消息認證技術知識概述(共25頁).ppt

1、本資料來源HashHash函數(shù)函數(shù)消息認證碼消息認證碼MD5MD5算法算法SHA-1SHA-1算法算法Hash函數(shù)的攻擊分析函數(shù)的攻擊分析4.1.1 一個簡單的一個簡單的Hash函數(shù)函數(shù)4.1.2 完整性檢驗一般方法完整性檢驗一般方法Hash函數(shù)，就是將一種任意長度的消息壓縮成某一固定長度的消息摘要的函數(shù)，又稱消息摘要函數(shù)，散列函數(shù)或雜湊函數(shù)，記為：h=H(M) 。我們把Hash值 稱為輸入數(shù)據M的“數(shù)字指紋”。Hash函數(shù)的這種單向性特征和輸出數(shù)據長度固定的特征使得它可以用于檢驗消息的完整性是否遭到破壞。用作消息認證的Hash函數(shù)具有如下一些性質：(1) 消息M可以是任意長度的數(shù)據。(2)

2、給定消息M，計算它的Hash值 h=H(M) 是很容易的。(3) 任意給定 h，則很難找到M使得h=H(M) ，即給出Hash值，要求輸入M在計算上是不可行的，即運算過程是不可逆的，這種性質稱為函數(shù)的單向性。(4) 給定消息M和其Hash值H(M) ，要找到另一個 M，且M M，使得H(M) =H(M)在計算上是不可行的，這條性質被稱為抗弱碰撞性。(5) 對于任意兩個不同的消息 M M ，它們的摘要值不可能相同，這條性質被稱為抗強碰撞性。弱抗碰撞性保證對于一個消息M及其Hash值，無法找到一個替代消息M ，使它的Hash值與給定的Hash值相同。這條性質可用于防止偽造。強抗碰撞性對于消息Has

3、h函數(shù)的安全性要求更高，這條性質保證了對生日攻擊的防御能力。碰撞性是指對于兩個不同的消息M和M ，如果它們的摘要值相同，則發(fā)生了碰撞。雖然可能的消息是無限的，但可能的摘要值卻是有限的。因此，不同的消息可能會產生同一摘要，碰撞是可能存在的。但是， Hash函數(shù)要求用戶不能按既定需要找到一個碰撞，意外的碰撞更是不太可能的。顯然，從安全性的角度來看，Hash函數(shù)輸出的比特越長，抗碰撞的安全強度越大。一個例外的情況是，若消息出錯，而摘要值仍然不變的概率為 。當n充分大時，出錯的概率或者說消息被篡改的概率非常小，視為小概率事件，忽略不計。n2n2消息完整性檢驗的一般機制如圖所示。無論是存儲文件還是傳輸文

4、件，都需要同時存儲或發(fā)送該文件的數(shù)字指紋；驗證時，對于實際得到的文件重新產生其數(shù)字指紋，再與原數(shù)字指紋對比，如果一致，則說明文件是完整的。否則，是不完整的。消息認證具有兩層含義：一是檢驗消息的來源是真實的，即對消息的發(fā)送者的身份進行認證；二是檢驗消息是完整的，即驗證消息在傳送或存儲過程中未被篡改、刪除或插入等。當需要進行消息認證時，僅有消息作為輸入是不夠的，需要加入密鑰k，這就是消息認證的原理。能否認證，關鍵在于信息發(fā)送者或信息提供者是否擁有密鑰k。消息認證碼(Message Authentication Code，MAC)通常表示為MAC=CK(M)其中M是可變長的消息，K是收發(fā)雙方共享的密

5、鑰，函數(shù)值CK(M)是定長的認證碼，也稱為密碼校驗和。MAC就是帶密鑰的消息摘要函數(shù)，其實就是一種帶密鑰的數(shù)字指紋，它與不帶密鑰的數(shù)字指紋是有本質區(qū)別的。1. 消息認證消息認證認證碼被附加到消息后以M|MAC方式一并發(fā)送，收方通過重新計算MAC以實現(xiàn)對M的認證。如圖所示。假定收、發(fā)雙方共享密鑰k，如果收到的MAC與計算得出的MAC一致，那么可以得出如下結論： 接收方確信消息M未被篡改。此為完整性驗證。 接收方確信消息來自所聲稱的發(fā)送者，因為沒有其他人知道這個共享密鑰，其他人也就不可能為消息M附加合適的MAC。此為消息源驗證。2. 消息認證與保密消息認證與保密在(1)中，消息以明文方式傳送，這一

6、過程只提供認證而不具備保密性。如圖4-2-2所示提供一種即加密又認證的方式，發(fā)送方發(fā)送Ek2M|Ck1(M)。該種處理方式除具備(1)的功能外，還具有保密性。3. 密文認證密文認證改變(2)中加密的位置，得到另外一種消息保密與認證方式，如圖所示。該種處理方式先對消息進行加密，然后再對密文計算MAC，傳送Ek2(M)|Ck1(Ek2(M)給接收方。接收方先對收到的密文進行認證，認證成功后，再解密。MD表示消息摘要(Message Digest，簡記為MD)，MD5以512比特一塊的方式處理輸入的消息文本，每個塊又劃分為16個32比特的子塊。算法的輸出是由4個32比特的塊組成，將它們級聯(lián)成一個12

7、8比特的摘要值。MD5算法如圖所示，包括以下幾個步驟。(1) 填充消息使其長度正好為填充消息使其長度正好為512位的整數(shù)倍位的整數(shù)倍L首先在消息的末尾處附上64比特的消息長度的二進制表示，大小為 ，n表示消息長度。然后在消息后面填充一個“1”和多個“0”，填充后的消息恰好是512比特的整倍長L。Y0，Y1，YL-1表示不同的512比特長的消息塊，用M0，M1，MN1表示各個Yq中按32比特分組的字，N一定是16的整數(shù)倍。(2) 初始化緩沖區(qū)初始化緩沖區(qū)算法中使用了128位的緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)由4個32比特的寄存器A，B，C，D組成，先把這4個寄存器初始化為： A=01 23 45 67 B=8

8、9 AB CD EF C=FE DC BA 98 D=76 54 32 10(3) 處理處理512位消息塊位消息塊Yq，進入主循環(huán)，進入主循環(huán)主循環(huán)的次數(shù)正好是消息中512位的塊的數(shù)目L。先從Y0開始，上一循環(huán)的輸出作為下一循環(huán)的輸入，直到處理完YL-1為止。消息塊Yq的處理，以當前的512位數(shù)據塊Yq和128位緩沖值A，B，C，D作為輸入，并修改緩沖值的內容。消息塊的處理包含4輪操作，每一輪由16次迭代操作組成，上一輪的輸出作為下一輪的輸入，如圖所示。4輪處理具有相似的結構，但每輪處理使用不同的非線性函數(shù)，如圖所示。4個非線性函數(shù)分別為：常數(shù)表Ti( )共有64個元素，每個元素32位長，Ti

9、232abs(sin(i),其中i是弧度。處理每一個消息塊Yi時，每一輪使用常數(shù)表Ti中的16個，正好用4輪。(4) 輸出輸出每一輪不斷地更新緩沖區(qū)A，B，C，D中的內容，4輪之后進入下一個主循環(huán)，直到處理完所有消息塊為止。最后輸出就是結束時緩沖區(qū)中的內容。SHA（Secure Hash Algorithm，SHA）是由美國NIST開發(fā)，作為聯(lián)邦信息處理標準于1993年發(fā)表，1995年修訂，成為SHA-1版本。SHA-1在設計方面基本上模仿MD5，如圖所示。(1) 填充消息填充消息首先將消息填充為512的整數(shù)倍，填充方法與MD5相同。與MD5不同的是SHA-1的輸入為長度小于 比特的消息。 (

10、2) 初始化緩沖區(qū)初始化緩沖區(qū)初始化160位的消息摘要緩沖區(qū)（即設定IV值），該緩沖區(qū)用于保存中間和最終摘要結果。每個緩沖區(qū)由5個32比特的寄存器A，B，C，D，E組成，初始化為： A=67 45 23 01 B=EF CD AB 89 C=98 BA DC FE D=10 32 54 76 E=C2 D2 E1 F0(3) 處理處理512位消息塊位消息塊Yq，進入主循環(huán)，進入主循環(huán)主循環(huán)的次數(shù)正好是消息中512位的塊的數(shù)目L。先從Y0開始，上一循環(huán)的輸出作為下一循環(huán)的輸入，直到處理完YL-1為止。主循環(huán)有四輪，每輪20次操作（ 有四輪，每輪16次操作）。每次操作對A 、B 、C 、D 和E中

11、的三個做一次非線性函數(shù)運算，然后進行與MD5中類似的移位運算和加運算。四個非線性函數(shù)為用下面的算法將消息塊從16個32比特子塊變成80個32比特子塊（ W0 到W79 ）：該算法主循環(huán)4輪，每輪20次，0t79 ，每一次的變換的基本形式是相同的：其中(A5) 表示寄存器A循環(huán)左移5比特， (B30) 表示寄存器K循環(huán)左移30比特。80次處理完后，處理下一個512位的數(shù)據塊，直到處理完YL-1為止。最后輸出ABCDE 級聯(lián)后的結果。SHA1與MD5的比較如表所示。SHA1MD5Hash值長度160位128位分組處理長度512位512位步數(shù)80(420)64(416)最大消息長度264位不限非線性

12、函數(shù)3（第2、4輪相同）4生日攻擊方法可用于攻擊任何類型的Hash方案。生日攻擊方法只依賴于消息摘要的長度，即Hash函數(shù)值的長度。生日攻擊給出消息摘要的長度的一個下界。除生日攻擊法外，對一些類型的Hash函數(shù)還有一些特殊的攻擊方法，例如，中間相遇攻擊、修正分組攻擊和差分分析法等。山東大學王小云教授等于2004年8月在美國加州召開的國際密碼大會(Crypto2004)上所做的Hash函數(shù)研究報告中指出，她們已成功破譯了MD4、MD5、HAVAL-128、RIPEMD-128等Hash算法。2006年，王小云宣布了攻破SHA-1的消息。她的研究成果表明了從理論上講電子簽名可以偽造，必須及時添加限