Bài 13: Cryptography Applications (Phần 1)

1. Mục tiêu bảo mật (Security Goals)

Trước khi đi vào các giao thức, cần hiểu rõ các mục tiêu bảo mật mà hệ thống cần đạt được:

Mỗi mục tiêu được đảm bảo bởi các cơ chế mật mã khác nhau:

• Cipher systems: DES, AES (đối xứng), RSA, ECC, CRYSTALS-KYBER (bất đối xứng)
• Hash functions: SHA-256, SHA3-512,…
• MAC (Message Authentication Code)
• Chữ ký số / Chứng chỉ số
• Kiểm soát truy cập: RBAC, ABAC, PBAC

2. Giao thức bảo mật mạng – Tổng quan

Một giao thức bảo mật mạng hoàn chỉnh phải giải quyết ba vấn đề cốt lõi:

3. Xác thực (Authentication)

3.1 Định nghĩa

Quá trình xác thực gồm hai bước:

1. Identification: Cung cấp thông tin định danh (tên, ID,…)
2. Verification: Hệ thống kiểm tra xem thông tin đó có hợp lệ không

Authorization (Ủy quyền) khác với Authentication: là quyền/phép mà thực thể được cấp để truy cập tài nguyên sau khi đã được xác thực.

3.2 Các yếu tố xác thực (Authentication Factors)

3.3 Xác thực bằng chứng chỉ số (Certificate-based Authentication)

Đây là phương pháp phổ biến nhất để xác thực server/tài nguyên. Ý tưởng cốt lõi:

Chứng chỉ số kết hợp:

• Public key của server
• Identity của server (IP, tên miền,…)
• Chữ ký của CA để xác nhận tính hợp lệ

# Kiểm tra certificate của một website thực tế
openssl s_client -connect facebook.com:443 -showcerts

3.4 Xác thực bằng mật khẩu (Password-based Authentication)

Quy trình đăng nhập cơ bản:

3.5 Xác thực đa yếu tố (Multi-Factor Authentication – MFA)

Kết hợp nhiều yếu tố để tăng độ bảo mật:

Mật khẩu (Knowledge) + Smartcard/OTP (Possession) + Vân tay (Inherence)

4. Thỏa thuận khóa phiên (Session Key Agreement)

4.1 Tại sao cần khóa phiên?

Sau khi xác thực server (qua certificate), client cần thiết lập một khóa phiên bí mật (ssk – session secret key) để mã hóa dữ liệu trao đổi. Khóa này:

• Chỉ tồn tại trong một phiên làm việc
• Được tạo mới mỗi lần kết nối → Perfect Forward Secrecy (PFS)
• Thường dùng mã hóa đối xứng (AES) vì nhanh hơn

4.2 Diffie-Hellman trên ECC (ECDH)

Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay:

Sau khi có ssk, mọi dữ liệu được mã hóa đối xứng:

C = E_AES(ssk, name || pw)   ← Client gửi
D_AES(ssk, C) = name || pw   ← Server giải mã

4.3 Xác thực trong môi trường WiFi (Pre-shared Secret)

Khi không có chứng chỉ (ví dụ: WiFi gia đình), hai bên sử dụng pre-shared secret (mật khẩu WiFi):

WEP → WPA → WPA2 → WPA3

Các giao thức này xây dựng cơ chế xác thực và thỏa thuận khóa dựa trên mật khẩu chung mà không cần PKI.

5. Giao thức bảo mật đa server (Multi-server AKA)

5.1 Mục tiêu

Trong môi trường thực tế, người dùng cần kết nối với nhiều server khác nhau (D₁, D₂,…, Dₖ). Thay vì đăng ký riêng với từng server, cần:

• Đăng ký một lần (One-time registration)
• Đảm bảo: Xác thực lẫn nhau, Thỏa thuận khóa, Không thể truy vết (Untraceability), Thu hồi (Revocation), Hiệu quả

5.2 Các biến thể giao thức

6. Triển khai giao thức bảo mật theo tầng mạng

6.1 Vị trí triển khai

6.2 So sánh ưu/nhược điểm

7. Giao thức SSH

7.1 Kiến trúc phân lớp

┌─────────────────────────────┐
│      SSH Connection         │  ← Quản lý nhiều channel (shell, SFTP,...)
├─────────────────────────────┤
│   SSH User Authentication   │  ← Xác thực user (password hoặc PKC)
├─────────────────────────────┤
│      SSH Transport          │  ← Xác thực server, trao đổi khóa, mã hóa
├─────────────────────────────┤
│           TCP               │
├─────────────────────────────┤
│           IP                │
└─────────────────────────────┘

7.2 Luồng hoạt động SSH

8. Giao thức SSL/TLS

8.1 Lịch sử phát triển

8.2 Cấu trúc TLS

┌──────────────────────────────────────────────────┐
│                    HTTP (HTTPS)                  │
├──────────────┬──────────────────┬────────────────┤
│ SSL Handshake│ Change Cipher    │   SSL Alert    │
│   Protocol   │ Spec Protocol    │   Protocol     │
├──────────────┴──────────────────┴────────────────┤
│              SSL Record Protocol                 │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│                      TCP                        │
└──────────────────────────────────────────────────┘

8.3 TLS 1.2 Handshake

Ba thành phần chính của TLS 1.2:

1. Authentication: Digital certificate (PKI)
2. Key Agreement: ECDH
3. Algorithm Negotiation: Thỏa thuận cipher suite (AES-128-CBC, SHA256, v.v.)

8.4 TLS 1.3 – Cải tiến so với 1.2

TLS 1.3 (RFC 8446) giảm số lần RTT (Round-Trip Time):

9. Giao thức IPsec

9.1 Tổng quan

IPsec (IP Security) là bộ giao thức hoạt động ở tầng Network, mã hóa và/hoặc xác thực các gói IP. Gồm ba giao thức thành phần:

9.2 Hai chế độ hoạt động

Transport Mode – Bảo vệ host-to-host:

[ IP Header | IPsec Header | Payload (TCP/UDP) ]
                ↑ Mã hóa phần này

Các endpoint phải là IPsec-aware. Thường dùng cho kết nối trực tiếp giữa hai host.

Tunnel Mode – Yêu cầu gateway:

[ Outer IP Header | IPsec Header | Inner IP Header | Payload ]
                   ↑ Mã hóa toàn bộ phần này

Gateway đóng gói toàn bộ gói IP gốc → bảo vệ cả header nội bộ.

9.3 Security Association (SA)

Ba tham số định danh một SA:

1. SPI – Security Parameters Index
2. IP Destination Address
3. Security Protocol Identifier (AH hay ESP)

Hai cơ sở dữ liệu quan trọng:

• SAD (Security Association Database): Lưu các SA đang hoạt động
• SPD (Security Policy Database): Quy tắc áp dụng SA cho gói tin nào

9.4 Authentication Header (AH)

┌─────────────┬──────────────┬────────────────────────────┐
│ Next Header │ Payload Len  │         RESERVED            │
├─────────────┴──────────────┴────────────────────────────┤
│              Security Parameters Index (SPI)             │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Sequence Number                        │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│           Integrity Check Value (ICV) – variable         │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

9.5 Chống Replay Attack bằng Sliding Window

|← Quá cũ →|←── Cửa sổ ──→|← Quá mới →|
     A              B              C

• Vùng A: Sequence number quá nhỏ → Loại bỏ
• Vùng B: Trong cửa sổ → Kiểm tra xem đã nhận chưa (bitmap)
• Vùng C: Sequence number mới → Dịch cửa sổ và chấp nhận

9.6 Encapsulated Security Payload (ESP)

┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│              Security Parameters Index (SPI)             │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Sequence Number                        │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│              Payload Data (variable length)               │◄─ Mã hóa
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│         Padding (0-255 bytes) | Pad Len | Next Hdr       │◄─ Mã hóa
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│           Authentication Data (variable length)          │◄─ MAC
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

ESP trong Transport Mode vs Tunnel Mode:

Transport Mode:
[IP Hdr | ESP Hdr | TCP/UDP/... | ESP Trlr | ESP Auth]
                  |←── Mã hóa ──→|
         |←────────── MAC ──────────────────→|

Tunnel Mode:
[Outer IP | ESP Hdr | Inner IP | Payload | ESP Trlr | ESP Auth]
                    |←────── Mã hóa ────────→|
          |←──────────────── MAC ───────────────────→|

9.7 Quản lý khóa – Oakley KDP và ISAKMP

Oakley Key Determination Protocol là Diffie-Hellman có tăng cường:

ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) định nghĩa format của các message trao đổi:

┌────────────────┬────────────────┐
│  64-bit Initiator Cookie        │
├────────────────┬────────────────┤
│  64-bit Responder Cookie        │
├──────┬──────┬──┴───┬────────────┤
│Next  │Major │Minor │ Exchange   │
│Pload │ Ver  │ Ver  │   Type     │
├──────┴──────┴──────┴────────────┤
│         32-bit Message ID       │
├─────────────────────────────────┤
│           32-bit Length         │
└─────────────────────────────────┘

Các loại payload ISAKMP hỗ trợ: SA, Proposal, Transform, Key-exchange, Identification, Certificate, Hash, Signature, Nonce, Notification, Delete,…

10. Tổng kết – Bức tranh toàn cảnh