Luận án Tiến sĩ Nguyễn Thị Ái Thảo: Bảo mật xác thực từ xa dùng đặc trưng sinh trắc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ ÁI THẢO BẢO MẬT TRONG XÁC THỰC TỪ XA SỬ DỤNG ĐẶC TRƯNG SINH TRẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ ÁI THẢO BẢO MẬT TRONG XÁC THỰC TỪ XA SỬ DỤNG ĐẶC TRƯNG SINH TRẮC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số chuyên ngành: 62480101 Phản biện độc lập 1: PGS.

Phạm Thế Bảo Phản biện độc lập 2: PGS. Nguyễn Đình Thuân Phản biện 1: PGS. Vũ Thanh Nguyên Phản biện 2: PGS. Trần Mạnh Hà Phản biện 3: TS.

Phạm Thị Bạch Huệ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. ĐẶNG TRẦN KHÁNH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Thị Ái Thảo i TÓM TẮT LUẬN ÁN Ngày nay hệ thống xác thực bằng đặc trưng sinh trắc cung cấp ngày càng nhiều lợi ích cho người dùng so với các hệ thống xác thực truyền thống. Tuy vậy, lợi ích luôn đi kèm với nhiều thách thức. Đặc trưng sinh trắc về bản chất rất nhạy cảm - chứa đựng nhiều nguy cơ bị tấn công, đặc biệt là các nguy cơ xuất phát từ đường truyền mạng và nguy cơ ngay tại các mẫu sinh trắc được lưu trữ trong máy chủ của hệ thống. Trong luận án này, tôi đề xuất một giao thức mới an toàn cho hệ thống xác thực từ xa bằng đặc trưng sinh trắc có khả năng chống lại các loại tấn công phổ biến trên đường truyền mạng cũng như các tấn công ở nội tại máy chủ không đáng tin cậy.

Đóng góp nổi bật của công trình này là trình bày một lược đồ bảo vệ mẫu sinh trắc trong hệ thống xác thực dùng đặc trưng sinh trắc. Đây là một dạng lược đồ lai, kết hợp kĩ thuật phép chiếu trực giao ngẫu nhiên và cam kết mờ, trong đó các yếu tố bảo mật và độ hiệu quả nhận dạng của hệ thống được phân tích nhằm thiết kế một lược đồ vừa tận dụng được các ưu điểm, đồng thời khắc phục những nhược điểm vốn có của các kĩ thuật này. Lược đồ này nhúng vào trong hệ thống xác thực theo kiến trúc từ xa có khả năng chống lại các tấn công từ bên trong hệ thống nhờ vào một bộ đồng xử lý bảo mật. Người quản lý hệ thống vẫn có quyền để điều khiển hệ thống nhưng sẽ không có khả năng lợi dụng các dữ liệu được lưu trữ trên máy chủ để giả mạo người dùng đánh lừa toàn hệ thống vì các tính toán liên quan tới dữ liệu nhạy cảm đều được thực hiện trên bộ đồng xử lý bảo mật tích hợp trong bộ xử lý của máy chủ.

ii ABSTRACT Biometric-based authentication systems offer more undeniable benefits to users than the traditional ones. However, biometric features seem to be very vulnerable - easily affected by different attacks, especially those happening over transmission network or those aiming at the stored biometric templates. In this work, we will propose a novel biometric-based remote authentication framework to deal with malicious attacks over the transmission channel as well as at the untrusted server. The main contribution of this work is the notable biometric template protection scheme in the authentication system.

This is a hybrid scheme combining the fuzzy commitment and random projection techniques. This combination is refined to limit the drawbacks and also take advantages of two techniques. The other contribution is embedding a proper secure coprocessor into the main server. Therefore, the administrator is incapable of utilizing information saved in its database to impersonate its clients and deceive the whole system because all the sensitive data is computed in the secure coprocessor.

Last but not least, the recognition rate is maintained while the security of the whole system is significantly improved. iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn PGS. Đặng Trần Khánh và các anh chị trong nhóm nghiên cứu cũng như các thầy cô trong khoa Khoa học và Kĩ thuật Máy Tính đã giúp đỡ đóng góp ý kiến về mặt chuyên môn, động viên và giúp đỡ về mặt tinh thần để tôi có thể hoàn thiện Luận án Tiến sĩ này. Công trình này là cả một chặng đường dài, kết quả của nó đánh dấu sự phát triển về mặt chuyên môn và cả sự trưởng thành về nhận thức trong nhiều khía cạnh của cuộc sống.

Chặng đường đó không thể nào thiếu dấu ấn của gia đình tôi, những người tôi yêu quý. Và tôi tri ân tất cả. iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix DANH MỤC BẢNG THUẬT NGỮ .x CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU .1 Mục tiêu và phạm vi luận án .1 Mục tiêu luận án .2 Phạm vi luận án .4 Các đóng góp chính của luận án .5 Cấu trúc luận án .6 CHƯƠNG 2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN .7 Giới thiệu về xác thực .2 Quá trình xác thực .8 Sinh trắc học .2 Vấn đề khi sử dụng sinh trắc .12 Hệ thống xác thực .1 Xác thực sử dụng đặc trưng sinh trắc .2 Xác thực truyền thống .3 Bảo mật trong xác thực từ xa sử dụng đặc trưng sinh trắc.23 CHƯƠNG 3 BẢO VỆ DỮ LIỆU SINH TRẮC .31 Các hướng tiếp cận bảo vệ mẫu sinh trắc .32 Lược đồ lai bảo vệ mẫu sinh trắc .1 Hàm tuần hoàn sine kết hợp kĩ thuật cụm mờ.2 Phép chiếu trực giao ngẫu nhiên kết hợp cam kết mờ.

43 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN AN TOÀN .2 Các giao thức cho bài toán tính toán an toàn nhiều thành phần.57 Kiến trúc phân tán .1 Giao thức Kerberos .2 Giao thức xác thực với hai máy chủ.73 Bộ xử lý bảo mật. 79 Case study - IBM 4765 .2 Bộ công cụ trong IBM 4765.83 CHƯƠNG 5 GIAO THỨC ĐỀ XUẤT .90 Kiến trúc tổng quát.90 Giai đoạn đăng ký. 92 Giai đoạn xác thực .94 CHƯƠNG 6 ĐÁNH GIÁ .100 Kết quả thực nghiệm .1 Huấn luyện hệ thống .2 Đánh giá thực nghiệm .101 Đánh giá về độ bảo mật của hệ thống.1 Tấn công mẫu sinh trắc .2 Tấn công lặp lại .3 Tấn công xen giữa .4 Tấn công từ bên trong hệ thống .106 Đánh giá độ phức tạp của hệ thống.107 CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .111 Hướng phát triển .112 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .117 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Quá trình đăng kí một người dùng mới.2: Quá trình xác thực người dùng.3: Hệ thống xác thực sinh trắc cơ bản.4: FAR, FRR và EER.5: Các điểm tấn công trong hệ thống xác thực sinh trắc [10].6: Mô hình xương cá phân loại lỗ hổng của hệ thống xác thực sinh trắc.1: Các cách tiếp cận bảo vệ mẫu sinh trắc.2: Kiến trúc tổng quát của hệ thống xác thực sử dụng hàm tuần hoàn kết hợp với kĩ thuật cụm mờ.3: Hàm biến đổi dạng sine với 𝑦𝑖 > 0.4: Hàm biến đổi dạng sine với 𝑦𝑖 < 0.5: Quá trình giải mã trong lược đồ cụm mờ.6: Mô hình kết hợp phép chiếu trực giao ngẫu nhiên và cam kết mờ.7: Quá trình biến đổi mẫu sinh trắc nên đảm bảo khả năng nhận diện.8: Hàm toàn ánh.9: Nhị phân hóa mẫu sinh trắc khả đổi.10: Qui trình của mã sửa lỗi.11: Lược đồ cam kết mờ.1: Lược đồ mã hóa đồng hình.2: Minh họa giao thức bảo mật không thông tin.3: Mô hình chia sẻ khoá bí mật của Shamir.4: Mô hình chia sẻ khoá bí mật của Blakley.5: Giao thức Kerberos.6: Xác thực bằng đặc trưng sinh trắc dùng Kerberos.7: Giai đoạn đăng kí trong giao thức Kerberos dùng sinh trắc.8: Quá trình đầu tiên của giai đoạn xác thực.9: Quá trình thứ 2 của giai đoạn xác thực.10: Quá trình thứ 3 của giai đoạn xác thực.11: Giai đoạn đăng kí.12: Giai đoạn xác thực.13: Kiến trúc máy chủ sử dụng vi xử lý bảo mật.14: Tổng quan quá trình phát triển ứng dụng trong bộ đồng xử lý.1: Kiến trúc tổng quan của hệ thống.2: Giai đoạn đăng kí.3: Áp dụng Cam kết mờ trong giai đoạn xác thực.4: Mô hình chức năng của quá trình xác thực.5: Mô hình chi tiết của quá trình xác thực .1: Phương pháp Eigenface .2: Kết quả xác thực sử dụng vector đặc trưng sinh trắc gốc.3: Kết quả xác thực sử dụng vector đặc trưng được biến đổi bằng phép chiếu trực giao ngẫu nhiên.4: Kết quả xác thực sử dụng vector đặc trưng được bảo vệ bằng lược đồ lai giữa kĩ thuật cam kết mờ và phép chiếu trực giao ngẫu nhiên .103 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh các phương pháp xác thực .2: Bảng so sánh các đặc trưng sinh trắc [4].3: So sánh các giao thức xác thực từ xa sử dụng đặc trưng sinh trắc.1: So sánh hai hướng tiếp cận.1: Các thông điệp trong giao thức Kerberos.1: Độ phức tạp của phép chiếu trực giao ngẫu nhiên .2: Độ phức tạp của kĩ thuật cam kết mờ .