ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Quang Thuận
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HẠ TẦNG KHÓA
CÔNG KHAI
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành : Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Quang Thuận
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HẠ TẦNG KHÓA
CÔNG KHAI
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành : Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: PGS – TS.Hồ Sỹ Đàm
Cán bộ đồng hướng dẫn: TS.Lê Đức Phong
HÀ NỘI - 2010
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Hồ Sĩ Đàm, TS. Lê Đức Phong.
Những người thầy đã cho tôi những định hướng và những ý kiến rất quý báu để tôi hoàn
thành được khóa luận tốt nghiệp này. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô, bạn bè
đã dìu dắt, giúp đỡ tôi tiến bộ trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp. Xin cảm ơn gia
đình và bè bạn, những người luôn khuyến khích và giúp đỡ tôi trong mọi hoàn cảnh khó
khăn. Tôi xin cảm ơn bộ môn Truyền Thông và Mạng Máy Tính, khoa Công Nghệ Thông
Tin trường Đại Học Công Nghệ-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện cho tôi
trong quá trình học, làm và hoàn thành khóa luận này.
M ỤC L ỤC
Trần Quang Thuận................................................................................................................................1
HÀ NỘI - 2010 ................................................................................................................................ 1

Trong khóa luận tôi sẽ trình bày về các vấn đề chính xoay quanh vấn đề hạ tầng khóa
công khai (PKI). Phần đầu của khóa luận (chương 1) giới thiệu vấn đề và cách tiếp cận giải
quyết vấn đề sẽ trình bày khái quát về một vài khái niệm cơ bản về mật mã học khóa công
khai, hạ tầng khóa công khai ; các khái niệm cơ bản về thuật toán và lý thuyết độ phức tạp;
một vài công cụ nền tảng của mật mã học khóa công khai (mã hóa thông tin, hàm băm, chữ
ký số). Chương 2 của khóa luận sẽ làm rõ hơn các khái niệm, các vấn đề cơ bản bên trong
một hạ tầng khóa công khai (chứng thực số, các dịch vụ đăng ký, cấp phát, xác thực, thu
hồi, … khóa công khai); ứng dụng của hạ tầng khóa công khai trong giao dịch điện tử ngày
nay ; và một vài hệ thống hạ tầng khóa công khai trong thực tế. Chương 3 đặc tả một hạ
tầng khóa công khai đơn giản và Kết Luận.
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PKI Public Key Infrastructure
CA Certificate Authority
RSA Rivest Shamir Adleman
DSA Digital Signature Algorithm
MD5 Message Digest 5
RA Registration Authority
SHA Secure Hash Algorithm
SHS Secure Hash Standard
H Hash function
RFC Request For Comments
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1: Cấp phát khóa riêng khóa công khai
Hình 1.2: Mã hóa thông tin
Hình 1.3: Tạo và xác thực chữ ký số
Hình 1.4 : Mô hình xây dựng PKI cơ bản
Bảng 1.5 : mô hình xử dụng xác thực
Hình 2.1 : Đặc điểm của các thuật toán băm SHA
Bảng 2.2 :So sánh thời gian tạo khóa, tạo chữ ký và xác nhận chữ ký của RSA với
DSA

Với các đặc điểm nổi bật như không thể giả mạo, chứng thực nguồn gốc xuất xứ, các
quốc gia phát triển đều đã sử dụng chứng thực số như một bằng chứng pháp lý từ rất sớm.
Đây là yếu tố rất quan trọng để có thể phát triển thương mại điện tử, vì không ai dám mạo
hiểm với tiền của mình, khi họ chưa chắc chắn được rằng các hoạt động đó có được đảm
bảo, và có được pháp luật công nhận hay không.
Trong bản khóa luận tốt nghiệp này, tác giả xin trình bày tổng quát về cơ sở hạ tầng
khóa công khai và ứng dụng của nó trong thương mại điện tử. Qua đó trình bày một bản
platform mô phỏng hoạt động của một hạ tầng khóa công khai (PKI) cơ bản.
1
Chương 1 : Giới Thiệu
1.1.Tìm hiểu Mật mã học khoá công khai
1.1.1.Mật mã học khoá công khai
1.1.1.1.Mật mã học khóa công khai (Phi đối xứng) là gì
- là một chuyên ngành của mật mã học cho phép người sử dụng trao đổi các
thông tin mật mà không cần phải trao đổi các khóa chung bí mật trước đó. Điều
này được thực hiện bằng cách sử dụng một cặp khóa có quan hệ toán học với
nhau là khóa công khai và khóa cá nhân (hay khóa bí mật).
- Trong mật mã học khóa công khai, khóa cá nhân phải được giữ bí mật trong
khi khóa công khai được phổ biến công khai. Trong 2 khóa, một dùng để mã
hóa và khóa còn lại dùng để giải mã. Điều quan trọng đối với hệ thống là
không thể tìm ra khóa bí mật nếu chỉ biết khóa công khai.[1]
1.1.1.2.Mục đích của hệ thống mã hoá công khai :
- Cấp phát khoá riêng và khoá công khai :
Hình 1.1: Cấp phát khóa riêng khóa công khai
 Việc cấp phát khoá công khai và khoá bí mật thông qua thuật toán
RSA (phổ biến). Thuật toán RSA tạo ra cặp khoá bằng các phương
thức toán học từ 2 số nguyên tố bất kỳ đủ lớn.
2

- Mã hoá :

1.2.1.Thuật toán
- Thuật toán được hiểu là sự đặc tả chính xác của một dãy các bước có thể được
thực hiện một cách máy móc để giải quyết một vấn đề. Cần nhấn mạnh rằng, mỗi
thuật toán có một dữ liệu vào (Input) và dữ liệu ra (Output); khi thực hiện thuật
toán (thực hiện các bước đã mô tả) , thuật toán cần cho ra các kiểu dữ liệu ra tương
ứng với các dữ liệu vào.[2]
1.2.2.Phân tích thuật toán
1.2.2.1.Tính hiệu quả của thuật toán
- Khi giải một vấn đề, chúng ta cần chọn trong số các thuật toán, một thuật toán
mà chúng ta cho là “tốt” nhất. Cơ sở đánh chọn lựa thuật toán :
 Thuật toán đơn giản, dễ hiểu, dễ cài đặt(dễ viết chương trình)
 Thuật toán sử dụng tiết kiệm nhất các nguồn tài nguyên của máy tính và
đặc biệt chạy nhanh nhất có thể được.
- Tính hiệu quả của thuật toán bao gồm 2 nhân tố cơ bản :
 Dung lượng không gian nhớ cần thiết để lưu giữ các dữ liệu vào, các kết
quả tính toán trung gian và các kết quả của thuật toán
 Thời gian cần thiết để thực hiện thuật toán(hay thời gian chạy) [3]
1.2.2.2.Đánh giá thời gian thực hiện thuật toán
- Thời gian chạy chương trình phụ thuộc vào các nhân tố chính sau:
5
 Các dữ liệu vào
 Chương trình dịch để chuyển chương trình nguồn thành mã máy.
 Tốc độ thực hiện của các phép toán của máy tính được sử dụng để chạy
chương trình.
- Giả sử T(n) là thời gian thực hiện thuật toán và f(n) là hàm xác định
dương.T(n)=O(f(n)) nếu ∃ các hằng số dương c và n0 sao cho T(n)
≤
c.g(n) với
mọi n>= n
0

Bob muốn chuyển một thư điện tử đến
cho Alice, với yêu cầu rằng giao dịch phải
chứng minh được chính anh đã gởi nó đi
và nội dung bức thư không bị thay đổi.
Phần mềm PKI dùng chìa khóa cá nhân
của Bob tạo ra một chữ ký điện tử cho
bức thư
Bob muốn chắc chắn rằng không ai ngoài
Alice đọc được bức thư này
Phần mềm PKI của Bob dùng chìa khóa
công cộng của Alice để mã hóa thông
7
điệp của Bob.
Alice muốn đọc thư do Bob gởi Phần mềm PKI dùng chìa khóa cá nhân
của Alice để để giải mã thông điệp.
Alice muốn kiểm chứng rằng chính Bob
đã gởi đi thông điệp đó và nội dung thông
điệp không bị chỉnh sửa.
Phần mềm PKI của Alice dùng chìa khóa
công cộng của Bob để kiểm chứng chữ ký
điện tử của anh ta.
Bảng 1.5 : Mô hình sử dụng xác thực
1.4.Một vài kiến trúc và công nghệ PKI hiện hành
1.4.1.Một số ứng dụng
- Mục tiêu chính của PKI là cung cấp khóa công khai và xác định mối liên hệ giữa
khóa và định dạng người dùng. Nhờ vậy người dùng có thể sử dụng trong một số
ứng dụng như:
 Mã hoá Email hoặc xác thực người gửi Email (OpenPGP hay S/MIME).
 Mã hóa hoặc nhận thực văn bản (Các tiêu chuẩn Chữ ký XML* hoặc mã hoá
XML* khi văn bản được thể hiện dưới dạng XML).

số có phải của người đó hay không.
 Vấn đề toàn vẹn dữ liệu. Hệ thống PKI phải xác định xem liệu tin nhắn gửi đi
giữa client và server có bị thay đổi hay không?
9
 Một thông điệp được mã hóa bởi một chìa khóa mật mã công khai thì chỉ giải mã
được bởi một chìa khóa bí mật tương ứng.
 Khóa của bên thứ 3 bên thẩm định sẽ do cấp hay tổ chức nào giám đinh. Hay
phải có cơ chế nào để chống giả mạo bên chứng thực.
 Các Vấn đề liên quan đến chứng thực số cấp phát, xác thực và quản lý tại server
ra sao.
1.7.Các vấn đề sẽ giải quyết trong khóa luận
- Với những yêu cầu về một hệ thống PKI như trên chúng ta phải xây dựng bài toán
như thế nào.Chương trình thiết kế phải bao gồm 3 đối tượng :
• Server :
 Cho phép người dùng trong hệ thống đăng ký khóa công khai. Cấp phát 1
chứng thực số (certificat) cho người dùng đó nếu khóa công khai hợp lệ
 Quản lý khóa công khai, Thu hồi/cấp phát lại chứng thực số
 Cho phép bên thứ 3 kiểm tra tính đúng đắn của 1 chứng thực số bất kỳ
• User :
 Hệ thống PKI cấp phát một khóa công khai cho user và khóa bí mật (Khóa
riêng) do PKI client cấp phát và user phải giữ bí mật.
 Tạo chữ ký số cho từng văn bản ngẫu nhiên.
• Bên thứ 3 là bên thẩm định và đánh giá :
 Cấp phát và bảo mật Khóa riêng và khóa công khai của CA.
10
Chương 2 : Xây dựng hạ tầng khóa công khai(PKI), vấn đề
cấp phát chứng thực số và ứng dụng trong thương mại điện
tử
2.1.Hàm băm mật mã học
2.1.1.Hàm băm

- MD5 (Message-Digest algorithm 5) là một hàm băm mật mã được sử dụng
phổ biến, được thiết kể bởi Giáo sư Ronald L. Rivest tại trường MIT vào năm
1991 để thay thế cho hàm băm trước đó là MD4 (1990). Là một chuẩn Internet
(RFC 1321), MD5 đã được dùng trong nhiều ứng dụng bảo mật và cũng được
dùng phổ biến để kiểm tra tính toàn vẹn của tập tin. Cũng như các hàm băm
khác như MD4 và SHS (Secure Hash Standard), MD5 là phương pháp có ưu
điểm tốc độ xử lý rất nhanh, thích hợp với các thông điệp dài và cho ra giá trị
băm dài 128 bit.
- Trong MD5, thông điệp ban đầu X sẽ được mở rộng thành dãy bit X có độ dài
là bội của 512. Dãy bit X gồm các thành phần được sắp thứ tự như sau: Dãy bit
X ban đầu, một bit 1, dãy d bit 0 (d được tính sao cho dãy X cuối cùng là bội
của 512), dãy 64 bit l biểu diễn chiều dài của thông điệp. Đơn vị xử lý trong
MD5 là các từ 32-bit, nên dãy bit X ở trên sẽ được biểu diễn thành dãy các từ
X[i] 32-bit sau:
X=X[0] X[1] X[2] …X[N−1] , với N là bội của 16.[5]
b. Phương pháp MD5 có những ưu điểm sau so với phương pháp MD4
- Thay vì có 3 chu kỳ biến đổi như trong MD4, MD5 bổ sung thêm chu kỳ thứ 4
để tăng mức độ an toàn.
12
- Trong mỗi thao tác của từng chu kỳ, MD5 sử dụng hằng số ti phân biệt, trong
khi MD4 sử dụng hằng số chung cho mọi thao tác trong cùng chu kỳ biến đổi.
- Hàm G ở chu kỳ 2 của MD4: G(X,Y,Z) = ((X
Λ
Z)
∨
(X
Λ
Y)
∨
(Y

2
và NSA
3
xây dựng.
- Phương pháp SHA-1 (cũng như SHA-0) được xây dựng trên cùng cơ sở với
phương pháp MD4 và MD5. Tuy nhiên, phương pháp SHA-1 sử dụng trên hệ
thống Big-endian
5
thay vì Little-endian
6
như phương pháp MD4 và MD5.
Ngoài ra, hàm băm SHA-1 tạo ra thông điệp rút gọn kết quả có độ dài 160 bit
nên thường được sử dụng
13
- Phương pháp SHA-1 giống với MD5 (cải tiến từ MD4) nhưng thông điệp tóm
tắt được tạo ra có độ dài 160 bit. Dưới đây là một số điểm so sánh giữa MD5
và SHA-1:
 Giống như MD5, SHA-1 cũng thêm chu kỳ thứ 4 để tăng mức độ an toàn
cho thuật toán. Tuy nhiên, chu kỳ 4 của SHA-1 sử dụng lại hàm f của chu
kỳ thứ 2.
 Trong SHA-1, 20 bước biến đổi trong cùng một chu kỳ sử dụng cùng một
hàng số K[t] . Trong khi đó, mỗi bước biến đổi trong cùng một chu kỳ của
MD5 sử dụng các hằng số khác nhau.
 So với MD4, hàm G trong MD5 được thay thế thành hàm mới để làm
giảm tính đối xứng. Trong khi SHA-1, hàm G trong SHA-1 vẫn giữ lại
hàm G của MD4.
 Cả MD5 và SHA-1, mỗi bước biến đổi trong từng chu kỳ chịu ảnh hưởng
kết quả của biến đổi trước, vì vậy làm tăng nhanh tốc độ của hiệu ứng lan
truyền.


gốc và tính toàn vẹn của tài liệu nhận được. Chữ ký điện tử thể hiện văn bản gửi đi
15
là đã được ký bởi chính người sở hữu một Khoá riêng tương ứng với một Chứng
chỉ điện tử nào đó.”
- Chữ ký số khóa công khai (hay hạ tầng khóa công khai) là mô hình sử dụng các kỹ
thuật mật mã để gắn với mỗi người sử dụng một cặp khóa công khai - bí mật và
qua đó có thể ký các văn bản điện tử cũng như trao đổi các thông tin mật. Khóa
công khai thường được phân phối thông qua chứng thực khóa công khai. Quá trình
sử dụng chữ ký số bao gồm 2 quá trình: tạo chữ ký và kiểm tra chữ ký. [7]
2.3.2.Tạo và kiểm tra chữ ký số
2.3.2.1.Các thuật toán chữ ký số thông dụng
- Chữ ký số giúp xác định được người tạo ra hay chịu trách nhiệm đối với một
thông điệp được ký. Một phương pháp chữ ký số phải bao gồm ít nhất 3 thuật
toán chính, đó là thuật toán dùng để tạo khóa, thuật toán dùng để tạo ra chữ
ký số và thuật toán tương ứng để xác nhận chữ ký số.
2.3.2.2.Thuật toán chữ ký số RSA
- Phương pháp chữ ký số RSA được xây dựng dựa trên thuật toán mã hóa khóa
công khai RSA. Để tạo một cặp khóa, RSA thực hiện các bước sau:
 Chọn 2 số nguyên tố lớn ngẫu nhiên p, q. Nhằm có sự an toàn tối đa nên
chọn p và q có độ dài bằng nhau.
 Tính n=pq và φ=(p−1)(q−1).
 Chọn ngẫu nhiên một số nguyên e (1<e<φ) sao cho gcd(e, φ)=1 với gcd
là ước số chung lớn nhất.
 Tính: d=e−1 mod φ.
- Kết quả là ta có được cặp khóa: khóa công khai (n,e) và khóa bí mật (n,d).
Hai người sẽ sử dụng chung một hàm băm an toàn trước hiện tượng xungℋ
đột. Để ký một thông điệp m, người ký thực hiện các bước sau:
 Dùng hàm băm để băm thông điệp m: ℋ h= (m).ℋ
 Tạo chữ ký số sử dụng khóa bí mật (n,d) để tính:
s=h

này và các khóa dài hơn.
 Chọn một số nguyên tố q cùng số bit với đầu ra của . ℋ
 Chọn một số nguyên tố p độ dài L bit sao cho p–1 là bội của q. Tức là
p=qz–1 với số nguyên z nào đó.
 Chọn g = h
qp /)1( −
mod p với h bất kỳ (1<h<p–1), và chọn lại nếu kết quả
là 1. Hầu hết cách chọn h đều nhận được g có thể sử dụng, thông
thường chọn h=2.
17

Trích đoạn Cấu trúc phân tầng của hệ thống PK

---