và khó hiểu. ˗ Thuật tóa giải mã (Decryption algorithm): Thuật toán giải mã (Decryption algorithm): đây là thực chất là thuật toán mã hóa chạy theo chiều ngược lại. Nó lấy ciphertext và secret key để tạo ra plaintext gốc. ˗ Người gửi/Người nhận (Sender/recipient): Người gửi/Người nhận dữ liệu Nguyễn Thị Hạnh 6 3
07/01/2018 Mô hình mã đối đối xứng Nguyễn Thị Hạnh 7 Đặc tính của mã đối xứng ˗ Thuật toán mã hóa và giải mã sử dụng chung một khóa, thuật toán giải mã là phép toán ngược của thuật toán mã hóa. Vì vậy mô hình trên được gọi là phương pháp mã hóa đối xứng. ˗ Đặc tính của mã đối xứng: Khóa phải được giữ bí mật giữa người gởi và người nhận, khóa phải được chuyển một cách an toàn từ người gởi đến người nhận. Một hệ mã hóa đối xứng phải có tính an toàn. An toàn khi và chỉ khi nó không thể bị phá mã (điều kiện lý tưởng) hoặc thời gian phá mã là bất khả thi. Nguyễn Thị Hạnh 8 4
07/01/2018 Kỹ thuật mã hóa (Cryptography) Hệ thống mã hóa được đặc trưng bởi: ˗Kỹ thuật được sử dụng để chuyển đổi bản rõ thành bản mã. Tất cả các thuật toán được dựa vào 2 kỹ thuật cơ bản: (a)Phép thế (substitution): dùng từng ký tự (hay từng nhóm ký tự) trong bản rõ được thay thế bằng một ký tự (hay một nhóm ký tự) khác để tạo ra bản mã. Bên nhận chỉ cần đảo ngược trình tự thay thế trên bản mã để có được bản rõ ban đầu. (b)Hoán vị (transposition): Các ký tự trong bản rõ được giữ nguyên, chúng chỉ được sắp xếp lại vị trí để tạo ra bản mã. Yêu cầu cơ bản là không có thông tn nào bị mất (có nghĩa là tất cả các thao thác có thể đảo ngược). Nguyễn Thị Hạnh 9 Kỹ thuật mã hóa (Cryptography) ˗ Số khóa được người gửi và người nhận dùng khi mã hóa. Một khóa duy nhất: Mã đối xứng/ Mã khóa đơn/ Mã khóa bí mật khóa/ Mã hóa thông thường (symmetric, single-key, secret-key, or conventional encryption) Hai khóa: Mã hóa bất đối xứng/ mã hóa hai khóa/ Mã hóa khóa công khai (asymmetric, two-key, or public-key encryption) Nguyễn Thị Hạnh 10 5
07/01/2018 Kỹ thuật mã hóa (Cryptography) ˗ Cách mà bản rõ được xử lý: Khối (block cipher): dữ liệu được chia thành từng khối có kích thước xác định và áp dụng thuật toán mã hóa với tham số cho từng khối. Dòng (stream cipher): từng phần tử ở đầu vào được xử lý liên tục tạo phần tử đầu ra tương ứng. Nguyễn Thị Hạnh 11 Phá mã (Cryptanalysis) ˗ Hai cách tiếp cận tấn công mã đối xứng: Phân tích mật mã (cryptanalysis attack) hay còn gọi “tấn công dùng thuật toán”: dựa trên thuật thoán và một số đặc trưng chung về bản rõ hoặc vài cặp mậu bản rõ – bản mã. Kiểu tấn công này khai thác các đặc trưng của thuật toán để tìm bản rõ cụ thể hoặc tìm kiếm khóa. Tấn công vén cạn (Brute-force attack): Kẻ tấn công tìm cách thử mọi khóa có thể trên bản mã cho đến khi nhận được bản rõ. Trung bình cần thử một nữa số khóa. Nguyễn Thị Hạnh 12 6
07/01/2018 Phân tích mật mã (Cryptanalysis) ˗ Các kiểu tấn công phân tích mật mã Biết thuật toán và bản mã xác định bản rõ. Biết thuật toán, biết được bản mã/bản rõ tìm khóa. Chọn bản rõ và nhận được bản mã, biết thuật toán tìm khóa. Chọn bản mã và có được bản rõ tương ứng, biết thuật toán tìm khóa Nguyễn Thị Hạnh 13 Vét cạn (Brute-force) ˗ Về mặt lý thuyết phương pháp này luôn thực hiện được, do có thể tiến hành thử từng khóa, mà số khóa là hữu hạn. ˗ Phần lớn công sức của các tấn công đều tỷ lệ thuận với kích thước khoá. Khóa càng dài thời gian tìm kiếm càng lâu và thường tăng theo hàm mũ. ˗ Ta có thể giả thiết là kẻ thám mã có thể dựa vào đặc trưng về ngữ cảnh để nhận biết được bản rõ. Nguyễn Thị Hạnh 14 7
07/01/2018 Vét cạn (Brute-force) ˗ Thời gian trung bình cần để tìm kiếm toàn bộ Nguyễn Thị Hạnh 15 1.2 Một số mã đối xứng nổi tiếng ˗ Một số mã áp dụng phép thay thế: Mã Caesar (Caesar Cipher) Mã hóa đơn bản (Monoalphabetic Ciphers) Mã Playfair (Playfair Cipher) Mã One-Time Pad (OTP) ˗ Một số mã áp dụng phép hoán vị Nguyễn Thị Hạnh 16 8
07/01/2018 1.2.1 Caesar Cipher ˗ Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên, Julius Ceasar đưa ra phương pháp mã hóa này. ˗ Thay thế mỗi ký tự trong bản rõ bằng ký tự đứng sau nó k vị trí trong bảng chữ cái. Giả sử chọn k=3, ta có bảng chuyển đổi: Bản rõ: a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z Bản mã: D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C ˗ Ví dụ: Bản rõ: meet me after the toga party Bản mã: PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB Nguyễn Thị Hạnh 17 1.2.1 Caesar Cipher ˗ Chúng ta hãy gán cho mỗi chữ cái một con số nguyên từ 0 đến 25: ˗ Với mỗi ký tự trong P thay bằng chữ mã hóa C, trong đó: C = (P + k) mod 26 (mod: phép chia lấy số dư) ˗ Và quá trình giải mã đơn giản là: P = (C – k) mod 26 ˗ k được gọi là khóa. ˗ Hiện nay, mã Ceasar không được xem là an toàn. Nguyễn Thị Hạnh 18 9
07/01/2018 1.2.2 Mã hóa đơn bản (Monoalphabetic Ciphers) ˗ Phương pháp đơn bảng tổng quát hóa phương pháp Ceasar bằng cách dòng mã hóa không phải là một dịch chuyển k vị trí của các chữ cái A, B, C, … nữa mà là một hoán vị của 26 chữ cái này. Lúc này mỗi hoán vị được xem như là một khóa. ˗ Việc mã hóa được tiến hành bằng cách thay thế một chữ cái trong bản rõ thành một chữ cái trong bản mã, nên phương pháp này được gọi là phương pháp thay thế. Plain: abcdefghijklmnopqrstuvwxyz Cipher: DKVQFIBJWPESCXHTMYAUOLRGZN Plaintext: ifwewishtoreplaceletters Ciphertext: WIRFRWAJUHYFTSDVFSFUUFYA Nguyễn Thị Hạnh 19 1.2.2 Monoalphabetic Ciphers ˗ Số lượng hoán vị của 26 chữ cái là 26! (tương đương với số khóa). ˗ Vì 26! là một con số khá lớn tấn công phá mã vét cạn khóa là bất khả thi (6400 thiên niên kỷ với tốc độ thử khóa là 109 khóa/giây). ˗ phương pháp này được xem là một phương pháp mã hóa an toàn trong suốt 1000 năm sau công nguyên. Nguyễn Thị Hạnh 20 10
07/01/2018 1.2.2 Monoalphabetic Ciphers ˗ Tuy nhiên vào thế kỷ thứ 9, một nhà hiền triết người Ả Rập tên là Al-Kindi đã phát hiện ra một phương pháp phá mã khả thi khác. Phương pháp phá mã này dựa trên nhận xét sau: Trong ngôn ngữ tiếng Anh, tần suất sử dụng của các chữ cái không đều nhau, chữ E được sử dụng nhiều nhất, còn các chữ ít được sử dụng thường là Z, Q, J. Tương tự như vậy, đối với cụm 2 chữ cái (digram), cụm chữ TH được sử dụng nhiều nhất. Nếu chữ E được thay bằng chữ K thì tần suất xuất hiện của chữ K trong bản mã là 13.05%. Đây chính là cơ sở để thực hiện phá mã. Nguyễn Thị Hạnh 21 1.2.2 Monoalphabetic Ciphers Tần suất của chữ tiếng anh Nguyễn Thị Hạnh 22 11
07/01/2018 Ví dụ khám mã ˗ Cho bản mã: ˗ Đếm tần suất ký tự ˗ Đoán P & Z là “e” và “t” ˗ Đoán ZW là “th” và vì vậy ZWP là “the” Nguyễn Thị Hạnh 23 Ví dụ khám mã Suy luận tiếp tục ta có được bản rõ Nguyễn Thị Hạnh 24 12
07/01/2018 1.2.3 Mã Playfair ˗ Được biết như là mã thay thế đa ký tự ˗ Được đề xuất bởi Charles Wheatstone, được mang tên của người bạn Baron Playfair ˗ Mã hóa Playfair xem hai ký tự đứng sát nhau là một đơn vị mã hóa, hai ký tự này được thay thế cùng lúc bằng hai ký tự khác. Nguyễn Thị Hạnh 25 1.2.3 Playfair Cipher ˗ Dựa trên ma trận 5 ×5 của các ký tự được xây dựng bằng từ khóa (keyword) ˗ Trong ma trận trên, khóa là từ MONARCHY được điền vào các dòng đầu của bảng, các chữ cái còn lại của bảng chữ cái được điền tiếp theo một cách tuần tự. Riêng hai chữ I, J được điền vào cùng một ô Nguyễn Thị Hạnh 26 13
07/01/2018 1.2.3 Mã Playfair ˗ Bản rõ được mã hóa một lần 2 ký tự theo quy tắc sau: 1. Cặp hai ký tự giống nhau xuất hiện trong bản rõ sẽ được tách ra bởi 1 ký tự lọc, chẳng hạn như x. Ví dụ trước khi mã hóa “balloon” sẽ được biến đổi thành “balxloxon”. 2. Hai ký tự trong cặp đều rơi vào cùng một hàng, thì mã mỗi ký tự bằng ký tự bên phải nó trong cùng hàng của ma trận khóa, nếu nó là phần tử cuối của hàng thì vòng sang ký tự đầu cùng của hàng, chẳng hạn “ar” mã hóa thành “rm” Nguyễn Thị Hạnh 27 1.2.3 Mã Playfair ˗ Bản rõ được mã hóa một lần 2 ký tự theo quy tắc sau: 3. Hai ký tự mà rơi vào cùng một cột thì nó được mã bằng ký tự ngay dưới, nếu nó ở cuối cột thì vòng sang ký tự ở đầu cột, chẳng hạn “mu” được mã hóa thành “CM”. 4. Trong trường hợp khác, mỗi ký tự của bản rõ trong một cặp được thay bởi ký tự nằm cùng hàng với nó và cột là cùng cột với ký tự cùng cặp. Chẳng hạn, “hs”mã thành “bp”, và“ea”mã thành “im”hoặc “jm” Nguyễn Thị Hạnh 28 14
07/01/2018 1.2.3 Playfair Cipher ˗ An toàn được cải tiếng hơn với mã hóa đơn bản (simple monoalphabetic ciphers) ˗ Chỉ xét trên 26 ký tự thì mã khóa Playfair có 26x26=676 cặp ký tự. các cặp ký tự này ít bị chênh lệch về tần suất hơn so với sự chênh lệnh tần suất của từng ký tự. Ngoài ra số lượng các cặp ký tự nhiều hơn cũng làm cho việc phá mã tầnsuất khó khăn hơn. Đây chính là lý do mà người ta tin rằng mã hóa Playfair không thể bị phá và được quân đội Anh sử dụng trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất. ˗ Tuy nhiên, nó có thể bị bẻ khoá nếu cho trước vài trăm chữ, vì bản mã vẫn còn chứa nhiều cấu trúc của bản rõ. Nguyễn Thị Hạnh 29 1.2.4 One-Time Pad (OTP) ˗ One-Time Pad – bộ đệm một lần, Được đề xuất bởi Joseph Mauborgne ˗ Một khóa ngẫu nhiên có chiều dài bằng chiều dài của bản rõ, mỗi khóa dùng một lần ˗ Khó bẻ khóa vì không có quan hệ nào giữa bản rõ và bản mã. ˗ Ví dụ mã hóa bản tin “wearediscoveredsaveyourself” Bản tin P: wearediscoveredsaveyourself Khóa K1: FHWYKLVMKVKXCVKDJSFSAPXZCVP Bản mã C: LWPOODEMJFBTZNVJNJQOJORGGU Dùng K1 để giải mã thì ta được: “wearediscoveredsaveyourself” Nguyễn Thị Hạnh 30 15
07/01/2018 1.2.4 One-Time Pad (OTP) Xét hai trường hợp giải mã bản mã trên với 2 khóa khác nhau ˗Trường hợp 1: Bản mã C: LWPOODEMJFBTZNVJNJQOJORGGU Khóa K2: IESRLKBWJFCIFZUCJLZXAXAAPSY Bản giải mã: theydecidedtoattacktomorrow (they decided to attack tomorrow) ˗Trường hợp 2: Bản mã C: LWPOODEMJFBTZNVJNJQOJORGGU Khóa K3: FHAHDDRAIQFIASJGJWQSVVBJAZB Bản giải mã: wewillmeetatthepartytonight (we will meet at the party tonight) Nguyễn Thị Hạnh 31 1.2.5 Mã hàng rào sắt (rail fence cipher) ˗ Đây là một mã dung phép hoán vị hoặc chuyển vị, vì vậy gọi là mã hoán vị hoặc mã chuyển vị (classical transposition or permutation ciphers) ˗ Thực hiện xáo trộn thứ tự các ký tự trong bản rõ. Do thứ tự của các ký tự bị mất đi nên người đọc không thể hiểu được ý nghĩa của bản tin dù các chữ đó không thay đổi. ˗ Đơn giản nhất của mã hóa kiểu này là mã rail fence cipher Nguyễn Thị Hạnh 32 16
07/01/2018 1.2.5 Rail Fence Cipher ˗ Ghi các ký tự trong bản rõ theo từng hàng rào, sau đó kết xuất bản mã dựa trên cột. ˗ Ví dụ: bản rõ “meet me after the toga party” với hành rào sắt độ sâu là 2 Viết bản rõ như sau: m e m a t r h t g p r y e t e f e t e o a a t Cho bản mã MEMATRHTGPRYETEFETEOAAT Nguyễn Thị Hạnh 33 1.2.5 Rail Fence cipher ˗ Để an toàn hơn nữa, có thể áp dụng phương pháp hoán vị 2 lần (double transposition), tức sau khi hoán vị lần 1, ta lại lấy kết quả đó hoán vị thêm một lần nữa. ˗ Để phá mã phương pháp hoán vị 2 lần không phải là chuyện dễ dàng vì rất khó đoán ra được quy luật hoán vị. ˗ Ngoài ra không thể áp dụng được phương pháp phân tích tần suất chữ cái giống như phương pháp thay thế vì tần suất chữ cái của bản rõ và bản mã là giống nhau. Nguyễn Thị Hạnh 34 17
07/01/2018 Tóm tắt ˗ Các phương pháp mã hóa cổ điển thường dựa trên hai phương thức. 1. Dùng phương pháp thay thế một chữ cái trong bản rõ thành một chữ cái khác trong bản mã (substitution). Các mã hóa dùng phương thức này là mã hóa Ceasar, mã hóa thay thế đơn bảng, đa bảng, one-time pad. 2. Dùng phương pháp hoán vị để thay đổi thứ tự ban đầu của các chữ cái trong bản rõ (Rail Fence) Nguyễn Thị Hạnh 35 2. Mã dòng (Stream Block) và Mã khối (Block Ciphers) 2.1 Khái niệm 2.2 Mã Feistel (Feistel Cipher) Nguyễn Thị Hạnh 36 18
07/01/2018 2.1 Khái niệm ˗ Mã dòng (stream cipher) là một kỹ thuật mã hóa mà mã hóa một dòng dữ liệu số một bit hoặc một byte tại một thời điểm. ˗ Mã khối (block cipher) là một cơ chế mã hóa/giải mã mà trong đó một khối của bản rõ được xử lý như một thổng thể và dùng để tạo ra khối bản mã có độ dài bằng nhau. Thông thường kích cở khổi là 64 hoặc 128 bit được sử dụng. Nguyễn Thị Hạnh 37 Stream Ciphers và Block Ciphers Nguyễn Thị Hạnh 38 19
07/01/2018 2.2 Mã Feistel (Feistel Cipher) ˗ Được đề xuất bởi Horst Feistel ˗ Bản rõ sẽ được biến đổi qua một số vòng để cho ra bản mã cuối cùng ˗ Trong đó bản rõ P và các bản mã Ci được chia thành nửa trái và nửa phải: P = (L0, R0) ; Ci = (Li, Ri) i = 1, 2, …n Nguyễn Thị Hạnh 39 2.2 Mã Feistel (Feistel Cipher) ˗ Quy tắc biến đổi các nửa trái phải này qua các vòng được thực hiện như sau: Li = Ri-1 ; Ri = Li-1 ⊕ F(Ri-1, Ki) Ki là một khóa con cho vòng thứ i. Khóa con này được sinh ra từ khóa K ban đầu theo một thuật toán sinh khóa con (key schedule): K K1 K2 … Kn F là một hàm mã hóa dùng chung cho tất cả các vòng. Hàm F đóng vai trò như là phép thay thế còn việc hoán đổi các nửa trái phải có vai trò hoán vị. ˗ Bản mã C được tính từ kết xuất của vòng cuối cùng: C = Cn = (Ln, Rn) Nguyễn Thị Hạnh 40 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.