If you have question Message me!

1. IT346 Information System Security
Week 4-2: Hash Function
& Digital Signature
ผศ.ดร.มัชฌิกา อ่องแตง
Faculty of Information Technology
Page
1

2. Cryptography
Cryptography หมายถึงวิทยาการรหัสลับ มาจากคําว่า crypto ที่แปลว่า
ซ่อน และคําว่า graph ที่แปลว่าการเขียนCryptography จึงมีความหมาย
ว่า “การเขียนเพื่อซ่อนข้อมูล”
Cryptography ใช้ในการป้องกันข้อมูลและสารสนเทศ โดยประกอบด้วย 3
เทคโนโลยีหลัก
‣ Symmetric Key Cryptography หรือ Secret Key Cryptographyคือการ
เข้ารหัสข้อมูลแบบ “สมมาตร”
‣ Asymmetric Key Cryptography หรือ Public Key Cryptographyคือการ
เข้ารหัสข้อมูลแบบ “อสมมาตร”
‣ Hash Function คือการสร้างตัวแทนข้อมูล
Faculty of Information Technology
Page
2

3. Hash / Message Digest
เมื่อต้องการรักษา Integrity (ความถูกต้องสมบูรณ์) ของข้อมูล เราใช้
เทคนิคการแปลงรูปแบบของข้อมูลที่รับเข้ามาให้เป็นข้อมูลที่ถูกย่อย
(Message Digest) Message Digest ที่เรียกว่าเทคนิคการ Hash
นําข้อมูลไปดําเนินการผ่าน One-Way Hash Function ซึ่งจะเปลี่ยน
message ขนาดใหญ่ให้มีขนาดเล็ก และมีขนาดคงที่ไม่ว่า message ดั้งเดิม
จะมีขนาดเท่าไรก็ตาม
hm = h(m)
เราไม่สามารถทํากระบวนการย้อนกลับเพื่อให้กลายเป็นข้อมูลต้นฉบับได้ แต่
เราสามารถใช้ Hash ในการตรวจสอบว่าข้อมูลที่ให้มาแต่ละครั้งตรงกับที่เรา
ต้องการหรือไม่ หรือไฟล์นั้นมีการเปลี่ยนแปลงโดยคนอื่นหรือไวรัสหรือไม่
Faculty of Information Technology
Page
3

4. Hash / Message Digest
คุณสมบัติของ One-Way Hash Function คือ
‣ เราไม่สามารถ (ในทางปฏิบัติ) คํานวณ message จาก hash ของมันได้ (One-
Way) นั่นคือ หากมี h(m) เราไม่สามารถคํานวณหา m ได้
‣ เราไม่สามารถ (ในทางปฏิบัติ) คํานวณหา message 2 อันที่มี hash ตรงกันได้
‣ เราไม่สามารถ (ในทางปฏิบัติ) แก้ไข message โดยรักษาค่า hash ให้คงเดิมได้
‣ สามารถคํานวณได้อย่างรวดเร็วและไม่ต้องใช้ทรัพยากรมาก
ตัวอย่าง Hash Function ได้แก่
‣ Message Digest (MD) เช่น MD-4, MD-5
‣ Secure Hash Algorithm เช่น SHA-1, SHA-2
Faculty of Information Technology
Page
4

5. Hash Function ที่นิยม
MD5 คิดค้นโดย Ron Rivest ซึ่งเป็น 1 ใน 3 คนที่คิดค้น RSA
‣ แม้ MD5 จะได้รับความนิยมอย่างมาก และได้มีการนํามาใช้แพร่หลายเช่น
นํามาใช้สร้าง Digital Signature ในระบบ e-commerce อย่างไรก็ตาม MD5
ก็ถูก break ได้โดย Professor Dr. Xiaoyun Wang ในปี 2004 โดยใช้เครื่อง
ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ IBM P690 และใช้เวลา Crack 1 ชั่วโมงก็สามารถ break
ได้ หลังจากนั้นก็มีคนอ้างว่าสามารถใช้เครือง Notebook ความเร็ว 1.6 GHz
่
เบรค MD5 ได้ภายในเวลา 8 ชั่วโมง
SHA-0 และ SHA-1 ได้ถูกพัฒนาให้มีความแข็งแรงกว่า MD5
‣ พัฒนาจาก MD5 เดิมให้ Output มีความเป็น Random สูงกว่า และมี
Collision น้อยกว่าเพื่อลดโอกาสในการถูก Crack ได้
‣ SHA0 และ SHA1 ก็ถูกเบรคได้โดย Professor Dr. Xiaoyun Wang เช่นกัน
‣ SHA2 ซึ่งยังไม่มีใคร break ได้
Faculty of Information Technology
Page
5

6. ตัวอย่าง 1: การใช้งาน Hash
โดยปกติ เราใช้งาน Hash เพื่อตรวจสอบ Integrity ของข้อมูล
‣ Alice กับ Bob แชร์ Secret Key K ด้วยกัน ใช้ในการ Encrypt ข้อมูล
‣ Alice ส่งข้อมูล M ให้ Bob ดังนี้
• Encrypt ข้อมูล M ด้วย key K ได้เป็น EK(M)
ทําเพื่อรักษา Security Goal ใด?
• คํานวณ h(M) แล้วนําผลลัพธ์ที่ได้แนบไปกับ EK(M)
ทําเพื่อรักษา Security Goal ใด?
h(M) | EK(M)
Bob
Alice
Note:
Faculty of Information Technology
F
ˈ
F
Encrypt h(M)?
Page
6

7. ตัวอย่าง 1: การใช้งาน Hash
‣ Bob สามารถตรวจสอบ Integrity ของข้อมูลที่รับมาได้ ดังนี้
• Decrypt EK(M) ด้วย Key K เพื่อให้ได้ M
• คํานวณ h(M)
• เปรียบเทียบ h(M) ที่ตนคํานวณได้ กับ h(M) ที่ Alice แนบมา หากเท่ากัน แปลว่า
ไม่ได้มีใครเปลี่ยนแปลง M
h(M) | EK(M)
Bob
Alice
h(M) | EK(M)
Decrypt
=?
M
hash
h(M)
Faculty of Information Technology
Page
7

8. ตัวอย่าง 2: การใช้งาน Hash
ผู้ใช้ machigar ตั้ง password เป็นคําว่า abc123
‣ หากเก็บรหัสผ่านลงบน Database โดยตรงจะทําให้ผู้ใดก็ตามที่เข้าถึงฐานข้อมูล
ได้ ทราบรหัสผ่านที่เก็บไว้ (ผู้ที่เข้าถึงฐานข้อมูลได้เช่นผู้ดูแลระบบ ผู้ดูแล
ฐานข้อมูล และแฮกเกอร์ที่อาจเจาะเข้ามาในระบบ
เพื่อให้เก็บ password ได้อย่างปลอดภัย ระบบทําการสร้างตัวแทนรหัสผ่าน
ด้วยฟังก์ชั่น Hash (สร้าง h(password))
‣ ตัวอย่าง ใช้อลกอริธึม MD5 ย่อยรหัสผ่าน abc123 ได้เป็น
ั
h(abc123) = e99a18c428cb38d5f260853678922e03
ระบบเก็บ h(password) ลงใน Database แทนที่จะเก็บ password
โดยตรง ทําให้การเปิดดูรหัสผ่านใน Database ไม่พบ password แต่จะพบ
เพียงค่า h(password) ที่เก็บไว้แทน
Faculty of Information Technology
Page
8

9. ตัวอย่าง 2: การใช้งาน Hash
การเก็บ h(password) แทนค่า password เป็นการป้องกันการเปิดเผย
password
‣ เราไม่สามารถใช้ค่า h(password) ในการคํานวณย้อนกลับไปเป็น password
ได้
ในการตรวจสอบสิทธิ์ผู้ใช้แต่ละครั้งสําหรับการล็อกอินทําได้โดย
‣ นํา password ที่ผู้ใช้ป้อนเข้ามาไปผ่านฟังก์ชั่น Hash เพื่อคํานวณหา
h(password)
‣ นําค่า h(password) ทื่ได้มาเทียบกับค่า h(password) ที่เก็บไว้ใน Database
หากมีค่าตรงกันก็แสดงว่ารหัสผ่านถูกต้อง
Faculty of Information Technology
Page
9

10. ตัวอย่างการใช้งาน Hash
password
password
h(password)
Password
Database
hash
=?
h(password)
ˆ
ก ก
F
Faculty of Information Technology
F
ก
F Moodle
F
Linux
ก F Fก
ก
F
F
F
ก
MD5
Web Application
Mambo
Page
10

11. กิจกรรมที่ 1
จับคู่เพื่ออภิปรายกรณีการใช้เทคโนโลยี Cryptography เพื่อปกป้องการ
สื่อสารต่อไปนี้
การสื่อสารนี้รักษา Confidentiality, Integrity หรือไม่ อย่างไร
EK(M)
Bob
Alice
การสื่อสารนี้รักษา Confidentiality, Integrity หรือไม่ อย่างไร
M | h(M)
Alice
Faculty of Information Technology
Bob
Page
11

12. กิจกรรมที่ 1
การสื่อสารรักษา Confidentiality, Integrity หรือไม่ อย่างไร
h(M) | EK(M)
Bob
Alice
การสื่อสารนี้รักษา Confidentiality, Integrity หรือไม่ อย่างไร
EK(M | h(M))
Alice
Faculty of Information Technology
Bob
Page
12

13. Message Authentication Code (MAC)
MAC คือการเข้ารหัสข้อมูลเพื่อใช้ในการพิสูจน์ความคงสภาพของข้อมูล
โดยจะใช้ Secret Key และข้อความที่มีความยาวเท่าใดก็ได้ และคํานวณ
ออกมาเป็น MAC
‣ การพิสูจน์ทราบข้อมูลนั้นผู้ตรวจสอบจะต้องมี Secret Key เดียวกัน
เรา encrypt ค่า hash ของ message เพื่อสร้างเป็น message
authentication code (MAC) ของ message จากนั้นจึงต่อส่วน MAC
เข้าไปกับ message
Faculty of Information Technology
Page
13

14. Message Authentication Code (MAC)
กระบวนการสร้าง MAC
Message M
Hash Algorithm
MAC
Message M
hash(M)
Secret
Key
encryption
MAC
EK(h(M)) | M
การใช้งาน MAC ในลักษณะนี้ รักษา Confidentiality หรือไม่?
Faculty of Information Technology
Page
14

15. Message Authentication Code (MAC)
กระบวนการตรวจสอบ MAC
Message M
MAC
Secret
Key
decryption
Hash Algorithm
h(M)
h(M)
=?
Faculty of Information Technology
Page
15

16. Asymmetric-Key Cryptography
Asymmetric-key Cryptography เพื่อรักษา confidentiality
‣ Encrypt ข้อมูลที่ต้องการปกปิดด้วย public key ของผู้รบ
ั
Private Key
Public Key
Ciphertext
Plaintext
Plaintext
Decryption
Encryption
E(P, PKreceiver) = C
P = Plaintext
C = Ciphertext
PK = Public Key
SK = Private Key
D(C, SKreceiver) = P
Asymmetric-key Cryptography เพื่อรักษา Non-Repudiation
‣ Encrypt ข้อมูลที่ต้องการยืนยันด้วย private key ของผูสง
้่
Public Key
Private Key
Plaintext
Encryption
E(P, SKsender) = C
Faculty of Information Technology
Ciphertext
Decryption
Plaintext
D(C, PKsender) = P
Page
16

17. Digital Signatures
การทําธุรกรรมอิเล็คทรอนิกส์จําเป็นที่จะต้องมีการยืนยันเอกสารหรือข้อมูลที่
ส่งว่าถูกส่งมาจากผู้ส่งจริง เพื่อการป้องกันการปฏิเสธการทําธุรกรรม (Nonrepudiation) และเป็นการพิสูจน์ทราบตัวตน (Authentication) ของ
ผู้สร้างเอกสาร
จาก Asymmetric Key Cryptography เราทราบว่าการเข้ารหัสข้อมูล
ด้วย Private Key สามารถยืนยันผู้ส่งได้
‣ เช่นผู้ใช้ A เข้ารหัสข้อมูลด้วย Private Key ของตนเองแล้วส่งข้อมูลไปให้ผู้ใช้ B
และผู้ใช้ C จากนั้นผู้ใช้ B และผู้ใช้ C ก็ถอดรหัสโดยใช้ Public Key ของผู้ใช้ A
ได้ เป็นการยืนยันได้ว่าข้อมูลมาจากผู้ใช้ A จริง เพราะเป็นคนเดียวที่มี Private
Key ของผู้ใช้ A
Faculty of Information Technology
Page

18. Digital Signature
ลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ (Digital Signature) อาศัย Asymmetric Key
Cryptography เพื่อเป็นการรับรองว่าผู้ส่งนั้นเห็นด้วยกับข้อความที่ส่งและ
ข้อความส่งถึงผู้รับโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงโดยบุคคลที่สาม เนื้อหาอาจจะ
เปิดเผยได้
เทียบได้กับลายเซ็นกํากับการทําธุรกรรมบนกระดาษ
Faculty of Information Technology
Page
18

19. Digital Signature
นอกจากเราใช้ public-private key pair ในการรักษา confidentiality
โดยการใช้ public key ในการ encrypt ข้อมูลแล้ว เรายังสามารถใช้
private key ในการ encrypt ข้อมูล เพื่อพิสูจน์ตัวตนของแหล่งที่มาของ
ข้อมูลได้ (message authentication)
‣ เฉพาะผู้ส่งทีแท้จริงเท่านั้นทีสามารถ encrypt ข้อมูลได้ เนื่องจาก private key
่
่
จะรู้เฉพาะผู้ส่งเท่านั้น
เมื่อ encrypt ด้วย private key จะต้อง decrypt ด้วย public key ที่
สัมพันธ์กัน
E(P, SKsender) = C
Faculty of Information Technology
E(C, PKsender) = P
Page
19

20. แนวคิดการทํา Enveloping
เนื่องจาก symmetric key cryptography ใช้เวลาดําเนินการต่ํา จึงนิยม
มากกว่าในการ encrypt ข้อมูลมากๆ
เราสามารถใช้ public key encryption เป็นกลไกในการส่ง secret
(symmetric) key ได้
Message m
Ks
Random Key
Symmetric Encryption
PKreceiver encryption
E(Ks, PKreceiver)
Faculty of Information Technology
E(m, Ks)
Page
20

21. Enveloping ใน Digital Signature
ในการส่งข้อมูลที่มีขนาดใหญ่ หากต้องการที่จะยืนยันผู้ส่งด้วยวิธีการข้างต้น
เราจะต้องทําการเข้ารหัสข้อมูลทั้งหมดด้วย Private Key ของผู้ส่ง (เพื่อ
เป็นการยืนยันตัวตนผู้ส่ง)
‣ ข้อเสียคือจะต้องมีการเข้ารหัสข้อมูลขนาดใหญ่ทงหมด และผู้รับจะต้องทําการ
ั้
ถอดรหัสข้อมูลทั้งหมดเช่นกัน ซึ่งทําให้เปลือง CPU และเปลืองเวลาในการ
ประมวลผล
หากข้อมูลที่จะส่งนั้น "ไม่เป็นความลับ“ เราสามารถที่จะประยุกต์ใช้การทํา
Enveloping ให้ใช้ CPU และเปลืองเวลาน้อยลงได้โดยใช้ฟังก์ชั่น Hash
‣ เนื่องจากข้อมูลไม่เป็นความลับ จึงไม่ทํา Secret Key Encryption แต่ทําการ
hash แทน เพื่อให้ข้อมูลขนาดเล็กลง
Faculty of Information Technology
Page

22. Enveloping ใน Digital Signature
เนื่องจากการดําเนินการ public key cryptosystem มักใช้เวลาใน
ดําเนินการสูง เราจึงนิยมทํา message authentication โดยการ encrypt
ส่วน Message Authentication Code (MAC) ซึ่งมีขนาดเล็กว่า และ
encrypt ได้รวดเร็วกว่าแทน เรียกว่า Digital Signature (DS)
Message m
Hash Algorithm
DS
Message m
h(m)
SKsender encryption
DS
Faculty of Information Technology
SK = Private Key
Page
22

23. Digital Signature
ขั้นตอนในการทํา Digital Signature
‣ ข้อมูลที่ต้องการจะส่งจะถูกคํานวณให้ได้ข้อความทีสั้นลงโดยใช้ Hash Function
่
ผลทีได้จะเป็นข้อมูลสั้นๆ และความยาวคงที่ ซึ่งเรียกว่า Message Digest
่
‣ ผู้ส่งจะเซ็นชื่อในข้อความโดยการ Encrypt ตัว Message Digest h(m) โดยใช้
Private Key ของตัวเอง เรียกผลลัพธ์ดังกล่าวว่า Digital Signature
‣ ข้อความเดิมจะถูกส่งไปพร้อมกับ Digital Signature นี้ไปให้ผู้รับ
‣ ผู้รับทําการตรวจสอบข้อมูลทีได้รับ
่
DS = E(h(m), SKsender)
Faculty of Information Technology
Page
23

24. Digital Signature
ขั้นตอนในการตรวจสอบ Digital Signature
DS
Message m
Hash Algorithm
PKsender decryption
h(m)
h(m)
=?
Faculty of Information Technology
Page
24

25. Faculty of Information Technology
Page
25

26. ประโยชน์ของการใช้ลายเซ็นดิจิทัล
พิสูจน์ได้ว่าข้อมูลที่รับมานั้นมาจากผู้ส่งตัวจริง และไม่ได้ถูกปลอมแปลง
(Authentication)
พิสูจน์ได้ว่าข้อมูลได้ถูกเปลี่ยนแปลงหรือไม่ (Data Integrity)
Faculty of Information Technology
Page
26

27. กิจกรรมที่ 2
จับกลุ่ม กลุ่มละ 3 คน เพื่ออภิปรายความแตกต่างระหว่าง Message
Integrity Code (MAC) และ Digital Signature
‣ การทํางานและโครงสร้างของ MAC และ Digital Signature ต่างกันอย่างไร
‣ ความแตกต่างดังกล่าวทําให้ MAC และ Digital Signature ให้คุณสมบัติด้าน
การรักษาความมั่นคงปลอดภัยต่างกันอย่างไร
Faculty of Information Technology
Page
27