Luận án tiến sĩ Toán học: Nghiên cứu phát triển giao thức trao đổi khóa an toàn

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu tổng quan các cơ sở lý thuyết về các giao thức trao đổi khóa, về chữ ký số và cơ sơ toán học của các bài toán khó giải để xây dựng lược đồ chữ ký số dựa trên hai bài toán khó nhằm phát triển các giao thức trao đổi khóa an toàn có xác thực sử dụng lược đồ chữ ký số dựa trên hai bài toán khó giải.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Toán học: Nghiên cứu phát triển giao thức trao đổi khóa an toàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐỖ VIỆT BÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRAO ĐỔI KHÓA AN TOÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC HÀ NỘI - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐỖ VIỆT BÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRAO ĐỔI KHÓA AN TOÀN Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho tin học Mã số: 9 46 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Nguyễn Hiếu Minh 2. TS Nguyễn Mạnh Linh HÀ NỘI - 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Đỗ Việt Bình
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, Nghiên cứu sinh đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn đến PGS, TS Nguyễn Hiếu Minh, TS Nguyễn Mạnh Linh, cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Cho phép Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã giúp đỡ và có nhiều đóng góp quý báu trong suốt thời gian Nghiên cứu sinh thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Cuối cùng, Nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn tới đồng nghiệp, gia đình, và bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua. NCS Đỗ Việt Bình
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................... x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. 8 1.1. Tổng quan về bài toán trao đổi khóa ...................................................... 8 1.1.1. Khái niệm giao thức trao đổi khóa ................................................ 11 1.1.2. Các tính chất an toàn của giao thức trao đổi khóa ........................ 12 1.1.3. Giao thức trao đổi khóa an toàn .................................................... 17 1.1.4. Bài toán trao đổi khóa nhóm ......................................................... 20 1.2. Tổng quan về lược đồ chữ ký số .......................................................... 23 1.2.1. Cơ sở toán học ............................................................................... 24 1.2.2. Lược đồ chữ ký số ......................................................................... 27 1.3. Kết luận chương 1 ................................................................................ 38 Chương II: PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRAO ĐỔI KHÓA CÓ XÁC THỰC DỰA TRÊN HAI BÀI TOÁN KHÓ .............................................. 40 2.1. Phát triển lược đồ chữ ký số dựa trên hai bài toán khó ........................ 40 2.1.1. Lược đồ thứ nhất (Rabin và Schnorr) ........................................... 48 2.1.2. Lược đồ thứ hai (RSA và Schnorr) ............................................... 49 2.1.3. Đánh giá khả năng bảo mật ........................................................... 50
iv 2.2. Phát triển giao thức trao đổi khóa có xác thực dựa trên hai bài toán khó .................................................................................................. 52 2.2.1. Một số phát triển giao thức trao đổi khóa an toàn......................... 53 2.2.2. Mô tả giao thức DH–MM–KE ...................................................... 60 2.2.3. Đánh giá giao thức ........................................................................ 65 2.3. Kết luận chương 2 ................................................................................ 68 Chương III: PHÁT TRIỂN GIAO THỨC KÝ VÀ MÃ HÓA ĐỒNG THỜI DỰA TRÊN HAI BÀI TOÁN KHÓ............................................................... 69 3.1. Giao thức ký và mã hóa đồng thời ....................................................... 69 3.1.1. Phương pháp ký rồi mã hóa........................................................... 70 3.1.2. Phương pháp ký và mã hóa đồng thời ........................................... 71 3.1.3. Một số nghiên cứu về ký và mã hóa đồng thời ............................. 73 3.2. Phát triển giao thức ký và mã hóa đồng thời DH–MM–SC................. 75 3.2.1. Mô tả giao thức.............................................................................. 75 3.2.2. Đánh giá giao thức ........................................................................ 76 3.3. Phát triển giao thức ký và mã hóa đồng thời có thể chối từ DH–MM–DSC .............................................................................................. 79 3.3.1. Mô tả giao thức.............................................................................. 82 3.3.2. Đánh giá giao thức ........................................................................ 84 3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................ 87 Chương IV: PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRAO ĐỔI KHÓA NHÓM ........ 88 4.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 88 4.1.1. Giao thức IKA.1 ............................................................................ 90
v 4.1.2. Giao thức IKA.2 ............................................................................ 91 4.2. Đề xuất giao thức trao đổi khóa nhóm ................................................. 93 4.3. Đánh giá giao thức ............................................................................... 94 4.3.1. Không để lộ khóa cặp .................................................................... 94 4.3.2. Dễ dàng hoán vị để hình thành khóa mới...................................... 95 4.3.3. Đánh giá độ phức tạp..................................................................... 96 4.4. Kết luận chương 4 ................................................................................ 97 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 101
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa của từ viết tắt {0,1}∗ Ký hiệu chuỗi bit có độ dài bất kỳ {0,1}𝑘 Ký hiệu chuỗi bit có độ dài 𝑘 (𝑛) Hàm phi Euler của 𝑛 ACMA Tấn công thông điệp được lựa chọn thích ứng (Adaptive Chosen Message Attack) AKA Hoạt động bổ trợ trao đổi khóa (Auxiliary Key Agreement) AKAKC Giao thức trao đổi khóa có xác thực cùng xác nhận khóa (Authenticated Key Agreement witk Key Confirm) CNTT Công nghệ thông tin CKS Chữ ký số CSDL Cơ sở dữ liệu DCMA Tấn công thông điệp được lựa chọn trực tiếp (Directed Chosen Message Attack) DH Diffie–Hellman DHKE Giao thức trao đổi khóa Diffie–Hellman (Diffie–Hellman Key Exchange) DLP Bài toán logarithm rời rạc (Discrete Logarithm Problem) DoS Từ chối dịch vụ (Denial Of Service) DPG Nhóm ngang hàng động (Dynamic Peer Group) DS Chữ ký số (Digital Signature) DSA Thuật toán chữ ký số (Digital Signature Algorithm) DSS Chuẩn chữ ký số (Digital Signature Standard) ECC Mã hóa trên đường cong elliptic (Elliptic Curve Cryptography)
vii ECDHKE Trao đổi khóa Diffie–Hellman trên đường cong elliptic (Elliptic Curve Diffie–Hellman Key Exchange) ECDLP Bài toán logarithm rời rạc trên đường cong elliptic (Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem) ECDSA Thuật toán chữ ký số trên đường cong elliptic (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) ECM Phương pháp phân tích thừa số trên đường cong Elliptic (Elliptic Curve Method) ECMQV Giao thức MQV trên đường cong elliptic (Elliptic Curve MQV) EF Tồn tại giả mạo (Existential Forgery) EKC Xác nhận khóa hiện (Explicit key Confirmation) EKA Xác thực khóa hiện (Explicit key Authentication) 𝑔𝑐𝑑 Ước số chung lớn nhất (Greatest Common Divisor) GCMA Tấn công thông điệp được lựa chọn tổng quát (Generic Chosen Message Attack) GDH Giao thức trao đổi khóa nhóm Diffie–Hellman (Group Diffie–Hellman) 𝑔𝑒𝑛 Thủ tục tạo khóa (Generation) 𝐻(𝑀) Giá trị băm của 𝑀 IFP Bài toán phân tích thừa số nguyên tố (Integer Factorization Problem) IKA Xác thực khóa ẩn (Implicit Key Authentication) IKC Xác nhận khóa ẩn (Implicit Key Confirmation) 𝐾𝐴𝐵 Khóa phiên theo hướng từ A tới B 𝐾𝐵𝐴 Khóa phiên theo hướng từ B tới A KCI Giả mạo khóa thỏa thuận (Key Compromise Impersonation) KKS Độ an toàn khóa đã biết (Known – Key Security) KMA Tấn công thông điệp đã biết (Known Message Attack) KOA Tấn công vào khóa (Key–Only Attacks)
viii MA Tấn công vào thông điệp (Message Attacks) MITM Tấn công kẻ đứng giữa (Man–In–The–Middle Attack) NFS Thuật toán sàng trường số (Number Field Sieve) P2P Giao thức ngang hàng (Peer to Peer) PFS An toàn đầy đủ về phía trước (Perfect Forward Secrecy) PGP Bảo mật rất mạnh (Pretty Good Privacy) 𝑝𝑘 Khóa công khai (Public Key) QS Thuật toán sàng bậc hai (Quadratic Sieve) 𝑠𝑐 Thuật toán ký và mã hóa (Signcryption) SF Giả mạo có lựa chọn (Selective Forgery) 𝑠𝑖𝑔 Thủ tục ký (Sign) 𝑠𝑘 Khóa bí mật (Secret Key) SSR Tiết lộ trạng thái phiên (Session-State Reveal) TB Phá vỡ hoàn toàn (Total Break) 𝑇𝐺𝐸𝑁 Thời gian sinh số nguyên tố ngẫu nhiên 𝑇𝐸𝑋𝑃 Độ phức tạp thời gian của phép mũ modulo 𝑇𝑀𝑈𝐿 Độ phức tạp thời gian của phép nhân modulo 𝑇𝐻 Độ phức tạp thời gian của việc thực hiện hàm băm. 𝑇𝐼𝑁𝑉 Độ phức tạp thời gian của phép tính nghịch đảo modulo. 𝑇𝐶𝑅𝑇 Độ phức tạp thời gian của phép tính đồng dư Trung Hoa. 𝑢𝑐 Thuật toán giải mã và xác thực (Unsigncryption) UF Giả mạo tổng quát (Universal Forgery) UKS Tấn công không biết khóa chia sẻ (Unknown Key–Share attacks) 𝑣𝑒𝑟 Thủ tục xác thực (Verify) 𝑍𝑝∗ Nhóm nhân hữu hạn
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Quy trình tạo chữ ký số ........................................................ 28 Hình 1.2. Quy trình xác thực chữ ký số ................................................ 29 Hình 2.2. Giao thức trao đổi khóa L. Harn ........................................... 55 Hình 2.3. Giao thức trao đổi khóa Phan ............................................... 57 Hình 2.4. Giao thức trao đổi khóa của Jie Liu và Jianhua Li ............... 59 Hình 2.5. Giao thức DH–MM–KE ....................................................... 64 Hình 3.1. Giai đoạn ký và mã hóa ........................................................ 73 Hình 3.2. Giai đoạn giải mã và xác thực .............................................. 73 Hình 3.3. Giao thức DH–MM–SC ........................................................ 76 Hình 3.4. Giao thức DH–MM–DSC ..................................................... 84 Hình 4.1. Sơ đồ giao thức IKA.1 .......................................................... 90 Hình 4.2. Ví dụ thực hiện IKA.1 cho nhóm 4 thành viên [44] ............. 90 Hình 4.3. Sơ đồ giao thức IKA.2 .......................................................... 92 Hình 4.4. Ví dụ thực hiện IKA.2 cho nhóm 4 thành viên [44] ............. 92 Hình 4.5. Sơ đồ giao thức NGDH1 ...................................................... 94
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Dữ liệu lịch sử của bài toán phân tích thừa số nguyên tố .... 27 Bảng 2.1. So sánh độ phức tạp thời gian .............................................. 52 Bảng 2.2. Độ phức tạp thời gian của giao thức DH–MM–KE ............. 67 Bảng 3.1. Độ phức tạp thời gian của giao thức DH–MM–SC ............. 78 Bảng 3.2. Kích thước bản ký mã hóa của giao thức DH–MM–SC ...... 79 Bảng 3.3. Độ phức tạp thời gian của giao thức DH–MM–DSC........... 86 Bảng 3.4. Kích thước bản ký mã hóa của giao thức DH–MM–DSC ... 86 Bảng 4.1. Độ phức tạp của giao thức IKA.1 ........................................ 91 Bảng 4.2. Độ phức tạp của giao thức IKA.2 ........................................ 93 Bảng 4.3. Độ phức tạp của giao thức NGDH1 ..................................... 97
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 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 để nâng cao chất lượng và lưu lượng truyền tin thì các biện pháp bảo vệ thông tin cũng cần được đổi mới để thích nghi. Các biện pháp bảo vệ an toàn thông tin có thể được chia thành 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; - Bảo vệ an toàn thông tin bằng các biện pháp thuật toán. Các biện pháp bảo vệ an toàn thông tin có thể được ứng dụng riêng rẽ hoặc phối kết hợp. Biện pháp hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay là biện pháp thuật toán. 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. Để đảm bảo an toàn thông tin dữ liệu trên đường truyền tin và trên mạng máy tính có hiệu quả thì điều trước tiên là phải lường trước hoặc dự đoán trước các nguy cơ mất an toàn, nguy cơ bị tấn công, 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 bị động. Tấn công bị động chỉ nhằm mục đích cuối cùng là nắm bắt được thông tin (đánh cắp thông tin). Tấn công bị động có khi không lấy được nội dung cụ thể của bản tin nhưng có thể dò ra được người gửi, người nhận nhờ thông tin điều khiển giao thức chứa trong phần đầu các gói tin. Kẻ xâm nhập có thể kiểm tra được số lượng, độ dài và tần số trao đổi. Vì tấn công thụ động không làm sai lệch hoặc hủy hoại nội dung thông
2 tin dữ liệu được trao đổi nên thường khó phát hiện nhưng vẫn 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 tấn công 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 đứng vững hoàn toàn trước các hành vi tấn công từ bên ngoài. Một hệ thống dù được bảo vệ chắc chắn đến đâu cũng không thể đảm bảo là an toàn tuyệt đối. 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 nhiều 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. Ứng dụng của khoa học mật mã không chỉ đơn thuần là mã hóa và giải mã thông tin mà còn bao gồm nhiều vấn đề khác nhau cần được nghiên cứu và giải quyết: Chứng thực nguồn gốc nội dung thông tin (kỹ thuật chữ ký điện tử), chứng nhận tính xác thực về người sở hữu mã khóa (chứng nhận khóa công cộng), các quy trình giúp trao đổi thông tin và thực hiện giao dịch điện tử an toàn trên mạng,... Những kết quả nghiên cứu về mật mã cũng đã được đưa vào trong các hệ thống phức tạp hơn, kết hợp với những kỹ thuật khác để đáp ứng yêu cầu đa dạng của các hệ thống ứng dụng khác nhau trong
3 thực tế, ví dụ như hệ thống bỏ phiếu bầu cử qua mạng, hệ thống đào tạo từ xa, hệ thống quản lý an ninh của các đơn vị với hướng tiếp cận sinh trắc học, hệ thống cung cấp dịch vụ multimedia trên mạng với yêu cầu cung cấp dịch vụ và bảo vệ bản quyền sở hữu trí tuệ đối với thông tin số,... Mật mã hay các giải pháp bảo mật được sử dụng để bảo vệ tính bí mật của thông tin khi chúng được truyền trên các kênh truyền thông công cộng. Giả sử nếu một người A muốn gửi cho người B một văn bản P, để bảo mật A lập cho P một bản mật mã C bằng một phương pháp toán học nào đó, và thay vì gửi cho B văn bản P, A gửi cho B văn bản C. B nhận được C thực hiện giải mã để thu được P. Để A biến P thành C và B biến C thành P, A và B phải thống nhất sử dụng chung một hệ mật nào đó có thể là hệ mật khóa bí mật hoặc hệ mật khóa công khai. Trong hệ mật khóa bí mật, bước mã hóa và giải mã đều sử dụng chung một khóa bí mật 𝑘, và với các giá trị của 𝑘 khác nhau ta thu được các bản mã khác nhau. Tính an toàn của hệ mật phụ thuộc vào hai yếu tố là thuật toán phải đủ mạnh để không thể giải mã được văn bản nếu đơn thuần chỉ dựa vào bản mã, và tính an toàn của khóa (chứ không phải là an toàn thuật toán), tức là nếu biết bản mã và thuật toán mã hóa nhưng không biết khóa vẫn không thể tìm được bản rõ. Nói cách khác, ta không cần giữ bí mật thuật toán mà chỉ cần giữ bí mật khóa. Việc giữ bí mật khóa trở thành điểm mấu chốt của hệ mật loại này, nếu vì lý do nào đó mà khóa bị lộ thì tất cả những văn bản hai bên trao đổi với nhau cũng sẽ bị lộ. Để sử dụng hệ mật khóa bí mật yêu cầu hai bên trước khi truyền tin phải có chung một giá trị khóa, giá trị này cần phải giữ bí mật và điều này không thuận tiện trong môi trường truyền thông công cộng như hiện nay. Vì thế người ta đã đưa ra cách mã hóa khác, cho phép các bên trong hệ thống có thể truyền tin cho nhau bằng cách công bố công khai thông tin cần cho việc lập mã, khiến
4 cho người gửi và người nhận không cần quy ước trước với nhau và cũng không có những bí mật chung. Bên nhận được bản mã sử dụng khóa bí mật của mình giải mã để thu được văn bản gốc. Mã hóa được thực hiện rất dễ dàng, bất kỳ người nào cũng có thể làm được, còn việc giải mã rất khó khăn nếu như không có khóa riêng, còn nếu có nó thì việc giải mã cũng dễ như việc mã hóa. Việc giữ bí mật khóa trong hệ mật khóa công khai không còn là vấn đề lớn nữa, vì mỗi người có một khóa riêng chỉ có chính người đó biết mà thôi nên khả năng làm lộ gần như là không có. Vì vậy đối với những hệ mật loại này tính an toàn của chúng nằm trong khả năng không bị lộ của chìa khóa bí mật từ những thông tin công khai tất cả mọi người đều có, mà điều này thì lại phụ thuộc vào độ khó của bài toán nào đó ví như: việc tính tích hai số nguyên tố lớn 𝑛 = 𝑝 × 𝑞. Dễ dàng nhân hai số nguyên tố lớn 𝑝, 𝑞 để thu được tích 𝑛 của chúng, nhưng bài toán sẽ là khó nếu cho giá trị tích 𝑛 và yêu cầu xác định các thừa số nguyên tố 𝑝, 𝑞 của nó. Đối với cả hệ mật khóa bí mật và hệ mật khóa công khai đều cần trao đổi khóa, nhưng bài toán trao đổi khóa cho hệ mật khóa bí mật phức tạp hơn. Vấn đề bảo vệ an toàn khóa là đặc biệt quan trọng. Trong đó khâu quan trọng nhất nhưng cũng là khâu kém an toàn nhất chính là trao đổi khóa. Với tất cả các kỹ thuật mật mã hiện đại vấn đề trao đổi khóa luôn được đặt ra để có thể đảm bảo việc ứng dụng được các thuật toán mật mã. Do đó việc xây dựng giao thức trao đổi khóa an toàn có tính cấp thiết trong điều kiện hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan các cơ sở lý thuyết về các giao thức trao đổi khóa, về chữ ký số và cơ sơ toán học của các bài toán khó giải để xây dựng lược đồ chữ ký số dựa trên hai bài toán khó nhằm phát triển các giao thức trao đổi khóa an toàn có xác thực sử dụng lược đồ chữ ký số dựa trên hai bài toán khó giải.
5 Đồng thời nghiên cứu các vấn đề liên quan đến trao đổi khóa nhóm, đề xuất giao thức trao đổi khóa nhóm mới. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là bài toán trao đổi khóa, giao thức trao đổi khóa an toàn, giao thức trao đổi khóa nhóm. Các khái niệm cơ sở toán học, các lược đồ chữ ký số RSA, Rabin, Schnorr,... Các giao thức ký và mã hóa đồng thời, các mô hình mã hóa chối từ. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu liên quan đến các giao thức trao đổi khóa, sử dụng các lý thuyết về đại số trừu tượng, bài toán logarithm rời rạc, các phương pháp thiết kế, phát triển giao thức thiết lập khóa an toàn dựa trên giao thức trao đổi khóa Diffie–Hellman, từ đó đề xuất một số giao thức trao đổi khóa an toàn mới có tính ứng dụng cao. Chứng minh tính đúng đắn, sử dụng lý thuyết về độ phức tạp thuật toán, đánh giá độ an toàn và thời gian hoàn thành giao thức trao đổi khóa (theo lý thuyết) của các giao thức đề xuất. - Thực nghiệm: xây dựng các module thử nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của các giao thức đã đề xuất. 5. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu giới thiệu về tính cấp thiết, mục đích, phương pháp, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án, các đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án và phần kết luận, luận án được chia thành 4 chương, bố cục như sau: Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trình bày tổng quan bài toán trao đổi khóa, một số khái niệm, phương pháp đánh giá, tiêu chuẩn an toàn của một giao thức trao đổi khóa. Giới thiệu chi tiết giao thức trao đổi khóa Diffie–Hellman; phân tích giao thức trao đổi
6 khóa an toàn, ưu nhược điểm của một số giao thức trao đổi khóa an toàn đã công bố. Trình bày các khái niệm về trao đổi khóa nhóm, các đặc điểm và yêu cầu đối với một giao thức trao đổi khóa nhóm. Trình bày các vấn đề cơ sở toán học của các bài toán khó giải, tổng quan về lược đồ chữ ký số và điểm lại những vấn đề xung quanh các lược đồ chữ ký số RSA, DSA, Rabin, Schnorr. Đồng thời cũng đã trình bày các thảo luận liên quan đến bảo mật, sự thực thi, các phương pháp tấn công,... Chương 2. PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRAO ĐỔI KHÓA CÓ XÁC THỰC DỰA TRÊN HAI BÀI TOÁN KHÓ Tập trung nghiên cứu và phân tích ưu nhược điểm của các lược đồ chữ ký số dựa trên hai bài toán khó đã được công bố, từ đó làm cơ sở đề xuất lược đồ chữ ký số mới dựa trên hai bài toán khó, giải quyết các vấn đề còn tồn tại. Phân tích khả năng bảo mật và hiệu quả của lược đồ mới đề xuất. Trên cơ sở đó phát triển giao thức trao đổi khóa an toàn có xác thực tích hợp chữ ký số dựa trên hai bài toán khó. Phân tích đánh giá tính bảo mật và hiệu năng của thuật toán. Chương 3. PHÁT TRIỂN GIAO THỨC KÝ VÀ MÃ HÓA ĐỒNG THỜI DỰA TRÊN HAI BÀI TOÁN KHÓ Phân tích mô hình ký rồi mã hóa truyền thống, chỉ ra ưu điểm của mô hình ký và mã hóa đồng thời so với mô hình truyền thống. Phân tích một số giao thức ký và mã hóa đồng thời đã công bố, các hạn chế còn tồn tại của các giao thức này. Dựa trên cơ sở lược đồ chữ ký số mới ở chương 2, đề xuất giao thức ký và mã hóa đồng thời dựa trên hai bài toán khó (DH–MM–SC) và giao thức ký và mã hóa đồng thời có thể chối từ dựa trên hai bài toán khó (DH–MM–DSC) nhằm nâng cao tính bảo mật và cung cấp khả năng chống tấn công cưỡng bức chủ động. Đây là giao thức ký và mã hóa đồng thời đầu tiên có khả năng chối từ.
7 Chương 4. PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRAO ĐỔI KHÓA NHÓM Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến trao đổi khóa nhóm thông qua phân tích giao thức GDH nguyên thủy và một số phát triển của giao thức này để từ đó đề xuất xây dựng giao thức cải tiến trong trường hợp trao đổi khóa nhóm nhằm tránh lộ khóa cặp, dễ dàng thay đổi khóa và giảm khối lượng tính toán. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Việc cải tiến và phát triển các giao thức trao đổi khóa an toàn luôn là yêu cầu đặt ra của bất kỳ tổ chức hay quốc gia nào. Hiện nay, các giao thức trao đổi khóa an toàn tích hợp chữ ký số đều dựa vào một bài toán khó giải như: Bài toán logarithm rời rạc, bài toán phân tích thừa số nguyên tố, bài toán khai căn bậc 2 𝑚𝑜𝑑 𝑛 hoặc bài toán logarithm rời rạc trên đường cong Elliptic. Một giả thiết đặt ra là trong tương lai, khi các bài toán khó giải lần lượt được giải quyết thì các giao thức trao đổi khóa hiện tại sẽ trở thành không an toàn. Do đó, cần phát triển các giao thức mới dựa trên kết hợp các bài toán khó giải để tăng tính an toàn cho giao thức trao đổi khóa. Đóng góp của luận án chính là việc xây dựng các giao thức trao đổi khóa an toàn tích hợp chữ ký số dựa trên kết hợp các bài toán khó giải để tăng tính an toàn cho giao thức trao đổi khóa đó. Đồng thời, luận án cũng xem xét đề xuất giao thức trao đổi khóa theo nhóm nhằm tránh lộ khóa cặp, dễ dàng thay đổi khóa và giảm số lượng tính toán.
8 Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nội dung chính của chương này: Giới thiệu tổng quan về bài toán trao đổi khóa, với cơ sở là giao thức trao đổi khóa Diffie–Hellman; trình bày một số khái niệm, vai trò của trao đổi khóa; trình bày các tiêu chuẩn an toàn của giao thức trao đổi khóa. Ngoài ra nội dung của chương cũng đề cập tới: Các giao thức trao đổi khóa an toàn, phân tích xu hướng nghiên cứu, phát triển của các giao thức trao đổi khóa có xác thực, trình bày ưu nhược điểm của một số giao thức trao đổi khóa kết hợp với lược đồ chữ ký số đã công bố có liên quan; trình bày bài toán trao đổi khóa nhóm và các phân đoạn thỏa thuận khóa nhóm. Chương này cũng trình bày cơ sở toán học của của các lược đồ chữ ký số là bài toán logarithm rời rạc (DLP) và bài toán phân tích thừa số nguyên tố (IFP); phân tích độ an toàn và các hình thức tấn công đối với hai bài toán này; định nghĩa chữ ký số, các yêu cầu an toàn đối với một lược đồ chữ ký số và trình bày một số phát triển của lược đồ chữ ký số. 1.1. Tổng quan về bài toán trao đổi khóa Giao thức trao đổi khóa đầu tiên được đưa ra bởi W. Diffie và M. Hellman vào năm 1976 [67], nó được gọi là giao thức Diffie–Hellman nguyên thủy. Giao thức được thực hiện như sau: Hai đối tượng Alice (A) và Bob (B) thỏa thuận lựa chọn một nhóm hữu hạn 𝑍𝑝∗ và một phần tử 𝑔 ∈ 𝑍𝑝∗ , với 𝑔 là phần tử sinh ra một nhóm có bậc lớn, 𝑝 là một số nguyên tố lớn. Các giá trị 𝑝 và 𝑔 có thể được sinh ra nhờ các thuật toán mô tả trong [69], [70]. Các tham số đầu vào chung: (𝑝, 𝑔), với 𝑝 là một số nguyên tố lớn, 𝑔 là một phần tử sinh của nhóm nhân 𝑍𝑝∗ . Đầu ra: Một giá trị (phần tử) thuộc 𝑍𝑝∗ được chia sẻ giữa A và B. Các bước thực hiện: