Bài giảng Lập trình an toàn: Chương 5

Chương 5. Hàm băm và xác thực thông điệp Hashes and Message Authentication Lương Ánh Hoàng hoangla@soict.hut.edu.vn

Nội dung

5.1 Các loại hàm băm và MAC thông dụng 5.2 Băm với OpenSSL 5.3 Băm dữ liệu với CryptoAPI 5.4 Xác thực thông điệp với HMAC 5.5 Salt

5.1 Các hàm băm và MAC thông dụng

•  Hàm băm (hashes)

–  Nhận đầu vào là một xâu và đầu ra là một chuỗi bit có chiều dài xác

định.

–  Tỉ lệ đụng độ rất nhỏ. –  Dùng để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu nhưng không đảm bảo

tính xác thực của dữ liệu.

–  Thường kết hợp với mô hình mã hóa công khai chứ không sử dụng

một mình.

–  Các giải thuật băm thông dụng: MD5, SHA1

5.1 Các hàm băm và MAC thông dụng

•  Hàm băm (hashes)

Algorithm Digest size Security conqidence Uses block cipher Small message speed (64 bytes), in cycles per byte[2] Large message speed (8K), in cycles per byte

46.7 cpb 57.8 cpb Good Yes Davies-‐Meyer-‐ AES-‐128 128 bits (same length as cipher block size)

MD2 128 bits Good to low 392 cpb No 184 cpb

MD4 128 bits Insecure 32 cpb No 5.8 cpb

MD5 128 bits 40.9 cpb No 7.7 cpb Very low, may be insecure

MDC-‐2-‐AES-‐128 256 bits Very high 93 cpb Yes 116 cpb

MDC-‐2-‐DES 128 bits Good 444 cpb Yes 444 cpb

RIPEMD-‐160 160 bits High 62.2 cpb No 20.6 cpb

SHA1 160 bits High 53 cpb No 15.9 cpb

SHA-‐256 256 bits Very high 119 cpb No 116 cpb

SHA-‐384 384 bits Very high 171 cpb No 166 cpb

SHA-‐512 512 bits Very high 171 cpb No 166 cpb

5.1 Các hàm băm và MAC thông dụng

•  Xác thực thông điệp (Message Authentication Code)

–  Nhận đầu vào là một xâu và một khóa bí mật, đầu ra là một mã có

chiều dài xác định.

–  Dùng để kiểm tra tính toàn vẹn và xác thực của dữ liệu. –  Các giải thuật thông dụng: OMAC, CMAC, HMAC

5.1 Các hàm băm và MAC thông dụng

•  Xác thực thông điệp (Message Authentication Code)

MAC

Built upon

Parallel-‐izable

Large message speed (8K)

Appropriate for hardware

Patent restric-‐ tions

Small message speed (64 bytes)[4]

CMAC

~18 cpb

Yes

A universal hash and AES

HMAC-‐SHA1

90 cpb

20 cpb

Yes

Message digest function

MAC127

hash127 + AES ~6 cpb

~6 cpb

Yes

OMAC1

AES

29.5 cpb

37 cpb

Yes

OMAC2

AES

29.5 cpb

37 cpb

Yes

PMAC-‐AES

Block cipher

72 cpb

70 cpb

Yes

RMAC

Block cipher

89 cpb

80 cpb

Yes

UMAC32

UHASH and AES 19 cpb

cpb

Yes

XMACC-‐SHA1

162 cpb

29 cpb

Yes

Any cipher or MD function

5.2 Băm dữ liệu với OpenSSL

•  OpenSSL cung cấp hai loại giao diện với các hàm băm

–  Giao diện riêng rẽ với mỗi giải thuật băm cụ thể. •  Mỗi giải thuật băm có tệp tiêu đề riêng •  Tên gọi các hàm là khác nhau cho các giải thuật băm.

–  Giao diện chung EVP cho mọi loại hàm băm. •  Tệp tiêu đề chung: •  Trình tự sử dụng như nhau:

–  Khởi tạo ngữ cảnh: EVP_DigestInit –  Cập nhật dữ liệu băm: EVP_DigestUpdate –  Lấy kết quả: EVP_DigestFinal.

5.2 Băm dữ liệu với OpenSSL

•  VD: Băm với SHA1 #include int i; SHA_CTX ctx; unsigned char result[SHA_DIGEST_LENGTH]; /* SHA1 has a 20-‐byte digest. / unsigned char s1 = (unsigned char)"Testing"; unsigned char s2 = (unsigned char)"...1...2...3..."; SHA1_Init(&ctx); SHA1_Update(&ctx, s1, strlen((char)s1)); SHA1_Update(&ctx, s2, strlen((char)s2)); / Yes, the context object is last. */ SHA1_Final(result, &ctx); printf("SHA1(\"%s%s\") = ", s1, s2); for (i = 0; i < SHA_DIGEST_LENGTH; i++) printf("%02x", result[i]); printf("\n");

5.2 Băm dữ liệu với OpenSSL

•  VD: Băm với giao diện EVP

#include #include #include int i , ol; EVP_MD_CTX ctx; unsigned char *result; unsigned char *s1 = (unsigned char*)"Testing"; unsigned char *s2 = (unsigned char*)"...1...2...3..."; EVP_DigestInit(&ctx, EVP_sha1()); EVP_DigestUpdate(&ctx, s1, strlen((char*)s1)); EVP_DigestUpdate(&ctx, s2, strlen((char*)s2)); if (!(result = (unsigned char *)malloc(EVP_MD_CTX_block_size(&ctx))))abort(); EVP_DigestFinal(&ctx, result, &ol); printf("SHA1(\"%s%s\") = ", s1, s2); for (i = 0; i < ol; i++) printf("%02x", result[i]); printf("\n"); free(result);

5.3 Băm dữ liệu với CryptoAPI

•  Trình tự băm với CryptoAPI –  Tệp tiêu đề: Wincrypt.h –  Khởi tạo ngữ cảnh Provider: CryptAcquireContext –  Tạo đối tượng hash: CryptCreateHash –  Băm liên tiếp với: CryptHashData –  Lấy kết quả: CryptGetHashParam –  Giải phóng đói tượng hash: CryptDestroyHash

5.3 Băm dữ liệu với CryptoAPI

•  Ví dụ: Băm dữ liệu với thuật toán SHA-‐256

BYTE *pbData; DWORD cbData = sizeof(DWORD), cbHashSize, i; HCRYPTHASH hSHA256; HCRYPTPROV hProvider; unsigned char *s1 = (unsigned char*)"Testing"; unsigned char *s2 = (unsigned char*)"...1...2...3..."; // Khởi tạo ngữ cảnh Provider CryptAcquireContext(&hProvider, 0, MS_ENH_RSA_AES_PROV, PROV_RSA_AES, 0); // Tạo đối tượng hàm băm CryptCreateHash(hProvider, CALG_SHA_256, 0, 0, &hSHA256); // Thực hiện băm CryptHashData(hSHA256, s1, strlen((char*)s1), 0); CryptHashData(hSHA256, s2, strlen((char*)s2), 0); // Thực hiện băm…

5.3 Băm dữ liệu với CryptoAPI

•  Ví dụ: Băm dữ liệu với thuật toán SHA-‐256 (tiếp)

// Lấy kích thước dữ liệu băm được CryptGetHashParam(hSHA256, HP_HASHSIZE, (BYTE *)&cbHashSize, &cbData, 0); pbData = (BYTE *)LocalAlloc(LMEM_FIXED, cbHashSize); // Lấy dữ liệu băm được CryptGetHashParam(hSHA256, HP_HASHVAL, pbData, &cbHashSize, 0); // Giải phóng đối tượng băm và ngữ cảnh Provider CryptDestroyHash(hSHA256); CryptReleaseContext(hProvider, 0); printf("SHA256(\"%s%s\") = ", s1, s2); for (i = 0; i < cbHashSize; i++) printf("%02x", pbData[i]); printf("\n"); LocalFree(pbData);

5.4 Xác thực thông điệp với HMAC

•  Với OpenSSL

–  Tệp tiêu đều –  Gọi hàm HMAC_Init để khởi tạo ngữ cảnh và key sẽ sử dụng –  Liên tục gọi hàm HMAC_Update để cập nhật dữ liệu. –  Gọi hàm HMAC_Final để kết thúc quá trình băm –  Gọi hàm HMAC_cleanup để xóa key khỏi bộ nhớ. –  Có thể gọi hàm All-‐in-‐one HMAC –  Bên nhận kiểm tra lại bằng cách thực hiện băm với với cùng một key và

giải thuật và so sánh kết quả

5.4 Xác thực thông điệp với HMAC

keylen = strlen((char*)key);

•  Với OpenSSL int i; HMAC_CTX ctx; unsigned int len; unsigned char out[20]; unsigned char * key = (unsigned char)"secret"; int // Khởi tạo HMAC với key là secret HMAC_Init(&ctx, key, keylen, EVP_sha1( )); // Thực hiện băm xâu "fr HMAC_Update(&ctx, (unsigned char)"hash me pls", 11); // Lấy kết quả HMAC_Final(&ctx, out, &len); for (i = 0; i < len; i++) printf("%02x", out[i]); printf("\n");

5.4 Xác thực thông điệp với HMAC

•  Với CryptAPI

–  Tạo đối tượng Hash với hàm CryptCreateHash, trong đó tham số

hKey là một key đã được tạo trước.

–  Thiết lập thông tin về giải thuật băm với hàm CryptSetHashParam. –  Thực hiện băm với hàm CryptHashData –  Lấy kích thước, nội của dữ liệu băm được với hàm

CryptGetHashParam.

–  Giải phóng đói tượng Hash và Key

5.4 Xác thực thông điệp với HMAC

•  Với CryptAPI BYTE out[20]; DWORD cbData = sizeof(out), i; HCRYPTKEY hKey; HMAC_INFO HMACInfo; HCRYPTHASH hHash; HCRYPTPROV hProvider; // Lấy ngữ cảnh provider CryptAcquireContext(&hProvider, 0,MS_ENH_RSA_AES_PROV,PROV_RSA_AES,CRYPT_VERIFYCONTEXT); // Sinh key từ mật khẩu hKey = CreateKeyFromPassword(hProvider,"secret"); // Tạo đối tượng băm CryptCreateHash(hProvider, CALG_HMAC, hKey, 0, &hHash);

5.4 Xác thực thông điệp với HMAC

•  Với CryptAPI

// Thiết lập giải thuật băm HMACInfo.HashAlgid = CALG_SHA1; HMACInfo.pbInnerString = HMACInfo.pbOuterString = 0; HMACInfo.cbInnerString = HMACInfo.cbOuterString = 0; CryptSetHashParam(hHash, HP_HMAC_INFO, (BYTE *)&HMACInfo, 0); // Thực hiện băm CryptHashData(hHash, (BYTE *)"Hash me plz", 11, 0); // Lấy kết quả CryptGetHashParam(hHash, HP_HASHVAL, out, &cbData, 0); for (i = 0; i < cbData; i++) printf("%02x", out[i]); printf("\n"); CryptDestroyHash(hHash); CryptDestroyKey(hKey); CryptReleaseContext(hProvider, 0);

5.5 Sử dụng Salt

•  Salt

–  Chuỗi dữ liệu thêm vào để tăng không gian khóa và chống lại hình

thức replay-‐attack.

–  Hai bên có thể thỏa thuận chung một salt nào đó thay đổi theo thời

gian.

–  Salt thường được thêm vào đầu thông điệp gốc, sau đó thực hiện

băm cả salt cả thông điệp.

Bài tập

1. Viết chương trình mã hóa và giải mã tệp tin bằng giải thuật AES-‐256 bit. Mật khẩu nhập từ bàn phím. Kiểm tra tính đúng đắn của kết quả bằng giải thuật SHA-‐256. Sử dụng thư viện OpenSSL. Khuôn dạng dữ liệu của tệp tin sau khi mã hóa có thể như sau:

2. Viết chương trình chat client-‐server đơn giản trong đó kênh truyền được mã hóa theo giải thuật AES-‐256. Key được sinh ra từ mật khẩu thỏa thuận trước và không truyền qua mạng, Vector khởi tạo là mã BCD được thiết lập từ ngày và giờ hiện tại của hệ thống (Hàm API GetSystemTime). Ví dụ: Nếu hiện tại là 07h ngày 10/10/2011 thì giá trị dưới dạng hexa của vector khởi tạo là

2011101007000….00

Bài tập

3. Viết chương trình băm nội dung một }ile bằng giải thuật HMAC-‐AES256, sử dụng thư viện OpenSSL. Mật khẩu để băm nhập từ bàn phím.Kết quả băm được lưu vào cuối }ile. 4. Viết chương trình kiểm tra tính toàn vẹn của một }ile bằng giải thuật HMAC-‐AES256. Mật khẩu để kiểm tra nhập từ bàn phím.

100