Phần 1:Giới thiệu hàm băm I.
Hàm băm
1. Giới thiệu
Hàm băm (tiếng Anh: hash function ) là giải thuật nhằm sinh ra các giá trị băm tương ứng với mỗi khối dữ liệu (có thể là một chuỗi kí tự, một đối tượng trong lập trình hướng đối tượng, v.v...). Giá trị băm đóng vai gần như một khóa để phân biệt các khối dữ liệu, liệu, tuy nhiên, người ta chấp hiện tượng trùng khóa hay còn gọi là đụng độ và cố gắng cải thiện giải thuật để giảm thiểu sự đụng độ đó. Hàm băm thường được dùng trong bảng băm nhằm giảm chi phí tính toán khi tìm một khối dữ liệu trong một tập hợp (nhờ việc so sánh các giá trị băm nhanh hơn việc so sánh những khối dữ liệu có kích thước lớn). Vì tính thông dụng của bảng băm, ngày nay, đa số ngôn ngữ lập trình đều cung cấp thư viện ứng dụng bảng băm, thường gọi là thư viện collection trong đó có các vấn đề như: tập hợp (collection), danh sách (list), (lis t), bảng(table), ánh xạ (mapping), từ điển (dictionary)). Thông thường, các lập trìn viên chỉ cần viết hàm băm cho các đối tượng nhằm tích hợp với thư viện bảng băm đã được xây dựng sẵn. Một hàm băm tốt phải thỏa mãn các điều kiện sau:
Tính toán nhanh.
Các khoá được phân bố đều trong bảng. Ít xảy ra đụng độ. Xử lý được các loại khóa có kiểu dữ liệu khác nhau.
2. Tính chất cơ bản của hàm băm : Tính kháng tiền ảnh : Với mọi đầu ra y cho trước không thể tính toán để tìm tìm được
bất kỳ dữ liệu đầu vào x’ nào sao s ao cho giá trị băm h(x’) bằng bằ ng giá trị đầu ra y đã cho. Tính kháng tiền ảnh thứ hai: Với mọi dữ liệu đầu vào x1 cho trước, không thể tính toán để tìm ra được bất kỳ một đầu vào x2 nào (x1 ≠ x2) sao cho giá trị băm h(x2) = h(x1).
Tính kháng xung đột : Không thể tính toán để tìm được hai dữ liệu đầu vào x1 ≠ x2 sao cho chúng có cùng giá trị băm. II.
Hàm băm mật mã học
1. Giới thiệu
Trong ngành mật mã học, một hàm băm mật mã học (tiếng Anh: Cryptographic hash function ) là một hàm băm với một số tính chất bảo mật nhất định để phù hợp việc sử dụng trong nhiều ứng dụng bảo mật mậ t thông tin đa dạng, chẳng hạn h ạn như chứng thực (authentication) và kiểm tra tính nguyên vẹn của thông điệp (message integrity ). ). Một Hàm băm mật mã học
Page 1
hàm băm nhận đầu vào là một xâu ký tự dài (hay thông điệp ) có độ dài tùy ý và tạo ra kết quả là một xâu ký tự có độ dài cố định, đôi khi được gọi là tóm tắt thông điệp (message digest ) hoặc chữ ký số (digital fingerprint ). Hoạt động của một hàm băm
Trong nhiều chuẩn và ứng dụng, hai hàm băm thông dụng nhất là MD5 và SHA-1. Năm 2005, người ta đã tìm ra lỗi bảo mật của cả hai thuật toán trên.
2. Danh sách các hàm băm mậ t mã học
Thuật toán
HAVAL MD2 MD4 MD5 PANAMA RIPEMD RIPEMD128/256 RIPEMD160/320 SHA-0 SHA-1 SHA256/224 SHA512/384 Tiger(2)192/160 /128 VEST-4/8 (hash mode) VEST16/32 (hash mode)
Kích thước đầ ra
Kích thướ trạng thái
(output size )
trong (Internal state size )
Kích
Độ dài
Kích
Xung
(Bloc
word (Wor
(Collisio n )
k size )
d size )
thước khối
(Lengt h size )
thước đột
256/224/192/1 60/128 128
256
1024
64
32
Có
384
128
Không
8
khả năng lớn
128 128 256 128 128/256
128 128 8736 128 128/256
512 512 256 512 512
64 64 No 64 64
32 32 32 32 32
Có Có
Có lỗi
160/320
160/320
512
64
32
Không
160 160 256/224
160 160 256
512 512 512
64 64 64
32 32 32
Không
Có lỗi
512/384
512
1024
128
64
Không
192/160/128
192
512
64
64
Không
160/256
256/384
8
80/128
1
Không
320/512
512/768
8
160/256
1
Không
Hàm băm mật mã học
Có Không
Không
[1]
Page 2
WHIRLP OOL
512
Hàm băm mật mã học
512
512
256
8
Không
Page 3
Phần 2:Giới thiệu thuật toán sha-1 I.
Giới thiệu: 1. Lịch sử phát triển
SHA được phát triển bởi cục quốc gia an ninh Hoa Kỳ gọi tắt là(NSA) và được xuất bản thành chuẩn của chính phủ Hoa Kỳ bởi viện công nghệ và chuẩn quốc gia Hoa Kỳ(NIST) vào năm 1993 và được gọi là SHA -0. Năm thuật giải SHA là SHA-1 (trả lại kết quả dài 160 bit), SHA-224 (trả lại kết quả dài 224 bit), SHA-256 (trả lại kết quả dài 256 bit), SHA-384 (trả lại kết quả dài 384 bit), và SHA-512 (trả lại kết quả dài 512 bit). Thuật giải SHA là thuật giải băm mật được phát triển bởi cục an ninh quốc gia Mĩ (National Security Agency hay NSA) và được xuất bản thành chuẩn của chính phủ Mĩ bởi viện công nghệ và chuẩn quốc gia Mĩ (National Institute of Standards and Technology hay NIST). Bốn thuật giải sau thường được gọi chung là SHA-2 . SHA-1 được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng và giao thức an ninh khác nhau, bao gồm TLS và SSL, PGP, SSH, S/MIME, và IPSec. SHA -1 được coi là thuật giải
thay thế MD5, một thuật giải băm 128 bit phổ biến khác. 2. Khái Niệm a) Định nghĩa
Trong mật mã học, SHA-1 là một hàm băm mật mã được thiết kế bởi Cơ Quan An Ninh Quốc Gia và được công bố bởi NIST hay còn gọi là Cục Xử Lý Thông Tin Tiêu Chuẩn Liên Bang của Mỹ. SHA là viết tắt của Secure Hash Algorithm. Ba thuật toán SHA có cấu trúc khác nhau và được phân biệt là: SHA-0, SHA-1, và SHA-2 . SHA-1 gần tương tự như SHA -0, nhưng sửa chữa một lỗi trong các đặc tả kỹ thuật gốc của hàm băm SHA dẫn đến những điểm yếu quan trọng. Các thuật toán SHA -0 đã không được sử dụng trong nhiều ứng dụng. SHA-2 mặt khác có những điểm khác biệt quan trong so với hàm băm SHA -1.
Hàm băm mật mã học
Page 4
b) Phân Loại: Algorithm and 3variant
Output size
Max Block Message Size Size
SHA-0 SHA-1 SHA2
SHA224/256 SHA384/512
Word Size
Round
Collisions Found ? Yes Theoretical attack ?
160
512
2
−1
32
80
224/256
512
264 − 1
32
64
384/512
1024
64
128
2
−1
No 64
80
Hiên nay,NIST đang phát triển SHA -3 và dự kiến sẽ công bố năm 2012. 3. Ứng dụng: SHA-1 là 1 phần trong các ứng dụng bảo mật được sử dụng rộng rãi trong các giao
thức như:TLS và SSL,PGP,SSH và IPSEC.. Các SHA-1 có thể được sử dụng với các DSA trong thư điện tử,chuyển tiền điện tử,phân phối phần mềm,lưu trữ dữ liệu,và các ứng dụng khác cần đảm bảo tính toàn vẹn DL và xác thực nguồn gốc DL. Các SHA -1 cũng có thể sử dụng bất cứ khi nào nó là cần thiết để tạo ra 1 phiên bản đặc của tin nhắn Hàm SHA-1 còn được sử dụng trên Wii của Nintendo để xác minh chữ ký thời gian khởi động SHA-1 và SHA-2 là những thuật toán băm an toàn theo yêu cầu của pháp luật để sử dụng trong một số ứng dụng của Chính Phủ Hoa Kỳ, bao gồm cả sử dụng trong các thuật toán mã hóa khác và các giao thức, để bảo vệ thông tin mật nhạy cảm.Nhưng hiện nay thì Chính Phủ không còn sử dụng SHA-1 nữa nhưng thay vào đó là SHA -2 Các hàm băm SHA được dùng làm cơ sở cho mã khối SHACAL. II. Thuật Toán 1. Giới thiệu về thuật toán Vào năm 1990, Ron Rivest đã sáng tạo ra hàm băm MD4. Vào năm 1992, ông đã cải tiến MD4 và phát triển một hàm băm khác: MD5. Vào năm 1993, NSA đã công bố một hàm băm rất giống với MD5, nó được gọi là SHA. Sau đó, vào năm 1995, khi trích dẫn điểm yếu mới được phát hiện mà nó chối từ chau chuốt lại, NSA đã làm những thay đổi đối với SHA. Thuật toán mới được gọi là SHA -1. Các đặc điễm kỹ thuật ban đầu của thuật toán được phát hành năm 1993.Sau đó được NSA thu hồi và phát hành lại năm 1995 và được ghi ở trong FIPS PUB 180-1 và đạt được chuẩn của cơ quan NIST (Viện Tiêu Chuẩn và Công Nghệ ). 2. Thuật toán Đầu vào: thông điệp với độ dài tối đa 2 64 bits Đầu ra: giá băm (message digest) có độ dài 160 bits Giải thuật gồm 5 bước thao tác trên các khối 512 bits Hàm băm mật mã học
Page 5
Nhồi dữ liêu: Thông điệp được nhồi thêm các bit sao cho độ dài L mod 512 luôn đồng dư là 448. Thông điệp luôn luôn được nhồi thêm các bit. Số bit nhồi thêm phải nằm trong khoảng [1 -512]. Phần thêm vào cuối dữ liệu gồm 1 bit 1 và theo sau là các bit 0. b) Thêm độ dài Độ dài của khối dữ liệu ban đầu sẽ được biểu diễn dưới dạng nhị phân 64 bit và được thêm vào cuối chuỗi nhị phân mà ta thu được của bước 1. Độ dài được biểu diễn dưới dạng nhị phân 64 bit không dấu. Kết quả thu được từ 2 bước là 1 khối dữ liệu có độ dài là bội số của 512.(với cứ 512 bit là 1 khối dữ liệu) c) Khởi tạo bộ đệm MD (MD Buffer) Một bộ đệm 160-bit được dùng lưu trữ các giá trị băm trung gian và kết quả. Bộ đệm được biểu diễn bằng 5 thanh ghi 32 -bit với các giá trị khởi tạo ở dạng big-endian (byte có trọng số lớn nhất trong từ nằm ở địa chỉ thấp nhất) và có 2 bộ đệm.5 thanh ghi của bộ đệm đầu tiên được đánh đặt tên là A,B,C,D,E và tương tự cho bộ đệm thứ 2 là H0,H1,H2,H3,H4.Có giá trị như sau (theo dạng Hex): a)
H0=67452301 H1=EFCDAB89 H2=98BADCFE H3=10325476 H4=C3D2E1F0.
Xử lý các khối dữ liệu 512 bit Trọng tâm của giải thuật bao gồm 4 vòng lặp thực hiện tất cả 80 bước. 4 vòng lặp có cấu trúc như nhau, chỉ khác nhau ở các hàm logic f t. d)
Bước
Giá trị
Hàm
(0 ≤ t ≤ 19)
f t = f(B,C,D)
(B AND C) OR ((NOT B) AND D)
(20 ≤ t ≤ 39)
f t = f(B,C,D)
B XOR C XOR D
(40 ≤ t ≤ 59)
f t = f(B,C,D)
(B AND C) OR (B AND D) OR (C AND D)
(60 ≤ t ≤ 79) f t = f(B,C,D) B XOR C XOR D Mỗi vòng có đầu vào gồm khối 512-bit hiện thời và một bộ đệm 160 -bit A,B,C,D,E. Các thao tác sẽ cập nhật giá trị bộ đệm . Chia khối dữ liệu đã nhồi thêm (cuối bước 2) thành 16 nhóm (mỗi nhóm gồm 32 bit) và đặt theo thứ tự là:W 0, W1, ... , W15. Mở rộng từ 16 nhóm 32 bit lên 80 nhóm 32 bit bằng vòng lặp: For t = 16 to 79 let Wt = S1(Wt-3 XOR Wt-8 XOR Wt- 14 XOR Wt-16). Hàm băm mật mã học
Page 6
Gán A = H0 , B = H1 , C = H2 , D = H3 , E = H4.
Mỗi vòng lập sử dụng theo công thức chung với một hằng số như sau:
K t (0 ≤ t ≤ 79)
For t = 0 to 79 do TEMP = S5(A) + f t(B,C,D) + E + W t + K t; E = D; D = C; C = S 30(B); B = A; A = TEMP;
Với: K t = 5A827999 (0 ≤ t ≤ 19) K t = 6ED9EBA1 (20 ≤ t ≤ 39) K t = 8F1BBCDC (40 ≤ t ≤ 59) K t = CA62C1D6 (60 ≤ t ≤ 79) Đầu ra của 4 vòng (bước 80) được cộng với giá trị của bộ đệm để tạo ra 1 chuỗi kết quả dài 160 bit. H0 = H0 + A H1 = H1 + B H2 = H2 + C H3 = H3 + D H4 = H4 + E.
Xuất kết quả Sau khi thao tác trên toàn bộ N khối dữ liệu (blocks). Kết quả của khối thứ N là chuỗi băm 160-bit e)
H=H0 H1 H2 H3 H4 III.
Đánh giá : 1. Ưu điểm SHA -1 Bảng băm là một cấu trúc dung hòa giữa thời gian truy xuất và dung lượng bộ nhớ: - Nếu không có sự giới hạn về bộ nhớ: có thể xây dựng bảng băm với mỗi khóa
ứng với một địa chỉ với mong muốn thời gian truy xuất tức thời. - Nếu dung lượng bộ nhớ có giới hạn: tổ chức một số khóa có cùng địa chỉ, tốc độ
truy xuất giảm. Các phép toán trên bảng băm hạn chế số lần so sánh, giảm được thời gian truy xuất. 2. Nhược điểm:
Hiên nay thì vấn đề bảo mật của SHA -1 không còn được tin tưởng sử dụng như trước đó là vì: Hàm băm mật mã học
Page 7
Đầu năm 2005, Rijmen và Oswald đã công bố 1 cuộc tấn công vào phiên bản rút gọn của SHA-1 bằng cách tìm đụng độ bằng cách tính ít hơn 280 phép tính. 2-2005,một cuộc tấn công bởi 3 nhà mật mã học thuộc đại học Shandong (Trung Quốc) đã tìm ra được sự đụng độ trong phiên bản SHA-1 đầy đủ với chỉ với 2 69 phép tính nhanh hơn khoảng 2000 lần so với cách tấn công Brute-Force. 8-2005,tại hội nghị Mật Mã,họ đã công bố và thuyết trình về việc tấn công này và chỉ ra 1 vụ va chạm tại vòng 58 của SHA -1 chỉ với 2 33 phép tính băm. 18-12-2007,các báo cáo chi tiết kết quả này được giải thích và xác nhận bởi Martin
Cochran.
Ngoài ra còn nhiều cuộc nghiên cứu tấn công khác nữa Nhưng nhìn chung là SHA-1 không có được sự bảo mật tốt nhất như khi no được công bố năm 2004 bởi NIST tại hội nghị Mật Mã 2004.
Hàm băm mật mã học
Page 8
Mục lục Phần 1:Giới thiệu hàm băm ...................................................................................................................
1
I.
Hàm băm ..........................................................................................................................................
1
1.
Giới thiệu ..........................................................................................................................................
1
Tính chất cơ bản của hàm băm: ...........................................................................................
1
Hàm băm mật mã học..............................................................................................................
1
1.
Giới thiệu ......................................................................................................................................
1
2.
Danh sách các hàm băm mật mã học ................................................................................
2
Phần 2:Giới thiệu thuật toán sha-1 ....................................................................................................
4
2. II.
Giới thiệu:.........................................................................................................................................
4
1.
Lịch sử phát triể n ......................................................................................................................
4
2.
Khái Niệm .....................................................................................................................................
4
3.
Ứ ng dụng: ....................................................................................................................................
5
Thuật Toán ...................................................................................................................................
5
1.
Giới thiệu v ề thuật toán ..........................................................................................................
5
2.
Thuật toán....................................................................................................................................
5
III.
Đánh giá : .....................................................................................................................................
7
1.
Ưu điể m SHA-1 ...........................................................................................................................
7
2.
Nhược điể m: ................................................................................................................................
7
I.
II.
Hàm băm mật mã học
Page 9
