資訊與網路安全技術 ：第一章 安全性資訊系統簡介  上一頁      下一頁

 

1-2 安全性工具

內容：

既然安全性系統須達到隱密性與不可否認性等等功能，則須密碼學相關工具輔助才能達成，以下將簡略介紹之。

1-2-1 密碼系統

無論介紹何種安全性系統環境，『密碼學』（Cryptographic）[88, 129, 133, 136]總是離不開的課題。『密碼系統』（Cryptosystem）即是利用密碼學理論發展出來的資訊安全工具。密碼系統將明文編碼成一些沒有意義的文字或數字的密文之後，再傳送給接收端；接收端再依據原來雙方協議好的編碼方式，將密文解碼回原來的明文。攻擊者不知道編碼技巧（或編碼鑰匙，Key），則無法得知盜取訊息中的傳輸內容。如此達到隱密性的傳輸功能，但它的功能並非僅如此而已，其他功能本書還會陸續介紹。利用密碼學製作出來的隱密性功能的運作如下表示：

明文（Plaintext）：M

密文（Ciphertext）：C

加密編碼（Encryption）：E

解密編碼（Decryption）：D

加密鑰匙（Encryption Key）： K1

解密鑰匙（Decryption Key）： K2

編碼與解碼的過程如下：

加密過程：C = EK1(M)

解密過程：M = DK2(C) = DK2(EK1(M))

圖 1-2 典型密碼系統的功能圖

然而，發送與接收兩者之間所採用的加密/解密編碼技巧必須是互相搭配的，鑰匙的規格也必須是一致的。因此，隨著不同應用系統的需求，『密碼系統』（Cryptosystem）主要可區分為下列兩大類。

【秘密鑰匙系統】

『秘密鑰匙密碼系統』（Secret Key Cryptosystem，或稱為秘密金鑰系統或密鑰系統）表示加密與解密是使用同一把鑰匙（如圖 1-2 中 K1 = K2），而這把鑰匙必須隱密地分送給通訊雙方；參與通訊者必須安全的保護這把鑰匙，絕不可洩漏給其他不相干的人，故而稱之。然因為加密與解密是採用同一把鑰匙，又可稱為『對稱式密碼系統』（Symmetric Cryptosystem）或『單一鑰匙密碼系統』（One-Key Cryptosystem）；然而秘密鑰匙密碼系統係採用傳統式的替代與移位技術來組成，此系統又稱為『傳統密碼系統』（Conventional Cryptosystem）其特性歸類如下：

  • 訊息隱密性：此系統主要用於資料加密使用，以達到訊息隱密性功能。

  • 鑰匙隱密性：此系統的鑰匙絕不可以洩漏給他人知道，否則便失去隱密性功能。

  • 鑰匙長度短：雖然鑰匙的長度越長安全性越高，但為了提高加密與解密演算法效益，一般都不會採用太長的鑰匙長度。

  • 鑰匙分配困難：欲將秘密鑰匙傳送給通訊的對方，是一件非常困難的事，必須仰賴其他裝置或協定運作才可達成。

  • 訊息確認的功能：在雙方共享一把秘密鑰匙的情況下，可確認訊息的完整性與鑑定性，但無法達到不可否認性。

  • 常見的演算法：DES、DESX、Triple-DES、Blowfish、IDES、RC2、RC4、RC5 與 AES。

秘密鑰匙密碼系統是資訊安全最基本的工具之一，但它究竟是專門的研究領域，本書將以最簡潔的方式，讓讀者了解密碼系統的特性及功能，並於第二、三章介紹幾個較常用的秘密鑰匙系統。

【公開鑰匙系統】

『公開鑰匙密碼系統』（Public-Key Cryptosystem，或簡稱為公開金鑰系統、公鑰系統）表示系統（或使用者）中的鑰匙是成雙成對的，一把為『公開鑰匙』（Public Key，或稱公開金鑰），它可以在網站或公開目錄上（如電話簿功能）公佈給他人知道，甚至愈多人知道愈好；另一把為『私有鑰匙』（Private Key，或稱私有金鑰），持有人必須完全隱藏著這把鑰匙，絕對不可洩漏給他人知道。兩把鑰匙互為加/解密功能，亦即，如果利用公開鑰匙向資料加密，則必須利用相對應的私有鑰匙才可以解密，反之亦然。因為加密與解密鑰匙不相同，此系統又稱為『非對稱式密碼系統』（Asymmetric Cryptosystem）或『雙鑰匙密碼系統』（Two-Key Cryptosystem）。

我們將公開鑰匙密碼系統的特性歸類如下：

  • 資料隱密性功能：可以使用公開或私有鑰匙對資料加密，再利用相對應的公開或私有鑰匙解密；但因鑰匙長度較長，加密與解密的時間較長，因此僅限制於對短訊息加密使用。

  • 鑰匙長度較長：一般在公鑰系統的應用之下，明文、密文、密碼演算法、以及公開鑰匙都是長時間暴露於公眾之下；為了克服暴力攻擊，鑰匙長度不得不較長一點。

  • 鑰匙分配容易：鑰匙持有人必須將公開鑰匙公佈出來，任何人都可以索取所欲通訊對象的公開鑰匙，因此，鑰匙分配問題較為容易。

  • 可達到不可否認性的功能：這也是公鑰系統最主要的應用之一，可利用公鑰系統來簽署數位簽章，達成訊息的完整性與不可否認性。

  • 常見的密碼系統：RSA 演算法、Diffie-Hellman 鑰匙交換演算法、DSA 演算法、ElGamal 與 DSS 演算法等等。

公開鑰匙密碼系統已不再採用傳統式的移位與取代技巧，而是以數論（Number Theory）理論中的指數同餘運算，來推演出加密演算法，因此，又稱為『現代密碼學』（Modern Cryptosystem）。本書將在第四章提出幾個較常用的演算法，說明公開鑰匙系統的基本原理。

1-2-2 雜湊函數

除了密碼系統之外，『雜湊函數』（Hash Function）乃是資訊安全中不可或缺的工具。雜湊函數是將一個不定長度的訊息，轉換成一個固定長度的雜湊碼（如圖 1-3 所示）。而此雜湊碼可以代表著原來訊息，進一步亦可作為完整性檢查或數位簽章使用。雜湊碼是由訊息的內容演算而來的，一般又稱為『訊息摘要』（Message Digest, MD）。我們以 M 表示輸入的訊息、H 表示雜湊函數、h 表示演算後的雜湊碼，其關係為：

 h = H(M)

我期望輸出的雜湊碼 h，能隨輸入訊息 M 而改變，並且該值是無法仿冒的，類似人類『指紋』的功能一樣，當然要達到這個功能，主要關鍵在於雜湊函數的複雜度。因此，雜湊函數必須具備下列功能：

  • 固定長度輸出：雜湊函數必須對任意長度的訊息，產生固定長度的雜湊碼。

  • 單向雜湊：如果給予雜湊碼 h，在計算上無法找出一個訊息 M，使其符合 h = H(M)；此特性稱之為『單向雜湊』（One-way Hash）。即是訊息可經由雜湊函數計算出雜湊值，但無法由雜湊值反向推算出原訊息。

  • 雜湊碼碰撞率低：對於一個訊息 M1，在計算上是無法找出另一個訊息 M2 ≠ M1，使其 H(M1) = H(M2)，亦即，不同訊息之間產生相同雜湊碼的碰撞率要很低。

  • 常見的演算法：MD4、MD5、SHA-1等等。

圖 1-3 雜湊函數的功能圖

基本上，我們要求每一筆訊息都有一個獨立的雜湊碼。亦即，不同訊息之間極不可能產生相同的雜湊碼，因此，有『數位指紋』（Digital Fingerprint）之稱。研究雜湊演算法是一個非常有趣的課題，我們在第五章將會介紹到它。

1-2-3 亂數產生

在資訊安全領域中，『亂數』（Random Number，或稱 Nonce）扮演著很重要的角色；簡單的說，亂數就是系統產生一個不可預測的數值，而且每次擷取時都會是不一樣的值。常使用到亂數的情況有：

  • 交叉確認：通訊連線當中，某一方將一個亂數加密後傳送給對方，對方解密後將亂數加一，再加密後回傳給發送端，以確認雙方所握的鑰匙是否相同。

  • 防止重播攻擊：訊息中加入一個亂數作為序號，每傳送一次便累計加一；如果收到重複的序號表示是重複攻擊。

  • 產生通訊鑰匙：雙方確認身份之後（公鑰演算技巧），即可產生一個亂數作為通訊鑰匙（密鑰演算技巧）。

  • 產生鑰匙參數：通訊雙方交換亂數（Nonce）來產生一個通訊鑰匙，例如 Diffie-Hellman 演算法。

  • 計算鑰匙參數：許多演算法都利用亂數來產生鑰匙，譬如 RSA 演算法係利用亂數來產生公開與私有鑰匙。

由此可見，所產生的亂數必須是『不可預測性』，並且需要『隨機性』；否則所產生的亂數如被猜測出來，再好的演算法都是無用武之地。本書將於第五章介紹如何來產生可靠的亂數。

 

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