Báo cáo bài tập lớn môn an toàn bảo mật thông tin

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN

I-Giới thiệu:
Trong những năm gần đây,thương mại điện tử đã phát triển một cách
nhanh chóng.Vì vậy các kỹ thuật mật mã đóng một vai trò rất quan trọng
trong việc đảm bảo tính bí mật và xác thực của thông tin. Các kỹ thuật mật
mã hiện đại như mật mã công khai và chữ ký số có thể đáp ứng những yêu
cầu trên và hiện nay các kỹ thuật như vậy vẫn đang được sử dụng rộng rãi.
Độ an toàn của các mật mã hiện đại đều dựa trên các giả thiết về độ phức tạp
của việc tính toán để tìm ra khoá. Tuy nhiên, khả năng tính toán và tốc độ xử
lý của các máy tính không ngừng được tăng lên. Vì vậy , độ an toàn của các
loại mật mã hiện đại ngày càng bị đe doạ và để đảm bảo độ an toàn thì các
hệ mật mã hiện nay sử dụng khoá với độ dài rất lớn . Chính vì vậy đã ảnh
hưởng đến tốc độ mã hóa và giải mã.Mật mã lượng tử là loại mật mã duy
nhất từ trước đến nay không dựa vào độ phức tạp của việc tính toán mà dựa
vào qui luật của vật lý lượng tử. Vì vậy, trong tương lai mật mã lượng tử có
thể được sử dụng thay cho các loại mật mã khác .
II-Cơ sở lý thuyết của mật mã lượng tử
Mật mã lượng tử thực hiện việc mã hoá và giải mã dựa trên tính bất
định của các phần tử cực nhỏ như photon. Tính bất định có thể được nói
ngắn gọn như sau: Nếu một phần tử có hai tính chất thì một tính chất sẽ bị
mất đi khi ta xác định tính chất còn lại. Trong mật mã lượng tử, các trạng
thái phân cực khác nhau của photon được sử dụng để mã hoá và giải mã.
VÍDỤ:
Nếu chúng ta đo phân cực của một photon thông qua hệ đo phân cục
theo đường thẳng. Thì kết quả của phép đo sẽ chỉ ra rằng photon đó phân
cực thẳng đứng hay nằm ngang. Cũng tương tự như vậy, khi ta truyền
photon đó qua hệ đo phân cực theo đường tròn
Qui ước các kí hiệu :
+ : Thiết bị đo phân cực theo đường thẳng:
V  phân cực đường thẳng đứng

H  phân cực đường thẳng ngang
o: Thiết bị đo phân cực theo đường tròn:

L phân cực theo đường tròn,hướng trái
R phân cực theo đường tròn,hướng phải.
Mật mã lượng tử được dựa vào các trạng thái của photon.Trạng thái của
các photon khi đi qua các hệ đo phân cực khác nhau được trình bày như sau:
- Một photon được đo trong hệ đo phân cực theo đường thẳng(+),thì
trạng thái phân cực của photon đó có thể là phân cực thẳng hoặc phân
cực ngang:
photon 1 → + → V
photon 2 → + → H
- Một photon được gửi liên tiếp qua các hệ đo phân cực giống nhau
luôn luôn cho kết quả giống nhau.
photon 1 → + → + → + → V
photon 2 → + → + → + → H
- Một photon đã được xác định là phân cực thẳng hoặc phân cực ngang
nếu được truyền qua một hệ đo phân cực theo đường tròn thì trạng
thái phân cực của photon có thể là phân cực tròn theo chiều quay
trái,hoặc chiều quay phải.
V → o → L
hoặc V → o → R
- Kết quả cũng tương tự như vậy khi truyền một photon đã được xác
định trạng thái phân cực bởi thiết bị phân cực tròn qua một thiết bị
phân cực theo đường thẳng.
III.Giao thức BB84
Sau đây là giao thức BB84(giao thức do Bennett và Brassard giới thiệu)
để xác định khoá chung giữa người gửi và người nhận.Quy ước như
sau:Alice là người gửi,Bob là người nhận.
- Bước 1:Alice chuẩn bị các photon một cách ngẫu nhiên theo cả hệ đo

phân cực theo đường thẳng và hệ đo phân cực theo đường tròn.
- Bước 2:Alice ghi lại các trạng thái của từng photon,rồi gửi cho Bob.
- Bước 3:Bob nhận các photon và đo trạng thái phân cực một cách ngẫu
nhiên theo hệ đo phân cực thẳng hoặc hệ đo phân cực tròn.Bob sẽ ghi
lại hệ đo sử dụng để đo phân cực và kết quả của phép đo phân cực
(chú ý rằng kết quả của phép đo phân cực gửi bởi Alice có thể không
giống khi Bob nhận được nếu Bob không sử dụng hệ đo giống như
Alice).
- Bước 4:Bob thông báo cho Alice các hệ đo phân cực đã sử dụng
nhưng không thông báo kết quả của phép đo.
Bước Mô tả 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1
Hệ do mã
Alice sử
dụng để
đo các
photon
+ + o + o o o + + + o o
2
Kết quả
các phép
đo của các
photon mà
Alice đã
gửi

V H L H R L R V H H R L
3a
Các hệ đo
được sử

dụng với
Bob

+ + +

+ o

o

o o + o o +
3b
Kết quả
phép đo
của Bob

V H H H R L R L H

L R H
4
Bob thông
báo cho
Alice biết
các hệ do
Bob đã sử
dụng đối
với mỗi
photon
+ + + + o o o o + o o +
5
Alice

thông báo
cho Bob
biết hệ đo
nào là
đúng
đúng đúng sai đúng đúng đúng đúng sai đúng sai đúng sai
6
Alice và
Bob ghi
lại dữ liệu
twf các
phép đo
đúng và
đổi thành
các bit nhị
phân.

1 0 0 1 0 1 0 1
Bảng 1:Minh họa các bước của giao thức BB84
- Bước 5:Alice thông báo cho Bob hệ đo nào là đúng,hệ đo nào là
sai(đúng là khi Bob và Alice sử dụng cùng một hệ đo để phân cực của
một photon).
- Bước 6:Alice và Bob sẽ bỏ đi các dữ liệu mà lấy được từ phép đo khi
hệ đo không đúng và đổi các dữ liệu còn lại thành một chuỗi
cácbit,theo quy ước như sau:
+ Đường tròn - hướng trái(L):0
Đường tròn - hướng phải(R):1
+ Đường thẳng - nằm ngang(H):0
Đường thẳng - đứng(V):1
Sau đây là một ví dụ minh hoạ giao thức BB84(Bảng 1),giả thiết Alice

gửi đi 12 photon,và Bob đều nhận được đầy đủ.
Cuối cùng,Alice và Bob đã có một chuỗi các bit là:1 0 0 1 0 1 1.Chuỗi
các bit này tạo ra khoá mật.Tuy nhiên,trong thực tế thì độ dài của khoá
dài hơn rất nhiều.
Trong hệ mật mã lượng tử,thông tin mà Bob và Alice trao đổi trên kênh
truyền chỉ là các hệ đo mà họ đã sử dụng để đo mỗi photon,chứ hoàn toàn
không cho biết kết quả của phép đo.Vì vậy,rất khó có thể biết được
khoá.Và tính an toàn của việc phân phối khoá sử dụng mật mã lượng tử
đó là kẻ tấn công không thể xác định được chính xác trạng thái xủa
photon nếu không làm thay đổi trạng thái của photon đó(tính bất
định).Tuy nhiên,điều đó chỉ có thể được đảm bảo nếu mỗi bit thông tin
chỉ được mang bởi một photon(vì nếu mỗi bit thông tin được mang bởi
một chùm photon thì kẻ tấn công có thể đón lấy một vài thông tin và để
các photon còn lại đến bên người nhận).Vì vậy ,bên gửi phải sử dụng
nguồn phát một photon (phòng thí nghiệm tại trường đại học Stanford đã
thử nghiệm nguồn phát một photon sử dụng bán dẫn InAs).Và nguồn
phát đó đã được sử dụng trong mô hình thử nghiệm mật mã lượng tử của
phòng thí nghiệm nghiên cứu của NTT.
Mô hình thử nghiệm được trình bày như hình một,nguồn phát đó đã được
trình bày như hình 1,nguồn phát 1photon ở bên phát cứ 13ns lại phát ra
các photon,các photon này có trạng thái phân cực ngẫu nhiên (một trong
4 trạng thái H,V,R,L) được điều khiển bởi bộ điều biến phân cực.Bộ
điều biến phân cực được điều khiển bởi bộ phát tín hiệu dữ liệu.Bộ phát
tín hiệu dữ liệu này làm việc ở tốc độ76Mbit /s.Dữ liệu được ghi lại bởi
một máy tính,ở bên thu,các photon thu được được qua bộ chia có hai đầu
ra,các đầu ra này có các thiết bị đo trạng thái phân cực.Bởi vì một
photon không thể bị phân chia,nên mỗi photon đi đến một đầu ra.Chính
vì vậy,trạng thái phân cực của một photon có thể là một trong bốn trạng
thái phân cực.Các trạnh thái phân cực được gửi từ bên phát và các trạng
thái phân cực đo được ở bên thu sẽ được so sánh với nhau.

THU
PHÁT
Hình 1:Mô hình thử nghiệm mật mã lượng tửtheo giao thức BB84
IV.Kết luận
Bộ phát tín
hiệu dữ liệu
Nguồn phát 1
photon
Bộ điều biến
phân cực
Phân cực
tròn Trái/phải
R
PBS
L
Bộ chia
Tín hiệu
H
Phân cực
Ngang/thẳngđứng
PBS
SS
PBS(polarization beam splitter):Bộ
chia phân cực
H: đuờng thẳng – ngang
V: đường thẳng - đứng
R: dường tròn- phải
L: đường tròn- trái
V
Mật mã lượng tử là loại mật mã dựa vào các quy luật của vật lý lượng tử và các lý thuyết

về thong tin.Cho nên mật mã lượng tử là loại mật mã duy nhất từ trước tới nay mà không
thể tấn công bằng sức mạnh tính toán.Điều này rất có ý nghĩa khi mà tốc độ và khả năng
tính toán của các máy tính điện tử không ngừng được tăng lên.Vì vậy,mật mã lượng tử có
thể là một loại mật mã sử dụng nhiều lần trong tương lai.
Tài liệu tham khảo
[1].KYO INOUE_ KAORUSHIMIZU, QUANTUM CYPTOGRAGPHY_Quantum
Mechanics Opens up a New Trend in Communication Security,2003.
[2].C.H BENNET,G.BRASSARD,Quantum Cryptography,A.K.Ekert,2002.
[3].KARREN HUNTER,Quantum Cryptography,2002.