An ninh mạng - Bài 4: Giao thức mật mã

1BÀI 4.
GIAO THỨC MẬT MÃ
Bùi Trọng Tùng,
Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông,
Đại học Bách khoa Hà Nội
1
Nội dung
• Tổng quan về giao thức mật mã
• Các giao thức trao đổi khóa
• Các giao thức chữ ký điện tử
2
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC MẬT MÃ
3
Giao thức mật mã là gì?
• Chúng ta đã biết về “mật mã” và các ứng dụng của nó:
 Bảo mật
 Xác thực
• Nhưng chúng ta cần biết “Sử dụng mật mã như thế nào?”
Hệ mật mã an toàn chưa đủ để làm cho quá trình trao đổi thông tin 
an toàn
Cần phải tính đến các yếu tố, cá nhân tham gia không trung thực
• Giao thức là một chuỗi các bước thực hiện mà các bên 
phải thực hiện để hoàn thành một tác vụ nào đó.
 Bao gồm cả quy cách biểu diễn thông tin trao đổi
• Giao thức mật mã: giao thức sử dụng các hệ mật mã để 
đạt được các mục tiêu an toàn bảo mật
4
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3Các thuộc tính của giao thức mật mã
• Các bên tham gia phải hiểu về các bước thực hiện giao 
thức
• Các bên phải đồng ý tuân thủ chặt chẽ các bước thực 
hiện
• Giao thức phải rõ ràng, không nhập nhằng
• Giao thức phải đầy đủ, xem xét mọi tình huống có thể
• Với giao thức mật mã: Giao thức phải được thiết kế 
để khi thực hiện không bên nào thu được nhiều lợi 
ích hơn so với thiết kế ban đầu.
5
Giao thức có trọng tài(Trusted arbitrator)
• Trọng tài là bên thứ 3 thỏa mãn:
Không có quyền lợi riêng trong giao thức
Không thiên vị
• Các bên cần tin tưởng vào trọng tài
Mọi thông tin từ trọng tài là đúng và tin cậy
Trọng tài luôn hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ trong giao thức
• Ví dụ: Alice cần bán một chiếc máy tính cho Bob, người 
sẽ trả bằng séc
Alice muốn nhận tờ séc trước để kiểm tra
Bob muốn nhận máy tính trước khi giao séc
6
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4Giao thức có trọng tài – Ví dụ
• Alice và Bob tin tưởng vào Trent-Bên thứ 3 mà cả 2 cùng 
tin tưởng
7
(1)
(2)
(3)
(4)
(5) 
OK
(6) 
OK
(7)
Trent
Alice Bob
Giao thức có trọng tài – Ví dụ
• Alice tin tưởng vào ngân hàng mà Bob ủy nhiệm
8
Alice
Bob
(1)
(2)
(3)
(3)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
5Giao thức sử dụng trọng tài
• Khi 2 bên đã không tin tưởng nhau, có thể đặt niềm tin 
vào bên thứ 3 không?
• Tăng chi phí
• Tăng trễ
• Trọng tài trở thành “cổ chai” trong hệ thống
• Trọng tài bị tấn công
9
Giao thức có người phân xử(Adjudicated 
Protocols)
• Chia giao thức có trọng tài thành 2 giao thức:
Giao thức không cần đến trọng tài, có thể thực hiện bất kỳ khi nào 
2 bên muốn
Giao thức cần người phân xử: chỉ sử dụng khi có tranh chấp
• Hãy xem xét lại giao dịch trong ví dụ trên với giải pháp 
mới này!
10
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6Giao thức tự phân xử(Self-Enforcing 
Protocols)
• Không cần đến bên thứ 3
• Giao thức có cơ chế để một bên có thể phát hiện sự gian 
lận của bên còn lại
• Không phải tình huống nào cũng có thể tìm ra giao thức 
như vậy
11
Các dạng tấn công vào giao thức mật mã
• Có thể lợi dụng các điểm yếu trong:
Hệ mật mã
Các bước thực hiện
• Tấn công thụ động: nghe trộm
• Tấn công chủ động: can thiệp vào giao thức
Chèn thông điệp
Thay thế thông điệp
Sử dụng lại thông điệp
Giả mạo một trong các bên
12
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7Một ví dụ khác-Shamir 3-pass protocol
1. Bob Alice: E(K1,M)
2. Alice Bob: E(K2, E(K1,M))
3. Bob Alice: D(K1, E(K2, E(K1,M)))
4. Alice: D(K2, D(K1, E(K2, E(K1,M))))
13
2. CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓA BÍ MẬT
14
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8Hãy xem lại sơ đồ bảo mật sử dụng mật 
mã khóa đối xứng 
15
Mã hóa Giải mã
Kênh truyền
Thám mã
M
KS KS
M
C C
M*
KS*
Bob
Kẻ tấn 
công
?
Làm thế nào để Alice 
chuyển khóa một cách an 
toàn cho Bob!
Alice
Giao thức phân phối khóa không tập 
trung
• Khóa chính: KM đã được A và B chia sẻ an toàn
Làm thế nào vì đây chính là bài toán đang cần giải quyết 
Khóa chính được sử dụng để trao đổi khóa phiên KS
• Khóa phiên KS: sử dụng để mã hóa dữ liệu trao đổi
• Giao thức 1.1
(1) A B: IDA
(2) B A: E(KM, IDB||KS)
• Giao thức này đã đủ an toàn chưa?
Tấn công nghe lén
Tấn công thay thế
Tấn công giả mạo
Tấn công phát lại
16
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9Giao thức phân phối khóa không tập 
trung – Giao thức 1.2
• Sử dụng các yếu tố chống tấn công phát lại 
(replay attack)
(1) A B: IDA || N1
(2) B A: E(KM, IDB || KS || N1 || N2)
(3) A B: A kiểm tra N1 và gửi E(KS, N2)
(4) B kiểm tra N2
• Hạn chế của phân phối khóa không tập trung?
17
Giao thức phân phối khóa tập trung
• Sử dụng bên thứ 3 được tin cậy – KDC (Key Distribution 
Centre):
Sinh khóa bí mật KS
Phân phối KS tới A và B
• A và KDC đã chia sẻ một khóa bí mật KA, B và KDC đã 
chia sẻ một khóa bí mật KB
Làm thế nào?
18
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.1
(1) A KDC: IDA || IDB
(2) KDC A: E(KA, KS || IDA || IDB || E(KB, IDA || KS))
(3) A giải mã, thu được KS
(4) A B: E(KB, IDA || KS)
(5) A ↔ B: E(KS, Data)
• Hãy xem xét tính an toàn của giao thức này?
Tấn công nghe lén
Tấn công thay thế
Tấn công giả mạo
Tấn công phát lại
19
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.2 (Needham-Schroeder) 
(1) A KDC: IDA || IDB || N1
(2) KDC A: E(KA, KS || IDA || IDB || N1 || E(KB, IDA || KS))
(3) A giải mã, kiểm tra N1 thu được KS
(4) A B: E(KB, IDA || KS)  B giải mã, thu được KS
(5) B A: E(KS, N2)
(6) A B: E(KS, f(N2))  B giải mã kiểm tra f(N2)
(7) A ↔ B: E(KS, Data)
N1, N2: giá trị ngẫu nhiên dùng 1 lần (nonce)
f(x): hàm biến đổi dữ liệu bất kỳ
• Hãy xem xét lại tính an toàn của giao thức này!
20
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11
Giao thức 2.2 (Needham-Schroeder) 
21
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.3 (Denning)
(1) A KDC: IDA || IDB
(2) KDC A: E(KA, KS || IDA || IDB || T || E(KB, IDA || KS || T))
(3) A giải mã, kiểm tra T, thu được KS
(4) A B: E(KB, IDA || KS || T)  B giải mã, kiểm tra T
(5) B A: E(KS, N1)
(6) A B: E(KS, f(N1))  B giải mã, kiểm tra N1
(7) A ↔ B: E(KS, Data)
T: nhãn thời gian (time stamp)
• Kiểm tra tính an toàn của sơ đồ này:
Mất đồng bộ đồng hồ của các bên
22
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12
Giao thức 2.3 (Denning)
23
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 2.4 (Kehne)
(1) A B: IDA || NA
(2) B KDC: IDB || NB || E(KB, IDA || NA || TB)
(3) KDC A: E(KA, IDB || NA || KS) || E(KB, IDA || KS || TB) || NB
(4) A B: E(KB, IDA || KS || TB) || E(KS, NB)
• Vì sao việc sử dụng nhãn thời gian TB của B tốt hơn nhãn 
thời gian T của KDC trong giao thức 2.3
• Hãy xem thêm các giao thức khác trong Section 3.1, 
Chapter 3, “Applied Cryptography: Protocols, Algorthms, 
and Source Code in C”, 2nd Edition, Bruce Schneier
24
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13
Giao thức 2.4 (Kehne)
25
3. CÁC GIAO THỨC PHÂN PHỐI KHÓA CÔNG KHAI
26
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14
Hãy xem lại sơ đồ bảo mật sử dụng mật 
mã khóa công khai
27
Mã hóa Giải mã
Kênh truyền
Thám mã
M
KUB KRB
M
C C
M*
K*RB
Kẻ tấn 
công
Alice
?
Alice có thể chắc 
chắn rằng khóa KUB
đúng là khóa công 
khai của Bob? 
Bob
Giao thức phân phối khóa không tập 
trung
• Hãy xem xét giao thức sau(Giao thức 3.1):
(1) A B: IDA || KUA || N1
(2) B A: IDB || KUB || N2 || E(KUA, f(N1))
(3) A kiểm tra f(N1)
A B: E(KUB, g(N2))
(4) B kiểm tra g(N2)
(5) B A: E(KUA, DataA)
(6) A B: E(KUB, DataB)
• Nhận xét: Nếu f(x) và g(x) được giữ bí mật hoàn toàn thì 
C không thể giả mạo A hoặc B?
28
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15
Giao thức 3.1 – Tấn công man-in-the-middle
• C tự sinh cặp khóa (K’UA, K’RA) và (K’UB, K’RB)
29
A C B
(1) A B: IDA || KUA || N1
(1’) C B: IDA || K’UA || N1
(2)B A: IDB || KUB || E(K’UA, f(N1) || N2)
(2’)C A: IDB || K’UB || E(KUA, f(N1) || N2)
(3) A B: E(K’UB, g(N2))
(3’) C B: E(KUB, g(N2))
(4)B A: E(K’UA, DataB) 
(4’)B A: E(KUA, DataA) 
(5) A B: E(K’UB,DataA)
(5) A B: E(KUB,DataA)
Giao thức 3.2
30
• Hãy xem xét giao thức sau(Giao thức 3.2):
(1) A B: IDA || KUA || N1
(2) B A: IDB || KUB || N2 || E(KUA, f(N1))
(3) A B: E(KUB, g(N2))
(4) B gửi phần còn lại bản tin E(KUA, f(N1))
(4’) A giải mã với KRA nhận được f(N1) và kiểm tra
A gửi phần còn lại của bản tin E(KUB, g(N2)) cho B
(4’’) B giải mã với KRB nhận được g(N2) và kiểm tra.
(5) B A: E(KUA, DataA)
(6) A B: E(KUB, DataB)
B chỉ gửi một phần 
của mẩu tin này cho A
A chỉ gửi một phần mẩu tin này cho B
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.1
• Sử dụng bên thứ 3 tin cậy – PKA (Public Key Authority)
Có cặp khóa (KUPKA, KRPKA)
Nhận các khóa công khai KUA của A và KUB của B một cách an 
toàn. Làm thế nào vì đây chính là bài toán đang cần giải quyết 
• A và B đều có khóa công khai KUPKA của PKA
• Giao thức 4.1
(1) A PKA: IDA || IDB
(2) PKA A: E(KRPKA, IDB || KUB)
(3) A B: E(KUB, N1)
(4) B PKA: IDB || IDA
(5) PKA B: E(KRPKA, IDA || KUA)
(6) B A: E(KUA, N1)
31
- Kiểm tra tính an toàn 
của giao thức này?
- Có thể tấn công vào 
giao thức này như 
thế nào?
Giao thức 4.1
32
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.2
(1) A PKA: IDA || IDB || T1
(2) PKA A: E(KRPKA, IDB || KUB || T1)
(3) A B: E(KUB, N1)
(4) B PKA: IDB || IDA || T2
(5) PKA B: E(KRPKA, IDA || KUA || T2)
(6) B A: E(KUA, N1)
T1, T2: nhãn thời gian chống tấn công phát lại
• Giao thức này có hạn chế gì?
33
Giao thức 4.2
34
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.3
• Bên thứ 3 được tin cậy – CA(Certificate Authority)
Có cặp khóa (KUCA, KRCA)
Phát hành chứng thư số cho khóa công khai của các 
bên có dạng
Cert = E(KRCA, ID || KU || Time)
ID: định danh của thực thể
KU: khóa công khai của thực thể đã được đăng ký tại CA
Time: Thời hạn sử dụng khóa công khai. Thông thường 
có thời điểm bắt đầu có hiệu lực và thời điểm hết hiệu 
lực.
35
Giao thức phân phối khóa tập trung-
Giao thức 4.3 (tiếp)
(1) A CA: IDA || KUA || TimeA
(2) CA A: CertA= E(KRCA, IDA || KUA || TimeA)
(3) B CA: IDB || KUB || TimeB
(4) CA B: CertB= E(KRCA, IDB || KUB || TimeB)
(5) A B: CertA
(6) B A: CertB
• Làm thế nào để A và B có thể yên tâm sử dụng khóa công 
khai của nhau?
• Hãy cải tiến lại các giao thức trong các khâu cần đến xác 
thực thông điệp (sử dụng MAC hoặc hàm băm)
• Đọc thêm về PKI và chứng thư số theo chuẩn X.509
36
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19
Giao thức 4.3 (tiếp)
37
Phân phối khóa bí mật của hệ mật mã 
khóa đối xứng
• Hạn chế chung của các giao thức phân phối khóa bí mật 
trong hệ mật mã khóa đối xứng
Giao thức không tập trung: Số lượng khóa sử dụng lớn
Giao thức tập trung: PKA phải đáp ứng yêu cầu với tần suất rất lớn
Không có cơ chế xác thực rõ ràng
 Sử dụng mật mã khóa công khai trong các giao thức phân phối 
khóa bí mật
(1) A B: E(KUB, E(KRA, KS))
(2) B giải mã với KRB, sau đó kiểm tra để chắc chắn thông điệp xuất 
phát từ A. Khóa KS thu được là khóa phiên.
(3) A ↔ B: E(KS, Data)
• Tất nhiên giao thức trên không chống được tấn công phát 
lại. Việc cải tiến giao thức trên như là một bài tập.
38
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
20
Kết luận
• Hệ thống có nguy cơ mất an toàn ngay cả khi chúng ta sử
dụng hệ mật mã tốt nếu không có một giao thức quản lý
và phân phối khóa an toàn
• Mật mã phải gắn liền với xác thực
• Thực tế các giao thức phân phối khóa đã trình bày đều
xác thực dựa trên các sơ đồ mã hóa của hệ mật mã.
Chúng ta biết rằng, giải pháp này chưa thực sự an toàn
(hãy xem lại những phân tích trong bài §3. Xác thực
thông điệp).
Bài tập: Hãy sử dụng MAC, hàm băm, chữ ký điện tử để tăng
cường an toàn cho các sơ đồ trên.
39
4. CÁC GIAO THỨC CHỮ KÝ ĐIỆN TỬ
40
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21
Sơ đồ chung
41
• Phía gửi : hàm ký
1. Băm bản tin gốc, thu được giá
trị băm H
2. Mã hóa giá trị băm bằng khóa
riêng chữ kí số S
3. Gắn chữ kí số lên bản tin gốc
(M || S)
• Phía nhận : hàm xác thực
1. Tách chữ kí số S khỏi bản tin.
2. Băm bản tin M, thu được giá
trị băm H
3. Giải mã S với khóa công khai
của người gửi, thu được H’
4. So sánh : H và H’. Kết luận.
Tăng cường an toàn cho chữ ký điện tử
• Bảo vệ khóa cá nhân
 Sử dụng thẻ thông minh (smart card)
 Kết hợp sinh trắc học
• Chứng thực khóa công khai: PKI
• Chống phát lại (replay attack)
42
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
22
Chữ ký điện tử có trọng tài
• Trọng tài (Trent – T) có nhiệm vụ:
Áp dụng một số lần kiểm tra lên bản tin, kiểm tra tính toàn vẹn của nội 
dung và nguồn gốc
Kiểm tra nhãn thời gian (timestamp) của bản tin
(1) A T: IDA || E(KUB,M) || SignA(E(KUB,M)) || TA || SignA(MAT)
(2) T A: IDA || E(KUB,M) || SignA(E(KUB,M)) || TA || SignT(MTB)
(3) A gửi cho B bản tin 2
SignA(E(KUB,M)) = E(KRA, H(E(KUB,M)))
Sign(MAT) = E(KRA, H(MAT))
MAT = IDA || E(KUB,M) || SignA(E(KUB,M)) || TA
Sign(MTB) = E(KRT, H(MTB))
MTB = IDA || E(KUB,M) || SignA(E(KUB,M)) || TA
43
Chữ ký mù (Blind Signature)
• Một số giao dịch điện tử yêu cầu cần che giấu thông tin 
cá nhân của các bên tham gia:
Thương mại điện tử
Bầu cử điện tử
• Chữ ký mù: người ký không biết nội dung của văn bản
Người kiểm tra tính hợp lệ của phiếu bầu không được phép biết 
nội dung của phiếu (tên cử tri, người được cử tri bầu...)
Sau khi xác minh và chấp nhận cho khách hàng rút tiền, ngân hàng 
không thể kiểm tra lại trên tờ tiền điện tử lưu thông có tên người rút 
là gì.
44
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
23
Chữ ký mù RSA cho Phiếu bầu điện tử
• Cơ quan bầu cử sử dụng cặp khóa KU = (e,n), KR = (d,n)
• Sau khi đã thực hiện xác thực với cơ quan bầu cử, Alice 
điền thông tin trên phiếu bầu. Thông tin này được ghi lên 
bản tin X:
Chọn 1 giá trị ngẫu nhiên r
Làm mù nội dung lá phiếu: M’ = (H(X).re) mod n
Đưa cho cơ quan bầu cử ký
• Cơ quan BC thực hiện ký mù
S’ = (M’)d mod n = ((H(X))d.r) mod n
• Alice xóa mù chữ ký: S = S’.r−1 mod n = (H(X))d mod n
Lưu ý 1 < r−1 < n là giá trị sao cho r.r−1 mod n = 1
• Phiếu điện tử của Alice (X, S)
• Làm thế nào để cơ quan kiểm phiếu tin tưởng đây là 
phiếu bầu do cơ quan bầu cử phát hành?
45
Chữ ký 
điện tử 
của cơ 
quan BC 
lên X
Chữ ký mù một phần
• Ngăn chặn người gửi gian lận nội dung
• Giao thức:
(1) Alice gửi cho trọng tài n bản tin (đã được làm mù bởi n 
giá trị ngẫu nhiên khác nhau), trong đó có chứa 1 bản 
tin cần trọng tài ký
(2) Trọng tài yêu cầu Alice gửi k giá trị làm mù bất kỳ
(3) Trọng tài kiểm tra tính hợp lệ trong nội dung của k bản 
tin
(4) Nếu k bản tin trên là hợp lệ, trọng tài ký vào “siêu bản 
tin” được ghép từ (n-k) bản tin còn lại
46
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24
Chữ ký nhóm
• Yêu cầu: Chỉ xác thực được chữ ký và nhóm nào ký, 
không xác định được chính xác người ký
• Giao thức:
(1) Người quản trị tạo ra n*m cặp khóa
(2) Người quản trị phân phối cho mỗi thành viên của nhóm 
m cặp khóa
(3) Người quản trị công bố danh sách khóa công khai (thứ 
tự đã xáo trộn)
(4) Khi cần ký, mỗi người lựa chọn 1 khóa cá nhân ngẫu 
nhiên để ký
(5) Người xác thực tìm khóa công khai trong danh sách (3) 
để xác thực chữ ký
47
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt