Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT THÁI NGUYÊN NGUYỄN HẢI TRƢỜNG NGHIÊN CỨU KẾT HỢP SƠ ĐỒ CHIA SẺ BÍ MẬT SHAMIR VÀ HỆ MÃ HÓA ELGAMAL, ỨNG DỤNG TRONG BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT THÁI NGUYÊN NGUYỄN HẢI TRƢỜNG NGHIÊN CỨU KẾT HỢP SƠ ĐỒ CHIA SẺ BÍ MẬT SHAMIR VÀ HỆ MÃ HÓA ELGAMAL, ỨNG DỤNG TRONG BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. VŨ MẠNH XUÂN THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Hải Trƣờng Sinh ngày: 05/11/1980 Học viên lớp cao học CHK11G - Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng THPT Ỷ La Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu kết hợp sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và hệ mã hóa Elgamal, ứng dụng trong bỏ phiếu điện tử” do Thầy giáo TS. Vũ Mạnh Xuân hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Vũ Mạnh Xuân, luận văn với đề tài “Nghiên cứu kết hợp sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và hệ mã hóa Elgamal, ứng dụng trong bỏ phiếu điện tử” đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Vũ Mạnh Xuân đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Trƣờng THPT Ỷ La đã tạo điều kiện về mặt thời gian giúp tôi yên tâm học tập. Khoa sau Đại học Trƣờng Đại học công nghệ thông tin và truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ 4 1.1. Tổng quan về bỏ phiếu điện tử 4 1.1.1. Khái niệm về bỏ phiếu 4 1.1.2. Khái niệm bỏ phiếu điện tử 4 1.1.3. Các thành phần trong hệ thống bỏ phiếu điện tử 5 1.1.4. Các giai đoạn bỏ phiếu điện tử 5 1.2. Mật mã trong bỏ phiếu điện tử 6 1.2.1. Kiểm tra tổng các phiếu bầu thay vì kiểm tra từng lá phiếu 6 1.2.2. Mật mã ngƣỡng giúp đạt tính phân quyền trong kiểm phiếu 9 1.2.3. Mã hóa xác suất giúp giữ vững tính ẩn danh của phiếu bầu 9 1.2.4. Chứng minh tƣơng tác để chống việc bán phiếu bầu 10 Kết luận chƣơng 1 11 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1. Tổng quan về an toàn và bảo mật thông tin 13 2.1.1. Sự cần thiết của bảo đảm an toàn thông tin 13 2.1.2. Khái niệm an toàn thông tin 13 2.1.3. Các phƣơng pháp bảo vệ thông tin 15 2.1.4. An toàn thông tin bằng mật mã 16 2.1.5. Vai trò của hệ mật mã 17 2.1.6. Phân loại hệ mật mã 18 2.1.7. Tiêu chuẩn đánh giá hệ mật mã 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2. Cơ sở toán học của mật mã 19 2.2.1. Nhóm , vành và không gian Zp 19 2.2.2. Bài toán logarit rời rạc 20 2.3. Mã hóa 21 2.3.1. Mã hóa dữ liệu 21 2.3.2. Phân loại 24 2.3.3. Ƣu khuyết điểm của hai phƣơng pháp 28 Kết luận chƣơng 2 29 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG HỆ MẬT ELGAMAL SƠ ĐỒ CHIA SẺ BÍ MẬT TRONG BỎ PHIẾU ĐIỆN TỬ 30 3.1. Hệ mật mã khóa công khai 30 3.1.1. Tổng quan về hệ mật mã khóa công khai 30 3.1.2. Hệ mật Elgamal 31 3.2. Chia sẻ khóa bí mật 33 3.2.1. Kỹ thuật Chia sẻ khóa bí mật (Secret Sharing) 33 3.2.2. Các sơ đồ chia sẻ bí mật: 34 3.3. Ứng dụng hệ mã hóa đồng cấu Elgamal và sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir trong một số bài toán bỏ phiếu điện tử 38 3.3.1. Ứng dụng hệ mã hóa Elgamal cho bỏ phiếu đồng ý /không đồng ý 38 3.3.2. Sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir kết hợp với hệ mã hóa Elgamal cho bài toán loại bỏ phiếu chọn L trong K. 40 3.4. Khảo sát thực trạng tại Văn phòng UBND Tỉnh Tuyên Quang 44 3.4.1. Giới thiệu chung về Văn phòng UNND Tỉnh Tuyên Quang 44 3.4.2. Thực trạng các cuộc bỏ phiếu/bầu cử tại VP UBND Tỉnh 46 3.4.3. Một số mẫu biểu liên quan 46 3.5. Xây dựng chƣơng trình bỏ phiếu điện tử 50 3.5.1. Khảo sát thực trạng và phát biểu bài toán 50 3.5.2. Chƣơng trình demo 51 3.5.3. Một số kết quả đạt đƣợc 54 Kết luận chƣơng 3 59 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Mã hoá với khoá mã và khoá giải giống nhau 18 Hình 2.2 Quy trình mã hóa dữ liệu 22 Hình 2.3 Sơ đồ mã hóa và giải mã 23 Hình 2.4 Sơ đồ mã hóa và giải mã bằng khóa riêng 25 Hình 2.5 Sơ đồ mã hóa và giải mã bằng khóa công khai 26 Hình 3.1 Sơ đồ mã hóa công khai 30 Hình 3.2 Sơ đồ bỏ phiếu đồng ý/ không đồng ý 39 Hình 3.3 Sơ đồ bỏ phiếu chọn L trong K 42 Hình 3.4 Sơ đồ tổ chức Văn phòng UBND Tỉnh Tuyên Quang 45 Hình 3.5 Thủ tục qui trình bầu cử hội đồng nhân dân cấp tỉnh 49 Hình 3.6 Mẫu danh sách cử tri 50 Hình 3.7 Giao diện chƣơng trình chính 55 Hình 3.8 Giao diện chƣơng trình bỏ phiếu có/không đồng ý 56 Hình 3.9 Giao diện chƣơng trình bỏ phiếu chọn L trong K 58 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các ƣu khuyết điểm của hệ thống khóa bí mật (khóa đối xứng) 28 Bảng 2.2 Các ƣu khuyết điểm của hệ thống mã hóa khóa công khai 28 Bảng 3.1 Một số ví dụ về mã hóa và giải mã 32 Bảng 3.2 Các file chính để minh họa Bài toán bỏ phiếu có/không đồng ý 52 Bảng 3.3 Các file chính để minh họa Bài toán bỏ phiếu “chọn L trong K” 54 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Tính khoa học và cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, sự phát triển, hội tụ và tƣơng tác các xu thế công nghệ đã mở ra nhiều cơ hội phát triển cho Chính phủ điện tử. Một trong những phƣơng diện mới đánh dấu sự phát triển của Chính phủ điện tử và đã đƣợc kiểm chứng ở một số nƣớc phƣơng Tây là bỏ phiếu điện tử. Phƣơng thức bỏ phiếu truyền thống gặp phải một số hạn chế: với những cử tri ở vùng sâu vùng xa, khoảng cách về địa lý sẽ bị hạn chế việc thực hiện đƣợc quyền bỏ phiếu của mình; tính độc lập, cá nhân và quyền riêng tƣ của cử tri sẽ bị ảnh hƣởng lớn; tính minh bạch, niềm tin vào số lần bỏ phiếu của một cử tri; việc đảm bảo an ninh cho bầu cử, tính minh bạch kết quả bầu cử, sự tham gia và thái độ tham gia của những cử tri trẻ đối với cuộc bầu cử; tính an ninh của những lá phiếu trong quá trình vận chuyển và kiểm phiếu. Cùng với đó là quá trình chuẩn bị cơ sở vật chất, đào tạo nhân lực phục vụ cho cuộc bầu cử. Đây quả là những khó khăn, thách thức vô cùng lớn. Trong khi đó, với hình thức bỏ phiếu điện tử, mọi ngƣời dân đều có thể tự tay bỏ những lá phiếu của mình cho dù họ đang ở đâu, làm gì. Hơn nữa, nó còn đảm bảo đƣợc tính cá nhân và quyền riêng tƣ trong lá phiếu của mình, đảm bảo an ninh do không mất quá trình vận chuyển “thủ công” hòm phiếu từ nhiều địa điểm khác nhau mà nó đã đƣợc lƣu trữ ngay lập tức vào hệ thống cơ sở dữ liệu. Thay vì đào tạo một đội ngũ cán bộ khổng lồ để phục vụ cho công tác bầu cử, việc bỏ phiếu điện tử sẽ giản tiện tới mức tối đa về nhân lực. Và một điều đặc biệt, hình thức bỏ phiếu này sẽ đáp ứng nhu cầu bầu cử theo cách của những ngƣời trẻ đó có thể là bầu cử trực tuyến, có thể là bầu cử qua điện thoại hoặc bầu cử thông qua Facebook, Twiter, Youtube… Thông qua hệ thống Interner và những thiết bị thông minh, chính phủ có thể dễ dàng kết nối tất cả quá trình trƣớc, trong và sau bầu cử nhanh, gọn, nhẹ; thu hút đƣợc đông đảo cử tri và không phân biệt đối tƣợng, vị trí địa lý. Điều này chắc chắn sẽ giảm bớt sức nặng tối đa cho cuộc bầu cử và mang lại thành công cho nó. Qua đó cũng thấy đƣợc tính ƣu việt của hình thức bỏ phiếu điện tử. Với chính phủ, bỏ phiếu điện tử là một bƣớc cụ thể hóa của chính phủ điện tử và đƣợc đánh giá là giải pháp hữu hiệu cho việc bầu cử của các quốc gia. Trên thế giới, khái niệm bỏ phiếu điện tử (e-voting) không còn xa lạ gì đối với các nƣớc phát triển, nhất là ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Tại Châu Á, chỉ có ba nƣớc đã từng thử nghiệm hệ thống bầu cử điện tử, đó là Hàn Quốc, Nhật Bản và 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ấn Độ, những nƣớc có trình độ công nghệ phát triển cao. Tuy nhiên bầu cử điện tử tại ba nƣớc này vẫn chƣa đƣợc xem là thực sự thành công khi kết quả thu đƣợc từ những lá phiếu điện tử vẫn còn nhiều nghi vấn. Vấn đề lớn nhất chính là tính bảo mật của toàn hệ thống. Tại Việt Nam bỏ phiếu điện tử mới chỉ dừng ở mục đích bầu chọn, bình chọn (bầu chọn Vịnh Hạ Long là di sản Thiên nhiên thế giới, bình chọn bài hát hay trên sóng truyền hình ) song chƣa thể triển khai vào bầu cử Quốc hội do còn nhiều hạn chế (vấn đề ngân sách, giáo dục ý thức cho ngƣời dân, quá trình phổ biến, huấn luyện phƣơng thức thực hiện cho các cấp, các bộ phận liên quan ). Đây rõ ràng là một khoảng trống khá lớn, nhất là việc kinh phí lắp đặt hệ thống máy bầu cử hay trở ngại trong khoảng cách vùng miền. Để hoạt động bỏ phiếu hay bỏ phiếu phát huy đúng tác dụng thì cần đảm bảo hai yêu cầu về tính kiểm tra được và tính tự do trong lựa chọn [1], [2], [9]. Điều này chỉ có thể đƣợc thực hiện nhờ mật mã. Ngƣời đầu tiên đặt nền móng cho việc xây dựng các hệ bỏ phiếu tích hợp các phƣơng pháp mật mã là Chaum vào năm 1981 [3]. Kể từ đó đến nay, các công trình công bố trên thế giới đều tập trung vào xây dựng ba mô hình bỏ phiếu cơ bản là: mô hình xáo trộn phiếu [3], mô hình chữ ký mù [4] và mô hình sử dụng mã hóa đồng cấu [6],[7],[9]. Trong đó, do tính ƣu việt trong giải quyết vấn đề tính kiểm tra đƣợc và tính tự do trong lựa chọn mà gần đây, mô hình mã hóa đồng cấu đƣợc tập nghiên cứu nhiều nhất. Hiện tại ở Việt Nam, các công trình nhƣ [1], [2] mới chỉ dừng lại ở việc đề xuất áp dụng các mô hình bỏ phiếu mà chƣa thực sự triển khai trên một ứng dụng cụ thể. Chính vì vậy, đƣợc sự hƣớng dẫn của Thầy giáo, TS. Vũ Mạnh Xuân, tác giả lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu kết hợp sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và hệ mã hóa Elgamal, ứng dụng trong bỏ phiếu điện tử” với mong muốn áp dụng các kiến thức đã đƣợc học, xây dựng thử nghiệm mô hình bỏ phiếu điện tử tại văn phòng ủy ban nhân dân tỉnh Tuyên Quang. 2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Qua việc phân tích, khảo sát và đánh giá thực trạng bỏ phiếu điện tử tại Việt Nam cũng nhƣ thế giới, kết hợp với nghiên cứu các kỹ thuật, phƣơng pháp, thuật toán mã hóa, mục tiêu của luận văn đƣợc xác định là: Ứng dụng tính chất đồng cấu của hệ mã hóa khóa công khai Elgamal và kỹ thuật chia sẻ khóa bí mật để giải quyết hai bài toán [...]... tin gốc Sơ đồ mã hóa và giải mã bằng khóa công khai Mã hóa bằng khóa công khai còn gọi là mã hóa bất đối xứng hay mã hóa bằng khóa chung Sự khác biệt cơ bản giữa một hệ thống mã hóa bằng khóa bí mật với hệ thống mã hóa bằng khóa công khai là hệ thống mã hóa khóa công khai dùng hai khóa khác nhau để mã hóa và giải mã Do đó, một bộ mã công khai sẽ bao gồm hai khóa: một khóa dành cho ngƣời mã hóa thƣờng... Nghiên cứu các tài liệu về bỏ phiếu điện tử; Nghiên cứu về hệ mã hóa công khai, hệ mật Elgamal, sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và kết hợp sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và hệ mật Elgamal; Tìm hiểu các kiến thức liên quan Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Sau khi nghiên cứu lý thuyết, phát biểu bài toán, đƣa ra giải pháp xử lý; Mô phỏng thử nghiệm chƣơng trình trên phần mềm Matlab; Đánh giá các kết quả... đã đặt ra trong phần mở đầu và chƣơng 1, chƣơng 2 trình bày tổng quan về an toàn và bảo mật thông tin, cơ sở lý thuyết về toán học và các phƣơng pháp mã hóa để giải quyết các bài toán đặt ra Chƣơng 3: “ Ứng dụng hệ mật Elgamal và sơ đồ chia sẻ bí mật trong bỏ phiếu điện tử , trong chƣơng này đi sâu vào trình bày và phân tích hệ mã hóa công khai Elgamal cùng với tính chất đồng cấu của hệ mật này, tiếp... loại bỏ phiếu chính Bỏ phiếu trực tiếp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 tại hòm phiếu bằng các lá phiếu in trên giấy Bỏ phiếu từ xa bằng các lá phiếu “số hóa tạm gọi là các lá phiếu điện tử từ các máy tính cá nhân trên mạng, trên điện thoại di động…Nó cũng đƣợc gọi là bỏ phiếu điện tử Bỏ phiếu điện tử là bỏ phiếu bằng các phƣơng pháp điện tử Các hệ thống bỏ phiếu điện tử cho... công bố các kết quả nghiên cứu trên tạp chí khoa học 4 Nội dung và bố cục của luận văn Nội dung luận văn bao gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Bỏ phiếu điện tử Chƣơng này giới thiệu tổng quan về bỏ phiếu điện tử, các thành phần chính trong hệ thống và qui trình bỏ phiếu điện tử Vai trò của mật mã trong bỏ phiếu điện tử, các tình huống và bài toán cụ thể phát sinh trong quá trình bỏ phiếu điện tử cũng nhƣ phƣơng... nào biết khóa bí mật nhƣng sự giải mã vẫn có thể thực hiện đƣợc thông qua sự hợp tác giữa các bên Trong phạm vi luận văn, tôi sử dụng hệ mã Elgamal – một hệ mã có tính chất đồng cấu với phép cộng và phù hợp cho việc sử dụng trong các hệ bỏ phiếu điện tử 1.2.3 Mã hóa xác suất giúp giữ vững tính ẩn danh của phiếu bầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hệ mã dùng trong bỏ phiếu không... cầu mã hóa đƣợc nội dung lá phiếu còn phải đảm bảo sự minh bạch, chính xác trong kiểm tra kết quả bỏ phiếu trong điều kiện các cử tri không tin vào một số thành viên BKP Vì vậy, tác giả đề xuất việc kết hợp sơ đồ chia sẻ bí mật có ngƣỡng giới hạn Shamir và hệ mã hóa đồng cấu Elgamal để giải bài toán “chọn L trong K” 3 Phƣơng pháp luận nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tài liệu; Nghiên. ..3 bỏ phiếu điện tử phổ biến nhất hiện nay: bỏ phiếu có/không đồng ý và bỏ phiếu chọn L trong K Với bài toán bỏ phiếu có/không , luận văn lựa chọn hệ mã hoá Elgamal do hệ mã này có tính chất đồng cấu với phép cộng và phép nhân, nhờ đó có thể tính đƣợc kết quả trong cuộc bỏ phiếu “có/không” thông qua tổng các phiếu bầu mà không cần giải mã từng lá phiếu Với bài toán bỏ phiếu “chọn L trong K”,... giữ kín và không thể chia sẻ với cử tri Từ đó dẫn tới viêc sử dụng các hệ mã hóa khóa công khai: khóa để mã hóa là công khai và việc mã hóa lựa chọn đƣợc thực hiện dễ dàng mà không cần biết thông tin bí mật nào, khóa để giải mã đƣợc giữ bí mật và vì vậy chỉ có những ngƣời có thầm quyền mới có thể kiểm phiếu bầu Với việc dùng một thuật toán mã hóa E với cặp khóa công khai pk và bí mật sk , lá phiếu X... Elgamal cùng với tính chất đồng cấu của hệ mật này, tiếp đến là sơ đồ chia sẻ bí mật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 theo ngƣỡng Shamir Từ đó chỉ ra ứng dụng của hệ mật Elgamal trong bài toán bỏ phiếu Có/ không”; Phối hợp hệ mật Elgamal và sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir để giải quyết bài toán bỏ phiếu chọn L trong K” Phần cuối chƣơng khảo sát bài toán bầu cử tại UBND Tỉnh . Tổng hợp tài liệu; Nghiên cứu các tài liệu về bỏ phiếu điện tử; Nghiên cứu về hệ mã hóa công khai, hệ mật Elgamal, sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và kết hợp sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir và hệ mật. đồ chia sẻ bí mật Shamir trong một số bài toán bỏ phiếu điện tử 38 3.3.1. Ứng dụng hệ mã hóa Elgamal cho bỏ phiếu đồng ý /không đồng ý 38 3.3.2. Sơ đồ chia sẻ bí mật Shamir kết hợp với hệ mã. 3.1.2. Hệ mật Elgamal 31 3.2. Chia sẻ khóa bí mật 33 3.2.1. Kỹ thuật Chia sẻ khóa bí mật (Secret Sharing) 33 3.2.2. Các sơ đồ chia sẻ bí mật: 34 3.3. Ứng dụng hệ mã hóa đồng cấu Elgamal và sơ đồ