Luận án nghiên cứu phát triển các lược đồ chữ ký số tập thể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LƢU HỒNG DŨNG

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN CÁC LƢỢC
ĐỒ CHỮ KÝ SỐ TẬP THỂ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LƢU HỒNG DŨNG

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN CÁC LƢỢC
ĐỒ CHỮ KÝ SỐ TẬP THỂ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số:

62 52 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS Vũ Minh Tiến
2. TS Nguyễn Văn Liên

HÀ NỘI - 2011


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
trình bày trong Luận án là trung thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ
công trình nghiên cứu nào khác.


ii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................v
MỞ ĐẦU.....................................................................................................1
CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH CHỮ KÝ SỐ TẬP THỂ
VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI............................................5
1.1 Một số khái niệm và thuật ngữ liên quan..........................................5
1.1.1 Một số khái niệm................................................................................5
1.1.2 Các thuật ngữ liên quan.....................................................................7

1.2 An toàn thông tin trong các hệ thống truyền tin..............................9
1.2.1 Các hệ thống truyền tin và một số vấn đề về an toàn thông tin….....9
1.2.2 Giải pháp an toàn thông tin trong các hệ thống truyền tin...............10
1.3 Hƣớng nghiên cứu của đề tài luận án..............................................11
1.3.1 Các vấn đề thực tế và những hạn chế của mô hình hiện tại ........11
1.3.2 Mô hình chữ ký số tập thể............................................................12
1.4 Kết luận Chƣơng 1........................................................................21
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG LƢỢC ĐỒ CHỮ KÝ SỐ TẬP THỂ DỰA
TRÊN HỆ MẬT RSA ..........................................................................22
2.1 Cơ sở toán học................................................................................22
2.1.1 Bài toán khai căn trên vành số nguyên Zn.....................................22
2.1.2 Hệ mật RSA..................................................................................2 3
2.2 Xây dựng lƣợc đồ cơ sở..................................................................23
2.2.1 Lược đồ cơ sở dạng tổng quát‎……..................................................24
2.2.2 Lược đồ cơ sở LD 1.01‎...................................................................25
2.3 Xây dựng lƣợc đồ chữ ký số tập thể.............................................32
2.3.1 Lược đồ chữ ký tập thể LD 1.02...................................................32


iii

2.3.2 Lược đồ chữ ký tập thể LD 1.03..................................................45
2.4 Kết luận Chƣơng 2.........................................................................50
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG LƢỢC ĐỒ CHỮ KÝ SỐ TẬP THỂ DỰA
TRÊN HỆ MẬT ELGAMAL..............................................................51
3.1 Cơ sở toán học................................................................................51
3.1.1 Bài toán logarit rời rạc trên trường hữu hạn nguyên tố Zp............51
3.1.2 Hệ mật ElGamal...........................................................................5 2
3.2 Xây dựng lƣợc đồ cơ sở .................................................................52
3.2.1 Lược đồ cơ sở dạng tổng quát.......................................................53

3.2.2 Lược đồ cơ sở LD 2.01.................................................................54
3.3 Xây dựng lƣợc đồ chữ ký số tập thể.............................................60
3.3.1 Lược đồ chữ ký tập thể LD 2.02...................................................60
3.3.2 Lược đồ chữ ký tập thể LD 2.03...................................................69
3.4 Kết luận Chƣơng 3.........................................................................72
KẾT LUẬN...........................................................................................73
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ..........................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................76


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ‎ký hiệu
gcd(a,b)

Ước số chung lớn nhất của a và b

[a/b]

Phần nguyên của kết quả phép chia a cho b.

H(.)

Hàm băm

||

Toán tử nối/trộn 2 xâu bit

a|b

a là ước số của b

IDi

Thông tin nhận dạng thực thể/đối tượng k‎ý Ui

M

Thông điệp dữ liệu

xi

Khóa bí mật của thực thể/đối tượng ký‎Ui

yi

Khóa công khai của thực thể/đối tượng ký‎Ui

Các chữ viết tắt
CA

Certificate Authority

DSA

Digital Signature Algorithm

DSS

Digital Signature Standard

GM

Group Manager

PKC

Public Key Certificate

PKC2

Public Key Cryptography

PKI

Public Key Infrastructure

RSA

Rivest Shamir Adleman

SHA

Secure Hash Algorithm


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1
Bảng 2.2

Tiêu chuẩn an toàn đối với các số nguyên tố bổ trợ
(X9.31).
Tiêu chuẩn an toàn đối với các số nguyên tố bổ trợ
(FIPS 186-3).

31
32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9

Cấu trúc của một hệ truyền tin cơ bản
Cấu trúc của một hệ truyền tin an toàn
Cấu trúc cơ bản và cơ chế hình thành một Chứng
chỉ khóa công khai
Cơ chế kiểm tra tính hợp lệ của Chứng chỉ khóa
công khai

Chữ ký tập thể dạng phân biệt
Cơ chế hình thành chữ ký cá nhân ‎
Cơ chế hình thành chứng nhận của CA
Cơ chế kiểm tra chứng nhận của CA
Cơ chế kiểm tra tính hợp lệ của chữ ký cá nhân

9
10
14
15
16
17
18
19
20


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, khi mà Chính phủ điện tử và Thương mại điện tử đã trở thành
xu hướng tất yếu của hầu hết các quốc gia trên thế giới và đã bước đầu
được triển khai ở Việt Nam, thì chứng thực số [6] sẽ là một yếu tố không
thể thiếu được và ngày càng trở nên quan trọng. Việc ra đời chứng thực số
không những đảm bảo cho việc xây dựng thành công Chính phủ điện tử và
Thương mại điện tử theo nhu cầu phát triển của xã hội mà còn có tác dụng
rất to lớn trong việc phát triển các ứng dụng trên mạng Internet. Hạ tầng
công nghệ của chứng thực số là Hạ tầng cơ sở khoá công khai (PKI Public Key Infrastructure) [1],[2] với nền tảng là mật mã khoá công khai

(PKC2 - Public Key Cryptography) [11] và chữ ký số (Digital Signature)
[4],[7].
Trong các giao dịch điện tử, chữ ký số được sử dụng nhằm đáp ứng yêu cầu
chứng thực về nguồn gốc và tính toàn vẹn của thông tin. Chứng thực về nguồn
gốc của thông tin là chứng thực danh tính của những thực thể (con người,
thiết bị kỹ thuật,...) tạo ra hay có mối quan hệ với thông tin được trao đổi
trong các giao dịch điện tử. Các mô hình ứng dụng chữ ký số hiện tại cho phép
đáp ứng tốt các yêu cầu về chứng thực nguồn gốc thông tin được tạo ra bởi
những thực thể có tính độc lập. Tuy nhiên, trong các mô hình hiện tại khi
mà các thực thể tạo ra thông tin là thành viên hay bộ phận của một tổ chức
(đơn vị hành chính, hệ thống kỹ thuật,...) thì nguồn gốc thông tin ở cấp độ
tổ chức mà thực thể tạo ra nó là một thành viên hay bộ phận lại không được
chứng thực. Nói cách khác, yêu cầu về việc chứng thực đồng thời danh tính
của thực thể tạo ra thông tin và danh tính của tổ chức mà thực thể tạo ra
thông tin là một thành viên hay bộ phận của nó không được đáp ứng trong


2

các mô hình ứng dụng chữ ký số hiện tại. Trong khi đó, các yêu cầu như
thế ngày càng trở nên thực tế và cần thiết để bảo đảm cho các thủ tục hành
chính trong các giao dịch điện tử. Mục tiêu của đề tài Luận án là nghiên
cứu, phát triển một số lược đồ chữ k‎‎ý số theo mô hình ứng dụng mới đề
xuất nhằm bảo đảm các yêu cầu chứng thực về nguồn gốc và tính toàn vẹn
cho các thông điệp dữ liệu trong các giao dịch điện tử mà ở đó các thực thể
ký‎ là thành viên hay bộ phận của các tổ chức có tư cách pháp nhân trong xã
hội. Trong mô hình này, các thông điệp điện tử sẽ được chứng thực ở 2 cấp
độ khác nhau: thực thể tạo ra nó và tổ chức mà thực thể tạo ra nó là một
thành viên hay bộ phận của tổ chức này. Trong Luận án, mô hình ứng dụng
chữ ký số với các yêu cầu đặt ra như trên được gọi là mô hình chữ ký số tập

thể và các lược đồ chữ ký số xây dựng theo mô hình như thế được gọi là các
lược đồ chữ ký số tập thể.
Một hướng nghiên cứu như vậy, có thể hiện tại chưa được đặt ra như
một yêu cầu có tính cấp thiết, nhưng trong một tương lai không xa, khi
Chính phủ điện tử và Thương mại điện tử cùng với hạ tầng công nghệ thông
tin và truyền thông đã phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu ứng dụng chữ ký số
tập thể trong các dịch vụ chứng thực điện tử sẽ là tất yếu. Trước tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nước về chữ ký tập thể thì việc nghiên cứu, phát
triển và từng bước đưa chữ ký tập thể ứng dụng vào thực tiễn xã hội là rất
cần thiết.
Xuất phát từ thực tế đó, NCS đã chọn đề tài “Nghiên cứu, phát triển các
lƣợc đồ chữ ký sô tập thể” với mong muốn có những đóng góp vào sự phát
triển khoa học và công nghệ chung của đất nước.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận án bao gồm:
- Cơ sở của các hệ mật khóa công khai và các lược đồ chữ ký số.


3

- Nguyên lý xây dựng các hệ mật khóa công khai và lược đồ chữ ký số.
- Các mô hình ứng dụng mật mã khóa công khai và chữ ký số.
Phạm vi nghiên cứu của Luận án bao gồm:
- Các chuẩn chữ ký số DSS của Hoa Kỳ [21] và GOST R34.10-94 của Liên
bang Nga [10] và các cơ sở toán học liên quan.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của Luận án bao gồm:
- Đề xuất mô hình ứng dụng chữ ký số nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra khi
triển khai một Chính phủ điện tử trong thực tế xã hội, áp dụng phù hợp cho
đối tượng là các tổ chức, cơ quan hành chính, các doanh nghiệp,....

- Phát triển một số lược đồ chữ ký số có độ an toàn và hiệu quả thực hiện
cao theo mô hình đã đề xuất.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phát triển một số lược đồ cơ sở dựa trên các chuẩn chữ ký số được đánh
giá có độ an toàn và hiệu quả thực hiện cao.
- Xây dựng một số lược đồ chữ ký số theo mô hình ứng dụng mới đề xuất có
khả năng ứng dụng trong thực tiễn.
5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của Luận án bao gồm:
- Các chuẩn chữ ký số DSS của Hoa Kỳ và GOST R34.10-94 của Liên bang
Nga.
- Phát triển một số lược đồ cơ sở dựa trên các lược đồ chữ k‎ý RSA, DSA và
GOST R34.10-94.
- Xây dựng một số lược đồ chữ ký số từ các lược đồ cơ sở theo mô hình ứng
dụng mới đề xuất.


4

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đề xuất mô hình ứng dụng chữ ký số nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra cho
việc chứng thực các văn bản, tài liệu,… khi triển khai một Chính phủ điện
tử trong thực tế xã hội. Mô hình mới đề xuất áp dụng phù hợp cho đối
tượng là các tổ chức, cơ quan hành chính, các doanh nghiệp,....hoàn toàn
phù hợp với các thủ tục hành chính trong thực tế hiện nay.
- Một số lược đồ chữ ký‎số được đề xuất có tính mới về nguyên l‎ý xây dựng,
có tính ứng dụng thực tế, khả thi và không vi phạm về vấn đề bản quyền.
7. Bố cục của luận án
Luận án bao gồm 3 chương cùng với các phần Mở đầu, Kết luận và Danh
mục các công trình, bài báo đã được công bố của tác giả liên quan đến các

vấn đề nghiên cứu của Luận án.
Chương 1. Khái quát về mô hình chữ ký số tập thể và hướng nghiên cứu
của đề tài.
Trình bày một số khái niệm và thuật ngữ liên quan đến các nội dung
nghiên cứu và được sử dụng trong Luận án. Định hướng nghiên cứu của đề tài
Luận án. Đề xuất mô hình ứng dụng chữ ký‎ số áp dụng phù hợp cho đối
tượng là các tổ chức có tư cách pháp nhân trong xã hội.
Chương 2. Xây dựng lược đồ chữ ký số tập thể dựa trên hệ mật RSA.
Trình bày cơ sở toán học của hệ mật RSA, từ đó đề xuất xây dựng một
dạng lược đồ chữ ký‎ số làm cơ sở để phát triển các lược đồ chữ ký số tập thể
theo mô hình ứng dụng đã đề xuất ở Chương 1.
Chương 3. Xây dựng lược đồ chữ ký số tập thể dựa trên hệ mật ElGamal.
Đề xuất xây dựng một lược đồ chữ k‎ý số theo cùng nguyên tắc với các
thuật toán chữ k‎ý số họ ElGamal như DSA, GOST R34.10-94, từ đó phát
triển 2 lược đồ chữ ký số tập thể theo mô hình mới đề xuất.


5

CHƢƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH CHỮ KÝ SỐ TẬP THỂ VÀ HƢỚNG
NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nội dung Chương 1 phân tích các yêu cầu của thực tế, từ đó đề xuất mô
hình ứng dụng chữ k‎ý số nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tế đặt ra. Mô hình
này được sử dụng để phát triển các lược đồ chữ ký số trong các chương tiếp
theo. Nội dung Chương 1 cũng thống nhất một số khái niệm và thuật ngữ liên
quan được sử dụng trong Luận án.
1.1 Một số khái niệm và thuật ngữ liên quan
Mục này thống nhất một số khái niệm và thuật ngữ liên quan được sử dụng

trong Luận án.
1.1.1 Một số khái niệm
Định nghĩa 1.1: Một hệ mật là một bộ 5 ( P, C, K , E, D) thoả mãn các điều
kiện sau:
1. P là một tập hữu hạn các bản rõ.
2. C là một tập hữu hạn các bản mã.
3. K là tập hữu hạn các khoá.
4. E là tập hữu hạn các qui tắc mã hóa.
5. D là tập hữu hạn các qui tắc giải mã.
6. Đối với mỗi k  K có một quy tắc mã hóa ek  E và một quy tắc giải mã
tương ứng d k  D , mỗi ek : P  C và d k : C  P thỏa mãn: d k (ek ( x))  x
với x  P .

(1.1)

Hoặc là:
Đối với mỗi cặp (kp, ks)  K có một quy tắc mã hóa ekp  E và một quy


6

tắc giải mã tương ứng d ks  D , mỗi ekp : P  C và d ks : C  P thỏa mãn:
d ks (ekp ( x))  x với x  P .

(1.2)

Chú ý:
- Hệ mật thỏa mãn điều kiện (1.1) được gọi là hệ mật khóa bí mật.
- Hệ mật thỏa mãn điều kiện (1.2) được gọi là hệ mật khóa công khai.
Định nghĩa 1.2: Một lược đồ chữ ký số là bộ 5 (M , A, K , S ,V ) thoả mãn các

điều kiện sau:
1. M là tập hữu hạn các thông điệp dữ liệu.
2. S là tập hữu hạn các chữ ký.
3. K là tập hữu hạn các khoá bí mật.
4. A là tập hữu hạn các thuật toán ký.
5. V là tập hữu hạn các thuật toán xác minh.
6. Với mỗi k  K tồn tại một thuật toán ký sig k  A và một thuật toán xác
minh verk V tương ứng, mỗi sig k : M  S và verk : M  S  {true, false}
là những hàm sao cho với mỗi m  M và s  S thoả mãn phương trình
sau:
true, s  sig k (m)
verk (s, m)  
 false, s  sig k (m)

Định nghĩa 1.3:
Cho các tập S và T. Hàm một chiều (One-way function) f : S  T là hàm
khả nghịch thỏa mãn:
1. f là hàm dễ thực hiện, nghĩa là cho x  S thì có thể dễ dàng tính được
y  f (x) .

2. f 1 - hàm ngược của f , là hàm khó thực hiện, nghĩa là cho y  T thì rất
khó tính được x  f 1 ( y) .
3. f 1 có thể dễ dàng tính được khi có thêm một số thông tin.


7

Định nghĩa 1.4:
Hàm băm (Hash function) là hàm một chiều có các tính chất sau:
1. Khi cho trước bản tóm lược m của thông điệp dữ liệu M thì rất khó thực

hiện về mặt tính toán để tìm được M sao cho m  H (M ) .
2. Cho trước thông điệp dữ liệu M rất khó tìm được một thông điệp dữ
liệu M’ thỏa mãn: H (M )  H (M ' ) .
3. Rất khó để tìm được 2 thông điệp dữ liệu bất kỳ M và M’ thỏa mãn:
H (M )  H (M ' ) .

Chú ý:
- Hàm băm có các tính chất 1 và 2 được gọi là hàm băm kháng va chạm
yếu.
- Hàm băm có các tính chất 1 và 3 được gọi là hàm băm kháng va chạm
mạnh.
1.1.2 Các thuật ngữ liên quan
Định nghĩa 1.5:
Chữ ký số (Digital signature) là một dạng dữ liệu số được sinh ra bởi một
lược đồ chữ ký số, có chức năng liên kết một thông điệp dữ liệu (bản tin,
thông báo, tài liệu,...) với thực thể (con người, thiết bị kỹ thuật,...) tạo ra nó,
nhằm đáp ứng các yêu cầu xác thực về nguồn gốc và tính toàn vẹn của thông
điệp dữ liệu.
Định nghĩa 1.6:
Chữ ký số cá nhân là (một dạng) chữ ký số mà thực thể tạo ra nó là một
hoặc một nhóm đối tượng ký) có tính chất độc lập, nó được tạo ra từ khóa bí
mật của đối tượng ký và thông điệp dữ liệu cần ký nhằm đáp ứng các yêu cầu
xác thực tính toàn vẹn về nội dung và nguồn gốc của thông điệp dữ liệu ở cấp
độ cá nhân của đối tượng ký.


8

Định nghĩa 1.7:
Chữ ký số tập thể là (một dạng) chữ ký số được tạo ra từ chữ ký cá nhân

của một hoặc một nhóm đối tượng k‎ý là thành viên hay bộ phận của một tổ
chức (đơn vị hành chính, hệ thống kỹ thuật,..) với sự chứng nhận về tính hợp
pháp của tổ chức này, nhằm đáp ứng các yêu cầu xác thực tính toàn vẹn về
nội dung và nguồn gốc của một thông điệp dữ liệu ở 2 cấp độ: cá nhân của đối
tượng ký‎và tổ chức mà đối tượng ký là một thành viên hay bộ phận của nó.
Định nghĩa 1.8:
Chứng chỉ số (Digital Certificate) là tài liệu của một tổ chức được tin cậy
phát hành, nhằm chứng thực tính hợp pháp của một đối tượng (con người,
thiết bị kỹ thuật, quyền sở hữu của một thực thể,...) bằng việc sử dụng chữ ký
số của tổ chức đó.
Định nghĩa 1.9:
Chứng chỉ khóa công khai (Public Key Certificate) là một dạng chứng chỉ
số, nhằm chứng thực quyền sở hữu đối với một khóa công khai của đối tượng
(con người, thiết bị kỹ thuật,...) là chủ thể của một khóa bí mật tương ứng với
khóa công khai đó và đồng thời cũng là chủ thể sở hữu chứng chỉ khóa công
khai này.
Định nghĩa 1.10:
Thuật toán hình thành khóa công khai (Public key generation algorithm) là
phương pháp tạo ra khóa công khai từ khóa bí mật của thực thể/đối tượng ký.
Định nghĩa 1.11:
Thuật toán hình thành chữ ký số (Digital signature generation algorithm)
là phương pháp tạo lập chữ ký số từ một thông điệp dữ liệu và khóa bí mật
của thực thể/đối tượng ký.
Định nghĩa 1.12:
Thuật toán kiểm tra chữ ký số (Digital signature verification algorithm) là


9

phương pháp kiểm tra tính hợp lệ của chữ ký số tương ứng với một thông

điệp dữ liệu, dựa trên khóa công khai của thực thể/đối tượng ký để khẳng định
tính xác thực về nguồn gốc và tính toàn vẹn của một thông điệp dữ liệu cần
thẩm tra.
1.2 An toàn thông tin trong các hệ thống truyền tin
1.2.1 Các hệ thống truyền tin và một số vấn đề về an toàn thông tin
Cấu trúc của một hệ thống truyền tin với các thành phần chức năng cơ bản
được chỉ ra trên Hình 1.1 như sau:

Bên phát

Nguồn
tin

Điều
chế

Bên thu

Kênh
truyền

Giải
điều chế

Nhận
tin

Hình 1.1 Cấu trúc của một hệ truyền tin cơ bản

Trong mô hình trên, nguồn tin là nơi sản sinh ra thông tin hay tin tức. Tin

tức ở dạng nguyên thủy như: âm thanh, hình ảnh,... thường là các đại lượng
vật lý biến đổi liên tục theo thời gian và không thích hợp cho việc truyền tin ở
những khoảng cách xa. Ở phía phát, khối điều chế có chức năng biến đổi tin
tức sang một dạng tín hiệu thích hợp với kênh truyền, nhờ đó tin tức có thể
truyền đi xa. Ở phía thu, khối giải điều chế biến đổi tín hiệu nhận được để
khôi phục lại tin tức ban đầu. Nhận tin là nơi mà tin tức có thể được xử lý hay
lưu trữ dưới một dạng thích hợp nào đó.


10

Đứng về quan điểm an toàn thông tin, một hệ thống như thế có thể tiềm ẩn
nhiều nguy cơ gây mất an toàn, như:
- Lộ bí mật thông tin.
- Thông tin có thể bị mất mát, sai lệch.
- Thông tin có thể bị giả mạo.
1.2.2 Giải pháp an toàn thông tin trong các hệ thống truyền tin
Trên thực tế, kỹ thuật mật mã là một giải pháp hiệu quả cho việc bảo đảm
an toàn thông tin trong các hệ truyền dẫn và xử lý thông tin phân tán. Mô hình
chung của một hệ thống truyền tin an toàn sử dụng mật mã được chỉ ra trên
Hình 1.2.

Bên phát

Nguồn
tin

Mã
mật

Điều chế

Kênh
truyền

Giải điều
chế

Bên thu
Mã
mật

Hình 1.2 Cấu trúc của một hệ truyền tin an toàn

Nhận
tin


11

Trong hệ thống truyền tin an toàn [27], khối mã mật được sử dụng với vai
trò bảo đảm các yêu cầu về:
- Bảo mật thông tin.
- Xác thực về nguồn gốc và tính toàn vẹn của thông tin.
Trong đó, các yêu cầu về bảo mật thông tin được đảm bảo bởi các thuật
toán mật mã, còn giải quyết các yêu cầu về xác thực thông tin thường được
thực hiện bởi các thuật toán chữ ký số. Nói cách khác, khối mã mật trong một
hệ truyền tin an toàn có thể thực hiện chức năng của một thuật toán mật mã
hoặc thuật toán chữ ký số hay đồng thời cả hai tùy theo các yêu cầu sử dụng
thực tế. Trong các lĩnh vực an ninh – quốc phòng, mật mã và vấn đề bảo mật

thông tin được đặc biệt quan tâm, còn trong các hoạt động ở lĩnh vực dân sự
thì chữ ký số và vấn đề xác thực thông tin lại vô cùng quan trọng, nó là sự bảo
đảm cho các giao dịch điện tử được an toàn.
Hướng nghiên cứu của đề tài Luận án tập trung chủ yếu trong phạm vi các
vấn đề về xác thực nguồn gốc và tính toàn vẹn của thông tin.
1.3 Hƣớng nghiên cứu của đề tài Luận án
1.3.1 Các vấn đề thực tế và những hạn chế của mô hình hiện tại
Hiện tại, các dịch vụ chứng thực số được thực hiện trên nền tảng là Hạ
tầng cơ sở khóa công khai và chữ k‎ý số, trong đó 2 thành phần cơ bản của hệ
thống là người k‎ý với vai trò khách hàng và cơ quan chứng thực (CA Certificate Authority) đóng vai trò của nhà cung cấp dịch vụ.
Trong mô hình này, chữ k‎ý của đối tượng ký lên 1 thông điệp dữ liệu chỉ
được hình thành từ thông điệp dữ liệu cần chứng thực và khóa bí mật của đối
tượng k‎ý. Mặc dù khóa công khai của người k‎ý đã được chứng thực bởi CA,
tuy nhiên mô hình này đã không có một cơ chế nào để CA kiểm soát việc k‎‎ý
các thông điệp dữ liệu của các thực thể cuối trong hệ thống.Vì thế, trong các
mô hình hiện tại chữ k‎ý số chỉ là sự chứng thực cá nhân của đối tượng k‎ý với


12

thông điệp dữ liệu được ký, còn CA chỉ đóng vai trò trung gian tin cậy trong
các dịch vụ chứng thực số.
Trên thực tế, nhiều khi một thực thể ký (con người, thiết bị kỹ thuật,...) là
thành viên hay bộ phận của một tổ chức (đơn vị hành chính, hệ thống kỹ
thuật,...) và thông điệp dữ liệu (bản tin, thông báo, tài liệu,...) được thực thể
ký tạo ra với tư cách là một thành viên hay bộ phận của tổ chức đó. Vấn đề ở
đây là, thông tin cần phải được chứng thực về nguồn gốc và tính toàn vẹn ở 2
cấp độ: cấp độ cá nhân thực thể ký và cấp độ tổ chức mà thực thể ký là một
thành viên hay bộ phận của nó. Các mô hình ứng dụng chữ ký số hiện tại mới
chỉ đảm bảo tốt cho nhu cầu chứng thực thông tin ở cấp độ cá nhân của thực

thể ký, còn việc chứng thực đồng thời ở cả 2 cấp độ như thế vẫn chưa được
đáp ứng trong thực tế. Có thể là, một yêu cầu như vậy chưa thực sự cấp thiết ở
thời điểm hiện tại, nhưng rõ ràng đó sẽ là nhu cầu thực tế và ngày càng trở
nên cần thiết trong bối cảnh Chính phủ điện tử, Thương mại điện tử hay nói
chung là các giao dịch điện tử đang được phát triển với qui mô toàn cầu.
Từ những phân tích trên đây, hướng nghiên cứu của đề tài Luận án là đề
xuất mô hình ứng dụng chữ ký số, được gọi là mô hình chữ ký‎ số tập thể,
nhằm đáp ứng cho các yêu cầu chứng thực nguồn gốc và tính toàn vẹn thông
tin ở nhiều cấp độ khác nhau, từ đó xây dựng các lược đồ chữ ký số theo mô
hình mới đề xuất nhằm đáp ứng tốt các yêu cầu mà thực tiễn đặt ra.
1.3.2 Mô hình chữ ký số tập thể
Mô hình chữ ký‎ số tập thể được đề xuất cơ bản dựa trên cấu trúc của một
PKI truyền thống [1] nhằm bảo đảm các chức năng về chứng thực số [6] cho
đối tượng áp dụng là các tổ chức có tư cách pháp nhân trong xã hội (đơn vị
hành chính, cơ quan nhà nước, doanh nghiệp...). Trong mô hình này, đối
tượng ký‎ là một hay một nhóm thành viên của một tổ chức và được phép ký‎
lên các thông điệp dữ liệu với danh nghĩa thành viên của tổ chức này. Cũng


13

trong mô hình này, CA là bộ phận có chức năng bảo đảm các dịch vụ chứng
thực số, như: chứng nhận một thực thể là thành viên của tổ chức, chứng thực
các thông điệp dữ liệu được ký‎ bởi các thực thể là thành viên trong một tổ
chức, mà CA là cơ quan chứng thực thuộc tổ chức này. Tính hợp lệ về nguồn
gốc và tính toàn vẹn của một thông điệp dữ liệu ở cấp độ của một tổ chức chỉ
có giá trị khi nó đã được CA thuộc tổ chức này chứng thực, việc chứng thực
được thực hiện bằng chữ ký của CA tương tự như việc CA chứng thực khóa
công khai cho các thực thể cuối trong các mô hình PKI truyền thống. Trong
mô hình này, chữ ký‎ của CA cùng với chữ ký‎ cá nhân của các thực thể ký

hình thành nên chữ ký tập thể cho một thông điệp dữ liệu. Nói cách khác, chữ
ký tập thể trong mô hình này bao hàm chữ ký với tư cách cá nhân của thực thể
ký và chữ ký‎ của CA với tư cách của tổ chức mà đối tượng ký‎ là thành viên
thuộc tổ chức này. Nói chung, một CA trong mô hình được đề xuất có những
chức năng cơ bản như sau:
- Chứng nhận tính hợp pháp của các thành viên trong một tổ chức: thực
chất là chứng nhận khóa công khai và danh tính (các thông tin nhận dạng)
của các thành viên trong tổ chức bằng việc phát hành Chứng chỉ khóa công
khai (PKC - Public Key Certificate). Ngoài ra, CA còn có trách nhiệm thu
hồi PKC hết hạn lưu hành hoặc vi phạm chính sách an toàn của tổ chức.
- Chứng thực nguồn gốc và tính toàn vẹn của các thông điệp dữ liệu được
ký bởi các đối tượng là thành viên của tổ chức mà CA là cơ quan chứng
thực của tổ chức này.
Một hệ thống cung cấp dịch vụ chứng thực số xây dựng theo mô hình mới
đề xuất sẽ bao gồm các hoạt động cơ bản như sau:
a) Phát hành, quản lý‎Chứng chỉ khóa công khai
Trong mô hình chữ ký‎ tập thể, chứng chỉ khóa công khai được sử dụng để
một tổ chức chứng nhận các đối tượng ký‎là thành viên của nó. Một chứng chỉ


14

khóa công khai bao gồm những thông tin cơ bản và cơ chế hình thành được
chỉ ra trên Hình 1.3.

Các thông tin nhận dạng
(IDi) của chủ thể: Tên, Tổ

Khóa riêng của CA
(xCA)

chức và địa chỉ,...
Khóa công khai của chủ
thể (yi)
Trạng thái hoạt động của
chứng chỉ
Số hiệu của chứng chỉ

Thuật toán ký‎

Thông tin nhận dạng của
CA.
Chữ ký số của CA

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản và cơ chế hình thành
của một Chứng chỉ khóa công khai

Cấu trúc cơ bản của một PKC bao gồm khóa công khai của chủ thể chứng
chỉ và các thông tin khác như: Thông tin nhận dạng của chủ thể, Trạng thái
hoạt động của chứng chỉ, Số hiệu chứng chỉ, Thông tin nhận dạng của CA,...
Không làm mất tính tổng quát, trong Luận án sử dụng thuật ngữ Thông tin
nhận dạng (IDi) của đối tượng ký để đại diện cho các thành phần thông tin nói
trên‎.
Trong thực tế, có thể sử dụng khuôn dạng chứng chỉ X.509 [12] cho mô
hình mới đề xuất.


15

Kiểm tra tính hợp pháp của đối tượng k‎ý là kiểm tra tính hợp lệ của chứng

chỉ khóa công khai mà đối tượng ký‎ được cấp, thực chất là kiểm tra tính hợp
lệ chữ ký‎của CA trên chứng chỉ khóa công khai của thực thể này‎. Dữ liệu đầu
vào của thuật toán là chữ ký‎của CA, khóa công khai của chủ thể chứng chỉ và
các thông tin khác như: Thông tin nhận dạng của chủ thể,.... Kết quả đầu ra
của thuật toán là sự khẳng định về nguồn gốc và tính toàn vẹn của khóa công
khai được sở hữu bởi chủ thể chứng chỉ.
Cơ chế kiểm tra tính hợp lệ của một chứng chỉ khóa công khai hay kiểm
tra tính hợp pháp của một đối tượng ký‎ là thành viên của một tổ chức được
chỉ ra trên Hình 1.4 như sau:

Các thông tin nhận dạng
(IDi) của chủ thể: Tên, Tổ
chức và địa chỉ…

Khóa công khai của CA
(yCA)

Khóa công khai của chủ
thể (yi).
Trạng thái hoạt động của
chứng chỉ
Số hiệu của chứng chỉ

Thuật toán kiểm
tra

Thông tin nhận dạng của
CA
Chữ ký số của CA

Công nhận/Từ chối

Hình 1.4 Cơ chế kiểm tra tính hợp lệ của một chứng chỉ khóa
công khai


16

b) Hình thành và kiểm tra chữ ký‎số tập thể
Chữ ký‎ tập thể được hình thành trên cơ sở chữ ký‎ cá nhân của thực thể ký
(một hoặc một nhóm đối tượng k‎‎ý) và chứng nhận của CA với vai trò chứng
thực của tổ chức đối với thông điệp dữ liệu cần ký‎. Có thể hình thành chữ k‎‎ý
tập thể ở 2 dạng như sau:
- Chữ k‎ý tập thể dạng kết hợp: ở dạng này CA k‎‎ý trực tiếp lên thông điệp
dữ liệu như các thành viên khác, chữ k‎ý của CA và chữ k‎ý cá nhân của
các đối tượng ký được kết hợp với nhau theo một qui tắc nhất định để
hình thành chữ ký tập thể.
- Chữ k‎ý tập thể dạng phân biệt: ở dạng này chữ ký‎tập thể bao gồm chữ
ký‎cá nhân của thực thể ký và chữ ký của CA là 2 thành phần phân biệt
hay tách biệt nhau.
Trong Luận án, chữ k‎‎ý tập thể dạng phân biệt được sử dụng do có khả
năng chống lại các kiểu tấn công tập thể từ bên trong hệ thống. Cơ chế hình
thành chữ ký số tập thể dạng phân biệt được chỉ ra trên Hình 1.5.

Chữ ký‎cá nhân của
thực thể ký‎(Su)

Chứng nhận‎của CA‎
(SCA)

Chữ ký‎số tập thể (S)
Chữ ký‎cá nhân của
thực thể ký‎(SU)

Chứng nhận‎của CA‎
(SCA)

Hình 1.5 Chữ ký tập thể dạng phân biệt


17

Chữ ký‎ cá nhân hình thành từ khóa bí mật của thực thể ký và thông điệp
dữ liệu cần k‎ý theo cơ chế được chỉ ra trên Hình 1.6 như sau:

Thông điệp dữ liệu
cần ký‎ (M )

Khóa bí mật của thực
thể ký (x1,x2,…,xn)

Thuật toán ký
f(M;x1,x2,…,xn)

Chữ ký‎cá nhân của thực thể ký‎
SU = f(M;x1,x2,…,xn)

)
Hình 1.6 Cơ chế hình thành chữ ký‎cá nhân

Ở các lược đồ chữ ký tập thể xây dựng theo mô hình mới đề xuất, thuật
toán k‎ý được phát triển trên cơ sở các hệ mật được đánh giá có độ an toàn cao
và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Có 2 dạng thuật toán k‎‎ý được đề xuất trong Luận án, dạng thứ nhất được
xây dựng trên cơ sở bài toán khai căn trên vành số nguyên Zn=p.q, với {p, q} là
các số nguyên tố phân biệt. Đây là một dạng thuật toán chữ k‎‎ý số được xây
dựng mới về nguyên tắc so với các dạng thuật toán đã được biết trong thực tế.
Dạng thuật toán thứ hai được xây dựng trên cơ sở bài toán logarit rời rạc
trong trường hữu hạn nguyên tố Fp theo cùng nguyên tắc với các thuật toán
chữ k‎ý số họ ElGamal như: DSA, GOST R34.10-94,...


18

Trong mô hình chữ k‎‎ý tập thể dạng phân biệt, chứng nhận của CA được
tạo ra từ khóa bí mật của CA, thông điệp dữ liệu được k‎ý và khóa công khai
của thực thể ký (một hay một nhóm các đối tượng k‎ý).
Cơ chế hình thành chứng nhận‎của CA‎được chỉ ra trên Hình 1.7.

Khóa bí mật của CA
(xCA)
Khóa công khai
của thực thể k‎ý‎
(y1,..,yn)
Thông điệp dữ
liệu cần ký (M)

Thuật toán ký
f(M; y1,..,yn; xCA)‎

Chứng nhận của CA
SCA = f(M; y1,..,yn; xCA)
Hình 1.7 Cơ chế hình thành chứng nhận‎của CA

Ở các lược đồ chữ k‎ý tập thể mới đề xuất, chứng nhận của CA về việc một
hay một nhóm đối tượng k‎ý lên một thông điệp dữ liệu được thực hiện qua
các bước:
- Kiểm tra tính hợp pháp của các đối tượng k‎ý.
- Kiểm tra tính hợp lệ của chữ k‎ý cá nhân.
- CA k‎ý lên bản tin được tạo ra từ thông điệp dữ liệu cần ký và khóa công
khai của các đối tượng ký.
Bằng cách đó, các lược đồ chữ k‎ý tập thể mới đề xuất có khả năng ngăn
chặn hiệu quả các dạng tấn công tập thể từ bên trong hệ thống do các đối