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CH19 資訊安全

CH19 資訊安全. 認識資訊安全與其重要性 了解傳統與公開金鑰密碼系統，以及基本的安全性觀念 了解訊息鑑別與雜湊函數 了解數位簽章法 了解憑證與公開金鑰基礎架構. 19-1 資訊安全簡介. 資訊安全 (Information Security). 資訊安全 就是防範受到保護的資料，遭受到未經允許的擷取與變更。 佐證 羅馬時代的凱薩加密器 (Caesar Ciphers) 。 第二次世界大戰時期，德國的 Enigma 密碼機與英美破解 Enigma 密碼機的研究。 網路上身 (The Net ， 1995 年 ) 。

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  1. CH19資訊安全 認識資訊安全與其重要性 了解傳統與公開金鑰密碼系統，以及基本的安全性觀念 了解訊息鑑別與雜湊函數 了解數位簽章法 了解憑證與公開金鑰基礎架構

  2. 19-1資訊安全簡介 CH01 電腦基本架構

  3. 資訊安全(Information Security) • 資訊安全就是防範受到保護的資料，遭受到未經允許的擷取與變更。 • 佐證 • 羅馬時代的凱薩加密器(Caesar Ciphers)。 • 第二次世界大戰時期，德國的Enigma密碼機與英美破解Enigma密碼機的研究。 • 網路上身(The Net，1995年)。 • 全民公敵(Enemy of the State，1999年)。 CH01 電腦基本架構

  4. 電腦安全與網路安全 • 電腦安全(Computer Security)的目的是要保護儲存在電腦設備上資訊的安全。 • 網路安全(Network Security) 在於解決通訊傳輸時的所產生的安全問題。 • 電腦安全與網路安全的不清楚分界：病毒(Virus) • 電腦病毒能破壞儲存在電腦設備上資訊，所以屬於電腦安全範疇。 • 電腦病毒能透過網路散播，所以屬於網路安全的範疇。 CH01 電腦基本架構

  5. 資訊安全的三大基本安全需求 機密性 資訊安全 完整性 可用性 CH01 電腦基本架構

  6. 密碼學(Cryptography) 密碼學為一門研究如何安全地編碼機密或重要資訊的學問。 CH01 電腦基本架構

  7. 19-2傳統密碼系統 CH01 電腦基本架構

  8. 傳統密碼系統的示意圖 傳統密碼系統又稱單金鑰密碼系統(Single-Key Cryptosystems)、對稱式密碼系統(Symmetric Cryptosystems)、秘密金鑰密碼系統(Private-key Cryptosystems) CH01 電腦基本架構

  9. 設計傳統密碼系統的基本技術 • 取代加密器(Substitution Ciphers)：一個明文字元會被另一個明文字元所取代。 • 凱薩加密器。 • 換位加密器(Transposition Ciphers)：改變每個明文字元的原來位置。 CH01 電腦基本架構

  10. 凱薩加密器 取代加密器的一種，採用位移加密器的作法。 明文”THIS IS A CIPHER”加密後，密文就會變成”wklvlvdflskhu” 凱薩加密器的變形：加密規則變更成將任一個英文字元，以它的後k個英文字元所取代。k有25種選擇。 CH01 電腦基本架構

  11. 秘密金鑰K優點 單一套軟體或是硬體的設計。 多人可以共同使用相同的密碼系統。 CH01 電腦基本架構

  12. 傳統密碼系統的破解 • 理論上假設攻擊者能夠事先獲知加密與解密的演算法，明文與密文的長度與格式，以及可以獲知的密文。 • 唯一假設不被攻擊者獲知的資訊就是秘密金鑰。 • 攻擊目標 • 秘密金鑰k • 獲取某些密文的明文 CH01 電腦基本架構

  13. 暴力攻擊法(Bruce Force Attacks) 又稱地毯式搜尋法(Exhaustive Searches)。 使用任何一個可能的秘密金鑰k值，嘗試解密密文成明文，若是解密的明文式一個合理的明文，則該秘密金鑰k值就可能是真的秘密金鑰k值。 CH01 電腦基本架構

  14. 暴力攻擊法與凱薩加密器 密文”wklvlvdflskhu”。 CH01 電腦基本架構

  15. 防禦暴力攻擊 大量的秘密金鑰k的可能值，用暴力攻擊法攻擊時，也要花費非常大量的計算時間，才有可能猜中。 每回加密明文時，均換用隨機選取的不同秘密金鑰。 CH01 電腦基本架構

  16. 換位加密器 明文以”THISISACIPHER”當例子。 填寫的順序是列為主的填寫方式，輸出時，每一行有一個輸出順序的代號，輸出的順序是行為主的輸出方式。 密文如：”ICRHAETSHSIIP”。 CH01 電腦基本架構

  17. 有名的傳統密碼系統 • DES(Data Encryption Standard的簡稱) • AES (Advanced Encryption Standard的簡稱) • 比利時Rijmen與Daemen所設計的Rijndael ，於2000年成為AES。 • 每次加密128位元的明文區塊(Block)，變成128位元的密文區塊。 • 秘密金鑰的長度有三種：128位元、192位元和256位元。 • 適用於32位元與8位元處理器的硬體平台。 CH01 電腦基本架構

  18. 傳統密碼系統與使用者鑑別 通訊雙方共同分享同一把的秘密金鑰。 收方使用分享同的秘密金鑰，解密出正確的明文，就可以確認送方也是擁有相同秘密金鑰的人。 CH01 電腦基本架構

  19. 傳統密碼系統的安全議題 • 秘密金鑰分配問題(Key Distribution Problems)。 • 系統有n個使用者，整個系統就需要n(n-1)/2把秘密金鑰。 • 改為臨時安全地讓雙方獲得相同秘密金鑰。 • 數位簽章(Digital Signatures)。 CH01 電腦基本架構

  20. 19-3訊息鑑別與雜湊函數 CH01 電腦基本架構

  21. 訊息鑑別(Message Authentication) • 訊息鑑別 • 訊息鑑別：確認資料完整性。 • 使用者鑑別：確認資料的來源。 • 兩種常用的函數 • 訊息驗證(Message Authentication Codes，簡稱MAC)函數。 • 雜湊函數(Hash Functions)。 CH01 電腦基本架構

  22. 訊息驗證函數用於訊息鑑別 事先擁有一把共同的秘密金鑰。 訊息驗證碼位元長度固定且遠短於輸入資料的位元長度。 CH01 電腦基本架構

  23. 雜湊函數 • 輸入為不限位元長度，輸出為一固定位元長度的訊息摘要(Message Digests)。 • 系統公開共用的函數。 • 安全特性 • 單向函數(One-way Functions) 。 • 弱防止碰撞(Weak Collision Resistant)：給一組資料與摘要，難以找到另外不同的資料可以產生相同的摘要。 • 防止碰撞(Collision Resistant)：難以找到兩個不同的資料會產生相同的摘要。 CH01 電腦基本架構

  24. 雜湊函數用於訊息鑑別 雙方須事先擁有一把共同的秘密金鑰。 CH01 電腦基本架構

  25. 常見攻擊雜湊函數的方法 • 暴力攻擊法 • 嘗試輸入不同的資料輸入，看是否會產生相同的訊息摘要。 • 輸出位元長度為m的雜湊函數，需要嘗試輸入2m-1種可能的資料。 CH01 電腦基本架構

  26. 常見攻擊雜湊函數的方法 • 生日攻擊法 • 「生日問題」-一年設為365天，需要多少人，才會有超過50%的可能性，會有兩人是同一天生日？ • 只要21人，這個人數大約是365的平方根的值。 • 輸出位元長度為m的雜湊函數，就如同有2m天生日。 • 只要試2m/2，就有超過50%的可能性，有兩個輸入的訊息摘要一樣。 • 輸出位元長度為m的雜湊函數，需要嘗試輸入2m/2種可能的資料。 CH01 電腦基本架構

  27. 常見的雜湊函數 在1993年時，美國的NIST推出雜湊函數SHA-0。 在1995年，美國的NIST推出160位元的雜湊函數SHA-1。 在2002年，美國的NIST基於SHA-1 雜湊函數，又推出256位元的SHA-256、 384位元的SHA-384與512位元的SHA-512。 CH01 電腦基本架構

  28. 19-4公開金鑰密碼系統 CH01 電腦基本架構

  29. 公開金鑰密碼系統(Public-Key Cryptosystems)的緣起 • 1976年Diffie與Hellman提出公開金鑰密碼系統)的觀念。 • 動機：解決傳統密碼系統的 • 秘密金鑰分配問題。 • 數位簽章問題。 • 1978年Rivest、Shamir和Addleman提出知名的RSA公開金鑰密碼系統。 CH01 電腦基本架構

  30. 公開金鑰密碼系統的示意圖 CH01 電腦基本架構

  31. 實現公開金鑰密碼系統的兩個函數 • 單向函數 • 函數對電腦計算而言，是計算上容易完成的。 • 反函數對電腦計算而言，是計算上難以完成的。 • 單向暗門函數 • 是單向函數 • 當知道秘密暗門的時候，反函數對電腦計算而言，也是計算上容易完成的。 CH01 電腦基本架構

  32. 因數分解難題 難的是因數分解方法要花費多少電腦的計算時間。 MIPS年=一個每秒執行一百萬個指令的處理器，執行一年的計算量。 Intel的一個1 GHz Pentium處理器約是250MIPS年的機器。 在1999年八月，分解155位數 (約512位元)的正整數，需要8000MIPS年的計算量。 2005年，正整數的因數分解位數只延長到200位數(約664位元)。 CH01 電腦基本架構

  33. RSA公開金鑰密碼系統 • 安全性架構在因數分解計算的難題上。 • 金鑰產生： • 選兩奇質數p= 13和 q=17。 • 計算n= pq= 1317= 221與(n)= (p-1)(q-1)= 1216= 192。 • 選與(n)= 192互質的正整數e= 7。 • 計算出一個正整數d= 55滿足ed mod (n)= 1。 • 公開金鑰為(e, n)= (7, 221)，而秘密金鑰是(d, p, q)= (55, 13, 17)或是單獨d= 55。 CH01 電腦基本架構

  34. RSA公開金鑰密碼系統 • 加密函數c= me mod n。 • 明文m= 3， 則密文為c= 37 mod 221= 198。 • 解密函數m= cd mod n • 解密過程為m= 3=19855 mod 221。 • RSA計算難題 • 在沒有秘密金鑰(d, p, q)前提下，從密文c = me mod n反推明文m。 • 尚未證明與因數分解難題一樣困難。 CH01 電腦基本架構

  35. 19-5數位簽章 CH01 電腦基本架構

  36. 數位簽章法 • 在1976年Diffie與Hellman也提出數位簽章法的觀念。 • 在1978年Rivest、Shamir和Addleman同時提出知名的RSA數位簽章法。 • 架構在因數分解的計算難題上。 CH01 電腦基本架構

  37. 數位簽章法的示意圖 CH01 電腦基本架構

  38. RSA數位簽章法與範例 選兩個奇質數p= 13和 q=17。 計算n= pq= 1317= 221與Phi函數值(n)= (p-1)(q-1)= 1216= 192。 選擇一個與(n)= 192互質的正整數e= 7。 計算出一個正整數d= 55滿足條件ed mod (n)= 1。公開金鑰為(e, n)= (7, 221)，而秘密金鑰是(d, p, q)= (55, 13, 17)或是單獨d= 55。 CH01 電腦基本架構

  39. RSA數位簽章法與範例 簽章函數為s= md mod n，使用簽章者的秘密金鑰是(d, p, q)= (55, 13, 17)或是單獨d= 55。 對訊息m= 5，則數位簽章為s= 555 mod 221= 112。 驗證函數m= se mod n。 使用簽章者的公開金鑰是(e, n)= (7, 221)，計算出的訊息是m= se mod n= 1127 mod 221=5。 訊息m的值必須小於n。 若訊息是有意義的，或是和原來簽署的訊息是一樣的，則數位簽章與訊息都是正確的，是來自於擁有公開金鑰的擁有者所簽署的。 CH01 電腦基本架構

  40. RSA數位簽章法的缺點 • 1. 驗證數位簽章的時候，如何判定訊息是有意義的呢？ • 2. RSA數位簽章法的弱點 • 先行選定數位簽章的值s • 再推算出訊息m= se mod n • 會滿足驗證函數m= se mod n。 CH01 電腦基本架構

  41. RSA數位簽章法與雜湊函數 雜湊函數就必須具備的單項函數、弱防止碰撞與防止碰撞的三項安全特性。 CH01 電腦基本架構

  42. 19- 6憑證與公開金鑰基礎架構 CH01 電腦基本架構

  43. 公開金鑰憑證(Certificates) • 公開金鑰憑證可以建立公開金鑰與擁有者的”具公信力”關係。 • 公開金鑰憑證至少需要包含 • 公開金鑰 • 使用者身分相關的資料 • 註記憑證的用途與限制條件 • 有效期限 CH01 電腦基本架構

  44. 公開金鑰基礎架構(Public Key Infrastructure，簡稱PKI) CH01 電腦基本架構

  45. 憑證管理中心的功能 • 憑證的核發、更新和終止。 • 憑證的保管。 • 憑證的查詢與分送。 • 解決糾紛時的憑證查驗。 CH01 電腦基本架構

  46. 階層式憑證管理中心 最上層的憑證管理中心，稱為根憑證管理中心(Root CA)。 發行下層憑證管理中心的金開金鑰憑證。 是所有公信力的起點。 討論問題：如何認證根憑證管理中心的公信力？ CH01 電腦基本架構

  47. 目錄伺服器 負責存放憑證管理中心發行的憑證。 存放憑證註銷串列(Certificate Revocation List，簡稱CRL)，供使用者查詢使用。 CH01 電腦基本架構

  48. 政府公開金鑰基礎架構(Government Public Key Infrastructure, GPKI) • 依據九十到九十三年度「電子化政府推動方案」設立的。 • 按照ITU-T X. 509標準建置的階層式公開金鑰基礎架構。 • 為International Telecommunication Union (ITU)制定的憑證規格。 • 屬於X.500的一部分。 • 最新的版本是第三版。 • 政府憑證總管理中心(Government Root Certification Authority，簡稱GRCA) CH01 電腦基本架構

  49. 政府公開金鑰基礎架構(GPKI) CH01 電腦基本架構

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