Nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ thống cấp chứng chỉ số dựa trên hạ tầng khóa công kha

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HOÀNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG
HỆ THỐNG CẤP CHỨNG CHỈ SỐ DỰA
TRÊN HẠ TẦNG KHÓA CÔNG KHAI
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TAM

Thái Nguyên 10/2013


i

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS
Nguyễn Văn Tam, người thầy đã cho tôi những định hướng và những ý
kiến rất quý báu về công nghệ PKI cũng như cách để triển khai ứng
dụng trên nó.
Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô, bạn bè cùng khoá
đã quan tâm, giúp đỡ tôi tiến bộ trong suốt thời gian qua. Tôi xin cảm
ơn trường Đại học Thái Nguyên cũng như trường Đại học Kinh Doanh
và Công nghệ Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong quá trình
học và làm luận văn này.

Luận văn được hoàn thành trong thời gian rất hạn hẹp, và chắc
chắn còn nhiều khiếm khuyết cần bổ sung thêm. Tôi xin cảm ơn các thầy
cô, bạn bè và người thân đã và sẽ có những góp ý chân tình cho nội
dung của luận văn này, để tôi có thể tiếp tục đi sâu tìm hiểu về PKI, CA
và hy vọng có thể đưa vào ứng dụng thực tiễn công tác.

Hoàng Thị Thúy


ii

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................v
1.1. Hệ mật mã khoá đối xứng..........................................................................3
1.2. Hệ mật mã khoá công khai........................................................................4
1.3. Hàm băm....................................................................................................8
1.4. Chữ kí số..................................................................................................11
2.1. Chứng chỉ số (digital certificates)............................................................14
2.1.1. Chứng chỉ khóa công khai....................................................................14
2.1.2. Chứng chỉ khoá công khai X.509.........................................................16
2.1.3. Thu hồi chứng chỉ.................................................................................20
2.1.4. Chính sách đối với chứng chỉ số...........................................................21
2.1.5. Công bố và gửi thông báo thu hồi chứng chỉ........................................22
........................................................................................................................23
2.2. Hạ tầng khóa công khai – PKI.................................................................25
2.3. Hệ thống cấp chứng chỉ số (Certification Authority – CA).....................30
2.4. Mô hình tin cậy cho PKI..........................................................................31
2.4.1. Mô hình CA đơn...................................................................................31
2.4.2. Mô hình phân cấp.................................................................................33
2.4.3. Mô hình mắt lưới (xác thực chéo)........................................................34

2.4.4. Mô hình Hub và Spoke (Bridge CA)....................................................36
2.4.5. Mô hình Web (Trust Lists)...................................................................37
2.4.6. Mô hình người sử dụng trung tâm (User Centric Model).....................38
3.1. Tổng quan về hệ thống............................................................................41
3.1.1. Mô hình hệ thống..................................................................................41
3.1.2. Một số đặc tính của hệ thống cung cấp chứng chỉ số...........................41
3.2. Chức năng và quá trình khởi tạo các thành phần trong hệ thống cung cấp
chứng chỉ số JavaCA......................................................................................46
3.2.1. Certificate Authority - CA....................................................................46
3.2.2. Registration Authority - RA.................................................................47
3.2.3. RAO......................................................................................................48
3.2.4. LDAP và Public Database Server.........................................................48
3.3. Qui trình đăng kí, cấp phát chứng chỉ......................................................49
3.4. Thử nghiệm sản phẩm.............................................................................50
3.4.1. Thử nghiệm phía quản trị.....................................................................50


iii

3.4.2. Thử nghiệm phía người dùng...............................................................50
3.5. Đánh giá chung........................................................................................50
Kết quả nghiên cứu.........................................................................................53


iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ARLs
CA
CAO

CMS
COST
CRLs
CRR
CSP
DAP
DES
DNS
DSS
ECC
HTTPS
IANA
IEEE
IETF
ISO
ITU-T
LDAP
MD5
OCSP
PEM
PGP
PKC
PKCS
PKI
PKIX
RA
RAO
RFC
RSA
S/MIME

SHA-1
SSL
TLS

Authority Revocation Lists
Certificate Authority
Certificate Authority Operator
Cryptographic Message Syntax
Commercial of the Shelf
Certificate Revocation Lists
Certificate Revocation Request
Certification Service Provider
Directory Access Protocol
Data Encryption Standard
Domain Name System
Digital Signature Standard
Elliptic Curve Cryptography
Secure Hypertext Transaction Standard
Internet Assigned Numbers Authority
Institute of Electrical & Electronic Engineers
Internet Engineering Task Force
International Organization for
Standardization
Internet Telecommumications UnionTelecommunication
Lightweight Directory Access Protocol
Message Digest 5 Hash Algorithm
Online Certificate Status Protocol
Privacy Enhanced Mail
Pretty Good Privacy
Public Key Certificate

Public Key Cryptography Standards
Public Key Infrastructure
Extended Public Key Infrastructure
Registration Authorities
Registration Authorities Operator
Request For Comments
Rivest Shamir Adleman
Secure Multipurpose Internet Mail
Extensions
Secure Hash Standard
Secure Socket Layer
Transport Layer Security


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................v
1.1. Hệ mật mã khoá đối xứng..........................................................................3
1.2. Hệ mật mã khoá công khai........................................................................4
1.3. Hàm băm....................................................................................................8
1.4. Chữ kí số..................................................................................................11
2.1. Chứng chỉ số (digital certificates)............................................................14
2.1.1. Chứng chỉ khóa công khai....................................................................14
2.1.2. Chứng chỉ khoá công khai X.509.........................................................16
.......................................................................................................................................................................17

2.1.3. Thu hồi chứng chỉ.................................................................................20
2.1.4. Chính sách đối với chứng chỉ số...........................................................21
2.1.5. Công bố và gửi thông báo thu hồi chứng chỉ........................................22

........................................................................................................................23
2.2. Hạ tầng khóa công khai – PKI.................................................................25
2.3. Hệ thống cấp chứng chỉ số (Certification Authority – CA).....................30
2.4. Mô hình tin cậy cho PKI..........................................................................31
2.4.1. Mô hình CA đơn...................................................................................31
2.4.2. Mô hình phân cấp.................................................................................33
2.4.3. Mô hình mắt lưới (xác thực chéo)........................................................34
2.4.4. Mô hình Hub và Spoke (Bridge CA)....................................................36
2.4.5. Mô hình Web (Trust Lists)...................................................................37
2.4.6. Mô hình người sử dụng trung tâm (User Centric Model).....................38
3.1. Tổng quan về hệ thống............................................................................41
3.1.1. Mô hình hệ thống..................................................................................41
3.1.2. Một số đặc tính của hệ thống cung cấp chứng chỉ số...........................41
3.2. Chức năng và quá trình khởi tạo các thành phần trong hệ thống cung cấp
chứng chỉ số JavaCA......................................................................................46
3.2.1. Certificate Authority - CA....................................................................46
3.2.2. Registration Authority - RA.................................................................47
3.2.3. RAO......................................................................................................48
3.2.4. LDAP và Public Database Server.........................................................48
3.3. Qui trình đăng kí, cấp phát chứng chỉ......................................................49
3.4. Thử nghiệm sản phẩm.............................................................................50
3.4.1. Thử nghiệm phía quản trị.....................................................................50


vi

3.4.2. Thử nghiệm phía người dùng...............................................................50
3.5. Đánh giá chung........................................................................................50
Kết quả nghiên cứu.........................................................................................53

1

MỞ ĐẦU
Các dịch vụ trên mạng Internet/Intranet ngày càng phong phú nhưng
mức độ đe dọa đến an ninh thông tin trên mạng như làm thất thoát, sai lệch
thông tin, giả mạo thông tin và người dùng ngày càng trở nên nghiêm trọng.
Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin an toàn và có tính bảo mật cao đang
là nhu cầu cấp bách hiện nay. Thuật toán mật mã khóa công khai, đặc biệt là
thuật toán RSA cho phép mã hóa, thực hiện chữ kí số để bảo đảm tính mật,
tính xác thực, tính toàn vẹn thông tin khi truyền trên mạng. Tuy nhiên, khóa
công khái có thể bị giả mạo do vậy Nhà cung cấp phải chứng thực số
(Certificate Authority - CA) chứng thực khóa công khai thuộc về ai. Chính vì
vậy học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ thống cấp
chứng chỉ số dựa trên hạ tầng khóa công khai” với mục đích tìm hiểu về
chứng chỉ số, hạ tầng khóa công khai PKI và triển khai thử nghiệm một hệ
thống cung cấp chứng chỉ số để minh họa.


2

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ MẬT MÃ
Mật mã đã được con người sử dụng từ lâu. Các hình thức mật mã sơ
khai đã được tìm thấy từ khoảng bốn nghìn năm trước trong nền văn minh Ai
Cập cổ đại. Trải qua hàng nghìn năm lịch sử, mật mã đã được sử dụng rộng
rãi ở khắp nơi trên thế giới để giữ bí mật cho việc trao đổi thông tin trong
nhiều lĩnh vực hoạt động giữa con người và các quốc gia, đặc biệt trong các
lĩnh vực quân sự, chính trị, ngoại giao.
Mật mã trước hết là một loại hoạt động thực tiễn, nội dung chính của

nó là để giữ bí mật thông tin. Ví dụ muốn gửi một văn bản từ một người gửi
A đến một người nhận B, A phải tạo cho văn bản đó một bản mã mật tương
ứng và thay vì gửi văn bản rõ thì A chỉ gửi cho B bản đã mã mật, B nhận
được bản mã mật và khôi phục lại văn bản gốc để hiểu được thông tin mà A
muốn gửi cho mình. Văn bản gửi đi thường được chuyển qua các con đường
công khai nên người ngoài có thể “lấy trộm” được, nhưng vì đó chỉ là bản mã
mật nên không đọc hiểu được. A có thể tạo ra bản mã mật và B có thể giải
bản mã mật thành bản gốc để hiểu được là do hai người đã có một thỏa thuận
về một chìa khoá chung, chỉ với khoá chung này thì A mới tạo được bản mã
mật từ bản gốc và B mới khôi phục được bản gốc từ bản mã mật. Khoá chung
đó được gọi là khoá mật mã. Để thực hiện được một phép mật mã, ta cần có
một thuật toán biến bản gốc cùng với khoá mật mã thành bản mã mật và một
thuật toán ngược lại biến bản mật cùng với khoá mật mã thành bản gốc. Các
thuật toán đó được gọi tương ứng là thuật toán lập mã và thuật toán giải mã.
Các thuật toán này thường không nhất thiết phải giữ bí mật, mà cái luôn cần
được giữ bí mật là khoá mật mã. Trong thực tiễn, có những hoạt động ngược
lại với hoạt động bảo mật là khám phá bí mật từ các bản mã “lấy trộm” được,
hoạt động này thường được gọi là mã thám hay phá khoá.[2]


3

1.1. Hệ mật mã khoá đối xứng
Các phương pháp mật mã cổ điển đã được biết đến từ khoảng 4000
năm trước. Một số kỹ thuật đã được những người Ai Cập sử dụng từ nhiều thế
kỷ trước. Những kỹ thuật này chủ yếu sử dụng hai phương pháp chính là:
phép thay thế và phép chuyển dịch. Trong phép thay thế, một chữ cái này
được thay thế bởi chữ cái khác và trong phép chuyển dịch, các chữ cái được
sắp xếp theo một trật tự khác.
Hệ mã chuẩn DES (viết tắt của Data Encryption Standard, hay Tiêu

chuẩn Mã hóa Dữ liệu) là một phương pháp mật mã hóa được FIPS (Tiêu
chuẩn Xử lý Thông tin Liên bang Hoa Kỳ) chọn làm chuẩn chính thức vào
năm 1976. Sau đó chuẩn này được sử dụng rộng rãi trên phạm vi thế giới.
Ngay từ đầu, thuật toán của nó đã gây ra rất nhiều tranh cãi, do nó bao gồm
các thành phần thiết kế mật, độ dài khóa tương đối ngắn, và các nghi ngờ về
cửa sau để Cơ quan An ninh quốc gia Hoa Kỳ (NSA) có thể bẻ khóa. Đây là
một ví dụ về mật mã cổ điển. DES kết hợp cả hai phương pháp thay thế và
chuyển dịch. DES thực hiện mã hoá trên từng khối bản rõ là một xâu 64 bit,
có khoá là một xâu 56 bit và cho ra bản mã cũng là một xâu 64 bit. Hiện nay,
DES và biến thể của nó (3DES) vẫn được sử dụng thành công trong nhiều
ứng dụng.
Trong các hệ mã đối xứng chỉ có một khoá được chia sẻ giữa các bên
tham gia liên lạc. Cứ mỗi lần truyền tin bảo mật, cả người gửi A và người
nhận B cùng thỏa thuận trước với nhau một khoá chung K, sau đó người gửi
dùng eK để lập mã cho thông báo gửi đi và người nhận dùng dK để giải mã
bản mật mã nhận được.
Người gửi và người nhận có cùng một khoá chung K, được giữ bí mật
dùng cho cả lập mã và giải mã. Những hệ mật mã cổ điển với cách sử dụng
trên được gọi là mật mã khoá đối xứng hay còn gọi là mật mã khoá bí mật. Độ


4

an toàn của hệ mật mã đối xứng phụ thuộc vào khoá. Nếu để lộ khoá thì bất
kỳ người nào cũng có thể mã hoá và giải mã thông điệp.
Ưu điểm nổi bật của các hệ mật mã khoá đối xứng là việc xây dựng
một hệ mật mã có độ bảo mật cao khá dễ dàng về mặt lý thuyết. Nhưng nếu
không kể đến việc cần có một nguồn sinh khoá ngẫu nhiên thì việc phân phối,
lưu trữ bảo mật và thỏa thuận khoá là một vấn đề khó chấp nhận được trong
mạng truyền thông ngày nay. Trong một mạng có n người dùng, nếu cần khoá

cho từng cặp thì cần n(n+1)/2 khoá.
Để khắc phục hiện tượng không thể lưu trữ một khối lượng khoá quá
lớn đáp ứng được nhu cầu mã dịch, người ta xem xét đến việc sử dụng các hệ
mật mã khối với độ dài không lớn lắm như DES… hoặc các hệ mật mã dạng
mà khoá được sinh ra từ một nguồn giả ngẫu nhiên bằng thuật toán. Mặc dù
đã thực hiện việc mã hoá và giải mã bằng các hệ mật mã khối hay bằng thuật
toán sinh khoá như đã nêu ở trên thì vấn đề phân phối và thỏa thuận khoá vẫn
phải được thực hiện. Như vậy phân phối và thỏa thuận khoá là một vấn đề
chưa thể được giải quyết trong các hệ mật mã khoá đối xứng.
1.2. Hệ mật mã khoá công khai
Để giải quyết vấn đề phân phối và thỏa thuận khoá của mật mã khoá
đối xứng, năm 1976 Diffie và Hellman đã đưa ra khái niệm về hệ mật mã
khoá công khai và một phương pháp trao đổi công khai để tạo ra một khoá bí
mật chung mà tính an toàn được bảo đảm bởi độ khó của một bài toán cụ thể
(là bài toán tính “logarit rời rạc”). Hệ mật mã khoá công khai hay còn được
gọi là hệ mật mã phi đối xứng sử dụng một cặp khoá, khoá mã hoá còn gọi là
khoá công khai (public key - c) và khoá giải mã được gọi là khóa riêng
(private key - r). Trong hệ mật này, khoá mã hoá khác với khoá giải mã. Về
mặt toán học thì từ khoá công khai rất khó tính được khoá riêng. Biết được
khoá này không dễ dàng tìm được khoá kia.


5

Khoá giải mã được giữ bí mật trong khi khoá mã hoá được công bố
công khai. Một người bất kỳ có thể sử dụng khoá công khai để mã hoá tin tức,
nhưng chỉ có người nào có đúng khoá giải mã mới có khả năng xem được bản
rõ.

Người gửi A sẽ mã hoá thông điệp bằng khóa công khai của người nhận

và người nhận B sẽ giải mã thông điệp với khoá riêng tương ứng của mình.
Quá trình này được mô tả trong hình 1.2 và 1.3.

Chỉ riêng
mình em

Hình 1.2: Mã hoá thông điệp sử dụng khoá công khai C

Khóa
riêng
của B

B

Chỉ riêng
mình em

Hình 1.3: Giải mã thông điệp sử dụng khoá riêng của người nhận
Có nhiều hệ thống khoá công khai được triển khai rộng rãi như hệ
RSA, hệ ElGamal sử dụng giao thức trao đổi khoá Diffie-Hellman và nổi lên


6

trong những năm gần đây là hệ đường cong Elliptic. Trong số các hệ mật mã
trên thì hệ RSA là hệ được cộng đồng chuẩn quốc tế và công nghiệp chấp
nhận rộng rãi trong việc thực thi mật mã khoá công khai.
Hệ mật mã RSA, do Rivest, Shamir và Adleman [12] tìm ra, đã được
công bố lần đầu tiên vào tháng 8 năm 1977 trên tạp chí Scientific American.

Hệ mật mã RSA được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn đặc biệt cho mục
đích bảo mật và xác thực dữ liệu số. Tính bảo mật và an toàn của chúng
được bảo đảm bằng độ phức tạp của một bài toán số học nổi tiếng là bài
toán phân tích số nguyên thành các thừa số nguyên tố. Hệ mật mã RSA
được mô tả như hình 1.4.
Tạo khóa: Khi đăng kí khóa, hệ thống sẽ sinh ra hai khóa đó là
khóa công khai (Public key - c ) và khóa bí mật (Private key - r).
Bước 1: Chọn p, q là hai số nguyên tố lớn
Bước 2: Cho n = p.q
Bước 3: φ(n) = (p-1)(q-1)
Bước 4: (r, φ)=1 (chọn r thỏa mãn điều kiện này)
Bước 5: Chọn c thỏa mãn điều kiện c.r % φ =1
Sau khi hoàn thành 5 bước trên sẽ tạo ra hai khóa:
Khóa riêng: (r, n)
Khóa công khai: (c, n)
Hình 1.4: Sơ đồ hệ mật mã RSA
Việc phát minh ra phương pháp mã công khai tạo ra một cuộc “cách
mạng” trong công nghệ an toàn thông tin điện tử. Nhưng thực tiễn triển khai
cho thấy tốc độ mã hoá khối dữ liệu lớn bằng các thuật toán mã hoá công khai
chậm hơn rất nhiều so với hệ mã hoá đối xứng. Ví dụ, để đạt được độ an toàn
như các hệ mã đối xứng mạnh cùng thời, RSA đòi hỏi thời gian cho việc mã
hoá một văn bản lâu hơn gấp hàng ngàn lần. Do đó, thay bằng việc mã hoá


7

văn bản có kích thước lớn bằng lược đồ khoá công khai thì văn bản này sẽ
được mã hoá bằng một hệ mã đối xứng có tốc độ cao như DES, IDEA,… sau
đó khoá được sử dụng trong hệ mã đối xứng sẽ được mã hoá sử dụng mật mã
khoá công khai. Phương pháp này rất khả thi trong việc mã và giải mã những

văn bản có kích thước lớn như được mô tả trong hình 1.5 và 1.6.

A

Secret
Key R

Directory
of Public
Key

Public
Key C
Of B

Chỉ riêng
mình em

Hình 1.5: Mã hoá thông điệp sử dụng khoá bí mật R để mã thông điệp
và khoá công khai C để mã khoá bí mật R

Symmetric Key C

Private Key R
of B

B

Chỉ
riêng

mình em

Hình 1.6: Giải mã thông điệp sử dụng khoá bí mật C để giải mã thông điệp
và khoá riêng R để giải mã khoá bí mật C


8

Vấn đề còn tồn đọng của hệ mật mã khoá đối xứng được giải quyết nhờ
hệ mật mã khoá công khai. Chính ưu điểm này đã thu hút nhiều trí tuệ vào
việc đề xuất, đánh giá các hệ mật mã công khai. Nhưng do bản thân các hệ
mật mã khoá công khai đều dựa vào các giả thiết liên quan đến các bài toán
khó nên đa số các hệ mật mã này đều có tốc độ mã dịch không nhanh lắm.
Chính nhược điểm này làm cho các hệ mật mã khoá công khai khó được dùng
một cách độc lập. Một vấn đề nữa nảy sinh khi sử dụng các hệ mật mã khóa
công khai là việc xác thực mà trong mô hình hệ mật mã đối xứng không đặt
ra. Do các khoá mã công khai được công bố một cách công khai trên mạng
cho nên việc đảm bảo rằng “khoá được công bố có đúng là của đối tượng cần
liên lạc hay không?” là một kẽ hở có thể bị lợi dụng. Vấn đề xác thực này
được giải quyết cũng chính bằng các hệ mật mã khoá công khai. Nhiều thủ
tục xác thực đã được nghiên cứu và sử dụng như Kerberos, X.509… Một ưu
điểm nữa của các hệ mật mã khoá công khai là các ứng dụng của nó trong lĩnh
vực chữ kí số, cùng với các kết quả về hàm băm, thủ tục kí để bảo đảm tính
toàn vẹn của một văn bản được giải quyết.
1.3. Hàm băm
Việc sử dụng các hệ mật mã và sơ đồ chữ kí số thường là mã hóa và kí
số trên từng bit của thông tin, thời gian để mã hóa và kí sẽ tỷ lệ thuận với
dung lượng của thông tin. Thêm vào đó có thể xảy ra trường hợp: với nhiều
bức thông điệp đầu vào khác nhau, sử dụng hệ mật mã, sơ đồ kí số giống nhau
(có thể khác nhau) thì cho ra kết quả bản mã, bản kí số giống nhau (ánh xạ N1: nhiều – một), như hình 1.7. Điều này sẽ dẫn đến một số rắc rối về sau cho

việc xác thực thông tin.


9

Thông điệp
1

Thông điệp
2

Hệ mật mã
hay
Sơ đồ kí số

Bản mã
hay
Bản kí số

Thông điệp
3

Nguồn

Đích

Hình 1.7: Nhiều thông điệp nguồn cho cùng 1 kết quả đích sau mã hoá/ kí số
Các sơ đồ kí số thường chỉ được sử dụng để kí các bức thông điệp
(thông tin) có kích thước nhỏ và sau khi kí bản kí số có kích thước gấp đôi
bản thông điệp gốc. Ví dụ với sơ đồ chữ kí chuẩn DSS kí trên các bức thông

điệp có kích thước 160bit, bản kí số sẽ có kích thước 320bit. Trong khi đó
trên thực tế, ta cần phải kí các thông điệp có kích thước lớn hơn nhiều, chẳng
hạn vài chục MegaByte. Hơn nữa, để đáp ứng yêu cầu xác thực sau khi thông
tin đến người nhận, dữ liệu truyền qua mạng không chỉ là bản thông điệp gốc,
mà còn bao gồm cả bản kí số (có dung lượng gấp đôi dung lượng bản thông
điệp gốc). Một cách đơn giản để giải quyết vấn đề trên (với thông điệp có
kích thước lớn) này là chặt thông điệp thành nhiều đoạn 160bit, sau đó kí lên
các đoạn đó độc lập nhau. Nhưng sử dụng biện pháp này sẽ có một số vấn đề
gặp phải trong việc tạo ra các chữ kí số:
- Thứ nhất: với một thông điệp có kích thước a, thì sau khi kí kích
thước của chữ kí sẽ là 2a (trong trường hợp sử dụng DSS).


10

- Thứ hai: với các chữ kí “an toàn” thì tốc độ chậm vì chúng dùng
nhiều phép tính số học phức tạp như số mũ modulo.
- Thứ ba: vấn đề nghiêm trọng hơn đó là kết quả sau khi kí, nội dung
của thông điệp có thể bị xáo trộn các đoạn với nhau, hoặc một số đoạn trong
chúng có thể bị mất mát, trong khi người nhận cần phải xác minh lại thông
điệp. Do đó, ta cần phải bảo đảm tính toàn vẹn của thông điệp.
Giải pháp cho các vấn đề vướng mắc đến chữ kí số là dùng hàm băm để
trợ giúp cho việc kí số. Hàm băm - hiểu theo một nghĩa đơn giản là hàm cho
tương ứng một mảng dữ liệu lớn với một mảng dữ liệu nhỏ hơn - được sử
dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau của tin học, không chỉ thuộc
phạm vi mật mã học [1]. Hàm băm được đề cập đến trong phạm vi luận văn là
hàm băm một chiều, có tác dụng trợ giúp cho các sơ đồ kí số nhằm làm giảm
dung lượng của dữ liệu cần thiết để truyền qua mạng. Hàm băm ở đây được
hiểu là các thuật toán không sử dụng khoá để mã hóa (ở đây ta dùng thuật ngữ
“băm” thay cho “mã hoá”), nó có nhiệm vụ băm thông điệp được đưa vào

theo một thuật toán h một chiều nào đó, rồi đưa ra một bản băm – văn bản đại
diện – có kích thước cố định. Giá trị của hàm băm là duy nhất và không thể
suy ngược lại được nội dung thông điệp từ giá trị băm này. Hàm băm một
chiều h có một số đặc tính quan trọng sau:
- Với thông điệp đầu vào T thu được bản băm T’ = h(T) là duy nhất.
- Nếu dữ liệu trong thông điệp T thay đổi hay bị xóa để thành thông
điệp T” thì h(T”) ≠ h(T). Cho dù chỉ là một sự thay đổi nhỏ hay chỉ là xóa đi 1
bit dữ liệu của thông điệp thì giá trị băm cũng vẫn thay đổi. Điều này có nghĩa
là: Hai thông điệp hoàn toàn khác nhau thì giá trị hàm băm cũng khác nhau.


11

- Nội dung của thông điệp gốc không thể bị suy ra từ giá trị hàm băm.
Nghĩa là với thông điệp T thì dễ dàng tính được T’ = h(T), nhưng lại không
thể suy ngược lại được T nếu chỉ biết giá trị hàm băm h(T).
Một số thuật toán băm được biết đến nhiều là hàm băm dạng và hàm băm
chuẩn như: [MD2], [MD4], [MD5], [SHA-1]…
1.4. Chữ kí số
Mật mã khoá công khai có thể được sử dụng theo nhiều cách khác
nhau. Chữ kí số là một ví dụ minh chứng cho việc đảm bảo xác thực người
dùng và toàn vẹn dữ liệu. Nếu người gửi A mã hoá thông điệp hay tài liệu với
khoá riêng của mình thì bất kỳ ai cũng có thể giải mã thông điệp với khoá
công của A. Do đó, người nhận có thể chắc chắn rằng thông điệp mình nhận
chỉ có thể do A mã vì chỉ A mới có khoá riêng của mình. Quá trình mã hoá
thông điệp với khoá riêng của người gửi gọi là quá trình “kí số”.
Trong thực tế, quá trình kí số thường khó hơn. Thay bằng việc mã bản
thông điệp gốc với khoá riêng của người gửi thì chỉ có bản đại diện thông
điệp (bản băm) có độ dài cố định được mã hoá với khoá riêng của người gửi
và bản băm đã được mã hoá này được gắn vào với thông điệp gốc. Người

nhận B sau khi nhận được thông điệp đầu tiên sẽ giải mã bản băm với khoá
công của người gửi, sau đó băm thông điệp đi kèm bằng thuật toán băm tương
ứng với thuật toán băm người gửi đã sử dụng. B so sánh hai giá trị băm nếu
giống nhau thì chắc chắn rằng thông điệp A gửi cho B còn nguyên vẹn, đồng
thời xác thực được người gửi thông tin là ai.
Tính toàn vẹn của thông điệp được đảm bảo vì chỉ thay đổi một bit
trong thông điệp gửi đi thì kết quả hai giá trị băm sẽ khác nhau. Tính xác thực


12

của người gửi cũng được đảm bảo vì chỉ có người gửi A mới có khoá riêng để
mã bản băm. Chữ kí số cũng chứng minh được tính chống chối bỏ bản gốc vì
chỉ có A mới có khoá riêng dùng để kí số.
Sơ đồ chữ kí được định nghĩa như sau:
Sơ đồ chữ kí là một bộ năm (P, A, K, S, V), trong đó:
1. P là một tập hữu hạn các văn bản có thể
2. A là một tập hữu hạn các chữ kí có thể
3. K là một tập hữu hạn các khoá có thể
4. S là tập các thuật toán kí
5. V là tập các thuật toán kiểm thử
6. Với mỗi k ∈ K, có một thuật toán kí sigk∈ S, sigk: P → A và
một thuật toán kiểm thử verk∈ V, verk: P x A → {đúng, sai},
thỏa mãn điều kiện sau đây với mọi x ∈ P, y ∈ A:
verk(x, y) =

đúng, nếu y = sigk(x)
sai, nếu y ≠ sigk(x)

RSA cũng là thuật toán được dùng nhiều cho mục đích kí số. Sơ đồ chữ kí

RSA được mô tả như trong hình 1.8.
Cho n = p*q với p, q là số nguyên tố lớn. Đặt P = A = Zn
K = {(n, p, q, a, b)/ n = p*q, a*b ≡ 1 mod φ (n)}
trong đó (n, b) là công khai, (a, p, q) là bí mật
Với mỗi K = (n, p, q, a, b), mỗi x ∈ P, ta định nghĩa:
y = sigK(x) = xa mod n, y ∈ A
verK(x, y) = đúng ⇔ x ≡ yb mod n
Hình 1.8: Sơ đồ chữ kí RSA


13

CHƯƠNG 2
CHỨNG CHỈ SỐ VÀ HỆ THỐNG CẤP CHỨNG CHỈ CA
Mật mã khoá công khai cho đến nay được xem là giải pháp tốt nhất để
đảm bảo được các yêu cầu về an toàn thông tin mạng: “bảo mật”, “toàn vẹn”,
“xác thực” và “chống chối bỏ”. Mặc dù vẫn còn mới khi so sánh với các
phương pháp mã cổ điển nhưng mật mã khoá công khai đã nhận được sự tin
cậy rộng rãi của thế giới Internet vì những công cụ có khả năng phát triển cho
vấn đề quản lý khoá.
Như đã đề cập ở trên, vấn đề chính của hệ mã khoá đối xứng là vấn đề
quản lý khoá và để giải quyết vấn đề này hệ mã khoá công khai đã được đưa
ra như một giải pháp. Trong hệ thống mật mã khoá công khai, khoá riêng
(khoá bí mật) được người dùng giữ bí mật trong khi khoá công khai với tên
của người sở hữu tương ứng lại được công bố công khai. Đối với hệ thống
như thế này, ta cần xác định và trả lời một số câu hỏi như:
- Ai sẽ tạo ra cặp khoá công khai – bí mật?
- Dữ liệu sẽ được lưu dưới định dạng như thế nào trong hệ thống lưu
trữ (khoá công khai, định danh của người sở hữu và các thông tin khác)?
- Có cơ chế nào để giữ cho thông tin không bị thay đổi trên hệ thống

lưu trữ?
- Làm thế nào để đảm bảo việc gắn kết giữa khoá công khai và định
danh của thực thể yêu cầu có khoá công khai?
- Làm thế nào để người sử dụng có thể truy cập được đến nơi lưu trữ?
- Làm thế nào người sử dụng nhận biết được có sự thay đổi trong dữ
liệu đang được lưu trên hệ thống lưu trữ?


14

- Điều gì sẽ xảy ra với khoá công khai nếu khoá riêng tương ứng bị
xâm hại?
- Có một chính sách nào cho tất cả những vấn đề nêu trên không?
Để trả lời cho những câu hỏi trên có một giải pháp là sử dụng hạ tầng khoá
công khai - PKI. Cho đến nay có nhiều định nghĩa về PKI, nhưng chưa định
nghĩa nào được công nhận chính thức. Có một số định nghĩa về PKI như sau:
“PKI là một tập các phần cứng, phần mềm, con người, chính sách và các thủ
tục cần thiết để tạo, quản lý, lưu trữ, phân phối và thu hồi chứng chỉ khoá
công khai dựa trên mật mã khoá công khai”[25].
“PKI là hạ tầng cơ sở có thể hỗ trợ quản lý khoá công khai để hỗ trợ
các dịch vụ xác thực, mã hoá, toàn vẹn hay chống chối bỏ”[9].
“PKI là hạ tầng cơ sở bảo mật có những dịch vụ được triển khai và
chuyển giao sử dụng công nghệ và khái niệm khoá công khai”[4].
Nhìn chung, PKI có thể được định nghĩa như một hạ tầng cơ sở sử
dụng công nghệ thông tin để cung cấp dịch vụ mã hoá khoá công khai và chữ
kí số. Một mục đích quan trọng khác của PKI là để quản lý khoá và chứng chỉ
được sử dụng trong hệ thống.
Chứng chỉ là cấu trúc dữ liệu đặc biệt, gắn kết khoá công khai với chủ
sở hữu của nó. Việc gắn kết này được đảm bảo bằng chữ kí số của nơi được
uỷ quyền cấp chứng chỉ.

2.1. Chứng chỉ số (digital certificates)
2.1.1. Chứng chỉ khóa công khai
Như đã nói ở trên, mật mã khoá công khai sử dụng hai khoá khác nhau
(khoá công khai và khoá riêng) để đảm bảo yêu cầu “bí mật, xác thực, toàn
vẹn và chống chối bỏ” của những dịch vụ an toàn. Một đặc tính quan trọng
khác của lược đồ khoá công khai là phần khoá công khai được phân phối một
cách tự do. Ngoài ra, trong hạ tầng mã khoá công khai thì khoá công khai


15

ngoài việc phải luôn sẵn có để mọi người trong hệ thống có thể sử dụng còn
phải được đảm bảo về tính toàn vẹn.
Khoá công khai được đặt ở vị trí công khai trong một định dạng đặc
biệt. Định dạng này được gọi là chứng chỉ. Chứng chỉ (thực ra là chứng chỉ
khoá công – public key certificate (PKC)) là sự gắn kết giữa khoá công khai
của thực thể và một hoặc nhiều thuộc tính liên quan đến thực thể [8]. Thực thể
có thể là người, thiết bị phần cứng như máy tính, router hay một phần mềm
xử lý. Một chứng chỉ khoá công khai (PKC) được người cấp kí bằng chữ kí có
hiệu lực đưa ra một bảo đảm đầy đủ về sự gắn kết giữa khoá công khai, thực
thể sở hữu khoá công khai này và tập các thuộc tính khác được viết trong
chứng chỉ. PKC còn được gọi là “digital certificate”- chứng chỉ số, “digital
ID”, hay đơn giản là chứng chỉ.
Chứng chỉ chứa những thông tin cần thiết như khóa công khai, chủ thể
(người sở hữu) khoá công khai, người cấp và một số thông tin khác. Tính hợp
lệ của các thông tin được đảm bảo bằng chữ kí số của người cấp chứng chỉ.
Trong chứng chỉ số có 3 thành phần chính, đó là:
- Thông tin cá nhân của người được cấp: Đây là các thông tin của đối
tượng được cấp chứng chỉ số, gồm tên, quốc tịch, địa chỉ, điện thoại, email,
tên tổ chức... Phần này giống như các thông tin trên chứng minh thư của mỗi

người. Để bảo đảm tính duy nhất cao có thể sử dụng thông tin sinh trắc của
người sử dụng như vân tay.
- Khóa công khai ( public key ) của người được cấp
- Chữ kí số của Nhà cung cấp chứng chỉ - CA
Người nào muốn sử dụng chứng chỉ trước hết sẽ kiểm tra chữ kí số trong
chứng chỉ. Nếu đó là chữ kí hợp lệ thì sau đó có thể sử dụng chứng chỉ theo
mục đích mong muốn.
Có nhiều loại chứng chỉ, một trong số đó là:


16

- Chứng chỉ khoá công khai X.509
- Chứng chỉ khoá công khai đơn giản (Simple Public Key Certificates SPKC).
- Chứng chỉ Pretty Good Privacy (PGP)
- Chứng chỉ thuộc tính (Attribute Certificates - AC)
Tất cả các loại chứng chỉ này đều có cấu trúc định dạng riêng. Hiện nay
chứng chỉ khoá công khai X.509 được sử dụng phổ biến trong hầu hết các hệ
thống PKI. Hệ thống chương ttrình cấp chứng chỉ số thử nghiệm cũng sử
dụng định dạng chứng chỉ theo X.509, nên luận văn này tập trung vào xem xét
chi tiết chứng chỉ công khai X.509. Trong luận văn, thuật ngữ chứng chỉ
“certificate” được sử dụng đồng nghĩa với chứng chỉ khoá công khai X.509 v3.
2.1.2. Chứng chỉ khoá công khai X.509
Chứng chỉ X.509 v3 là định dạng chứng chỉ được sử dụng phổ biến và
được hầu hết các nhà cung cấp sản phẩm PKI triển khai.
Chứng chỉ khoá công khai X.509 được Hội viễn thông quốc tế (ITU)
đưa ra lần đầu tiên năm 1988 như là một bộ phận của dịch vụ thư mục X.500.
Chứng chỉ gồm 2 phần. Phần đầu là những trường cơ bản cần thiết
phải có trong chứng chỉ. Phần thứ hai chứa thêm một số trường phụ, những
trường phụ này được gọi là trường mở rộng dùng để xác định và đáp ứng

những yêu cầu bổ sung của hệ thống.
Khuôn dạng của chứng chỉ X.509 được chỉ ra như trong hình 2.1.


17

Hình 2.1: Khuôn dạng chứng chỉ X.509
a. Những trường cơ bản của chứng chỉ X.509
- Version: xác định số phiên bản của chứng chỉ.
- Certificate Serial Number: do CA gán, là định danh duy nhất của
chứng chỉ.
- Signature Algorithm ID: chỉ ra thuật toán CA sử dụng để kí số chứng
chỉ. Có thể là thuật toán RSA hay DSA…
- Issuer: chỉ ra CA cấp và kí chứng chỉ.
- Validity Period: khoảng thời gian chứng chỉ có hiệu lực. Trường này
xác định thời gian chứng chỉ bắt đầu có hiệu lực và thời điểm hết hạn.
- Subject: xác định thực thể mà khoá công khai của thực thể này được xác
nhận. Tên của subject phải duy nhất đối với mỗi thực thể CA xác nhận.
- Subject public key information: chứa khoá công khai và những tham
số liên quan; xác định thuật toán (ví dụ RSA hay DSA) được sử dụng cùng
với khoá.


18

- Issuer Unique ID (Optional): là trường không bắt buộc, trường này
cho phép sử dụng lại tên người cấp. Trường này hiếm được sử dụng trong
triển khai thực tế.
- Subject Unique ID (Optional): là trường tuỳ chọn cho phép sử dụng
lại tên của subject khi quá hạn. Trường này cũng ít được sử dụng.

- Extensions (Optional): chỉ có trong chứng chỉ v.3.
- Certification Authority’s Digital Signature: chữ kí số của CA được
tính từ những thông tin trên chứng chỉ với khoá riêng và thuật toán kí số được
chỉ ra trong trường Signature Algorithm Identifier của chứng chỉ.
Tính toàn vẹn của chứng chỉ được đảm bảo bằng chữ kí số của CA trên
chứng chỉ. Khoá công khai của CA được phân phối đến người sử dụng chứng
chỉ theo một số cơ chế bảo mật trước khi thực hiện các thao tác PKI. Người
sử dụng kiểm tra hiệu lực của chứng chỉ được cấp với chữ kí số của CA và
khoá công khai của CA.
b. Những trường mở rộng của chứng chỉ X.509
Phần mở rộng là những thông tin về các thuộc tính cần thiết được đưa
vào để gắn những thuộc tính này với người sử dụng hay khoá công khai.
Những thông tin trong phần mở rộng thường được dùng để quản lý xác thực
phân cấp, chính sách chứng chỉ, thông tin về chứng chỉ bị thu hồi… Nó cũng
có thể được sử dụng để định nghĩa phần mở rộng riêng chứa những thông tin
đặc trưng cho cộng đồng nhất định. Mỗi trường mở rộng trong chứng chỉ
được thiết kế với cờ “critical” hoặc “uncritical”.
- Authority Key Indentifier: chứa ID khoá công khai của CA, ID này
là duy nhất và được dùng để kiểm tra chữ kí số trên chứng chỉ. Nó cũng được
sử dụng để phân biệt giữa các cặp khoá do một CA sử dụng (trong trường hợp
nếu CA có nhiều hơn một khoá công khai). Trường này được sử dụng cho tất
cả các chứng chỉ tự kí số (CA - certificates).