Khóa luận Nghiên cứu và xây dựng hạ tầng khóa công khai - Trần Quang Thuận

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Quang Thuận NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HẠ TẦNG KHÓA CÔNG KHAI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành : Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Quang Thuận NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HẠ TẦNG KHÓA CÔNG KHAI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành : Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: PGS – TS.Hồ Sỹ Đàm Cán bộ đồng hướng dẫn: TS.Lê Đức Phong HÀ NỘI - 2010 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Hồ Sĩ Đàm, TS. Lê Đức Phong. Những người thầy đã cho tôi những định hướng và những ý kiến rất quý báu để tôi hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô, bạn bè đã dìu dắt, giúp đỡ tôi tiến bộ trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp. Xin cảm ơn gia đình và bè bạn, những người luôn khuyến khích và giúp đỡ tôi trong mọi hoàn cảnh khó khăn. Tôi xin cảm ơn bộ môn Truyền Thông và Mạng Máy Tính, khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Công Nghệ-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học, làm và hoàn thành khóa luận này. M ỤC L ỤC TÓM TẮT KHÓA LUẬN Khóa luận “Hạ tầng khóa công khai (PKI), vấn đề cấp phát chứng thực số và ứng dụng trong thương mại điện tử”. Hạ tầng khóa công khai là một bộ khung cơ bản để xây dựng mô hình an ninh, bảo mật trong thương mại điện tử. Tìm hiểu vai trò của chứng thực số trong hạ tầng khóa công khai. Vai trò của chứng thực số trong các giao dịch trực tuyến. Người sử dụng, ngoài hình thức bảo mật thông thường như mật khẩu, cũng phải dùng một chứng thực số cá nhân để khẳng định danh tính của mình, xác nhận các hoạt động giao dịch của mình với dịch vụ ngân hàng, thương mại điện tử, dao dịch chứng khoán... Chứng thực số sẽ giúp nhà quản lý đảm bảo rằng khách hàng không thể chối cãi các giao dịch của mình, khi họ đã dùng chứng thực số. Từ đó đặt ra các vấn đề quản lý (cấp phát,xác thực) thu hồi và cấp phát lại chứng thực số. Trong khóa luận tôi sẽ trình bày về các vấn đề chính xoay quanh vấn đề hạ tầng khóa công khai (PKI). Phần đầu của khóa luận (chương 1) giới thiệu vấn đề và cách tiếp cận giải quyết vấn đề sẽ trình bày khái quát về một vài khái niệm cơ bản về mật mã học khóa công khai, hạ tầng khóa công khai ; các khái niệm cơ bản về thuật toán và lý thuyết độ phức tạp; một vài công cụ nền tảng của mật mã học khóa công khai (mã hóa thông tin, hàm băm, chữ ký số). Chương 2 của khóa luận sẽ làm rõ hơn các khái niệm, các vấn đề cơ bản bên trong một hạ tầng khóa công khai (chứng thực số, các dịch vụ đăng ký, cấp phát, xác thực, thu hồi, … khóa công khai); ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong giao dịch điện tử ngày nay ; và một vài hệ thống hạ tầng khóa công khai trong thực tế. Chương 3 đặc tả một hạ tầng khóa công khai đơn giản và Kết Luận. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PKI Public Key Infrastructure CA Certificate Authority RSA Rivest Shamir Adleman DSA Digital Signature Algorithm MD5 Message Digest 5 RA Registration Authority SHA Secure Hash Algorithm SHS Secure Hash Standard H Hash function RFC Request For Comments DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1: Cấp phát khóa riêng khóa công khai Hình 1.2: Mã hóa thông tin Hình 1.3: Tạo và xác thực chữ ký số Hình 1.4 : Mô hình xây dựng PKI cơ bản Bảng 1.5 : mô hình xử dụng xác thực  Hình 2.1 : Đặc điểm của các thuật toán băm SHA Bảng 2.2 :So sánh thời gian tạo khóa, tạo chữ ký và xác nhận chữ ký của RSA với DSA Hình 2.3 : Thời gian xác nhận chữ ký của RSA và DSA Hình 2.4 : Thời gian tạo chữ ký của RSA và DSA Hình 2.5 : Thời gian xác nhận chữ ký của RSA và DSA Hình 2.6 : Mô hình phân cấp Hình 3.1 : Hàm tạo cặp khóa riêng và khóa công khai Hình 3.2 : Mô phỏng tạo khóa Hình 3.3 : Tạo chữ ký số Hình 3.4 : Form nhập thông tin của client Hình 3.5 : Thông báo trả về khi kết quả gửi thông tin thành công Hình 3.6 : Xác thực khóa công khai và chữ ký số Hình 3.7 : cấp phát chứng thực số Hình 3.8 : Kiểm tra thông tin và cấp phát chứng thực số Hình 3.9 : Xác thực chứng thực số Hình 3.10 : Form tìm kiếm, sửa, xóa thông tin chứng thực số Hình 3.11 : Kiểm tra và thu hồi chứng thực số hết hạn sử dụng Mở Đầu Trong kỷ nguyên của công nghệ thông tin, tính phổ biến rộng rãi của Internet một mặt đem lại nhiều ứng dụng tiện lợi, thú vị và dần thay thế các hoạt động truyền thống trong thế giớ thực; mặt khác nó đặt ra các vấn đề về sự an toàn, tính tin cậy của những giao dịch trên Internet. Cơ sở hạ tầng khóa công khai (PKI) có thể đáp ứng, giải quyết những vấn đề cơ bản nhất cho những yêu cầu trên. Dựa trên các dịch vụ cơ bản về chứng thực số và chữ ký số, một PKI chính là bộ khung của các chính sách, dịch vụ và phần mềm mã hóa, đáp ứng nhu cầu bảo mật của người sử dụng. Không chỉ nằm trong lĩnh vực thương mại điện tử, chứng thực số hiện còn được sử dụng như một dạng chứng minh thư cá nhân. Tại các nước công nghệ phát triển, chứng thực số CA được tích hợp vào các chip nhớ nằm trong thẻ căn cước, thẻ tín dụng để tăng cường khả năng bảo mật, chống giả mạo, cho phép chủ thẻ xác thực danh tính của mình trên nhiều hệ thống khác nhau, chẳng hạn như xe bus, thẻ rút tiền ATM, kiểm soát hải quan, ra vào chung cư .v.v. Với các đặc điểm nổi bật như không thể giả mạo, chứng thực nguồn gốc xuất xứ, các quốc gia phát triển đều đã sử dụng chứng thực số như một bằng chứng pháp lý từ rất sớm. Đây là yếu tố rất quan trọng để có thể phát triển thương mại điện tử, vì không ai dám mạo hiểm với tiền của mình, khi họ chưa chắc chắn được rằng các hoạt động đó có được đảm bảo, và có được pháp luật công nhận hay không. Trong bản khóa luận tốt nghiệp này, tác giả xin trình bày tổng quát về cơ sở hạ tầng khóa công khai và ứng dụng của nó trong thương mại điện tử. Qua đó trình bày một bản platform mô phỏng hoạt động của một hạ tầng khóa công khai (PKI) cơ bản. Chương 1 : Giới Thiệu Tìm hiểu Mật mã học khoá công khai Mật mã học khoá công khai  Mật mã học khóa công khai (Phi đối xứng) là gì  là một chuyên ngành của mật mã học cho phép người sử dụng trao đổi các thông tin mật mà không cần phải trao đổi các khóa chung bí mật trước đó. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một cặp khóa có quan hệ toán học với nhau là khóa công khai và khóa cá nhân (hay khóa bí mật). Trong mật mã học khóa công khai, khóa cá nhân phải được giữ bí mật trong khi khóa công khai được phổ biến công khai. Trong 2 khóa, một dùng để mã hóa và khóa còn lại dùng để giải mã. Điều quan trọng đối với hệ thống là không thể tìm ra khóa bí mật nếu chỉ biết khóa công khai.[1] Mục đích của hệ thống mã hoá công khai : Cấp phát khoá riêng và khoá công khai : Hình 1.1: Cấp phát khóa riêng khóa công khai Việc cấp phát khoá công khai và khoá bí mật thông qua thuật toán RSA (phổ biến). Thuật toán RSA tạo ra cặp khoá bằng các phương thức toán học từ 2 số nguyên tố bất kỳ đủ lớn. Mã hoá : Hình 1.2: Mã hóa thông tin Bob mã hóa thông tin gửi cho Alice bằng khóa công khai của Alice. Alice nhận được tin nhắn từ Bob kiểm tra tin nhắn và giải mã bằng khóa bí mật của Alice. Tạo và xác thực chữ ký số : Hình 1.3: Tạo và xác thực chữ ký số S = H(m)^d mod n (Tạo chữ kí số) Cho phép kiểm tra một văn bản có phải đã được tạo với một khóa bí mật nào đó hay không. Tạo chữ kí số bằng khóa bí mật của Alice. Và ký vào tin nhắn Alive gửi cho Bob Bob kiểm tra chữ ký số bằng khóa công khai của Alice: S^e mod n =H(m) với H(m) là giá trị sau khi băm tin nhắn Alice gửi cho Bob. Chữ ký số đúng đắn đồng nghĩa với việc các thông tin Alice gửi bob là đúng đắn. Ứng dụng Ứng dụng rõ ràng nhất của mật mã hóa khóa công khai là trong lĩnh vực bảo mật, an toàn thông tin: Một văn bản được mã hóa bằng khóa công khai của một người sử dụng thì chỉ có thể giải mã với khóa bí mật của người đó.Các thuật toán tạo chữ ký số khóa công khai cho phép định danh một tin nhắn hay 1 tài liệu . Một người sử dụng có thể mã hóa văn bản với khóa bí mật của mình. Nếu một người khác có thể giải mã với khóa công khai của người gửi thì có thể tin rằng văn bản thực sự xuất phát từ người gắn với khóa công khai đó (Đây là nguyên lý sinh & xác thực chữ ký số, người gửi sử dụng khóa bí mật của mình để sinh ra 1 chữ ký số cho 1 tin nhắn, tài liệu. Bên nhận có thể xác thực tính đúng đắn của chữ ký số đó nhờ vào khóa công khai của người gửi).Các đặc điểm trên còn có ích cho nhiều ứng dụng khác như: tiền điện tử, thỏa thuận khóa...  Các vấn đề và mục đích của đề tài. Thuật toán và độ phức tạp thuật toán Thuật toán Thuật toán được hiểu là sự đặc tả chính xác của một dãy các bước có thể được thực hiện một cách máy móc để giải quyết một vấn đề. Cần nhấn mạnh rằng, mỗi thuật toán có một dữ liệu vào (Input) và dữ liệu ra (Output); khi thực hiện thuật toán (thực hiện các bước đã mô tả) , thuật toán cần cho ra các kiểu dữ liệu ra tương ứng với các dữ liệu vào.[2] Phân tích thuật toán Tính hiệu quả của thuật toán Khi giải một vấn đề, chúng ta cần chọn trong số các thuật toán, một thuật toán mà chúng ta cho là “tốt” nhất. Cơ sở đánh chọn lựa thuật toán : Thuật toán đơn giản, dễ hiểu, dễ cài đặt(dễ viết chương trình) Thuật toán sử dụng tiết kiệm nhất các nguồn tài nguyên của máy tính và đặc biệt chạy nhanh nhất có thể được. Tính hiệu quả của thuật toán bao gồm 2 nhân tố cơ bản : Dung lượng không gian nhớ cần thiết để lưu giữ các dữ liệu vào, các kết quả tính toán trung gian và các kết quả của thuật toán Thời gian cần thiết để thực hiện thuật toán(hay thời gian chạy) [3] Đánh giá thời gian thực hiện thuật toán Thời gian chạy chương trình phụ thuộc vào các nhân tố chính sau: Các dữ liệu vào Chương trình dịch để chuyển chương trình nguồn thành mã máy. Tốc độ thực hiện của các phép toán của máy tính được sử dụng để chạy chương trình. Giả sử T(n) là thời gian thực hiện thuật toán và f(n) là hàm xác định dương.T(n)=O(f(n)) nếu $ các hằng số dương c và n0 sao cho T(n) c.g(n) với mọi n>= n. Hạ tầng khóa công khai (PKI) PKI là gì Để hiểu rõ về việc xây dựng cơ PKI và vần đề cấp phát chứng thực số có vai trò và ứng dụng như thế nào trong thương mại điên tử. Chúng ta sẽ đi phân tích từng khía cạnh xung quanh PKI. Trước tiên chúng hiểu thế nào là PKI và tính cấp thiết của PKI hiện nay : PKI : viết tắt của Public Key Infrastructure tức là hạ tầng cơ sở khóa công khai. Là một cơ chế để cho một bên thứ 3 (thường là nhà cung cấp chứng thực số) cung cấp và xác thực định danh các bên tham gia vào quá trình trao đổi thông tin. Cơ chế này cũng cho phép gán cho mỗi người sử dụng trong hệ thống một cặp khóa công khai/khóa bí mật. Trong kỷ nguyên bùng nổ của công nghệ thông tin, mọi giao dịch từ xa có thể thông qua internet. Tuy nhiên, mặt khác khó mà bảo đảm rằng những giao dịch trên Internet luôn an toàn. Cơ sở hạ tầng khóa công khai (PKI) đã đáp ứng những yêu cầu cấp thiết đó. Dựa trên cách sử dụng của chìa khóa mật mã công cộng và chữ ký điện tử, một PKI chính là bộ khung của các chính sách, dịch vụ và phần mềm mã hóa, đáp ứng nhu cầu bảo mật của người sử dụng. Cở sở hạ tầng khóa công khai Hình 1.4 : Mô hình xây dựng PKI cơ bản PKI cung cấp một cặp chìa khóa, trong đó có một chìa là chìa khóa công khai (Public key) để có thể sử dụng dịch vụ, chìa còn lại là chìa khóa bí mật (Private key) mà người sử dụng phải giữ bí mật. Hai chìa khóa này có liên quan mật thiết đến nhau, sao cho một thông điệp được mã hóa bởi một chìa khóa mật mã công khai thì chỉ giải mã được bởi một chìa khóa bí mật tương ứng. Ví dụ về mô hình xử dụng xác thực : Giả sử có 2 người dùng Bob và Alice muốn chuyển thư điện tử cho nhau để đảm bảo tính xác thực và bảo mật họ dùng 1 phần mềm PKI  Hành động Trạng thái của hệ thống PKI Bob muốn chuyển một thư điện tử đến cho Alice, với yêu cầu rằng giao dịch phải chứng minh được chính anh đã gởi nó đi và nội dung bức thư không bị thay đổi. Phần mềm PKI dùng chìa khóa cá nhân của Bob tạo ra một chữ ký điện tử cho bức thư Bob muốn chắc chắn rằng không ai ngoài Alice đọc được bức thư này Phần mềm PKI của Bob dùng chìa khóa công cộng của Alice để mã hóa thông điệp của Bob. Alice muốn đọc thư do Bob gởi Phần mềm PKI dùng chìa khóa cá nhân của Alice để để giải mã thông điệp. Alice muốn kiểm chứng rằng chính Bob đã gởi đi thông điệp đó và nội dung thông điệp không bị chỉnh sửa. Phần mềm PKI của Alice dùng chìa khóa công cộng của Bob để kiểm chứng chữ ký điện tử của anh ta. Bảng 1.5 : Mô hình sử dụng xác thực Một vài kiến trúc và công nghệ PKI hiện hành  Một số ứng dụng Mục tiêu chính của PKI là cung cấp khóa công khai và xác định mối liên hệ giữa khóa và định dạng người dùng. Nhờ vậy người dùng có thể sử dụng trong một số ứng dụng như: Mã hoá Email hoặc xác thực người gửi Email (OpenPGP hay S/MIME). Mã hóa hoặc nhận thực văn bản (Các tiêu chuẩn Chữ ký XML* hoặc mã hoá XML* khi văn bản được thể hiện dưới dạng XML). Xác thực người dùng ứng dụng (Đăng nhập bằng thẻ thông minh - smartcard, nhận thực người dùng trong SSL). Các giao thức truyền thông an toàn dùng kỹ thuật Bootstrapping (IKE, SSL): trao đổi khóa bằng khóa bất đối xứng, còn mã hóa bằng khóa đối xứng. Một số hệ thống PKI Dưới đây là danh sách một số hệ thống PKI, trong đó một số nhà cung cấp chứng thực số hàng đầu (ví dụ VeriSign) không được liệt kê vì các phần mềm của họ không được công bố công khai : Hệ thống quản lý chứng thực Red Hat Computer Associate eTrust PKI Microsoft OpenCA (Một mô hình PKI mã nguồn mở) RSA Security IDX-PKI Simple CA Mục đích của đề tài Một vài năm trở lại đây PKI là 1 chủ đề nóng đối với các doanh nghiệp lớn. Ở Việt Nam đây vấn là một đề tài khá mới mẻ. Do vậy tìm hiểu và xây dựng hạ tầng cơ sở xác thực khóa công khai(PKI) là một cách tiếp cận cho một nền tảng mới. Từ đó nêu rõ vai trò và ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong thương mại điện tử. Tìm hiểu về các thuật toán(sinh số ngẫu nhiên trong việc tạo khóa, hàm băm, mã hóa, tạo chữ ký số...) Đặt vần đề ? Để xây dựng một cơ sở hạ tầng chúng ta phải giải quyết sơ bộ những vấn đề sau đây : Làm sao để cấp phát khóa công khai và khóa bí mật cho từng người. Vấn đề đăng ký khóa công khai với một CA Vấn đề thu hồi/cấp phát lại khóa công khai Vấn đề kiểm chứng khóa công khai Làm sao từ khóa công khai của 1 người hệ thống PKI phải xác định xem chữ ký số có phải của người đó hay không. Vấn đề toàn vẹn dữ liệu. Hệ thống PKI phải xác định xem liệu tin nhắn gửi đi giữa client và server có bị thay đổi hay không? Một thông điệp được mã hóa bởi một chìa khóa mật mã công khai thì chỉ giải mã được bởi một chìa khóa bí mật tương ứng. Khóa của bên thứ 3 bên thẩm định sẽ do cấp hay tổ chức nào giám đinh. Hay phải có cơ chế nào để chống giả mạo bên chứng thực. Các Vấn đề liên quan đến chứng thực số cấp phát, xác thực và quản lý tại server ra sao. Các vấn đề sẽ giải quyết trong khóa luận  Với những yêu cầu về một hệ thống PKI như trên chúng ta phải xây dựng bài toán như thế nào.Chương trình thiết kế phải bao gồm 3 đối tượng : Server : Cho phép người dùng trong hệ thống đăng ký khóa công khai. Cấp phát 1 chứng thực số (certificat) cho người dùng đó nếu khóa công khai hợp lệ Quản lý khóa công khai, Thu hồi/cấp phát lại chứng thực số Cho phép bên thứ 3 kiểm tra tính đúng đắn của 1 chứng thực số bất kỳ User : Hệ thống PKI cấp phát một khóa công khai cho user và khóa bí mật (Khóa riêng) do PKI client cấp phát và user phải giữ bí mật. Tạo chữ ký số cho từng văn bản ngẫu nhiên. Bên thứ 3 là bên thẩm định và đánh giá : Cấp phát và bảo mật Khóa riêng và khóa công khai của CA. Chương 2 : Xây dựng hạ tầng khóa công khai(PKI), vấn đề cấp phát chứng thực số và ứng dụng trong thương mại điện tử Hàm băm mật mã học Hàm băm Hàm băm (tiếng Anh: hash function) là hàm sinh ra các giá trị băm tương ứng với mỗi khối dữ liệu (có thể là một chuỗi kí tự, một đoạn tin nhắn...). Giá trị băm đóng vai trò gần như một khóa để phân biệt các khối dữ liệu, tuy nhiên, người ta chấp nhận hiện tượng trùng khóa hay còn gọi là đụng độ và cố gắng cải thiện giải thuật để giảm thiểu sự đụng độ đó. Hàm băm thường được dùng trong bảng băm nhằm giảm chi phí tính toán khi tìm một khối dữ liệu trong một tập hợp (nhờ việc so sánh các giá trị băm nhanh hơn việc so sánh những khối dữ liệu có kích thước lớn). Hàm băm mật mã học Trong ngành mật mã học, một hàm băm mật mã học (tiếng Anh: Cryptographic hash function) là một hàm băm với một số tính chất bảo mật nhất định để phù hợp việc sử dụng trong nhiều ứng dụng bảo mật thông tin đa dạng, chẳng hạn như chứng thực (authentication) và kiểm tra tính nguyên vẹn của thông điệp (message integrity). Một hàm băm nhận đầu vào là một xâu ký tự dài (hay thông điệp) có độ dài tùy ý và tạo ra kết quả là một xâu ký tự có độ dài cố định, đôi khi được gọi là tóm tắt thông điệp (message digest) hoặc chữ ký số (digital fingerprint).[4] Đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu Hàm băm mật mã học là hàm bam và có tính chất là hàm 1 chiều. Từ khối dữ liệu hay giá trị băm đầu vào chỉ có thể đưa ra 1 giá trị băm duy nhất. Như chúng ta đã biết đối với tính chất của hàm 1 chiều. Một người nào đó dù bắt được giá trị băm họ cũng không thể suy ngược lại giá trị, đoạn tin nhắn băm khởi điểm. Hàm băm thường được dùng trong bảng băm nhằm giảm chi phí tính toán khi tìm một khối dữ liệu trong một tập hợp. Giá trị băm đóng vai trò gần như một khóa để phân biệt các khối dữ liệu Giá trị đầu vào(tin nhắn, dữ liệu...) bị thay đổi tương ứng giá trị băm cũng bị thay đổi. Do vậy nếu 1 kẻ tấn công phá hoại, chỉnh sửa dữ liệu thì server có thể biết ngay lập tức. Một số hàm băm thông dụng Thuật toán hàm băm MD5 Thuật toán hàm băm MD5 MD5 (Message-Digest algorithm 5) là một hàm băm mật mã được sử dụng phổ biến, được thiết kể bởi Giáo sư Ronald L. Rivest tại trường MIT vào năm 1991 để thay thế cho hàm băm trước đó là MD4 (1990). Là một chuẩn Internet (RFC 1321), MD5 đã được dùng trong nhiều ứng dụng bảo mật và cũng được dùng phổ biến để kiểm tra tính toàn vẹn của tập tin. Cũng như các hàm băm khác như MD4 và SHS (Secure Hash Standard), MD5 là phương pháp có ưu điểm tốc độ xử lý rất nhanh, thích hợp với các thông điệp dài và cho ra giá trị băm dài 128 bit. Trong MD5, thông điệp ban đầu X sẽ được mở rộng thành dãy bit X có độ dài là bội của 512. Dãy bit X gồm các thành phần được sắp thứ tự như sau: Dãy bit X ban đầu, một bit 1, dãy d bit 0 (d được tính sao cho dãy X cuối cùng là bội của 512), dãy 64 bit l biểu diễn chiều dài của thông điệp. Đơn vị xử lý trong MD5 là các từ 32-bit, nên dãy bit X ở trên sẽ được biểu diễn thành dãy các từ X[i] 32-bit sau: X=X[0] X[1] X[2] …X[N−1] , với N là bội của 16.[5] Phương pháp MD5 có những ưu điểm sau so với phương pháp MD4 Thay vì có 3 chu kỳ biến đổi như trong MD4, MD5 bổ sung thêm chu kỳ thứ 4 để tăng mức độ an toàn. Trong mỗi thao tác của từng chu kỳ, MD5 sử dụng hằng số ti phân biệt, trong khi MD4 sử dụng hằng số chung cho mọi thao tác trong cùng chu kỳ biến đổi. Hàm G ở chu kỳ 2 của MD4: G(X,Y,Z) = ((XZ) (XY) (Y)) được thay thế bằng G(X,Y,Z) = (XZ) (Y()) để giảm tính đối xứng. Mỗi bước biến đổi trong từng chu kỳ chịu ảnh hưởng kết quả của bước biến đổi trước, vì vậy làm tăng nhanh tốc độ của hiệu ứng lan truyền (avalanche). Các hệ số dịch chuyển xoay vòng trong mỗi chu kỳ được tối ưu hóa nhằm tăng tốc độ hiệu ứng lan truyền. Ngoài ra, mỗi chu kỳ sử dụng 4 hệ số dịch chuyển khác nhau. Lý do MD5 được thiết kế thay thế cho MD4 là vì các phân tích chỉ ra rằng phương pháp MD4 có vẻ không an toàn. Den Boer và Bosselaers đã chỉ ra các điểm yếu trong MD4 trong một bài báo được đăng vào năm 1991và một tấn công xung đột đầu tiên được tìm thấy bởi Han Dobbertin vào năm 1996 . Tuy nhiên, các nỗ lực tấn công, phân tích của các nhà nghiên cứu cho thấy MD5 cũng không còn an toàn và cần được thay thế bằng một thuật toán băm khác như các công bố của Den Boer và Bosselaers năm 1993; của Hans Dobbertin năm 1996; của nhóm tác giả Xiaoyun Wang, Dengguo Feng, Xuejia Lai, và Hongbo ngày 19/8/2004; của Arjen Lenstra, Xiaoyun Wang, và Benne de Weger ngày 1/3/2005; và của Vlastimil Klima, … Chuẩn băm an toàn SHS SHS (Secure Hash Standard) là chuẩn gồm tập hợp các thuật toán băm mật mã an toàn (Secure Hash Algorithm – SHA) như SHA-1, SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512 do NIST và NSA xây dựng. Phương pháp SHA-1 (cũng như SHA-0) được xây dựng trên cùng cơ sở với phương pháp MD4 và MD5. Tuy nhiên, phương pháp SHA-1 sử dụng trên hệ thống Big-endian thay vì Little-endian như phương pháp MD4 và MD5. Ngoài ra, hàm băm SHA-1 tạo ra thông điệp rút gọn kết quả có độ dài 160 bit nên thường được sử dụng Phương pháp SHA-1 giống với MD5 (cải tiến từ MD4) nhưng thông điệp tóm tắt được tạo ra có độ dài 160 bit. Dưới đây là một số điểm so sánh giữa MD5 và SHA-1: Giống như MD5, SHA-1 cũng thêm chu kỳ thứ 4 để tăng mức độ an toàn cho thuật toán. Tuy nhiên, chu kỳ 4 của SHA-1 sử dụng lại hàm f của chu kỳ thứ 2. Trong SHA-1, 20 bước biến đổi trong cùng một chu kỳ sử dụng cùng một hàng số K[t] . Trong khi đó, mỗi bước biến đổi trong cùng một chu kỳ của MD5 sử dụng các hằng số khác nhau. So với MD4, hàm G trong MD5 được thay thế thành hàm mới để làm giảm tính đối xứng. Trong khi SHA-1, hàm G trong SHA-1 vẫn giữ lại hàm G của MD4. Cả MD5 và SHA-1, mỗi bước biến đổi trong từng chu kỳ chịu ảnh hưởng kết quả của biến đổi trước, vì vậy làm tăng nhanh tốc độ của hiệu ứng lan truyền. Hình 2.1: Đặc điểm của các thuật toán băm SHA Mã hóa thông tin Có rất nhiều thông tin mà chúng ta không muốn người khác biết khi gửi đi như: thông tin về Credit-Card, thông tin về kinh doanh của công ty, thông tin về tài khoản cá nhân, thông tin về cá nhân như số chứng minh thư, số thẻ... Các thông tin bí mật được cung cấp cho các máy tính quan mạng Internet bằng nhiều phương thức khác nhau ví dụ : Một cách bảo mật đơn giản nhưng minh bạch nhất là lưu các thông tin bí mật trên các bộ nhớ có thể xoá được (Removable Storage) như đĩa mềm. Tuy nhiên dạng bảo mật phổ biến nhất vẫn là dựa vào quá trình mã hoá dữ liệu (Encryption). Các hệ thống mã hoá trong máy tính phổ biến nhất thuộc một trong hai loại sau: Mã hoá với khoá đối xứng (Symmetric-key Encryption) : Trong phương pháp mã hoá với khoá đối xứng, mỗi máy tính có một khoá bí mật (dạng mã) dùng để mã hoá các gói thông tin trước khi chúng được gửi qua mạng tới các máy tính khác. Phương pháp mã hoá với khoá đối xứng đòi hỏi người sử dụng phải xác định được những máy tính nào đang liên lạc trao đổi thông tin với nhau để cài đặt khoá này trên mỗi máy. Mã hoá với khoá công khai (Public-key Encryption).[6] Chữ ký số Chữ ký số Chữ ký số (Digital Signature) chỉ là tập con của chữ ký điện tử. Chữ ký số là chữ ký điện tử dựa trên kỹ thuật mã hóa với khóa công khai, trong đó, mỗi người có một cặp khóa (một khóa bí mật và một khóa công khai). Khóa bí mật không bao giờ được công bố, trong khi đó, khóa công khai được tự do sử dụng. Để trao đổi thông điệp bí mật, người gửi sử dụng khóa công khai của người nhận để mã hóa thông điệp gửi, sau đó, người nhận sẽ sử dụng khóa bí mật tương ứng của mình để giải mã thông điệp. Chữ ký điện tử là thông tin được mã hoá bằng Khoá riêng của người gửi, được gửi kèm theo văn bản nhằm đảm bảo cho người nhận định danh, xác thực đúng nguồn gốc và tính toàn vẹn của tài liệu nhận được. Chữ ký điện tử thể hiện văn bản gửi đi là đã được ký bởi chính người sở hữu một Khoá riêng tương ứng với một Chứng chỉ điện tử nào đó.” Chữ ký số khóa công khai (hay hạ tầng khóa công khai) là mô hình sử dụng các kỹ thuật mật mã để gắn với mỗi người sử dụng một cặp khóa công khai - bí mật và qua đó có thể ký các văn bản điện tử cũng như trao đổi các thông tin mật. Khóa công khai thường được phân phối thông qua chứng thực khóa công khai. Quá trình sử dụng chữ ký số bao gồm 2 quá trình: tạo chữ ký và kiểm tra chữ ký. [7] Tạo và kiểm tra chữ ký số Các thuật toán chữ ký số thông dụng Chữ ký số giúp xác định được người tạo ra hay chịu trách nhiệm đối với một thông điệp được ký. Một phương pháp chữ ký số phải bao gồm ít nhất 3 thuật toán chính, đó là thuật toán dùng để tạo khóa, thuật toán dùng để tạo ra chữ ký số và thuật toán tương ứng để xác nhận chữ ký số. Thuật toán chữ ký số RSA Phương pháp chữ ký số RSA được xây dựng dựa trên thuật toán mã hóa khóa công khai RSA. Để tạo một cặp khóa, RSA thực hiện các bước sau: Chọn 2 số nguyên tố lớn ngẫu nhiên p, q. Nhằm có sự an toàn tối đa nên chọn p và q có độ dài bằng nhau. Tính n=pq và φ=(p−1)(q−1). Chọn ngẫu nhiên một số nguyên e (1<e<φ) sao cho gcd(e, φ)=1 với gcd là ước số chung lớn nhất. Tính: d=e−1 mod φ. Kết quả là ta có được cặp khóa: khóa công khai (n,e) và khóa bí mật (n,d). Hai người sẽ sử dụng chung một hàm băm ℋ an toàn trước hiện tượng xung đột. Để ký một thông điệp m, người ký thực hiện các bước sau: Dùng hàm băm ℋ để băm thông điệp m: h=ℋ(m). Tạo chữ ký số sử dụng khóa bí mật (n,d) để tính: s=h mod n. Chữ ký của m là s và được gửi kèm với thông điệp m đến người nhận. Để xác nhận chữ ký, người nhận thực hiện các bước sau: Sử dụng khóa công khai (n,e) của người ký để giải mã chữ ký: h=smod n. Sử dụng cùng hàm băm ℋ với người ký để băm thông điệp m: h′=H(m). Chấp nhận chữ ký nếu h′=h. Ngược lại từ chối chữ ký. Thuật toán chữ ký số DSA Thuật toán chữ ký số DSA (Digital Signature Algorithm) được đề nghị bởi NIST vào tháng 8/1991 để sử dụng trong chuẩn chữ ký số DSS (Digital Signature Standard), được chỉ ra trong FIPS 186, được chấp nhận năm 1993. Một sửa đổi nhỏ được đưa ra ngày năm 1996 trong FIPS 186-1, chuẩn được mở rộng hơn năm 2000, được xem như xem như FIPS 186-2. Việc tạo khóa gồm hai bước. Bước thứ nhất là lựa chọn các tham số cho thuật toán được chia sẻ giữa các người sử dụng khác nhau trong cùng hệ thống: Chọn một hàm băm mã hóa ℋ. Trong DSS chuẩn ℋ luôn là SHA-1, nhưng các hàm băm tốt hơn trong nhóm SHA cũng đang được sử dụng. Đôi khi đầu ra của một thuật toán băm mới hơn bị rút ngắn kích thước so với các thuật toán băm mới cũ để tương tích với cặp khóa hiện có. Chọn kích thước khóa L. Đây là thước đo chính quyết định sức mạnh mã hóa của khóa. DSS chuẩn ràng buộc L là bội số của 64 và 512≤L≤1024. Sau đó, FIPS 186-2 xác định L luôn là 1024. Không lâu sau, NIST 800-57 đề nghị độ dài khóa là 2048 (hoặc 3072) để thời gian an toàn đến năm 2010 (hoặc 2030), sử dụng tương ứng với các giá trị băm và q dài hơn. Bản thảo FIPS 186-3 cũng tính đến các hàm băm sau này và các khóa dài hơn. Chọn một số nguyên tố q cùng số bit với đầu ra của ℋ. Chọn một số nguyên tố p độ dài L bit sao cho p–1 là bội của q. Tức là p=qz–1 với số nguyên z nào đó. Chọn g = h mod p với h bất kỳ (1<h<p–1), và chọn lại nếu kết quả là 1. Hầu hết cách chọn h đều nhận được g có thể sử dụng, thông thường chọn h=2. Các tham số thuật toán (p,q,g) có thể chia sẻ giữa những người khác nhau trong hệ thống. Bước thứ hai tính các khóa bí mật và khóa công khai của từng người : Chọn x ngẫu nhiên sao cho 0<x<q. Tính y=g mod p. Khóa công khai là (p,q,g,y), khóa bí mật là x. Phiên bản FIPS 186-3 sắp tới sử dụng SHA-224/256/384/512 là các hàm băm, kích thước của q là 224 (hoặc 256 bit), và L bằng 2048 (hoặc 3072). Để ký một thông điệp m, người ký thực hiện các bước sau: Phát sinh một số ngẫu nhiêu k (0<k<q) cho mỗi thông điệp. Tính r=(g mod p) mod q. Tính s = k(ℋ(m) + xr)) mod q. Tính toán lại chữ ký trong trường hợp không chắc chắn r=0 hoặc s=0. Chữ ký là (r,s). Để xác nhận chữ ký, người nhận thực hiện các bước sau: Loại bỏ chữ ký nếu 0<r<q hoặc 0<s<q không thỏa mãn. Tính w=s mod q. Tính u=(ℋ(m)×w) mod q. Tính u=(r×w) mod q. Tính v=( (g×y )mod p) mod q Chữ ký có hiệu lực nếu v=r. Tính đúng đắn của giải thuật được chứng minh như sau: Đầu tiên, nếu g = hmod p suy ra gp=h−1=1 (mod p) theo định lý Fermat nhỏ. Bởi vì g>1 và q là số nguyên tố nên g có bậc q. Người ký tính s = k(ℋ(m) + xr)) mod q. Như vậy k=ℋ(m)s +xrs=ℋ(m)w+xrw (mod q). Bởi vì g có bậc q nên ta có: g=g.g=gy=gy (mod p). Cuối cùng, tính đúng đắn của DSA suy ra từ: r= (g mod p) mod q= (gy mod p) mod q=v. Phương pháp DSA đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng chữ ký 320 bit cho văn bản 160 bit với các phép tính được thực hiện trên tập con có 2160 phần tử với p là số nguyên tố 512 bit. Kết quả thử nghiệm và nhận xét So sánh RSA và DSA Để so sánh tốc độ của hai thuật toán chữ ký số RSA và DSA, Thử nghiệm 2.2 dưới đây đã được tiến hành và ghi nhận. Thử nghiệm 2.2: DSS chuẩn ràng buộc độ dài khóa L là bội số của 64 và 512≤L≤1024 và để an toàn lâu dài độ dài khóa L được đề nghị là 2048 hoặc 3072. Do đó độ dài khóa được thử nghiệm cho cả RSA và DSA là 576, 640, 704, 768, 832, 896, 960, 1024, 2048, 3072 (bit). Ứng với mỗi độ dài khóa, lần lượt cho cả RSA và DSA phát sinh khóa, ký văn bản ngẫu nhiên (kích thước 2 MB) và kiểm tra chữ ký tạo được. Để thuận tiện so sánh, hàm băm mật mã SHA-1 được chọn để sử dụng cho cả RSA và DSA. Thử nghiệm được lặp lại 50.000 lần. Kết quả nhận được như sau: Kích thước (bit) Tạo khóa (giây) Tạo chữ ký (giây) Xác nhận chữ ký (giây) RSA DSA DSA/ RSA RSA DSA RSA/ DSA RSA DSA RSA/ DSA 512 0,0408 0,5676 13,93 0,0351 0,0011 32,60 0,0320 0,0017 19,32 576 0,0568 0,8030 14,14 0,0361 0,0013 27,24 0,0321 0,0022 14,60 640 0,0757 1,2464 16,47 0,0371 0,0015 24,53 0,0319 0,0025 12,57 704 0,0994 1,7948 18,06 0,0387 0,0019 20,25 0,0320 0,0031 10,16 768 0,1278 2,3668 18,52 0,0408 0,0016 25,29 0,0321 0,0040 7,94 832 0,1609 3,0526 18,97 0,0428 0,0021 20,31 0,0322 0,0044 7,34 896 0,2026 4,2369 20,92 0,0454 0,0027 16,58 0,0321 0,0050 6,36 960 0,2446 5,4622 22,33 0,0480 0,0026 18,45 0,0321 0,0061 5,29 1024 0,2734 7,1210 26,05 0,0515 0,0035 14,86 0,0318 0,0068 4,69 2048 2,4876 103,1124 41,45 0,1749 0,0124 14,16 0,0325 0,0240 1,35 3072 11,1882 508,2395 45,43 0,5056 0,0278 18,19 0,0341 0,0539 0,63 Bảng 2.2 So sánh thời gian tạo khóa, tạo chữ ký và xác nhận chữ ký của RSA với DSA Hình 2.3 : Thời gian tạo khóa của RSA và DSA Kết quả Thử nghiệm 2.5 cho thấy tốc độ tạo khóa của RSA nhanh hơn rất nhiều so với DSA và khi kích thước khóa tăng lên thì tỷ lệ này ngày càng gia tăng. Hơn nữa, khi tăng kích thước L của DSA và tương ứng với các hàm băm SHA có đầu ra lớn hơn thì DSA sẽ còn chậm hơn rất nhiều. Hình 2.4 : Thời gian tạo chữ ký của RSA và DSA Kết quả Thử nghiệm 2.2 cho thấy tốc độ tạo chữ ký của RSA chậm hơn DSA nhưng tỷ lệ này có xu hướng giảm khi kích thước khóa tăng lên. Nguyên nhân là do khi số mũ khóa công khai e cố định thì số mũ khóa bí mật d sẽ tăng khi kích thước n tăng. Mặt khác, phép tính chiếm thời gian nhiều nhất của quy trình ký chính là phép lũy thừa modulo nên khi số mũ tăng thì thời gian thực hiện cũng sẽ tăng. Tuy nhiên, kích thước khóa được sử dụng phổ biến hiện nay là 1024 và 2048 nên thời gian ký lúc này sẽ không còn là vấn đề đáng lo ngại do toàn bộ quy trình chỉ mất ít hơn 0,2 giây. Hình 2.5 : Thời gian xác nhận chữ ký của RSA và DSA Thử nghiệm trên môi trường Windows XP, bộ xử lý Pentium 4 3.00 GHz, bộ nhớ 512 MB. Kết quả Thử nghiệm 2.2 cũng cho thấy tốc độ xác nhận chữ ký của RSA không thay đổi đáng kể khi kích thước khóa tăng do số mũ công khai e được sử dụng luôn là một số nhỏ (giá trị phổ biến hiện này là 65537) và tốc độ thực hiện phép lũy thừa modulo (phép toán chính trong quy trình xác nhận chữ ký) sẽ tăng không nhiều. Ngược lại, tốc độ xác nhận chữ ký của DSA mặc dù thấp hơn RSA nhưng sẽ ngày càng tăng khi kích khóa tăng lên. Nguyên nhân là do quy trình xác nhận chữ ký của DSA gồm rất nhiều phép tính tốn chi phí cao (phép lũy thừa modulo và phép nhân) nên khi kích thước khóa tăng dần thì điều này sẽ trở thành gánh nặng. Mặc khác, nếu kích thước L được chọn lớn hơn thì tốc độ xác nhận chữ ký sẽ chậm hơn nữa. Với các thử nghiệm trên ta dễ dàng nhận thấy RSA tốt hơn DSA về mọi mặt, đặc biệt là tốc độ phát sinh khóa của RSA nhanh hơn DSA rất nhiều. Ngoài ra, tốc độ ký và xác nhận chữ ký dẫu có chậm hơn DSA nhưng thời gian này là không đáng kể.[8] Chứng thực số Trong mật mã học, chứng thực khóa công khai (còn gọi là chứng thực số / chứng thực điện tử) là một chứng thực sử dụng chữ ký số để gắn một khóa công khai với một thực thể (cá nhân, máy chủ hoặc công ty...). Một chứng thực khóa công khai tiêu biểu thường bao gồm khóa công khai và các thông tin (tên, địa chỉ...) về thực thể sở hữu khóa đó. Chứng thực điện tử có thể được sử dụng để kiểm tra một khóa công khai nào đó thuộc về ai. CA phát hành các chứng thực khóa công khai trong đó thể hiện rằng CA đó chứng nhận khóa công khai nằm trong mỗi chứng thực thuộc về cá nhân, tổ chức, máy chủ hay bất kỳ thực thể nào ghi trong cùng chứng thực đó. Nhiệm vụ của CA là kiểm tra tính chính xác của thông tin liên quan tới thực thể được cấp chứng thực. Khi người sử dụng tin tưởng vào một CA và có thể kiểm tra chữ ký số của CA đó thì họ cũng có thể tin tưởng vào khóa công khai và thực thể được ghi trong chứng thực. [9] Cấu trúc phân tầng của hệ thống PKI Mô hình này tương ứng với cấu trúc phân cấp với CA gốc và các CA cấp dưới. CA gốc xác nhận các CA cấp dưới, các CA này lại xác nhận các CA cấp thấp hơn. Các CA cấp dưới không cần xác nhận các CA cấp trên. Hình 2.6 : Mô hình phân cấp Mô hình phân cấp được minh hoạ như hình ở trên.Trong mô hình này, mỗi thực thể sẽ giữ bản sao khoá công khai của root CA và kiểm tra đường dẫn của chứng thư bắt đầu từ chữ ký của CA gốc. Đây là mô hình PKI tin cậy sớm nhất và được sử dụng trong PEM. * Ưu điểm của mô hình: Mô hình này có thể dùng được trực tiếp cho những doanh nghiệp phân cấp và độc lập, cũng như những tổ chức chính phủ và quân đội. Cho phép thực thi chính sách và chuẩn thông qua hạ tầng cơ sở. Dễ vận hành giữa các tổ chức khác nhau. * Nhược điểm: Có thể không thích hợp đối với môi trường mà mỗi miền khác nhau cần có chính sách và giải pháp PKI khác nhau. Các tổ chức có thể không tự nguyện tin vào các tổ chức khác. Có thể không thích hợp cho những mối quan hệ ngang hàng giữa chính phủvà doanh nghiệp. Những tổ chức thiết lập CA trước có thể không muốn trở thành một phần của mô hình. Có thể gây ra sự trội hơn của sản phẩm đối với vấn đề về khả năng tương tác. Chỉ có một CA gốc nên có thể gây ra một số vấn đề như thiếu khả năng hoạt động. Thêm vào đó, trong trường hợp khoá cá nhân của CA bị xâm phạm, khoá công khai mới của CA gốc phải được phân phối đến tất cả các người sử dụng cuối trong hệ thống theo một số cơ chế khác nhau. Mặc dù có những nhược điểm, song mô hình này vẫn thích hợp với yêu cầu của các tổ chức chính phủ vì cấu trúc phân cấp tự nhiên sẵn có. Cấp phát và xác thực chứng thực số Cấp phát chứng thực số Sinh cặp khóa ngẫu nhiên (PKI client) Tại Client hệ thống PKI sẽ cấp phát cặp khóa riêng và khóa công khai Hệ thống PKI(cụ thể PKI client) sẽ sử dụng 1 thuật toán bất kỳ hợp lý được chọn lựa để sinh cặp khóa ngẫu nhiên. Chẳng hạn đây là thuật tóa RSA. Cặp khóa ngẫu nhiên được sinh ra từ 2 số nguyên tố ngẫu nhiên lập đủ lớn. Cặp khóa ngẫu nhiên ở đây là : Khóa công khai : (n,e) Khóa bí mật : (n,d) Tạo chữ ký số Sau khi tạo cặp khóa ngẫu nhiên , hệ thống PKI client sẽ tạo ra chữ ký số tương ứng với cặp khóa ngẫu nhiên của từng client và ký theo từng văn bản ngẫu nhiên. Cấp phát chứng thực số Sau khi PKI client tạo cặp khóa riêng và khóa công khai đồng thời tạo chữ ký số cho client tương ứng. Thông tin bảo mật sẽ được gửi đến server. Tại server, server sẽ xác thực những thông tin mà client gửi đến có chính xác và đúng đắn.Nếu thông tin xác thực là đúng đắn(khóa công khai, chữ ký số, giá trị băm của văn bản, tin nhắn) server sẽ cấp phát cho client 1 chứng thực số bao gồm các thông tin sau : tên, tuổi, địa chỉ.. các thông tin cá nhân khác, khóa công khai, ngày tạo, ngày hết hạn, và ID của chứng thực số. ID của chứng thực số có tính duy nhất với mỗi client. Thu hồi và cấp phát lại chứng thực số Một chứng thực số bị thu hồi khi nào : Khi mà chứng thực số đã hết hạn sử dụng, chứng thực sẽ bị thu hồi để ra hạn hoặc cấp một chứng thực số mới Khi client phát hiện khóa bí mật của người này bị lộ hoặc server phát hiện thấy hằm băm mật mã của mình bị lộ hoặc các thông tin bảo mật khác của 1 client đã bị rò rỉ Cấp phát lại chứng thực số : Client sẽ gửi yêu cầu đến server yêu cầu và 1 bản thông tin(địa chỉ, khóa công khai,khóa riêng…) của client đăng ký một bản chứng thực số mới. Xác thực chứng thực số Khi bạn gửi một thông tin kèm chứng chỉ số, người nhận - có thể là đối tác kinh doanh, tổ chức hoặc cơ quan chính quyền - sẽ xác định rõ được danh tính của bạn. Có nghĩa là dù không nhìn thấy bạn, nhưng qua hệ thống chứng chỉ số mà bạn và người nhận cùng sử dụng, người nhận sẽ biết chắc chắn đó là bạn chứ không phải là một người khác. Xác thực là một tính năng rất quan trọng trong việc thực hiện các giao dịch điện tử qua mạng, cũng như các thủ tục hành chính với cơ quan pháp quyền. Các hoạt động này cần phải xác minh rõ người gửi thông tin để sử dụng tư cách pháp nhân. Đây chính là nền tảng của một Chính phủ điện tử, môi trường cho phép công dân có thể giao tiếp, thực hiện các công việc hành chính với cơ quan nhà nước hoàn toàn qua mạng. Có thể nói, chứng chỉ số là một phần không thể thiếu, là phần cốt lõi của Chính phủ điện tử. Một người thứ 3 bất kỳ(Có thể là 1 client khác, khách chưa đăng ký chứng thực số) đều có thể kiểm tra được tính đúng đắn của 1 chứng thực số. Bằng cách PKI client sẽ cung cấp 1 dịch vụ xác thực. Người dùng có thể nhập vào ID của 1 chứng thực số bất kỳ cần kiểm tra và gửi thông tin đó lên server. Nếu chứng thực số tồn tại server sẽ trả lại thông báo cho client vừa kiểm tra. Ứng dụng của hạ tầng khóa công khai và cấp phát chứng thực Mã hóa Lợi ích đầu tiên của chứng chỉ số là tính bảo mật thông tin. Khi người gửi đã mã hóa thông tin bằng khóa công khai của bạn, chắc chắn chỉ có bạn mới giải mã dược thông tin để đọc. Trong qúa trình truyền thông tin qua Internet, dù có đọc được các gói tin đã mã hóa này, kẻ xấu cũng không thể biết được trong gói tin có thông tin gì. Đây là một tính năng rất quan trọng, giúp người sử dụng hoàn toàn tin cậy về khả năng bảo mật thông tin. Những trao đổi thông tin cần bảo mật cao, chẳng hạn giao dịch liên ngân hàng, ngân hàng điện tử, thanh toán bằng thẻ tín dụng, đều cần phải có chứng chỉ số để đảm bảo an toàn. Chống giả mạo Khi bạn gửi đi một thông tin, có thể là một dữ liệu hoặc một Email, có sử dụng chứng chỉ số, người nhận sẽ kiểm tra được thông tin của bạn có bị thay đổi hay không. Bất kỳ một sự sửa đổi hay thay thế nội dung của thông điệp gốc đều sẽ bị phát hiện. Địa chỉ mail, tên domain... đều có thể bị kẻ xấu làm giả để đánh lừa người nhận lây lan virus, ăn cắp thông tin quan trọng. Tuy nhiên , chứng chỉ số thì không thể làm giả, nên việc trao đổi thông tin có kèm chứng chỉ số luôn đảm bảo an toàn. Xác thực Khi sử dụng một chứng chỉ số, người nhận – có thể là đối tác kinh doanh, tổ chức hoặc cơ quan chính quyền- sẽ xác định rõ được danh tính của bạn. Có nghĩa là dù không nhìn thấy bạn, nhưng qua hệ thống chứng chỉ số mà bạn và người nhận cùng sử dụng, người nhận sẽ biết chắc chắn đó là bạn chứ không phải ai khác. Xác thực là một tính năng rất quan trọng trong việc giao dịch điện tử qua mạng, cũng như các thủ tục hành chính với cơ quan với cơ quan pháp quyền. Các hoạt động này cần phải xác minh rõ người gửi thông tin để sử dụng tư cách pháp nhân. Đây chính là nền tảng của một chính phủ điện tử, môi trường cho phép công dân có thể giao tiếp. Có thể nói, chứng chỉ số là một phần không thể thiếu, là phần cốt lõi của chính phủ điện tử. Chống chối bỏ nguồn gốc Khi sử dụng một chứng chỉ số, bạn phải chịu trách nhiệm hoàn toàn về những thông tin mà chứng chỉ số đi kèm. Trong trường hợp người gửi chối cãi, phủ nhận một thông tin nào đó không phải do mình gửi(chẳng hạn qua mạng) chứng chỉ số mà người nhận có được sẽ là bằng chứng khẳng định người gửi là tác giả của thông tin đó. Trong trường hợp chối bỏ, CA cung cấp chứng chỉ số cho hai bên sẽ chịu trách nhiệm xác minh nguồn gốc thông tin, chứng tỏ nguồn gốc thông tin được gửi. Chữ ký điện tử Email đóng vai trò khá quan trọng trong trao đổi thông tin hàng ngày của chúng ta vì ưu điểm nhanh, rẻ và dễ sử dụng. Những thông điệp có thể gửi đi nhanh chóng qua internet đến khách hàng đồng nghiệp, nhà cung cấp và đối tác. Tuy nhiên, email rất dễ bị đọc bởi các Hacker. Những thông điệp có thể bị đọc hay bị giả mạo trước khi đến người nhận. Bằng việc sử dụng chứng chỉ cá nhân, bạn sẽ ngăn ngừa được các nguy cơ này mà vẫn không làm giảm những lợi thể của Email. Với chứng chỉ số cá nhân, bạn có thể tạo thêm một chữ ký điện tử vào email như một bằng chứng xác nhận của mình. Chữ ký điện tử cũng có tính năng xác thực thông tin, toàn vẹn dữ liệu và chống chối bỏ nguồn gốc. Ngoài ra, chứng chỉ số cá nhân còn cho phép người dùng có thể chứng thực mình với một web server thông qua giao thức bảo mật SSL. Phương pháp chứng thực dựa trên chứng chỉ số được đánh giá là tốt, an toàn bảo mật hơn phương pháp chứng thực truyền thống dựa trên mật khẩu. Bảo mật website Khi website của bạn sử dụng cho mục đích thương mại điện tử hay cho những mục đích quan trọng khác, những thông tin trao đổi giữa bạn và khách hàng có thể bị lộ. Để tránh nguy cơ này, bạn có thể dùng chứng chỉ số SSL server để bảo mật cho Website của mình. Chứng chỉ số SSL server sẽ cho phép bạn lập cấu hình website của mình theo giao thức bảo mật SSL(Secure Sockets Layer). Các tính năng nổi bật: Thực hiện mua bán bằng thẻ tín dụng. Bảo vệ những thông tin cá nhân nhạy cảm xủa khách hàng Đảm bảo hacker không thể dò tìm được mật khẩu. Đảm bảo phần mềm Chứng chỉ số nhà phát triển phần mềm sẽ cho phép bạn ký vào các applet, script, Java software, ActiveX control, các file định dạng EXE, CAB, DLL... Như vậy, thông qua chứng chỉ số bạn sẽ đảm bảo tính hợp pháp cũng như nguồn gốc xuất xứ của sản phẩm. Hơn nữa người dùng có thể xác thực được bạn là nhà cung cấp, phát hiện được sự thay đổi của chương trình(virus, crack, bản lậu...). OpenCA hệ thống hạ tầng khóa công khai trong thực tế Định nghĩa : OpenCA là một hệ thống mã nguồn mở, được xây dựng và phát triển bởi rất nhiều nhà lập trình trên thế giới. OpenCA được xây dựng với mục đích tạo ra một hệ thống công cụ nhằm hỗ trợ cho các dự án về bảo mật.OpenCA hỗ trợ từ mức độ thấp như mã hoá dữ liệu,tạo chữ ký số cho đến các hệ thống an toàn dữ liệu cao cấp. Mã nguồn của OpenCA được cung cấp rộng rãi trên www.openca.org.Từ những đặc điểm như trên có thể thấy OpenCA chính là một công cụ rất hiệu quả để xây dựng những ứng dụng theo mô hình hạ tầng khoá công khai PKI. OpenCA hỗ trợ xây dựng tất cả các thủ tục lõi cho một ứng dụng PKI từ việc sinh khoá mã hoá giải mã dữ liệu cho tới các thủ tục cấp phát,thu hồi chứng thư,tạo chữ ký số…Với tất cả những cái đó,ta có thể xây dựng một ứng dụng theo mô hình PKI cơ sở, phần mở rộng còn lại sẽ được xây dựng tiếp theo định hướng của nhà phát triển. Các thành phần chính của OpenCA bao gồm 3 thành phần là hệ thống thư viện OpenSSL, cơ sở dữ liệu và giao diện web. Trong đó giao diện web được xây dựng bằng ngôn ngữ Perl. Thư viện OpenSSL thực hiện các tiến trình về mã hoá. [10] Đánh giá về hệ OpenCA Ưu điểm của hệ thống OpenCA được thiết kế và xây dựng theo nguyên lý của mô hình PKI và nó đảm bảo đầy đủ những chức năng cơ sở của một hệ PKI cần phải có: Cấp phát, gia hạn, thu hồi chứng thư số, đảm bảo tính xác thực, an toàn tin cậy. Với các kịch bản đã thử nghiệm trong thời gian dài hệ thống đã hoạt động khá ổn định và không xảy ra những lỗi nghiêm trọng dẫn đến từ chối dịch vụ. Hệ mã nguồn mở OpenCA hoàn toàn tương thích với môi trường Linux và không hề gây xung đột với các hệ thống khác cùng cài đặt trên một hệ điều hành. Hệ thống OpenCA sử dụng rất nhiều chuẩn công nghiệp( như các chuẩn về chứng thư số X509). Vì vậy nó được chấp nhận và sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Những điểm còn hạn chế của hệ thống Lỗi không xác định khi RA ký lên các yêu cầu gửi lên cho CA. Không làm việc được với các thiết bị sử dụng chuẩn USB 2.0 Khó khăn trong việc cài đặt và thay đổi.[11] Chương 3: Đặc tả một Platform PKI Ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ lập trình được chọn lựa và sử dụng ở đây là java và công cụ kết nối cơ sở dữ liệu là Mysql. Thuật toán sử dụng tạo cặp khóa, chữ ký số và xác thực chữ ký số là RSA. Hàm băm mã hóa sử dụng : SHA-1. Thư viện số nguyên lớn Thư viện số nguyên lớn mang tất cả đặc điểm của số nguyên nguyên thủy trong java và tất cả các phương thức có trong java.lang.Math. Thêm vào đó thư viện số nguyên lớn còn cung cấp các phương thức như: tính modular toán học(tính toán số dư trong phép chia), tính GCD(ước số trung lớn nhất của 2 số), tạo số nguyên tố ngẫu nhiên, thao tác bit, và một vài phương thức khác. Một Platform PKI phải cung cấp đầy đủ các chức năng sau: Cấp phát. Xác thực. Toàn vẹn dữ liệu. Thu hồi và cấp phát lại chứng thực số. Cấp phát Cấp phát chứng thực số: Chứng thực số bao gồm các thông tin : tên, tuổi, địa chỉ, ngày tháng cấp phát chứng thực số, khóa công khai, và ID của chứng thực số.Việc cấp phát chứng thực số hoàn tất sau khi Client gửi thông tin đăng ký nên server. Server sẽ kiểm tra các thông tin client gửi lên. Bằng việc thẩm tra chữ ký số, và khóa công khai. Nếu chữ ký số đúng đắn tương đương việc khóa công khai là đúng đắn . Thông tin client gửi mẫu lên đăng ký server gồm những thông tin sau: Khóa công khai(Khóa bí mật chỉ mình client biết) Cặp khóa bí mật(n,d) cặp khóa công khai(n,e) Hàm tạo 2 số nguyên tố trong thư viện BigInteger : public BigInteger(int bitLength, int certainty,Random rnd) bitLength : độ dài bit của khóa(số random[1,2-1]) certainty : xác xuất 1 số BigInteger không phải là số nguyên tố 1/2 Hình 3.1 : Hàm tạo cặp khóa riêng và khóa công khai n=p.q Tạo khóa riêng (n,e): Theo thuật toán RSA ta có , gcd(e,)=1 Tạo khóa công khai (n,d): d = e mod . Trong thư viện số nguyên lớn : d= e.modInverse(). Hình 3.2 : Mô phỏng tạo khóa Tạo chữ ký số : S = H(m)^d mod n. Tin nhắn nhập vào được băm theo hàm băm mặc định cho trước Hình 3.3 : Tạo chữ ký số Form nhập thông tin đăng ký : Hình 3.4 : Form nhập thông tin của client Các thông tin mà client nhập sẽ được gửi lên server. Tại client: Tại server: Hình 3.5 : Thông báo trả về khi kết quả gửi thông tin thành công Tại server nhận thông tin gửi từ client. Nếu việc thẩm tra chữ ký số thành công. Việc đăng ký chứng thực số hoàn tất(Tại server sẽ thông báo Successful). Nếu việc thẩm tra thất bại tương ứng với việc chữ ký số và khóa công khai gửi lên không đúng đắn hay tương thích(Server sẽ báo Failed). Ngoài ra việc đã tồn tại user với địa chỉ thông báo và khóa công khai tồn tại trong chứng thực số(Server sẽ nhận biết được, server sẽ không cấp phát 1 chứng thực số khác. Mà chỉ đưa ra thông báo cho user đó) S mod n = H(m) Hình 3.6 : Xác thực khóa công khai và chữ ký số Hình 3.7 : cấp phát chứng thực số Hình 3.8 : Kiểm tra thông tin và cấp phát chứng thực số Việc kiểm tra tại server hoàn tất, 1 bản chứng thực số được tạo ra và lưu tại server Chứng thực Bên cạnh việc cấp phát 1 PKI cơ bản còn có vai trò xác thực 1 chứng thực số. Hình 3.9 : Xác thực chứng thực số Một client khác hoặc một người thứ 3 có thể gửi ID chứng thực số của một client để biết được client đó có tồn tại hay không. Bằng cách kích vào Menu CheckUser. Thông tin server trả về có thể là Ok(nếu tồn tại client), failed user was expired(nếu client đó đã hết hạn), failed(nếu không tồn tại user đó. Toàn vẹn dữ liệu Client gửi tin nhắn đến server để đăng ký chứng thực số. Nếu tin nhắn bị thay đổi đồng nghĩa với việc gia trị băm(H(m)) cũng bị thay đổi. Do vậy trong trường hợp thẩm tra chữ ký số là đúng đắn tương ứng với giá trị băm H(m) đúng và tin nhắn gửi đi và tin nhắn nhận được tại server là trùng nhau. Như vậy thông tin mà client gửi lên server hoàn toàn không bị thay đổi.Ngoài các chức năng trên Platform PKI còn bao gồm các chức năng như: Kiểm tra những client hết hạn sử dụng chức thực số, tìm kiếm,xóa, sửa 1 chứng thực số. Hình 3.10 : Form tìm kiếm, sửa, xóa thông tin chứng thực số Thu hồi và cấp phát lại chứng thực số Thu hồi Mỗi bản chứng thực số sẽ được gán thời gian bắt đầu cấp phát. Server sẽ kiểm tra và so sánh khoảng thời gian cấp phát chứng thực số đến thời gian hiện tại. Nếu thời gian đã hết hạn chứng thực số đó sẽ bị thu hồi và được lưu lại vào bảng cơ sở dữ liệu chứa “Chứng thực số hệt quyền hạn sử dụng” Hình 3.11 : Kiểm tra và thu hồi chứng thực số hết hạn sử dụng Cấp phát lại Server nhận thấy 1 chứng thức số đã bị lộ, hoặc client cảm nhận thấy khóa bí mật của mình và các thông tin quan trọng khác bị rò rỉ. Client sẽ gửi thông báo đến server và yêu cầu đăng ký 1 bản chứng thực số khác. Về phía server, Khi phát hiện thấy 1 chứng thực số bị lộ hoặc rò rỉ thông tin sẽ gửi yêu cầu đến client yêu cầu client đăng ký 1 bản chứng thực số khác. KẾT LUẬN Đề tài “Hạ tầng khóa công khai (PKI), vấn đề cấp phát chứng thực số và ứng dụng trong thương mại điện tử” là một đề tài khó và rộng. Trong thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, xây dựng ứng dụng đố án đã hoàn thành được các nhiệm vụ được đặt ra, cụ thể là: Về mặt lý thuyết : Khóa luận trình bày những khái niệm, đặc điểm cơ bản của một hệ thống PKI. Ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong thương mại điện tự. Tư tưởng của thuật toán cấp phát khóa, sinh và kiểm tra chữ ký số(RSA,DSA,...) về ưu nhược điểm của từng thuật toán, định nghĩa về hàm băm(hàm băm MD5,SHA-1). Cấp phát và xác thực chứng thực số. Về mô phỏng và kết quả thử nghiệm : Đã hoàn thành việc mô phỏng hoạt động cơ bản của một hệ thống PKI. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng trình độ chuyên môn và thời gian thực hiện khóa luận còn hạn hẹp, cũng như mức độ phức tạp của đề tài, nên kết quả đạt được còn gặp phải một số khiếm khuyết. Hướng phát triển đề tài: Tiếp tục hoàn thiện các chức năng, nhằm tăng hiệu quả và độ an toàn. Cải thiện việc gửi dữ liệu từ client và xử lý tại server để thời gian hoạt động của cả hệ thống là nhanh nhất và hiệu quả của hệ thông là tốt nhất có thể. CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] William Stallings. Cryptography and Network Security : Principles and Practice, Fourth Edition. Prentice Hall, 2005. TS.Nguyễn Đại Thọ Bộ môn Mạng & Truyền thông Máy tính Khoa Công nghệ Thông tin Slide bài giảng AN TOÀN MẠNG - (Chương 3 – trang 96). [2], [3] Đinh Mạnh Tường – Giáo trình “Cấu trúc dữ liệu và giải thuật” (Chương 1 trang 12-16). [4] TS.Nguyễn Đại Thọ Bộ môn Mạng & Truyền thông Máy tính Khoa Công nghệ Thông tin. Slide bài giảng AN TOÀN MẠNG - (Chương 4 – trang 116). [5],[8] Đặng Bình Phương Luận văn cao học – Đại học khoa học tự nhiên TP.Hồ Chí Minh - Nghiên cứu kiến trúc và xây dựng hệ thống chứng thực tập trung.(trang 8-11) [6] [7] Chứng thực điện tử&Chữ ký điện tử(HÀ NỘI –IT Week 2004) – VASC CA [9] Carlisle Adams, Steve Lloyd Understanding PKI: Concepts, Standards, and Deployment Considerations, Second Edition November 06, 2002 (Chương 6 Certificates and Certification). [10],[11] ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trần Hoàn Vũ hệ Kỹ Sư Chất Lượng Cao – K49 bộ môn Truyền Thông và Mạng Máy Tính, khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.