tài liệu an toàn và bảo mật thông tin

1
BẢO MẬT THÔNG TIN
BÀI 3:
MÃ HÓA ĐỐI XỨNG
HIỆN ĐẠI
Nguyễn Hữu Thể
2
Nội dung
1. TinyA5/1
2. A5/1
3. TinyRC4
4. RC4

 Mã hóa cổ điển
 bản tin ngôn ngữ,
 một đơn vị mã hóa là chữ cái,
 phương thức thay thế hay phương thức hoán vị.
 Thông tin ngày ngày nay
 HTML, hình ảnh, video, âm thanh…
=> Biểu diễn trên máy vi tính dưới dạng một dãy các số nhị
phân.
 Trong máy tính: chữ cái được biểu diễn bằng mã ASCII.
3
Ví dụ:
 Bản tin: attack
 Mã ASCII: 97 116 116 97 99 107
 Biểu diễn nhị phân: 01100001 01110100 01110100 01100001
01100011 01101011
4
Mã hóa đối xứng hiện đại
Ví dụ mã hóa đối xứng hiện đại

 Bản rõ là các chữ cái của một ngôn ngữ gồm có 8 chữ cái A,
B, C, D, E, F, G, H trong đó mỗi chữ cái được biểu diễn bằng 3
bít.





 Nếu có bản rõ là “head” => nhị phân là: 111100000011
5
Mã hóa đối xứng hiện đại
 Giả sử dùng một khóa K gồm 4 bít 0101 để mã hóa bản rõ trên
bằng phép XOR :
 bản rõ: 1111 0000 0011 (head)
 khóa: 0101 0101 0101
 bản mã: 1010 0101 0110 (FBCG)
 Đơn vị mã hóa không phải là một khối 4 bít.
 Để giải mã, lấy bản mã XOR một lần nữa với khóa thì có lại
bản rõ ban đầu.
6
Mã hóa đối xứng hiện đại
 Mã hóa bằng phép XOR:
 Khóa được lặp lại:
• => điểm yếu giống như mã hóa Vigenere.
• Khắc phục: dùng một bộ sinh số ngẫu nhiên để tạo khóa dài,
giả lập mã hóa One-Time pad.
 Một khối được mã hóa bằng phép XOR với khóa:
• => Không an toàn vì chỉ cần biết một cặp khối bản rõ - bản mã
(vd: 1111 và 1010) => dễ dàng tính được khóa.
• Khắc phục: tìm các phép mã hóa phức tạp hơn phép XOR

7
Mã dòng (Stream Cipher)
 Mã dòng có các đặc tính sau:
8
Mã dòng (Stream Cipher)
 Giải mã => thực hiện ngược lại
 Bản mã C được XOR với dãy số ngẫu nhiên S để cho ra
lại bản rõ ban đầu:





 Ví dụ này không phải là mã dòng vì s0, s1, s2 lặp lại khóa K.
 Về phương diện khóa, ví dụ này giống mã Vigenere.
9
Mã dòng (Stream Cipher)
 Với mã dòng, các số s
i
được sinh ra phải đảm bảo một độ
ngẫu nhiên nào đó (chu kỳ tuần hoàn dài)




 Khóa có chiều dài ngắn: Vigenere => không bảo đảm an toàn
 Khóa có chiều dài bằng chiều dài bản tin: One-Time Pad => không thực tế.
 Mã dòng cân bằng giữa hai điểm này => khóa ngắn nhưng dãy
số sinh ra bảo đảm một độ ngẫu nhiên cần thiết như khóa của
One-time Pad, dùng rằng không hoàn toàn thực sự ngẫu nhiên.

10
A5/1
 A5/1 được dùng trong mạng điện thoại GSM, để bảo mật dữ
liệu trong quá trình liên lạc giữa máy điện thoại và trạm thu
phát sóng vô tuyến.
 Đơn vị mã hóa của A5/1 là một bít.
 Bộ sinh số mỗi lần sẽ sinh ra hoặc bít 0 hoặc bít 1 để sử dụng
trong phép XOR.
11
TinyA5/1
 Mô hình thu nhỏ của A5/1 gọi là TinyA5/1.
 Cơ chế thực hiện của bộ sinh số TinyA5/1 là như sau:
 Bộ sinh số gồm 3 thanh ghi X, Y, Z.
 Thanh ghi X gồm 6 bit, ký hiệu là (x
0
, x
1
, …, x
5
).
 Thanh ghi Y gồm 8 bit (y
0
, y
1
, …, y
7
).
 Thanh ghi Z lưu 9 bit (z
0
, z

1
, …, z
8
).
 Khóa K ban đầu có chiều dài 23 bít và lần lượt được phân bố
vào các thanh ghi: K -> XYZ
12
TinyA5/1
 Các thanh ghi X, Y, Z được biến đổi theo 3 quy tắc:
13
TinyA5/1
 Hàm maj(x, y, z) nếu trong 3 bít x, y, z có từ hai bít 0 trở
lên thì hàm trả về giá trị 0, nếu không hàm trả về giá trị 1.
 Tại bước sinh số thứ i, các phép tính sau được thực hiện:
 m = maj(x
1
, y
3
, z
3
)
 If x
1
= m then thực hiện quay X
 If y
3
= m then thực hiện quay Y
 If z
3
= m then thực hiện quay Z

 Và bít được sinh ra là:
 Bít s
i
được XOR với bít thứ i trong bản rõ để có được bít thứ i
trong bản mã theo quy tắc của mã dòng.
14
Mã dòng (Stream Cipher)
15
Ví dụ: mã hóa bản rõ P=111 (chữ h) với khóa K là 100101. 01001110.100110000
A5/1
 A5/1 hoạt động giống như TinyA5/1.
 Kích thước thanh ghi X, Y, Z lần lượt là 19, 22 và 23 bít
16
A5/1
 Hàm maj được tính trên 3 bít x
8
, y
10
, z
10
. Sau khi quay xong bít
sinh ra là:
 Toàn bộ quá trình sinh dãy số của A5/1 được minh họa qua hình
bên dưới:
17
RC4
 RC4 được dùng trong giao thức SSL để bảo mật dữ liệu trong
quá trình truyền dữ liệu giữa Web Server và trình duyệt Web.
 RC4 còn được sử dụng trong mã hóa WEP của mạng Wireless
LAN.

18
TinyRC4
 Là mô hình thu nhỏ của RC4
 Đơn vị mã hóa của TinyRC4 là 3 bít.
 TinyRC4 dùng 2 mảng S và T mỗi mảng gồm 8 số nguyên 3 bít
(từ 0 đến 7).
 Khóa là một dãy gồm N số nguyên 3 bít với N có thể lấy giá trị
từ 1 đến 8. Bộ sinh số mỗi lần sinh ra 3 bít để sử dụng trong
phép XOR.
 Quá trình sinh số của TinyRC4 gồm hai giai đoạn:
19
TinyRC4
a) Giai đoạn khởi tạo







 Dãy S gồm các số nguyên 3 bít từ 0 đến 7 được sắp thứ tự tăng
dần. Sau đó dựa trên các phần tử của khóa K, các phần tử của S
được hoán vị lẫn nhau đến một mức độ ngẫu nhiên nào đó.
20
Ví dụ:
 Mã hóa bản rõ:
P = 001000110
(từ ‟bag”)
 Khóa K gồm 3 số
2, 1, 3 (N=3)

21
- Hoán vị S
Thực hiện đến khi i=7 và lúc đó dãy S là 6 0 7 1 2 3 5 4
TinyRC4
b) Giai đoạn sinh số:





 Các phần tử của S tiếp tục được hoán vị.
 Tại mỗi bước sinh số, hai phần tử của dãy S được chọn để tính
ra số k 3 bít là số được dùng để XOR với đơn vị mã hóa của
bản rõ.
22
23
- Tiếp tục ví dụ trên, quá trình sinh số mã hóa bản rõ ‟bag” thực hiện:


public static int[] cryptRC4(int S[], int T[], int K[], int N) {
// Giai đoạn khởi tạo
for (int i = 0; i < 8; i++) {
S[i] = i;
T[i] = K[i % N];
}
// Hoán vị ngẫu nhiên
System.out.println("Hoán vị mảng S[] ");

int j = 0;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
j = (j + S[i] + T[i]) % 8;
swap(S, i, j); // Hoán vị S[i] và S[j]
printArrayInt(S, 8);
}
int i = 0;
j = 0;
int k[] = new int[N];
int loop = 0;
24
System.out.println("Giai đoạn sinh số: ");
while (loop < N) {
i = (i + 1) % 8;
j = (j + S[i]) % 8;

swap(S, i, j);

int t = (S[i] + S[j]) % 8;
k[loop] = S[t];

printArrayInt(S, 8);
loop++;
}
return k;
// Chú ý: Phương thức (hàm) này có thể tách ra thành nhiều
phương thức nhỏ.
}
25