Bài giảng An toàn bảo mật thông tin - Phạm Nguyên Kháng

Giáo viên: Phạm Nguyên Khang
pnkhang@cit.ctu.edu.vn
An toàn Bảo mật thông tin
(Mật mã cổ điển)
Nội dung

 Tổng quan về an toàn và bảo mật thông tin

 Các hệ mật mã cổ điển

 Mật mã thay thế

 Mật mã Ceasar

 Mật mã Playfair

 Mật mã Hill

 Mật mã Vigenere

 Mật mã hoán vị

 Mật mã rail-fence

 Kỹ thuật hoán vị nâng cao
2
Tổng quan
Mình đã biết 
hết những gì 
bọn chúng trao 
đổi với nhau.
Bí mật
3
Tổng quan
Toàn vẹn
4
Tổng quan
- Tôi là nhà quản trị
- Cho người dùng A được 
phép đọc file M
- Tôi là nhà quản trị
- Cho phép người 
dùng H được phép 
đọc file M
5
Chứng thực
Tổng quan
Mua cho tôi 
1000 cổ phiếu 
của công ty ABC
Tôi đâu có nhờ 
anh mua cổ 
phiếu cho tôi.
Cô chuyển tiền 
cho tôi đi chứ !
Không từ chối 
trách nhiệm
6
Tổng quan

 Các hành vi xâm phạm

 Xâm phạm thụ động: liên quan đến việc nghe lén 
hoặc quan sát thông tin được truyền đi

 Tách nội dung thông điệp: thu các thông tin nhạy cảm 
trong thư điện tử hay trong các tập tin truyền đi.

 Phân tích đường truyền: thông tin nhạy cảm có thể được 
che dấu bằng mã hóa, nhưng đối thủ có thể xác định vị trí 
các thực thể và quan sát tần suất và độ dài của thông điệp 
để rút trích bản chất của thông điệp.

 Xâm phạm thụ động khó phát hiện vì không có 
ảnh hưởng đến tài nguyên và thao tác của hệ thống 

 tập trung phòng chống.
7
Tổng quan

 Các hành vi xâm phạm

 Xâm phạm chủ động: liên quan đến việc thay đổi 
dữ liệu hoặc tạo dữ liệu sai

 Giả mạo: thực hiện các thao tác theo sau một chứng thực 
hợp lệ để sử dụng các quyền của người dùng hợp lệ cho 
các thao tác “không hợp lệ” trong hệ thống.

 Làm lại (replay): truyền lại các gói tin của lần chứng thực 
hợp lệ của quá khứ cho các lần chứng thực trong tương lai.

 Thay đổi thông điệp: một phần hoặc toàn bộ thông tin hợp 
pháp bị thay thế bằng các thông tin giả mạo nhằm thực 
hiện các tác vụ không cho phép.

 Từ chối dịch vụ (denial of service): ngăn chặn hay gây ức 
chế việc sử dụng và quản lý thông thường của các thiết bị 
truyền thông.

 Dễ phát hiện nhưng khó ngăn chặn
8
Tổng quan

 Các biện pháp bảo vệ thông tin

 Hành chính

 Thiết bị kỹ thuật (phần cứng)

 Thuật toán (phần mềm)

 Nhận xét

 Hiệu quả và kinh tế nhất: thuật toán

 Thực tế: kết hợp cả 3 biện pháp
9
Một số thuật ngữ

 Bản rõ (Plaintext): thông báo gốc cần chuyển, được ghi
bằng hình ảnh, âm thanh, chữ số, chữ viết

 Bản mật/Bản mã (Ciphertext): “ngụy trang” bản rõ thành
một dạng khác để người “ngoài cuộc” không thể đọc được

 Mật mã hóa/lập mã (Encryption): quá trình biến đổi bản rõ
thành bản mật

 Giải mật mã/giải mã (Decryption): quá trình biến đổi bản
mật thành bản rõ

 Hệ mã (Cryptosystem): một phương pháp ngụy trang bản
rõ. Nghệ thuật tạo ra và sử dụng các hệ mật mã được gọi
là thuật mật mã hóa hay mật mã học (Cryptography)

 Phân tích mã/thám mã (Cryptanalysis): nghệ thuật phá các
hệ mật mã
10
Giải thuật mật mã hóa

 Các hệ mật mã hóa được mô tả bằng 3 đặc tính

 Kiểu của các thao tác được dùng để biến đổi bản rõ
thành bản mật: tất cả các giải thuật mã hóa đều dựa
trên 2 nguyên lý

 Thay thế (substitution): mỗi thành phần trong bản rõ (bit, ký
tự, nhóm các bit hay các ký tự) được ánh xạ đến thành phần
khác.

 Chuyển vị (transposition): các thành phần trong bản rõ được
sắp xếp lại.
Yêu cầu cơ bản: thông tin không bị mất (các thao tác đều khả
đảo)
Phần lớn các hệ mã kết hợp cả 2 nguyên lý qua nhiều bước.

 Số khóa được sử dụng:

 1 Khóa: người gởi và người nhận sử dụng chung khóa?

 2 Khóa: Khóa bí mật/Khóa công khai

 Mật hóa dùng 1 khóa và giải mật mã dùng 1 khóa khác
11
Giải thuật mật mã hóa (tt)

 Cách thức bản rõ được xử lý:

 Mã hóa khối (block cipher) xử lý từng khối dữ liệu tại một 
thời điểm, sản sinh một khối dữ liệu ở đầu ra.

 Mã hóa luồng (stream cipher) xử lý các phần tử liên tục và 
sản sinh từng phần tử một ở đầu ra tại một thời điểm.
12
Các hệ mật mã cổ điển

 Kỹ thuật thay thế

 Mật mã Ceasar

 Mật mã Playfair

 Mật mã Hill

 Kỹ thuật hoán vị

 Mật mã rail fence

 Kỹ thuật hoán vị nâng cao
13
Mật mã Ceasar

 Mật mã Ceasar:

 Mật mã đơn ký tự

 Thay thế mỗi ký tự bằng một ký tự khác cách nhau 
một khoảng cách nhất định trong bảng chữ cái.

 Biểu diễn toán học
C = E(p) = (p + k) mod 26
p = D(C) = (C - k) mod 26
k: khóa của giải thuật
14
Mật mã Ceasar

 Áp dụng mật mã Ceasar mật mã hóa các bản rõ 
sau với khóa k = 4

 actions speak louder than words

 Đoán khóa k và giải mật cho bản mật sau:

 ST RFS HFS XJWAJ YBT RFXYJWX
15
Mật mã Ceasar

 Có thể bị tấn công theo kiểu vét cạn (brute-force) 
bằng cách thử hết tất cả 25 khóa
16
Mật mã Ceasar

 Nhận xét: 3 đặc điểm chính để áp dụng tấn công
theo kiểu brute-force trong thuật toán này

 Giải thuật mã hóa và giải mã được biết trước

 Số khóa để thử rất ít

 Ngôn ngữ của bản rõ được biết trước và dễ dàng
nhận ra

 Giải quyết vấn đề (tổng quát)

 Sử dụng nhiều khóa

 bản rõ có thể được nén lại (Huffman, ZIP) để cho
người đọc khó nhận ra ngôn ngữ sử dụng
17
Mật mã đơn ký tự

 Sử dụng hoán vị 26 chữ cái 
 có 26!=4.1026
khóa.

 Nhận xét: tần số xuất hiện của các chữ cái trong 
các ngôn ngữ là cố định
18
Mật mã đơn ký tự
19
Mật mã Playfair

 Mật mã đa ký tự (mỗi lần mã 2 ký tự liên tiếp nhau)

 Giải thuật dựa trên một ma trận các chữ cái 5×5 được 
xây dựng từ một khóa (chuỗi các ký tự)
1. Xây dựng ma trận khóa

 Lần lượt thêm từng ký tự của khóa vào ma trận

 Nếu ma trận chưa đầy, thêm các ký tự còn lại trong 
bảng chữ cái vào ma trận theo thứ tự A - Z

 I và J la xem như 1 ký tự

 Các ký tự trong ma trận không được trùng nhau
2.Mật mã hóa
3.Giải mật mã
20
Mật mã Playfair

 Ví dụ: với từ khóa “playfair example”

 Ma trận khóa
P L A Y F
I R E X M
B C D G H
K N O Q S
T U V W Z
21
Mật mã Playfair

 Giải thuật mật mã hóa

 Mã hóa từng cặp “2 ký tự” liên tiếp nhau.

 Nếu 2 ký tự này giống nhau thì thêm một ký tự ‘x’ vào giữa.

 VD: balloon tách thành ba lx lo on (vì ll  lx l)

 Nếu dư 1 ký tự thì thêm vào ký tự ‘q’ vào cuối.

 VD: hat  ha tq

 Nếu 2 ký tự nằm cùng dòng được thay thế bằng 2 ký tự tương 
ứng bên phải. Ký tự ở cột cuối cùng được thay bằng ký tự ở 
cột đầu tiên.

 Nếu 2 ký tự nằm cùng cột được thay thế bằng 2 ký tự bên 
dưới. Ký tự ở hàng cuối cùng được thay thế bằng ký tự ở 
hàng trên cùng

 Nếu 2 ký tự lập thành hình chữ nhật được thay thế bằng 2 ký 
tự tương ứng trên cùng dòng ở hai góc còn lại.
22
Mật mã Playfair
23
Mật mã Playfair

 Ví dụ:

 Mật mã hóa bản rõ sau:

 hide the gold in the tree stump

 Xem lời giải
24
Mật mã Hill

 Giải thuật sử dụng m ký tự liên tiếp của bản rõ và 
thay thế m ký tự khác trong bản mật.

 Việc thay thế được thực hiện bởi một phương 
trình tuyến tính trên các ký tự được gán trị (a=0, 
b=1, c=2), m=3:

 Giải mã:
25
26mod
26mod
3
2
1
33
23
13
32
22
12
31
21
11
3
2
1
KPC
p
p
p
k
k
k
k
k
k
k
k
k
c
c
c
=




















=










26mod1CKP −=
Mật mã Hill

 Mật mã hóa bản rõ sau:

 pay more money

 Với ma trận khóa:
26










=
1922
211821
51717
K
Mật mã Hill

 Tìm ma trận nghịch đảo của ma trận khóa K

 Sử dụng phương pháp tìm ma trận nghịch đảo của 
đại số tuyến tính

 Viết ma trận khóa K và ma trận đơn vị I cạnh nhau

 Áp dụng các phép biến đổi tuyến tính lên cả hai ma 
trận K và I để biến K thành I. Khi đó I sẽ thành K-1.

 Chú ý: các phép biến toán thực hiện trên vành
modulo 26.
27




















100
010
001
1922
211821
51717
Mật mã Vigenère

 Khóa: dãy m số nguyên:

 K = (K[0], K[1], , K[m-1])

 Mật hóa:

 Mật hóa từng ký tự của bản rõ

 Ký tự thứ i của bản rõ (p[i]) được mã hóa thành
C[i] = (p[i] + k[i mod m] ) mod 26

 Giải mật:

 Thảo luận
28
Mật mã Vigenère

 Ví dụ:

 Từ khóa “Lemon”

 Bản rõ:

 ATTACKATDAWN

 Bản mật:

 Xem lời giải
29
Mật mã Vigenère

 Mật mã Vigenère bằng phương pháp tra bảng

 Ghép khóa cho chiều dài khóa bằng chiều dài của 
bảng rõ:

 Ví dụ với từ khóa “Lemon”

 Bản rõ: ATTACKATDAWN

Khóa : LEMONLEMONLE
30
Mật mã Vigenère

 Mật mã hóa/giải mật mã:

 bản rõ  cột

 khóa hàng

 bản mật  giao điểm.
31
Mật mã Vigenère
32
Mật mã rail fence

 Tách bản rõ thành hai hàng

 Ví dụ: bản rõ “meet me at the toga party” được 
viết thành
m e m a t e o a a t
e t e t h t g p r y
bản mật: memateoaatetethtgpry
33
Các kỹ thuật hoán vị - nâng cao

 bản rõ được viết trên một hình chữ nhật và đọc 
theo cột. Thứ tự các cột trở thành khóa của giải 
thuật.

 Ví dụ
Key 4 1 2 5 3 6
bản rõ m e e t m e
a t t h e t
o g a p a r
t y x y z w
bản mật etgyetaxmeazmaotthpyetrw

 Để tăng độ mật, có thể áp dụng hoán vị nhiều lần
34
Các kỹ thuật thay thế - Playfair

 Ví dụ: mật mã playfair

 Bản rõ:
hide the gold in the tree stump

 Bản mật:
BM OD ZB XD NA BE KU DM UI XM MO UV IF
35
Mật mã Vigenère

 Ví dụ với từ khóa “Lemon”

 Bản rõ:

 ATTACKATDAWN

 Bản mật:

 Xem lời giải

 Key: LEMONLEMONLE Plaintext:
Ciphertext:LXFOPVEFRNHR

 Nhận xét:

 Khóa có chiều dài bằng với bản rõ.

 Mã hóa, giải mã: bản rõ theo cột, khóa theo 
hàng, bản mật là giao điểm.
36