Разработка веб-сайтов ,

Алгоритмы

• Перевод

Как же все-таки работает HTTPS? Это вопрос, над которым я бился несколько дней в своем рабочем проекте.

Будучи Web-разработчиком, я понимал, что использование HTTPS для защиты пользовательских данных – это очень и очень хорошая идея, но у меня никогда не было кристального понимания, как HTTPS на самом деле устроен.

Как данные защищаются? Как клиент и сервер могут установить безопасное соединение, если кто-то уже прослушивает их канал? Что такое сертификат безопасности и почему я должен кому-то платить, чтобы получить его?

Трубопровод

Перед тем как мы погрузимся в то, как это работает, давайте коротко поговорим о том, почему так важно защищать Интернет-соединения и от чего защищает HTTPS.

Когда браузер делает запрос к Вашему любимому веб-сайту, этот запрос должен пройти через множество различных сетей, любая из которых может быть потенциально использована для прослушивания или для вмешательства в установленное соединение.

С вашего собственного компьютера на другие компьютеры вашей локальной сети, через роутеры и свитчи, через вашего провайдера и через множество других промежуточных провайдеров – огромное количество организаций ретранслирует ваши данные. Если злоумышленник окажется хотя бы в одной из них - у него есть возможность посмотреть, какие данные передаются.

Как правило, запросы передаются посредством обычного HTTP, в котором и запрос клиента, и ответ сервера передаются в открытом виде. И есть множество весомых аргументов, почему HTTP не использует шифрование по умолчанию:

Для этого требуется больше вычислительных мощностей
Передается больше данных
Нельзя использовать кеширование

Но в некоторых случаях, когда по каналу связи передается исключительно важная информация (такая как, пароли или данные кредитных карт), необходимо обеспечить дополнительные меры, предотвращающие прослушивание таких соединений.

Transport Layer Security (TLS)

Сейчас мы собираемся погрузиться в мир криптографии, но нам не потребуется для этого какого-то особенного опыта - мы рассмотрим только самые общие вопросы. Итак, криптография позволяет защитить соединение от потенциальных злоумышленников, которые хотят воздействовать на соединение или просто прослушивать его.

TLS - наследник SSL - это такой протокол, наиболее часто применяемый для обеспечения безопасного HTTP соединения (так называемого HTTPS). TLS расположен на уровень ниже протокола HTTP в модели OSI . Объясняя на пальцах, это означает, что в процессе выполнения запроса сперва происходят все “вещи”, связанные с TLS-соединением и уже потом, все что связано с HTTP-соединением.

TLS – гибридная криптографическая система. Это означает, что она использует несколько криптографических подходов, которые мы и рассмотрим далее:

1) Асиметричное шифрование (криптосистема с открытым ключом) для генерации общего секретного ключа и аутентификации (то есть удостоверения в том, что вы – тот за кого себя выдаете).
2) Симметричное шифрование , использующее секретный ключ для дальнейшего шифрования запросов и ответов.

Криптосистема с открытым ключом

Криптосистема с открытым ключом – это разновидность криптографической системы, когда у каждой стороны есть и открытый, и закрытый ключ, математически связанные между собой. Открытый ключ используется для шифрования текста сообщения в “тарабарщину”, в то время как закрытый ключ используется для дешифрования и получения исходного текста.

С тех пор как сообщение было зашифровано с помощью открытого ключа, оно может быть расшифровано только соответствующим ему закрытым ключом. Ни один из ключей не может выполнять обе функции. Открытый ключ публикуется в открытом доступе без риска подвергнуть систему угрозам, но закрытый ключ не должен попасть к кому-либо, не имеющему прав на дешифровку данных. Итак, мы имеем ключи – открытый и закрытый. Одним из наиболее впечатляющих достоинств ассиметричного шифрования является то, что две стороны, ранее совершенно не знающие друг друга, могут установить защищенное соединение, изначально обмениваясь данными по открытому, незащищенному соединению.
Клиент и сервер используют свои собственные закрытые ключи (каждый – свой) и опубликованный открытый ключ для создания общего секретного ключа на сессию.

Это означает, что если кто-нибудь находится между клиентом и сервером и наблюдает за соединением – он все равно не сможет узнать ни закрытый ключ клиента, ни закрытый ключ сервера, ни секретный ключ сессии.

Как это возможно? Математика!

Алгоритм Ди́ффи - Хе́ллмана

Одним из наиболее распространенных подходов является алгоритм обмена ключами Ди́ффи - Хе́ллмана (DH). Этот алгоритм позволяет клиенту и серверу договориться по поводу общего секретного ключа, без необходимости передачи секретного ключа по соединению. Таким образом, злоумышленники, прослушивающие канал, не смогу определить секретный ключ, даже если они будут перехватывать все пакеты данных без исключения.

Как только произошел обмен ключами по DH-алгоритму, полученный секретный ключ может использоваться для шифрования дальнейшего соединения в рамках данной сессии, используя намного более простое симметричное шифрование.

Немного математики…

Математические функции, лежащие в основе этого алгоритма, имею важную отличительную особенность - они относительно просто вычисляются в прямом направлении, но практически не вычисляются в обратном. Это именно та область, где в игру вступают очень большие простые числа.

Пусть Алиса и Боб – две стороны, осуществляющие обмен ключами по DH-алгоритму. Сперва они договариваются о некотором основании root (обычно маленьком числе, таком как 2,3 или 5) и об очень большом простом числе prime (больше чем 300 цифр). Оба значения пересылаются в открытом виде по каналу связи, без угрозы компрометировать соединение.

Напомним, что и у Алисы, и у Боба есть собственные закрытые ключи (из более чем 100 цифр), которые никогда не передаются по каналам связи.

По каналу связи же передается смесь mixture , полученная из закрытых ключей, а также значений prime и root .

Таким образом:
Alice’s mixture = (root ^ Alice’s Secret) % prime
Bob’s mixture = (root ^ Bob’s Secret) % prime
где % - остаток от деления

Таким образом, Алиса создает свою смесь mixture на основе утвержденных значений констант (root и prime ), Боб делает то же самое. Как только они получили значения mixture друг друга, они производят дополнительные математические операции для получения закрытого ключа сессии. А именно:

Вычисления Алисы
(Bob’s mixture ^ Alice’s Secret) % prime

Вычисления Боба
(Alice’s mixture ^ Bob’s Secret) % prime

Результатом этих операций является одно и то же число, как для Алисы, так и для Боба, и это число и становится закрытым ключом на данную сессию. Обратите внимание, что ни одна из сторон не должна была пересылать свой закрытый ключ по каналу связи, и полученный секретный ключ так же не передавался по открытому соединению. Великолепно!

Для тех, кто меньше подкован в математическом плане, Wikipedia дает прекрасную картинку , объясняющую данный процесс на примере смешивания цветов:

Обратите внимание как начальный цвет (желтый) в итоге превращается в один и тот же “смешанный” цвет и у Боба, и у Алисы. Единственное, что передается по открытому каналу связи так это наполовину смешанные цвета, на самом деле бессмысленные для любого прослушивающего канал связи.

Симметричное шифрование

Обмен ключами происходит всего один раз за сессию, во время установления соединения. Когда же стороны уже договорились о секретном ключе, клиент-серверное взаимодействие происходит с помощью симметричного шифрования, которое намного эффективнее для передачи информации, поскольку не требуется дополнительные издержки на подтверждения.

Используя секретный ключ, полученный ранее, а также договорившись по поводу режима шифрования, клиент и сервер могут безопасно обмениваться данными, шифруя и дешифруя сообщения, полученные друг от друга с использованием секретного ключа. Злоумышленник, подключившийся каналу, будет видеть лишь “мусор”, гуляющий по сети взад-вперед.

Аутентификация

Алгоритм Диффи-Хеллмана позволяет двум сторонам получить закрытый секретный ключ. Но откуда обе стороны могут уверены, что разговаривают действительно друг с другом? Мы еще не говорили об аутентификации.

Что если я позвоню своему приятелю, мы осуществим DH-обмен ключами, но вдруг окажется, что мой звонок был перехвачен и на самом деле я общался с кем-то другим?! Я по прежнему смогу безопасно общаться с этим человеком – никто больше не сможет нас прослушать – но это будет совсем не тот, с кем я думаю, что общаюсь. Это не слишком безопасно!

Для решения проблемы аутентификации, нам нужна Инфраструктура открытых ключей , позволяющая быть уверенным, что субъекты являются теми за кого себя выдают. Эта инфраструктура создана для создания, управления, распространения и отзыва цифровых сертификатов. Сертификаты – это те раздражающие штуки, за которые нужно платить, чтобы сайт работал по HTTPS.

Но, на самом деле, что это за сертификат, и как он предоставляет нам безопасность?

Сертификаты

В самом грубом приближении, цифровой сертификат – это файл, использующий электронной-цифровую подпись (подробнее об этом через минуту) и связывающий открытый (публичный) ключ компьютера с его принадлежностью. Цифровая подпись на сертификате означает, что некто удостоверяет тот факт, что данный открытый ключ принадлежит определенному лицу или организации.

По сути, сертификаты связывают доменные имена с определенным публичным ключом. Это предотвращает возможность того, что злоумышленник предоставит свой публичный ключ, выдавая себя за сервер, к которому обращается клиент.

В примере с телефоном, приведенном выше, хакер может попытаться предъявить мне свой публичный ключ, выдавая себя за моего друга – но подпись на его сертификате не будет принадлежать тому, кому я доверяю.

Чтобы сертификату доверял любой веб-браузер, он должен быть подписан аккредитованным удостоверяющим центром (центром сертификации, Certificate Authority, CA). CA – это компании, выполняющие ручную проверку, того что лицо, пытающееся получить сертификат, удовлетворяет следующим двум условиям:

1. является реально существующим;
2. имеет доступ к домену, сертификат для которого оно пытается получить.

Как только CA удостоверяется в том, что заявитель – реальный и он реально контролирует домен, CA подписывает сертификат для этого сайта, по сути, устанавливая штамп подтверждения на том факте, что публичный ключ сайта действительно принадлежит ему и ему можно доверять.

В ваш браузер уже изначально предзагружен список аккредитованных CA. Если сервер возвращает сертификат, не подписанный аккредитованным CA, то появится большое красное предупреждение. В противном случае, каждый мог бы подписывать фиктивные сертификаты.

Так что даже если хакер взял открытый ключ своего сервера и сгенерировал цифровой сертификат, подтверждающий что этот публичный ключ, ассоциирован с сайтом facebook.com, браузер не поверит в это, поскольку сертификат не подписан аккредитованным CA.

Прочие вещи которые нужно знать о сертификатах

Расширенная валидация

В дополнение к обычным X.509 сертификатам, существуют Extended validation сертификаты, обеспечивающие более высокий уровень доверия. Выдавая такой сертификат, CA совершает еще больше проверок в отношении лица, получающего сертификат (обычно используя паспортные данные или счета).

При получение такого сертификата, браузер отображает в адресной строке зеленую плашку, в дополнение к обычной иконке с замочком.

Обслуживание множества веб-сайтов на одном сервере

Поскольку обмен данными по протоколу TLS происходит еще до начала HTTP соединения, могут возникать проблемы в случае, если несколько веб-сайтов расположены на одном и том же веб-сервере, по тому же IP-адресу. Роутинг виртуальных хостов осуществляется веб-сервером, но TLS-соединение возникает еще раньше. Единый сертификат на весь сервер будет использоваться при запросе к любому сайту, расположенному на сервере, что может вызвать

Асимметричные криптографические системы были разработаны в 1970-х годах. Принципиальное отличие асимметричной криптосистемы от криптосистемы симметричного шифрования состоит в том, что для шифрования информации и ее последующего расшифрования используются различные ключи:

открытый ключ K: используется для шифрования информации, вычисляется из секретного ключа k;

секретный ключ k: используется для расшифрования информации, зашифрованной с помощью парного ему открытого ключа K.

Эти ключи различаются таким образом, что с помощью вычислений нельзя вывести секретный ключ k из открытого ключа K . Поэтому открытый ключ K может свободно передаваться по каналам связи.

Асимметричные системы называют еще двухключевыми криптографическими системами или криптосистемами с открытым ключом.

Обобщенная схема асимметричной криптосистемы шифрования

Для криптографического закрытия и последующего расшифрования передаваемой информации используются открытый и секретный ключи получателя В сообщения. В качестве ключа зашифрования должен использоваться открытый ключ получателя, а в качестве ключа расшифрования – его секретный ключ.

Секретный и открытый ключи генерируются попарно. Секретный ключ должен оставаться у его владельца; он должен быть надежно защищен от несанкционированного доступа (аналогично ключу шифрования в симметричных алгоритмах). Копия открытого ключа должна иметься у каждого абонента криптографической сети, с которым обменивается информацией владелец секретного ключа.

Процесс шифрования и передачи сообщения

Процесс передачи зашифрованной информации в асимметричной криптосистеме осуществляется следующим образом:

1.Подготовительный этап.

Абонент В генерирует пару ключей: секретный ключ k B и открытый ключ К в . Открытый ключ К в посылается абоненту А и остальным абонентам (или делается доступным, например, на разделяемом ресурсе).

2.Использование - обмен информацией между абонентами А и В.

Абонент А зашифровывает сообщение с помощью открытого ключа К В абонента В и отправляет шифротекст абоненту В . Абонент В расшифровывает сообщение с помощью своего секретного ключа k B . Никто другой (в том числе абонент А ) не может расшифровать данное сообщение, так как не имеет секретного ключа абонента В . Защита информации в асимметричной криптосистеме основана на секретности ключа k B получателя сообщения

Односторонние функции

Асимметричные алгоритмы основаны на использовании односторонних функций.

Функция F:X→Y называется односторонней, если выполняются следующие два условия:

существует эффективный алгоритм, вычисляющий F(x) для любого x ∈ X ;

не существует эффективного алгоритма инвертирования функции F , т.е. алгоритма, позволяющего определить значение x по значению F(x) .

«Эффективным» называется полиномиальный алгоритм, т.е. алгоритм, который для получения результата для входа длины n тратит не более P(n) шагов, где P - некоторый полином.

Не любая односторонняя функция не может быть использована для шифрования. Действительно, если преобразовать открытый текст t с помощью односторонней функции: c = F(t) , то расшифровать полученный текст, то есть по c восстановить t , не сможет уже никто, в том числе и законный получатель. Для использования в криптографии необходимо, чтобы задача инвертирования шифрующего преобразования (т.е. вычисления t по F(t) ) была разрешима за приемлемое время, но сделать это мог только тот, кто знает секретный ключ. Такие функции называются односторонними функциями с секретом

Односторонняя функция с секретом - это функция F k : X → Y , зависящая от параметра k ∈ K (этот параметр называется секретом), для которой выполняются следующие условия:

при любом k ∈ K существует эффективный алгоритм, вычисляющий F k (x ) для любого x ∈ X ;

при неизвестном k не существует эффективного алгоритма инвертирования функции F k ;

при известном k существует эффективный алгоритм инвертирования функции F k .

Алгоритм RSA

В криптографической системе с открытым ключом каждый участник располагает как открытым ключом, так и закрытым ключом. В криптографической системе RSA каждый ключ состоит из пары целых чисел. Каждый участник создаёт свой открытый и закрытый ключ самостоятельно. Закрытый ключ каждый из них держит в секрете, а открытые ключи можно сообщать кому угодно или даже публиковать их.

Взаимно простыми числами называются такие числа, которые не имеют ни одного общего делителя, кроме 1.

Функция Эйлера  (p ) от натурального p есть количество чисел, меньших p и взаимно простых с n (число 1 взаимно просто с любым числом).

Если p - простое число, то  (p ) = p - 1.

Если p - простое, a - натуральное число, то  (p a ) = p a - p a -1 .

Если p и q взаимно простые, то  (pq ) =  (p )  (q )

Генерация ключей выполняется по следующему алгоритму:

1. Выбираются два больших простых числа p, q (на сегодняшний день обычно выбирают числа, содержащие от 200 до 400 знаков)

2. вычисляется их произведение n , которое не может быть разложено на множители за разумное время. Данное произведение называется модулем

3 . Вычисляется значение функции Эйлера

φ(n) = φ(pq ) = (p − 1)(q − 1).

4. Выбирается целое число e (1< e <  (n )) , взаимно простое со значением  (n ) . Обычно в качестве e берут простые числа, содержащие небольшое количество единичных бит в двоичной записи, например, простые числа Ферма 17, 257 или 65537. Число e называется открытой экспонентой

5. Вычисляется число d , удовлетворяющее условию:

de 1(mod (n ))

или в другом виде:

de=1+k (n )

Число d называется секретной экспонентой

6. Пара P = (e , n ) публикуется в качестве открытого ключа системы RSA.

7. Пара S = (d , n ) называется секретным ключом RSA и держится в тайне.

1. Шифрование сообщения

Чтобы зашифровать данные по известному ключу P = (e,n) необходимо разбить шифруемый текст на боки, каждый из которых может быть представлен в виде числа M(i) = 0, 1, … , n-1. Далее текст шифруется как последовательность чисел M(i), преобразованных по следующей формуле:

C(i) = M(i)emod(n)

2. Расшифровка сообщения

Чтобы расшифровать сообщение используя секретный ключ P=(d,n) необходимо каждое число из последовательности в зашифрованном сообщении преобразовать по формуле:

M(i) = C(i)dmod(n)

В результате будет получено множество чисел M(i), которое представляет собой исходный текст.

Постановка задачи защиты информации (Security challenge)

Схема симметричного шифрования

Формально симметричная схема шифрования может быть описана следующим образом:

SE = (K, E, D) , где

• K - алгоритм генерации ключа K,
• E(M, K) = C - алгоритм шифрования открытого текста M на ключе K, результатом которого является шифротекст C,
• D(C, K) = M - алгоритм расшифрования шифротекста C на ключе K, результатом которого является открытый текст M

Процесс обмена сообщениями можно описать следующим образом:

Отправитель шифрует сообщение, используя определенный алгоритм шифрования, на вход которому подаются исходное (незашифрованное) сообщение и ключ. Выходом алгоритма является зашифрованное сообщение. Ключ является значением, не зависящим от шифруемого сообщения. Изменение ключа должно приводить к изменению зашифрованного сообщения.

Зашифрованное сообщение передается получателю. Получатель преобразует зашифрованное сообщение в исходное с помощью алгоритма расшифрования и того же самого ключа, который использовался при шифровании, или ключа, легко получаемого из ключа шифрования.

Наиболее важный компонент схемы симметричного шифрования - используемый в ней алгоритм шифрования. В настоящее время выделяют блочные и поточные алгоритмы шифрования:

• блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит, как например в DES или AES), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами.
• поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования.

На практике, грань между блочными и поточными алгоритмами шифрования довольно размытая (поточный шифр может быть легко создан на основе блочного, например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования).

Схемы шифрования, используемые в блочных шифрах, принято также называть режимами шифрования.

Вот некоторые из симметричных схем шифрования:

1. (ECB) Electronic Code Book (Режим электронной кодовой книги)
   • (ECB CTS
2. (CBC) Cipher Block Chaining Режим сцепления блоков шифротекста
   • (CBC CTS) CipherText Stealing (Захват зашифрованного текста)
   1. () block chaining Режим сцепления блоков
   2. (CBC$) Cipher Block Chaining with random IV (initialization vector) Режим сцепления блоков со случайным вектором инициализации
   3. (CBCC) cipher block chaining with checksum Режим сцепления блоков шифротекста с контрольной суммой
   4. (PCBC) propagating cipher block chaining Режим сцепления блоков с распространением ошибок
   5. (CBCPD) cipher block chaining of plaintext difference Сцепления блоков текста по различиям открытого текста
3. (CFB) Cipher Feed Back Режим обратной связи по шифротексту
4. (OFB) Output Feed Back Режим обратной связи по выходу
5. (OFBNLF) output feedback with a nonlinear function Режим нелинейной обратной связи по выходу
6. (PBC) plaintext block chaining Сцепление блоков открытого текста
7. (PFB) plaintext feedback Режим обратной связи по открытому тексту
8. (CTR) Counter Режим счетчика
9. Кратное шифрование
   1. Двойное
      • Метод Дэвиса-Прайса
   2. Тройное
      • Схема Тачмена
      • Схема с тремя ключами

Основные криптографические конструкции и их стойкость (Cryptographic primitives and/or protocols)

Криптографическая стойкость симметричных схем шифрования практически полностью зависит от используемого в ней симметричного алгоритма шифрования. Как правило, при анализе стойкости симметричного (одноключевого) алгоритма подразумевается, что используется наиболее простая схема шифрования - ECB. Использование других схем может улучшить некоторые свойства алгоритма, в определенных случаях, но никак не наоборот.

Для обеспечения надежности симметричных алгоритмов шифрования необходимо:

• криптографический алгоритм должен быть достаточно стойким, чтобы передаваемое зашифрованное сообщение невозможно было расшифровать без ключа, используя только различные статистические закономерности зашифрованного сообщения или какие-либо другие способы его анализа.
• безопасность передаваемого сообщения должна зависеть от секретности ключа, но не от секретности алгоритма. Алгоритм должен быть проанализирован специалистами, чтобы исключить наличие слабых мест, при наличии которых плохо скрыта взаимосвязь между незашифрованным и зашифрованным сообщениями.
• алгоритм не должен нарушать секретность ключа, даже если у противника достаточно много пар открытых текстов и соответствующих им шифротекстов, полученных при использовании данного ключа.

Как правило, подразумевается, что участники шифрованного обмена информацией полностью доверяют друг другу, иначе при возникновении споров и разногласий по поводу достоверности сообщения, независимый наблюдатель не сможет сказать кем оно было отправлено.

Симметричные криптосхемы, как правило, характеризуются высокой скоростью шифрования/расшифрования, что позволяет использовать их для быстрого шифрования больших объемов информации. К тому же, с помощью некоторых из них возможно обеспечить все три свойства безопасности информации: конфиденциальность, подлинность, целостность.

• Конфиденциальность передачи зависит от надежности шифра и обеспечения конфиденциальности ключа шифрования.
• Подлинность обеспечивается за счет того, что без предварительного расшифровывания практически невозможно осуществить смысловую модификацию и подлог криптографически закрытого сообщения. Фальшивое сообщение не может быть правильно зашифровано без знания секретного ключа.
• Целостность данных обеспечивается присоединением к передаваемым данным специального кода (имитовставки), вырабатываемой по секретному ключу. Имитовставка является разновидностью контрольной суммы, т. е. некоторой эталонной характеристикой сообщения, по которой осуществляется проверка целостности последнего. Алгоритм формирования имитовставки должен обеспечивать ее зависимость по некоторому сложному криптографическому закону от каждого бита сообщения. Проверка целостности сообщения выполняется получателем сообщения путем выработки по секретному ключу имитовставки, соответствующей полученному сообщению, и ее сравнения с полученным значением имитовставки. При совпадении делается вывод о том, что информация не была модифицирована на пути от отправителя к получателю.

Обладая высокой скоростью шифрования, одноключевые криптосистемы позволяют решать многие важные задачи защиты информации (так, очень эффективно использовать симметричные алгоритмы для шифрования локальных ресурсов, жесткого диска, например). Однако автономное использование симметричных криптосистем в компьютерных сетях порождает проблему распределения ключей шифрования между пользователями.

Практические применения криптографических конструкций, особенности их реализации (Practical issues)

Практическое применение схем шифрования можно увидеть во многих сферах нашей жизни, к примеру, схему ECB используют для шифрования ключей, схемы CBC и CFB используют для аутентификации данных, схему CFB, кроме того, используют для шифрования отдельных символов. Схему OFB нередко используется в каналах с большими помехами (например, спутниковые системы связи). PCBC схему шифрования используют протоколы Kerberos v4 и WASTE

Мало кто знает как именно работает асимметричное шифрование. К примеру есть люди которые не считают протокол https какой-либо адекватной защитой передаваемых данных. И как правило на попытку убедить в обратном, они отвечают что-то в духе «если мы передаем зашифрованные данные, то мы должны сказать как их расшифровывать, а эту информацию можно перехватить и, следовательно, расшифровать данные». А на аргументы, что это не так и в основу положено асимметричное шифрование, поступает ответ «Ну и что?».

Ладно, я понимаю, знать все тонкости реализации асимметричного шифрования нужно далеко не всем. Но общий принцип работы, я считаю, должен знать каждый, кто как-либо связан с компьютерами.

Хочу вынести суть данного поста в эту аннотацию: Запомните, асимметричное шифрование безопасно , естественно при выполнении всех условий. И чтобы доказать это я попробую описать алгоритм понятным языком, чтобы каждый смог понять, что он безопасен. Встречайте Алису, Боба и Еву и передачу их секретного сообщения под катом.

Кстати почему Алиса и Боб? Об этом есть кратенькая статья на википедии: Алиса, Боб и Ева . Чтобы было понятнее, Алиса и Боб хотят обменяться сообщениями, а Ева пытается эти сообщения перехватить и прочесть.

Немного истории

Криптография прошлых веков имела одну огромную проблему — проблема передачи ключей. В те времена существовали только так называемые «симметричные» шифры — шифры при котором данные шифруются и расшифровываются одним и тем же ключом.

К примеру, Алиса зашифровала некоторое сообщение и хочет отправить его Бобу. Естественно, чтобы Боб его прочитал, ему нужен ключ которым было зашифровано данное сообщение. И тут возникает проблема, как передать ключ чтобы его никто не смог перехватить. Пытливые умы предложат — пусть передают при личной встрече, а потом общаются сколько захотят. Да, не спорю, выход. А теперь представьте на секунду, что ваша интернет почта, перед тем как вы авторизируетесь в ней, потребует вашей поездки до физического местоположения сервера с почтой. Удобно? Пожалуй не очень.

Конечно ключ можно передавать по другому каналу связи. Но криптография рассматривает все незащищенные каналы связи как небезопасные. То есть передача ключа Бобу по телефону, например, считается небезопасной так, как ничто не мешает Еве прослушивать и телефон в том числе.

До 70-ых годов, эта проблема настолько стала привычной, что считался аксиомой тот факт, что для передачи сообщения нужно передавать и ключ которым сообщение зашифровано (причем некоторых люди до сих пор считают именно так). Но в 76 году Диффи и Хеллман предложили свой «метод экспоненциального обмена ключей». С этих годов и началось развитие асимметричных криптосистем.

Немножко реальной жизни

Прежде чем изучать какой либо алгоритм, нужно представить как он работает. И самый простой способ — это сравнить его с работой чего-то в реальности.

Представим что Алиса и Боб живут в стране, в которой вся почтовая система абсолютно аморальна и почтовые служащие читают всю незащищенную корреспонденцию. Алиса, девочка не глупая, прежде чем отправить сообщение Бобу, взяла железный ящик и, положив внутрь письмо и закрыв его на свой замок, отправляет этот ящик Бобу.

Естественно на почте прочитать это письмо не могут, но его не может прочитать и сам Боб, так как у него нет ключа которым закрыт замок. Алиса, конечно, может взять еще один железный ящик, положить в него ключ от предыдущего, и отправить его Бобу, но его Боб тоже не сможет открыть…

Единственный путь это все же сделать дубликат ключа и дать его Бобу при личной встрече…

И вот начинает казаться что обмен ключами является неизбежной частью шифрования — или все-таки нет?

Представим другую картину. Распишу пошагово:

1. Алиса кладет свое письмо в железный ящик и, заперев его на замок, отправляет Бобу.
2. Боб при получении ящика, (внимание!) берет свой замок и, дополнительно заперев им ящик, отправляет обратно.
3. Алисе ящик приходит уже с двумя замками (напомню с первым замком Алисы от которого у нее есть ключ, и со вторым — Боба, от которого ключ есть есть только у Боба).
4. Алиса снимает свой замок, и отправляет ящик обратно Бобу
5. Бобу приходит ящик с уже одним его замком от которого у него есть ключ
6. Боб отпирает оставшийся его замок своим ключом, и читает сообщение

Значение этой кратенькой истории огромно. Она показывает что два человека могут передавать секретное сообщение без обмена ключами. Вдумайтесь! Эта история фактически рушит все аксиомы на которых была построена тогдашняя криптография. Да мы получаем некоторое усложнение процесса (ящик пришлось пересылать три раза), но результат…

Вернемся к криптографии

Казалось бы решение найдено. Отправитель и принимающий шифруют свое сообщение, и затем собеседники поочередно снимают свой шифр.


Но суть в том что не существуют таких шифров, которые бы позволили снять шифр из под другого шифра. То есть этап где Алиса снимает свой шифр невозможен:


К сожалению, все имеющиеся алгоритмы до сих пор требуют снятия шифров в той очереди в которой они были применены. Боюсь назвать это аксиомой (так как история уже знает случаи когда такие аксиомы разбивались в пух и прах), но это так до сих пор.

Вернемся к математике

Идея с ящиком, о которой я описывал выше, вдохновили Диффи и Хеллмана искать способ передачи сообщения. В конце концов они пришли к использованию односторонних функций.

Что такое односторонняя функция? К примеру есть функция удвоение, т.е удвоить(4)=8 , она двухсторонняя, т.к. из результата 8 легко получить исходное значение 4. Односторонняя функция — та функция после применения которой практически невозможно получить исходное значение. К примеру смешивание желтой и синей краски — пример односторонней функции. Смешать их легко , а вот получить обратно исходные компоненты — невозможно . Одна из таких функций в математике — вычисление по модулю .

За основу алгоритма Хеллман предложил функцию Y x (mod P) . Обратное преобразование для такой функции очень сложно, и можно сказать что, по сути, заключается в полном переборе исходных значений.

К примеру вам сказали, что 5 x (mod 7) = 2 , попробуйте найдите x , а? Нашли? А теперь представьте что за Y и P взяты числа порядка 10 300 .

Кстати сказать, для повышения стойкости, число P должно являться простым числом, а Y — являться первообразным корнем по модулю P . Но так как мы все же пытаемся понять теорию, то смысла заморачиваться на этом я не вижу.

Алгоритм Диффи-Хеллмана

И вот однажды Хеллмана осенило и он смог разработать рабочий алгоритм обмена ключами. Для работы по этому алгоритму нужно выполнять шаги на обоих сторонах, поэтому я зарисую это в таблице:

	Алиса	Боб
Этап 1	Оба участника договариваются о значениях Y и P для общей односторонней функции. Эта информация не является секретной. Допустим были выбраны значения 7 и 11 . Общая функция будет выглядеть следующим образом: 7 x (mod 11)
Этап 2	Алиса выбирает случайное число, например 3 A	Боб выбирает случайное число, например 6 , хранит его в секрете, обозначим его как число B
Этап 3	Алиса подставляет число A 7 3 (mod 11) = 343 (mod 11) = 2 a	Боб подставляет число B в общую функцию и вычисляет результат 7 6 (mod 11) = 117649 (mod 11) = 4 , обозначает результат этого вычисления как число b
Этап 4	Алиса передает число a Бобу	Боб передает число b Алисе
Этап 5	Алиса получает b от Боба, и вычисляет значение b A (mod 11) = 4 3 (mod 11) = 64 (mod 11) = 9	Боб получает a от Алисы, и вычисляет значение a B (mod 11) = 2 6 (mod 11) = 64 (mod 11) = 9
Этап 6	Оба участника в итоге получили число 9 . Это и будет являться ключом.

Магия? Не спорю, с первого взгляда непонятно. Но после вчитывания и вдумывания в эту таблицу становится понятно как это работает. Впрочем если понятно не стало, то пролистайте до конца главы, там я выложил поясняющее видео.

Причем обратите внимание, что для получения ключа в конечной формуле, любому человеку нужно иметь три значения:

• Значения a и P , и секретное число Боба B
• или значения b и P , и секретное число Алисы A

Но секретные числа по каналу не передаются! Еве не получится восстановить ключ, не имея чьего-нибудь секретного числа. Почему — я писал выше, данная функция является односторонней. Попробуйте решите уравнение 4 x (mod 11) = 2 y (mod 11) найдя x и y .

Чтобы было понятнее, как работает схема Хеллмана, представьте шифр, в котором в качестве ключа каким-то образом используется цвет:

Допустим вначале, что у всех, включая Алису, Боба и Еву, имеется трехлитровая банка, в которую налит один литр желтой краски. Если Алиса и Боб хотят договориться о секретном ключе, они добавляют в свои банки по одному литру своей собственной секретной краски.

Алиса может добавить краску фиолетового оттенка, а Боб — малинового. После этого каждый из них посылает свою банку с перемешанным содержимым другому.

И наконец, Алиса берет смесь Боба и подливает в нее один литр своей секретной краски, а Боб берет смесь Алисы и добавляет в нее один литр своей секретной краски. Краска в обеих банках теперь станет одного цвета, поскольку в каждой находится по одному литру желтой, фиолетовой и малиновой краски.

Именно этот цвет, полученный при добавлении дважды в банки красок, и будет использоваться как ключ. Алиса понятия не имеет, какую краску добавил Боб, а Боб также не представляет, какую краску налила Алиса, но оба они достигли одного и того же результата.

Между тем Ева в ярости. Даже если она и сумеет перехватить банки с промежуточным продуктом, ей не удастся определить конечный цвет, который и будет согласованным ключом. Ева может видеть цвет краски, полученной при перемешивании желтой краски и секретной краски Алисы в банке, отправленной Бобу, и она может видеть цвет краски, полученной при перемешивании желтой краски и секретной краски Боба в банке, отправленной Алисе, но чтобы найти ключ, ей, на самом деле, необходимо знать цвета исходных секретных красок Алисы и Боба. Однако, рассматривая банки с перемешанными красками, Ева не сможет определить секретные краски Алисы и Боба. Даже если она возьмет образец одной из смешанных красок, ей не удастся разделить ее на исходные краски, чтобы найти секретную, поскольку смешивание краски является односторонней функцией.

Все равно непонятно? Тогда смотрим видео:

Что же, надеюсь, вы поняли, что существует вполне реальный способ безопасного обмена ключами. Но прошу заметить, назвать этот алгоритм асимметричным шифром пока нельзя, так как по сути это всего лишь алгоритм обмена ключами.

Асимметричное шифрование

асимметричный алгоритм предполагает под собой наличие двух ключей — публичного и приватного. То есть сообщение шифруется публичным ключом, а расшифровывается приватным и ни как иначе. Собственно именно эту концепцию сформулировал Диффи.

В общем суть данного алгоритма заключается в том, что принимающая сторона перед приемкой сообщения генерирует пару ключей на основе алгоритма модульной арифметики (принцип такой же как и в алгоритме Диффи-Хеллмана), собственно приватный и публичный ключ. Отправитель перед отправкой получает публичный ключ и шифрует сообщение данным ключом, после чего данное сообщение можно расшифровать только приватным ключом, который хранится в секрете у принимающей стороны.


Если вернуться к аналогии с замками, то шифрование с открытым ключом можно представить себе следующим образом:

Любой способен запереть замок, просто защелкнув его, чтобы он закрылся, но отпереть его может только тот, у кого есть ключ. Запереть замок (зашифровывание) легко, почти все могут это сделать, но открыть его (расшифровывание) имеет возможность только владелец ключа. Понимание того, как защелкнуть замок, чтобы он закрылся, ничего не скажет вам, как его отпереть.

Можно провести и более глубокую аналогию.

Представьте, что Алиса проектирует замок и ключ. Она бдительно охраняет ключ, но при этом изготавливает тысячи дубликатов замков и рассылает их по почтовым отделениям по всему миру. Если Боб хочет послать сообщение, он кладет его в коробку, идет на местный почтамт, просит «замок Алисы» и запирает им коробку. Теперь уже ему не удастся открыть коробку, но когда коробку получит Алиса, она сможет открыть ее своим единственным ключом.

Замок и защелкивание его, чтобы он закрылся, эквивалентны общему ключу для зашифровывания, поскольку все имеют доступ к замкам и все могут воспользоваться замком, чтобы закрыть сообщение в коробке. Ключ от замка эквивалентен секретному ключу для расшифровывания, потому что он имеется только у Алисы, только она сможет открыть замок, и только она сможет получить доступ к находящемуся в коробке сообщению.

Есть несколько алгоритмов реализующих асимметричное шифрование. Самый известный из них — RSA. Расписывать его я не вижу смысла, так как понять как он работает с ходу все равно не получится, да и лучше чем написано на википедии я написать все равно не смогу.

Заключение

Что же, надеюсь что, поняв как работает асимметричное шифрование изнутри, вы станете больше ему доверять и соответственно чаще пользоваться SSL =)

Использовались материалы из книги Сингх Саймон — Книга шифров. Кстати, самая лучшая книга для тех кто хочет хотя бы чуточку разбираться в криптографии. Всем советую прочитать.

1. tv

   Подбор такого ключа у вас займет времени ну оооочень много. Чуть больше чем существует вселенная. Даже на очень мощных компьютерах.

2. Игорь

   Для чего нужна эта ахинея с открытыми ключами? Симметричные надёжней.
   Добрый день!
   Хороший сайт, понятно изложен материал, огромное спасибо автору. Попал сюда случайно в сентябре, когда искал информацию по практическому шифрованию.
   Пишу потому, что хочу спросить: Есть желающие узнать как найти числа для симметричного шифрования? Могу научить на пальцах как быстро проверить число Р на простоту (без поиска числа g) — но это вряд ли будет интересно. Самое интересное:
   Найти число Р любой длины и число g к нему. Никакие 2 в степени n плюс один (или минус один) при этом не использую. Естественно, это бесплатно. Есть даже сайт, где я выложил свою работу.

Уася Петровичъ

Понимаю что прошло много времени, но все же отвечу для таких же как я новых читателей.

Это не сработает, т.к. после действий 2 и 3 мы видим разницу, на которую изменилось число каждого из блоков, следовательно нам становится очевидно секретное число Боба и нам остается только перехватить сообщение после 4-го действия (т.е. уже без шифра Алисы) и воспользоваться уже известным нам числом Боба.

Евгений

Огромное спасибо за статью!
После прочтения почти все легло на свои полочки, обрело структуру, которую легко наращивать.
Имея такую структуру легко генерировать правильные вопросы (полочка для атак MiTM, отдельное спасибо Михаилу:)).

С точки зрения педагогики Вы сделали все идеально. Думаю Вы правы, что не добавили в эту статью атаки MiTM иначе был бы перегруз информационный.

Видео прелестное, особенно учитывая его возраст.

PS: использование метафор для объяснения «сложных» систем честно говоря трудно переоценить. Еще раз спасибо!

dbzix

Из этой статьи я не уловил момент перехода от алгоритма Диффи-Хеллмана, где два абонента для получения секретного ключа обмениваются публичными данными и промежуточными результатами вычислений (в примере получилось целых 6 этапов) к тому этапу, где для шифрования используется некий публичный ключ, который затем дешифруется при помощи приватного (я здесь насчитываю всего 2 этапа передачи данных — отправка публичного ключа и отправка зашифрованного этим ключом сообщения).
Т.е. я понимаю, что где-то между двумя этими объяснениями наверняка кроется много математики, и в итоге объяснение сводится к «это работает именно так, просто поверь». Но было бы наверное проще понять этот внезапный переход, если бы аналогию с красками распространили на объяснение сути шифрования публичным ключом с последующим дешифрованием приватным. А пока получается какое-то «Б работает потому-что А», в то время как между А и Б чёткой связи не прослеживается. По крайней мере для меня.
Уважаемый автор, не будете ли вы так любезны пояснить мне сей мистический прыжок от А к Б? :) Спасибо!

Евгений

Добрый день,

Дано: есть формула Y^x (mod P).
пример в статье основывается на формуле 7^x (mod 11)

я взял для своего примера 4^x (mod 7)
и у меня не получилось прийти к общему ключу.
Вопрос: почему алгоритм в примере работает для 7^x (mod 11) и не работает для 4^x (mod 7)?

Jessi-jane

Андрей

Спасибо, статья отличная!
Только вот чуть не разобрался в алгоритме, в том, как высчитывать через модуль.
Не подскажите, как высчитывать число В, если число А меньше модуля?
Ну например:
3(mod 13) = ?

Я знаю, что если, например, нужно высчитать 625(mod 13), нужно 625/13, а потом наибольший возможный целый делитель (48) умножить на модуль (что здесь будет равняться 624), и наконец 625-624 = 1
Числа 625 и 1 сравнимы по модулю 13, так как 624 делится на 13.
Вот это я понимаю. А вот как быть если модуль больше числа а?

Yellow Horror

1. Атака «человек посередине», это серьёзная проблема. Насколько я могу судить, в рамках одной только криптографии она в принципе не решается: если принять, что Ева способна перехватить и незаметно подменить ВСЕ данные, поступающие к Алисе или исходящие от неё по ЛЮБЫМ каналам связи, никакое шифрование не поможет. Как минимум один сертификат должен быть получен Алисой из абсолютно надёжного источника. Но в случае, если злоумышленник может только прослушивать канал связи, а не менять данные в нём, асимметричное шифрование вполне надёжно.
2. Что касается возможности снимать один «слой шифра» из-под другого, этим свойством обладает банальная функция XOR, широко используемая в криптографии с древнейших времён по сей день. Не думаю, что её можно запатентовать:(

1. Дмитрий Амиров Автор

   Да вы правы, атака mitm на сегодняшний день не решается никак если быть абсолютным параноиком. Если же им не быть то возня с сертификатами и подписями обеспечивают «необходимую и достаточную» защиту.

   Что касается функиции XOR — ее сложно назвать шифром, т.к. им она по своей сути не является.

   1. Yellow Horror

      Да ладно? Погуглите про «Шифр Вернама». Это система передачи сообщений с абсолютной криптоустойчивостью. И основана она именно на XOR. Если оставить в стороне некоторые организационные сложности (создание истинно случайных ключей с равномерным распределением, сохранение тайны шифроблокнота в недружелюбном окружении и надёжное уничтожение использованных ключей), ничего проще и надёжнее человечество ещё не придумало.

   2. Yellow Horror

      Хотя, по здравом размышлении, я понял, что метод с двойным обратимым шифрованием не работает, если злоумышленник знает алгоритм шифрования. Рассмотрим на примере идеи Михаила:

      1. Разбиваем шифруемую информацию на блоки. Каждый блок представлен числом. Размер блока (кол-во бит) определяет кол-во возможных значений блока и (соответственно?) стойкость шифрования.
      2. Алиса для шифрования сообщения выбирает секретное число (которое никому не отправляет), которое прибавляет к каждому из чисел в блоках и отправляет зашифрованное таким образом сообщение Бобу.

      Пока всё в порядке: Ева не может прочесть сообщение Алисы, т.к. не знает число-ключ. Если блоки достаточно велики, восстановить сообщение Алисы сложно, а если блок длиннее сообщения и ключ не имеет уязвимостей — невозможно. Но Ева может скопировать шифрограмму Алисы и делает это.

      3. Боб принимает зашифрованное сообщение, выбирает своё секретное число (которое также никому не отправляет), прибавляет это число к каждому из чисел в блоках зашифрованного Алисой сообщения и отправляет это двукратно зашифрованное сообщение Алисе.

      А вот тут уже начинаются проблемы: Ева всё ещё не может прочесть сообщение Алисы, но, располагая копией полученной Бобом шифрограммы и отправленной им двойной шифровкой, без проблем восстанавливает ключ Боба.

      4. Алиса вычитает своё секретное число из каждого числа в блоках этого двукратно зашифрованного сообщения и отправляет получившееся сообщение Бобу.

      Алиса сняла свой «слой» шифра и теперь пересылает Бобу своё письмо, зашифрованное только ключом Боба. Который у Евы уже есть! Ева расшифровывает письмо и читает его, а также на всякий случай может восстановить ключ Алисы, пользуясь расшифрованным текстом письма и первой перехваченной ею шифрограммой.

Dmitriy

Здравствуйте. Хорошая статья, но я тоже не понял некоторые моменты, которые описали выше.
Именно переход от алгоритма получения секретного ключа обоими собеседниками (Алиса и Боб) (без их выкладывания в публичный доступ) к асимметричному шифрованию.
У вас написано, что сообщение кодируется на стороне Алисы публичным ключем, полученным от Боба. Но если мы зашифруем публичным ключём, то Ева сможет легко его получить и сама расшифровать, верно?
Ещё для меня осталось непонятным, как можно зашифровать публичным ключём и расшифровать только секретным на стороне Боба. То есть зашифровали словом «Дом» , а расшифровали словом «Мир» . Для меня это какая-то несуразица.
Исходя из этих очевидных пробелов (или у вас, или у меня) , я сделал вывод, что тут схема должна быть посложнее, чем на картинке. Скорее всего под стрелочкой от публичного ключа Боба к Алисе имеется в виду другое, а именно вся последовательность действий по получению «Y» и «P», получению промежуточных результатов и тд. Иными словами, я думаю, что при шифровке исходного сообщения якобы публичным ключем, на самом деле шифруется не публичным, а уже секретным, который вычисляется на каждой стороне по отдельности.

Ещё у меня возник вопрос о расшифровки дважды зашифрованного сообщения. Если взять,допустим, шифр Цезаря, где каждая буква шифруется другой буквой, стоящей, скажем, на 3 позиции дальше. Если Алиса зашифрует букву А в сообщении буквой Б, а потом Боб зашифрует эту букву Б буквой Г, то получить букву А из Г будет просто, причём в любом порядке. Правда это скорее всего будет работать только в тех случаях, если оба знают тип шифрации собеседника и при достаточно простых типах шифрации (моноалфавитные/полиалфавитные). Я тоже новичок в криптографии, так что это моё имхо;)

1. Dmitriy

   Забыл ещё спросить.
   В чём разница между симметричным и асимметричным способами?
   

   1. Dmitriy

      Я почитал, более менее как-то всё сгрупировал в уме.
      Отвечу на вопросы мною написаные, возможно, помогая тем самым другим читателям.
      1. По поводу

      У вас написано, что сообщение кодируется на стороне Алисы публичным ключем, полученным от Боба. Но если мы зашифруем публичным ключём, то Ева сможет легко его получить и сама расшифровать, верно?
      Ещё для меня осталось непонятным, как можно зашифровать публичным ключём и расшифровать только секретным на стороне Боба. То есть зашифровали словом «Дом» , а расшифровали словом «Мир» . Для меня это какая-то несуразица.

      В этой статье упомянут алгоритм RSA. Алгоритм симметричного шифрования. В нём действительно используется следующий алгоритм:
      1) Опираясь на некую одностороннюю функцию шифрования (функция, которую легко посчитать в одну сторону, но очень трудно в другую. А) мы создаём на получателе пару {открытый ключ;закрытый ключ}. Эта пара уникальна, то есть каждому открытому ключу соответствует уникальный закрытый ключ под эту одностороннюю функцию.
      
      3)Отправитель шифрует сообщение
      4)Передаёт получателю
      

      Как видите, отправитель не знает закрытого ключа и он не в состоянии сам расшифровать своё же зашифрованное сообщение. Потому он и называется асимметричным, что у одного есть все ключи, а у другого только лишь часть, необходимая для шифрации.

      В чём разница между симметричным и асимметричным способами?
      Если я воспользовался алгоритмом Диффи и Хеллмана для передачи секретного ключа, а потом смог безопасно передать зашифрованное сообщение, то будет ли этот способ симметричным?

      Алгоритм Дэффи-Хелмана, который служит для обмена ключами и дальнейшим симметричным шифрованием . То есть его суть в том, что сначала оба получают полный ключ для шифрации и дешифрации и потом уже начинают самое обычное симметричное шифрование.

      Асимметричный способ — у одного узла есть вся информация для шифр./дешифр., а у другого, как правило, только для шифрации

      Симметричный — оба узла знают всю информацию для шифр./дешифр.

      Надеюсь, что кому-то помог;3

      1. Dmitriy

         В этой статье упомянут алгоритм RSA. Алгоритм Асимметричного шифрования Опечатался.

      2. Дмитрий Амиров Автор

         Гм… только сейчас заметил ваши комментарии. Приношу свои извинения.

         Все вроде верно. Есть одно но по вашему последнему абзацу, а конкретно термины:

         • Алгоритм Дэффи-Хелмана — является алгоритмом позволяющим получить один общий секретный ключ и не более того
         • Ассиметричное/симметричное шифрование — в целом у Вас все верно
         • RSA — алгоритм являющий собой совокупность этих вещей. На пальцах: с помощью ассимтричного шифрования по протоколу Деффи-Хелмена устанавливается секретный ключ с помощью которого уже методом симметричного шифрования шифруются сообщения между собеседниками.
      3. Дмитрий

         Я все равно не понял утверждение:
         2)Открытый ключ передаётся отправителю.
         3) Отправитель шифрует сообщение
         4)Передаёт получателю
         5)Получатель дешифрует с помощью закрытого ключа. Это сообщение нельзя дешифровать с помощью открытого ключа.

         Получается то, что Вы и мели ввиду с самого начала. Шифруем словом Дом, а дешифруем словом Мир. Означет ли это, что присутствует еще один алгоритм связующий Мир и Дом между собой?

Роберт

Спасибо огромное!!!

Роман

Спасибо. Решил наконец разобраться, как это работает и понял из этой статьи. Только, я считаю, если сообщники знают друг друга и есть возможность обменяться безопасно открытыми ключами, то так и стоит сделать. Чтобы исключить пагубное воздействие возможного появления человека посередине при обмене ключами, который будет прикидываться А как Б и Б как А подменяя ключи на свои и просматривая в итоге всю информацию.

А в видео, думаю, зря они используют вот это вот 3^(24*54), т.к. вообще не очевидно откуда оно взялось, или пояснили бы, что это условно.

RinswinD

Спасибо за статью. Всё очень доступно разъясняется.

grigory

Ну раздражает ведь всех эта неграмотность правописания — «одностороняя» , «примененны», «длинна», как будто уж в 5-м классе. А так, неплохо для понимания основ.

grigory

Бывает, что вопрос стоит просто. Вирусы-шифровальщики используют закрытый ключ. Есть оригинальный файл, есть файл зашифрованный. Задача: найти алгоритм, сказать так, который ищет алгоритм преобразования первого файла во второй…

Allexys

Благодарю за понятную и нескучную статью! Наконец-то я врубился в основы:).

Ярослав

К сожалению, все имеющиеся алгоритмы до сих пор требуют снятия шифров в той очереди в которой они были применены.

Это не совсем так. приведу пример:
— предположим что каждой букве соответствует цифровой код А = 1, Б = 2, В = 3 и т.д.;
— предположим что Алиса отправляет Бобу письмо, состоящее из единственной буквы А (для упрощения примера);

Алиса: накладывает свой шифр А + 2 = В

Боб: накладывает свой шифр В + 3 = Е
Боб: отправляет письмо Алисе
Алиса: снимает свой шифр Е — 2 = Г
Алиса: отправляет письмо Бобу
Боб: снимает свой шифр Г — 3 = А

Здесь число 2 — секретный ключ Алисы, 3 — секретный ключ Боба. Причем он может быть и не односимвольным. В принципе его длина ничем не ограничена.

Дмитрий

Я долго обходил стороной теоретические основы ассиметричного шифрования. Знал поверхностно — есть открытый ключ, которым шифруются данные, и есть закрытый, которым эти данные дешифруются. Но меня всегда напрягала мысль о реализации подобного шифрования.
Ваша статья во многом помогла, за это огромное вам спасибо!
Только к ее концу я опять увидел эту несуразицу — «шифруется открытым ключом». Ведь, строго говоря, шифруется сообщение не открытым ключом, а ключом, полученным на основе закрытого ключа отправителя и открытого ключа получателя (который, в свою очередь, был сгенерирован на основе закрытого ключа получателя). Ведь в таблице про Алису и Боба — они и только они смогли получить один и тот же ключ «9» — он и используется для шифрации и дешифрации сообщения. А вот получить этот ключ можно только на основе пары ключей — секретного (Алисы/Боба) и публичного(Боба/Алисы).
Образно — да, сообщение шифруется всегда секретным ключом отправителя (он, грубо говоря, постоянен) и публичным ключом получателя (он зависит от конкретного получателя), поэтому в описании шифрация «секретным» ключом опускается — и это опущение ломает всю стройность рассуждений.

кларксон

прочел статью и не очень всеравно понял, хоть и лучше чем на вики. Но одно мне не понимается только. если ктот может ответить правильно — помогите.

если я всем посылаю вопрос «сколько будет 2+2?», рассказываю как зашифровать ответ мне (рассказываю всем публичный ключ), и все мне направят ответ на вопрос, как я узнаю того, от кого именно я жду ответа, тобиш того с кем я хотел установить связь на самом деле?

1. Дмитрий Амиров Автор

   Тут вы немного неправильно ставите вопрос.

   Если вам надо с кем то установить связь, то нужно идти от обратного. Вы подключаетесь к собеседнику, и уже он вам предоставляет свой публичный ключ, а не вы ему.

   UPD: написал статью про , я думаю это будет правильный ответ на ваш вопрос.

   1. кларксон

      с моей тупостью придется повоевать. тема расжевана в коментариях и в вашей статье, кажется все обьяснили.

      все же. зачем мне его публик ключ? скажите если я не правильно понимаю.
      я инициатор (мне нужны ответы, в примере я — принимающая сторона), значит генерирую пару. это ему, отвечающему (отправитель в вашем примере) нужен мой публик

      Отправитель перед отправкой получает публичный ключ и шифрует сообщение данным ключем, после чего данное сообщение можно расшифровать только приватным ключем, который хранится в секрете у принимающей стороны.

Beshot

Несколько раз перечитал эту статью и другие по теме, непонятен алгоритм использования ЭЦП в эл. документах. Если так как здесь: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электронная_подпись , то возникают расхождения. Так все таки шифруем с помощью закрытого ключа или открытого?

1. Дмитрий Амиров Автор

   Если мы что то подписываем, то подпись формируем на основе нашего закрытого ключа. А наш публичный ключ должен быть у получателя, с помощью него он сможет эту подпись расшифровать.

   Если подпись «расшифровалась», то значит публичный ключ соответствует закрытому, а т.к. закрытый ключ априори имеется только у отправителя, то значит подписал документ именно отправитель.

   1. Beshot

      Дмитрий, мне очень помогла ваша статья, у вас хороший стиль. Но есть непонятный момент, вы утверждаете, что асимметричный алгоритм предполагает под собой наличие двух ключей – публичного и приватного. То есть сообщение шифруется публичным ключем, а расшифровывается приватным и ни как иначе.

      Может быть дело в исходных задачи, например получателю нужно аутентифицировать посланника.
      Тогда не представляю как эта схема может помочь?

      1. Дмитрий Амиров Автор

         То есть сообщение шифруется публичным ключем, а расшифровывается приватным и ни как иначе.

         Не совсем верно. Сообщение шифруется одним ключом, а расшифровывается другим. Т.е. вполне можно зашифровать приватным, а расшифровать публичным.

         Давайте рассмотрим на примере. Вы хотите мне прислать сообщение, я хочу убедится что прислали его мне именно вы. Поэтапно:
         1) Вы шифруете сообщение закрытым ключом
         2) Присылаете его мне
         3) Я обращаюсь к вам, и получаю от вас Ваш публичный ключ
         4) Полученное сообщение расшифровываю Вашим публичным ключом
         5) Если сообщение расшифровалось — значит послали его именно вы

         Никто другой не сможет послать это сообщение, представившись вами, потому что приватный ключ есть только у вас.

         1. Beshot

            Ок, но как быть если требуется скрыть от любопытных глаз сообщение?

Аня

Добрый день! Статья понравилась, но остались вопросы (даже нашлась пара похожих в комментариях, но без ответов).
Если во второй части статьи всеже перейти к аналогии с Алисой и Бобом, в частности к числам А, В, а, в, Р и к полученному в примере числу 9, что из них будет закрытым ключом, а что открытым? Заранее спасибо за ответ!

1. Аня

   Не понятно, отправился мой комментарий или нет:(

2. Дмитрий Амиров Автор

   Правильнее будет сказать что в процессе обмена данными Алиса и Боб получают общий ключ 9 , который в дальнейшем могут использовать для шифрования своих сообщений. По сути в статье я описывал не само ассиметричное шифрование как таковое, а протокол обмена ключами, который дал толчок к развитию ассиметричного шифрования.
   Алгоритм генерации пары приватный/публичный ключ на самом деле немного сложнее, хотя и похож на выше изложенный алгоритм, но все таки наверное стоит отдельной статьи. В комментарии я не распишу тут сходу, ибо могу много чего напутать.

Григорий

В этой части рассмотрены следующие вопросы:

• Типы шифров
• Шифры подстановки
• Шифры перестановки
• Методы шифрования
• Симметричные и асимметричные алгоритмы
• Симметричная криптография
• Асимметричная криптография
• Блочные и поточные шифры
• Векторы инициализации
• Гибридные методы шифрования

Симметричные шифры делятся на два основных типа: подстановки (substitution) и перестановки (transposition, permutation). Шифры подстановки заменяют биты, символы или блоки на другие биты, символы или блоки. Шифры перестановки не меняют исходный текст, вместо этого они перемещают исходные значения внутри исходного текста – они переставляют биты, символы или блоки символов для скрытия первоначального смысла.

Шифры подстановки используют ключ, который указывает, как следует выполнять подстановку. В шифре Цезаря каждый символ заменялся символом, расположенным на три позиции дальше него в алфавите. Алгоритмом был алфавит, а ключом – инструкция «сдвигать на три символа».

Подстановка используется современными симметричными алгоритмами, но это сложно сравнить с таким простейшим методом, как шифр Цезаря. Однако шифр Цезаря является простым и наглядным примером концепции работы шифра подстановки.

В шифре перестановки значение перемешивается (scrambled) или ставится в другом порядке. Ключ определяет позицию, на которую следует переместить значение, как показано на Рисунке 6-6.

Рисунок 6-6. Шифр перестановки

Это простейший пример шифра перестановки, он показывает только способ выполнения перестановки. Если применяются сложные математические функции, перестановка может стать достаточно сложной для взлома. Современные симметричные алгоритмы используют одновременно и длинные последовательности сложных подстановок и перестановок символов шифруемого сообщения. Алгоритм содержит возможные способы для процессов подстановки и перестановки (представленные в математических формулах). Ключ является инструкциями для алгоритма, точно указывая, как должна происходить обработка и в какой последовательности. Чтобы понять связь между алгоритмом и ключом, взгляните на Рисунок 6-7. Образно говоря, алгоритм создает различные ящики, каждый из которых имеет свой (отличный от других) набор математических формул, указывающих шаги подстановки и перестановки, которые должны быть совершены над попадающими в этот ящик битами. Для шифрования сообщения, значение каждого бита должно пройти через различные ящики. Однако если каждое наше сообщение будет проходить через один и тот же набор ящиков в одинаковой последовательности, злоумышленник легко сможет провести обратный инжиниринг этого процесса, взломать шифр и получить открытый текст нашего сообщения.

Рисунок 6-7. Связь ключа и алгоритма

Чтобы помешать злоумышленнику, используется ключ, представляющий из себя набор значений, которые указывают, какие ящики должны использоваться, в какой последовательности и с какими значениями. Так, если сообщение А шифруется ключом 1, ключ требует, чтобы сообщение прошло через ящики 1, 6, 4 и 5. Когда нам нужно зашифровать сообщение В, мы используем ключ 2, который требует, чтобы сообщение прошло через ящики 8, 3, 2 и 9. Ключ добавляет случайность и секретность в процесс шифрования.

Простые шифры подстановки и перестановки уязвимы к атакам, выполняющим частотный анализ (frequency analysis). В каждом языке некоторые слова и шаблоны используются чаще, чем другие. Например, в тексте на английском языке обычно чаще используется буква «е». При выполнении частотного анализа сообщения, взломщик ищет самые часто повторяющиеся шабоны из 8 бит (составляющих символ). Если в коротком сообщении он нашел, например, 12 восьмибитных шаблонов, он может сделать вывод, что это вероятнее всего буква «е» - самая часто используемая буква в языке. Теперь взломщик может заменить эти биты на букву «е». Это даст ему опору в процессе, который позволит ему провести обратный инжиниринг и восстановить исходное сообщение.

Современные симметричные алгоритмы используют в процессе шифрования методы подстановки и перестановки, но при этом используется (должна использоваться) слишком сложная математика, чтобы позволить быть успешной такой простейшей атаке частотного анализа.

Функции генерации ключей. Для генерации сложных ключей обычно сначала создается мастер-ключ, на основе которого затем генерируются симметричные ключи. Например, если приложение отвечает за создание сеансового ключа для каждого обратившегося к нему субъекта, оно не должно просто раздавать экземпляры одного и того же ключа. Различным субъектам при каждом соединении нужны различные симметричные ключи, чтобы минимизировать продолжительность времени их использования. Даже если атакующий перехватит трафик и взломает ключ, он сможет ознакомиться с переданной информацией только в пределах соответствующего сеанса. В новом сеансе будет использоваться другой ключ. Если два или более ключей формируются на основе мастер-ключа, они называются субключами (subkey).

Функции генерации ключей (KDF – key derivation function) используется для генерации ключей, состоящих из случайных значений. Различные значения могут использоваться независимо или совместно в качестве случайного ключевого материала. Созданы алгоритмы, использующие определенные хэши, пароли и/или «соль», которые много раз проходят через математические функции, указанные алгоритмом. Чем больше раз этот ключевой материал пройдет через указанные функции, тем больший уровень уверенности и безопасности сможет обеспечить криптосистема в целом.


ПРИМЕЧАНИЕ . Помните, что алгоритм остается статичным. Случайность процессов криптографии обеспечивается в основном за счет ключевого материала.

Хотя процесс шифрования состоит из множества частей, можно выделить две его основные части, которыми являются алгоритмы и ключи. Как было сказано ранее, алгоритмы, используемые в компьютерных системах, являются сложными математическими формулами, диктующими правила преобразования открытого текста в шифротекст. Ключ является строкой случайных битов, которая используется алгоритмом для добавления случайности в процесс шифрования. Чтобы два субъекта могли взаимодействовать с использованием шифрования, они должны использовать один и тот же алгоритм и, в ряде случаев, один и тот же ключ. В некоторых технологиях шифрования получатель и отправитель используют один и тот же ключ, тогда как в других технологиях они должны использовать различные, но связанные ключи для зашифрования и расшифрования информации. Следующие разделы объясняют различия двумя этими типами методов шифрования.

Криптографические алгоритмы делятся на симметричные алгоритмы , которые используют симметричные ключи (также называемые секретными ключами (secret key)), и асимметричные алгоритмы , которые используют асимметричные ключи (называемые также открытыми (public key) и закрытыми ключами (private key)).

В криптосистеме, в которой применяется симметричная криптография, отправитель и получатель используют два экземпляра одного и того же ключа для зашифрования и расшифрования информации, как показано на Рисунке 6-8. Таким образом, ключ имеет двойную функциональность и применяется как в процессе зашифрования, так и в процессе расшифрования. Симметричные ключи также называют секретными ключами , т.к. этот тип шифрования предполагает, что каждый из пользователей хранит ключ в секрете и надлежащим образом защищает его. Если атакующий получит этот ключ, он сможет расшифровать с его помощью любое перехваченное зашифрованное на нем сообщение.

Рисунок 6-8. При использовании симметричного алгоритма, отправитель и получатель используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования данных

Каждой паре пользователей, для защищенного с помощью симметричной криптографии обмена данными, требуется два экземпляра одного и того же ключа. Например, если Дену и Ирине нужно обмениваться данными, им обоим нужно получить копию одного ключа. Если Ден хочет также с использованием симметричной криптографии взаимодействовать с Нормом и Дейвом, ему нужно иметь три отдельных ключа – по одному на каждого друга. Это не является большой проблемой, пока Дену не потребуется взаимодействовать с сотней других людей за несколько месяцев и сохранять историю переписки. Ведь это потребует использования соответствующего ключа для переписки с каждым конкретным получателем. В таком случае это может стать сложнейшей задачей. Если десяти людям необходимо безопасно обмениваться данными друг с другом с использованием симметричной криптографии, им потребуется 45 ключей. Если же взаимодействовать нужно ста людям, им потребуется 4950 ключей. Формула для расчета необходимого количества симметричных ключей выглядит следующим образом:

Число ключей = N(N – 1)/2, где N – число абонентов

При использовании симметричных алгоритмов отправитель и получатель используют один и тот же ключ для процессов зашифрования и расшифрования информации. Безопасность таких алгоритмов полностью зависит от того, насколько хорошо пользователи защищают ключи. В таком случае безопасность полностью зависит от персонала, который должен хранить свои ключи в секрете. Если ключ скомпрометирован, все сообщения, зашифрованные на этом ключе, могут быть расшифрованы и прочитаны злоумышленником. В действительности, это еще больше усложняется, поскольку ключи необходимо безопасно распространять и обновлять их при необходимости. Если Дену нужно взаимодействовать с Нормом впервые, Ден должен решить, каким образом безопасно передать Норму ключ. Если он сделает это небезопасно, например, просто отправив ключ по электронной почте, этот ключ может быть легко перехвачен и использован злоумышленником. Поэтому Ден должен передать ключ Норму нестандартным способом. К примеру, Ден может записать ключ на флеш-накопитель и положить его на стол Норму или отправить его Норму с доверенным курьером. Процесс распространения симметричных ключей может стать очень сложной и громоздкой задачей.

Поскольку оба пользователя используют один и тот же ключ для зашифрования и расшифрования сообщений, симметричные криптосистемы могут обеспечить конфиденциальность, но не аутентификацию или неотказуемость . Такой криптографический алгоритм не позволит доказать, кто реально отправил сообщение, т.к. оба пользователя используют один и тот же ключ.

Но если симметричные криптосистемы имеют столько недостатков и проблем, почему они используются почти повсеместно? Потому что они обеспечивают очень высокую скорость обработки данных и их очень трудно взломать. Симметричные алгоритмы гораздо быстрее асимметричных. Они могут сравнительно быстро зашифровывать и расшифровывать большие объемы данных. Кроме того, данные, зашифрованные симметричным алгоритмом с использованием длинного ключа, очень сложно вскрыть.

Следующий список описывает сильные и слабые стороны криптосистем с симметричными ключами:

Сильные стороны:

• Гораздо быстрее асимметричных систем
• При использовании длинного ключа сложно взломать

Слабые стороны:

• Требует безопасного механизма передачи ключей
• Каждой паре пользователей нужен уникальный ключ; по мере увеличении количества пользователей, возрастающее число ключей может сделать управление ими просто нереальной задачей
• Обеспечивает конфиденциальность, но не обеспечивает аутентификацию или неотказуемость

Ниже приведены некоторые примеры симметричных алгоритмов, которые будут подробно рассмотрены позднее в разделе «Блочные и поточные шифры».

• RC4 , RC5 и RC6

Ссылки по теме:

• Security in Open Systems, Node 208, “Symmetric Key Cryptography,” by Paul Markovitz, NIST Special Publication 800-7 (July 1994)

В криптографии с симметричными ключами для зашифрования и расшифрования используется один и тот же секретный ключ, тогда как в системах с открытыми ключами для этих целей используются различные (асимметричные ) ключи. При этом два отличающихся асимметричных ключа связаны между собой математически. Если сообщение зашифровано одним ключом, для его расшифрования требуется другой ключ.

В системах с открытыми ключами, создается пара ключей, один из которых является закрытым, другой – открытым. Открытый ключ (public key) может быть известен всем, а закрытый ключ (private key) должен знать только его владелец. Часто открытые ключи хранятся в каталогах и базах данных адресов электронной почты, общедоступных всем желающим использовать эти ключи для зашифрования и расшифрования данных при взаимодействии с отдельными людьми. Рисунок 6-9 иллюстрирует использование отличающихся асимметричных ключей.
Открытый и закрытый ключи асимметричной криптосистемы математически связаны, однако наличие у кого-то открытого ключа другого человека не позволяет узнать соответствующий ему закрытый ключ. Таким образом, если злоумышленник получит копию открытого ключа Боба, это вовсе не значит, что он с помощью какого-то математического волшебства сможет получить соответствующий ему закрытый ключ Боба. Однако, если кто-то получит закрытый ключ Боба, возникнет большая проблема. Поэтому никто кроме владельца не должен иметь доступа к закрытому ключу.

Рисунок 6-9. Асимметричная криптосистема

Если Боб зашифровал данные на своем закрытом ключе, получателю потребуется открытый ключ Боба, чтобы расшифровать их. Получатель может не только расшифровать сообщение Боба, но и ответить Бобу зашифрованным сообщением. Для этого ему нужно зашифровать свой ответ на открытом ключе Боба, тогда Боб сможет расшифровать этот ответ с помощью своего закрытого ключа. При использовании асимметричного алгоритма, невозможно зашифровывать и расшифровывать сообщение одним и тем же ключом, эти ключи, хотя и связаны математически, они не совпадают (в отличие от симметричных алгоритмов). Боб может зашифровать данные на своем закрытом ключе, тогда получатель сможет расшифровать их на открытом ключе Боба. Расшифровывая сообщение на открытом ключе Боба, получатель может быть уверен, что сообщение действительно исходит от Боба, ведь сообщение может быть расшифровано на открытом ключе Боба только в том случае, если оно было зашифровано на соответствующем закрытом ключе Боба. Это обеспечивает возможность аутентификации, т.к. Боб является (предположительно) единственным, кто имеет этот закрытый ключ. Если получатель хочет быть уверен, что единственным, кто сможет прочитать его ответ, будет Боб, он должен зашифровать свое сообщение Бобу на его открытом ключе. Тогда только Боб сможет расшифровать это сообщение, поскольку только у него есть необходимый для этого закрытый ключ.

Кроме того, получатель может решить зашифровать данных на своем закрытом ключе, а не на открытом ключе Боба. Что это ему даст? Аутентификацию. Боб будет знать, что сообщение пришло от него и не могло придти ни от кого другого. Если он зашифровывает данные на открытом ключе Боба, это не обеспечит аутентификацию, т.к. кто угодно может получить открытый ключ Боба. Если он использует свой закрытый ключ для зашифрования данных, тогда Боб может быть уверен, что сообщение исходит именно от него. Симметричные ключи не обеспечивают аутентификацию, т.к. обе стороны используют один и тот же ключ, что не может гарантировать, что сообщение исходит от конкретного человека.

Если отправителю в большей степени важна конфиденциальность передаваемой информации, ему следует зашифровать свое сообщение на открытом ключе получателя. Это называют безопасным форматом сообщения (secure message format), поскольку только человек, имеющий соответствующий закрытый ключ, сможет расшифровать это сообщение.

Если же отправителю в большей степени важна аутентификация, ему следует зашифровывать передаваемые данные на своем закрытом ключе. Это позволит получателю быть уверенным в том, что зашифровал данные именно тот человек, который имеет соответствующий закрытый ключ. Если отправитель шифрует данные на открытом ключе получателя, это не обеспечивает возможность аутентификации, т.к. открытый ключ доступен всем.

Шифрование данных на закрытом ключе отправителя называют открытым форматом сообщения (open message format), т.к. любой человек может расшифровать эти данные с помощью общедоступного открытого ключа отправителя. Конфиденциальность при этом не обеспечивается.

Оба ключа, как закрытый, так и открытый, могут использоваться и для зашифрования, и для расшифрования данных. Не подумайте, что открытый ключ нужен только для зашифрования, а закрытый – только для расшифрования. При этом следует понимать, что если данные зашифрованы на закрытом ключе, они не могут быть расшифрованы на нем же. Зашифрованные на закрытом ключе данные могут быть расшифрованы на соответствующем ему открытом ключе. И наоборот.

Асимметричный алгоритм работает медленнее, чем симметричный алгоритм, т.к. симметричные алгоритмы выполняют относительно простые математические функции над битами в процессах зашифрования и расшифрования. Они заменяют и перемешивают (перемещают) биты, что не очень сложно и не сильно загружает процессор. Причина их устойчивости к взлому заключается в том, что они выполняют эти функции много раз. Таким образом, в симметричных алгоритмах набор битов проходит более длинную серию замен и перестановок.

Асимметричные алгоритмы медленнее симметричных алгоритмов, т.к. они используют гораздо более сложную математику для выполнения своих функций, что требует больше процессорного времени. Однако асимметричные алгоритмы могут обеспечить аутентификацию и неотказуемость в зависимости от используемого алгоритма. Кроме того, асимметричные системы позволяют использовать более простой и управляемый процесс распространения ключей, по сравнению с симметричными системами и не имеют проблем с масштабируемостью, которые есть у симметричных систем. Причина этих различий в том, что при использовании асимметричных систем вы можете отправлять свой открытый ключ всем людям, с которыми вы хотите взаимодействовать, а не использовать для каждого из них отдельный секретный ключ. Далее, в разделе «Гибридные методы шифрования» в этом Домене мы рассмотрим, как эти две системы могут использоваться совместно для получения наилучшего результата.

ПРИМЕЧАНИЕ. Криптография с открытым ключом – это асимметричная криптография. Эти термины взаимозаменяемы.

Ниже указаны сильные и слабые стороны алгоритмов с асимметричными ключами:

Сильные стороны

• Лучше процесс распространения ключей, чем в симметричных системах
• Лучше масштабируемость, чем в симметричных системах
• Могут обеспечить аутентификацию и неотказуемость

Слабые стороны

• Работают гораздо медленнее симметричных систем
• Выполняют сложные математические преобразования

Ниже приведены примеры алгоритмов с асимметричными ключами.

• Криптосистема на основе эллиптических кривых (ECC – Elliptic curve cryptosystem)
• Алгоритм Диффи-Хеллмана Diffie-Hellman
• Эль Гамаль (El Gamal)
• Алгоритм цифровой подписи (DSA – Digital Signature Algorithm)
• Knapsack

Эти алгоритмы мы рассмотрим далее в этом Домене, в разделе «Типы асимметричных систем».

В Таблице 6-1 приведено краткое резюме основных отличий между симметричными и асимметричными системами.

Таблица 6-1. Различия между симметричными и асимметричными системами

ПРИМЕЧАНИЕ . Цифровые подписи будут рассмотрены позднее в разделе «Цифровые подписи».

Ссылки по теме:

• Security in Open Systems, Node 210, “Asymmetric Key Cryptography,” by Paul Markovitz, NIST Special Publication 800-7 (July 1994)
• Frequently Asked Questions About Today’s Cryptography, Version 4.1, Section 2.1.4.5, “What Is Output Feedback Mode?” by RSA Laboratories

Существует два основных типа симметричных алгоритмов: блочные шифры, которые работают с блоками битов, и потоковые шифры, которые обрабатывают по одному биту за раз.

Если для зашифрования и расшифрования данных используется блочный шифр , сообщение делится на блоки битов. Затем эти блоки передаются на обработку математическим функциям, по одному блоку за раз. Представьте, что вам нужно зашифровать сообщение для мамы с помощью блочного шифра, который работает с блоками по 64 бита. Длина вашего сообщения составляет 640 бит, поэтому оно делится на 10 отдельных блоков по 64 бита. Каждый блок последовательно передается на вход математической функции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока каждый блок не будет преобразован в шифротекст. После этого вы отправляете зашифрованное сообщение вашей маме. Она использует такой же блочный шифр и тот же ключ. Эти 10 блоков шифротекста последовательно передаются в алгоритм в обратной последовательности до тех пор, пока не будет получен исходный открытый текст.

Для обеспечения стойкости шифра, в нем должны в достаточной степени использоваться два основных метода: перемешивание (confusion) и рассеивание (diffusion). Перемешивание обычно выполняется с помощью подстановки, тогда как рассеивание – с помощью перестановки. Чтобы шифр был действительно стойким, он должен использовать оба эти метода, чтобы сделать процесс обратного инжиниринга практически невозможным. На уровень перемешивания и рассеивания указывают случайность значения ключа и сложность применяемых математических функций.

В алгоритмах рассеивание может происходить как на уровне отдельных битов в блоках, так и на уровне самих блоков. Перемешивание выполняется с помощью сложных функций подстановки, чтобы злоумышленник не мог понять, каким образом заменялись исходные значения и получить оригинальный открытый текст. Представьте, что у меня есть 500 деревянных блоков, на каждый их которых нанесена буква. Я выстраиваю их в линию, чтобы составить из них сообщение (открытый текст). Затем я заменяю 300 из этих блоков блоками из другого набора (перемешивание путем подстановки). Затем я переставляю все эти блоки (рассеивание посредством перемешивания) и оставляю эту кучу. Чтобы вы смогли восстановить мое исходное предложение, вам нужно заменить блоки правильными и расставить их в правильной последовательности. Удачи!

Перемешивание выполняется для создания взаимосвязи между ключом и получаемым в результате шифротекстом. Эта взаимосвязь должна быть максимально сложной, чтобы невозможно было вскрыть ключ на основе анализа шифротекста. Каждое значение в шифротексте должно зависеть от нескольких частей ключа, но для наблюдателя эта связь между значениями ключа и значениями шифротекста должна выглядеть полностью случайной.

Рассеивание, с другой стороны, означает, что один бит открытого текста оказывает влияние на несколько бит шифротекста. Замена значения в открытом тексте должна приводить к замене нескольких значений в шифротексте, а не одного. Фактически, в действительно стойком блочном шифре, при замене одного бита в открытом тексте, должны изменяться около 50% битов в шифротексте. Т.е. при изменении всего одного бита в открытом тексте, изменится около половины шифротекста.

Блочные шифры в своих методах работы используют и перемешивание, и рассеивание. На Рисунке 6-10 показан концептуальный пример простого блочного шифра. Ему передано для обработки четыре блока длиной по четыре бита каждый. Рассматриваемый блочный алгоритм имеет два уровня четырехбитных боксов замещения, называемых S-боксами. Каждый S-бокс содержит таблицы подстановки, используемые алгоритмом в качестве инструкций по шифрованию битов.

Рисунок 6-10. Сообщение разделяется на блоки битов, над которыми выполняются функции замещения и рассеивание

Ключ указывает (см. Рисунок 6-10), какие должны использоваться S-боксы в процесе перемешивания исходного сообщения из читаемого открытого текста в нечитаемый шифротекст. Каждый S-бокс содержит различные методы подстановки и перестановки, которые могут быть выполнены над каждым блоком. Это очень простой пример. В реальности большинство блочных шифров работает с блоками размером по 32, 64 или 128 бит и может использовать гораздо больше S-боксов.

Как было сказано ранее, блочные шифры выполняют математические функции над блоками битов. В отличие от них, поточные шифры (stream cipher) не делят сообщение на блоки. Они обрабатывют сообщение, как поток битов, и выполняют математические функции над каждым битом отдельно.

При использовании поточного шифра, в процессе шифрования каждый бит открытого текста преобразуется в бит шифротекста. Поточные шифры используют генератор ключевого потока, который производит поток битов, объединяемых с помощью операции XOR с битами открытого текста, с целью получения шифротекста. Это показано на Рисунке 6-11.

Рисунок 6-11. В поточном шифре биты, сгенерированные генератором ключевого потока, объединяются посредством XOR с битами открытого текста сообщения

ПРИМЕЧАНИЕ . Этот процесс очень похож на использование одноразовых шифровальных блокнотов, описанных ранее. Отдельные биты в одноразовом блокноте используются для шифрования отдельных битов сообщения с помощью операции XOR, а в поточном алгоритме отдельные биты создаются генератором ключевого потока, также используемым для шифрования битов сообщения с использованием операции XOR.

Если криптосистема зависит только от симметричного поточного алгоритма, атакующий может получить копию открытого текста и результирующий шифротекст, объединить их вместе с помощью операции XOR и получить в результате использованный ключевой поток, которым он может воспользоваться в дальнейшем для расшифрования других сообщений. Поэтому умные люди решили вставлять ключ в этот поток.

В блочных шифрах ключ определяет, какие функции применяются к открытому тексту и в каком порядке. Ключ обеспечивает случайность процесса шифрования. Как было сказано ранее, большинство алгоритмов шифрования является открытыми, поэтому люди знают, как они работают. Секретом является только ключ. В поточных шифрах случайность также обеспечивается с помощью ключа, делая максимально случайным поток битов, с которыми объединяется открытый текст. Эта концепция показана на Рисунке 6-12. Как вы можете увидеть на этом рисунке, и отправитель, и получатель должны иметь один и тот же ключ для генерации одинакового ключевого потока, чтобы иметь возможность правильно зашифровывать и расшифровывать информацию.

Рисунок 6-12. Отправитель и получатель должны иметь один и тот же ключ для генерации одинакового ключевого потока

Векторы инициализации (IV – Initialization vectors) – это случайные значения, которые используются алгоритмом для обеспечения отсутствия шаблонов в процессе шифрования. Они используются совместно с ключами и их не нужно шифровать при отправке получателю. Если вектор инициализации не используется, два одинаковых открытых текста, зашифрованные на одном и том же ключе, дадут в результате один и тот же шифротекст. Такой шаблон существенно упростит задачу атакующего по взлому метода шифрования и вскрытию ключа. Если в вашем сообщении есть повторяющаяся часть (фраза или слово), вам нужно убедиться, что при шифровании каждой повторяющейся части открытого текста сообщения, создается различный шифротекст, т.е. не будет создаваться шаблон. Именно для обеспечения большей случайности в процессе шифрования и используется вектор инициализации совместно с ключом.

Стойкие и эффективные поточные шифры имеют следующие характеристики:

• Длинные периоды неповторяющихся шаблонов в значениях ключевого потока . Биты, генерируемые ключевым потоком должны быть случайны.
• Статистически непредсказуемый ключевой поток . Биты, получаемые на выходе генератора ключевого потока, не должны быть предсказуемы.
• Ключевой поток не имеет линейной связи с ключом . Если кто-то получил значения ключевого потока, это не должно привести к получению им значения ключа.
• Статистически равномерный ключевой поток (примерно равное количество нулей и единиц) . В ключевом потоке не должны преобладать нули или единицы.

Поточные шифры требуют обеспечения случайности и шифруют по одному биту за раз. Это требует больше ресурсов процессора, чем при использовании блочного шифра, поэтому поточные шифры больше подходят для реализации на аппаратном уровне. А блочные шифры, поскольку они не требуют столько ресурсов процессора, проще реализовывать на программном уровне.

ПРИМЕЧАНИЕ . Конечно, существуют и блочные шифры, реализованные на аппаратном уровне, и поточные шифры, работающие на программном уровне. Указанное выше утверждение просто является «лучшей практикой», рекомендациями по разработке и внедрению.


Поточные шифры и Одноразовые шифровальные блокноты. Поточные шифры обеспечивают тот же тип защиты, что и одноразовые шифровальные блокноты , поэтому они работают похожим образом. Поточные шифры в действительности не могут обеспечить такой же уровень защиты, как одноразовые шифровальные блокноты, т.к. они реализуются в виде программного обеспечения и автоматизированных средств. Однако за счет этого поточные шифры более практичны.

Ранее мы рассмотрели симметричные и асимметричные алгоритмы и отметили, что симметричные алгоритмы работают быстро, но имеют некоторые недостатки (плохая масштабируемость, сложное управление ключами, обеспечение только конфиденциальности), а асимметричные алгоритмы не имеют этих недостатков, но они очень медленные. Теперь рассмотрим гибридные системы, которые используют одновременно симметричные и ассиметричные методы шифрования.

Совместное использование асимметричных и симметричных алгоритмов

Криптография с открытым ключом использует два ключа (открытый и закрытый), сгенерированные асимметричным алгоритмом, она применяется для защиты ключей шифрования и их распространения. Секретный ключ генерируется симметричным алгоритмом и используется для основного процесса шифрования. В этом и заключается гибридное использование двух различных алгоритмов: симметричного и асимметричного. Каждый алгоритм имеет свои преимущества и недостатки, а их совместное использование позволяет взять лучшее от каждого из них.

В гибридном подходе две эти технологии дополняют друг друга, каждая выполняет свои функции. Симметричный алгоритм создает ключи, используемые для шифрования основного объема данных, а асимметричный алгоритм создает ключи, используемые для автоматизированного распространения симметричных ключей.

Симметричный ключ используется для шифрования отправляемых вами сообщений. Когда ваш друг получает зашифрованное вами сообщение, ему нужно расшифровать его, для чего ему требуется симметричный ключ, на котором зашифровано ваше сообщение. Но вы не хотите отправлять этот ключ незащищенным образом, т.к. сообщение может быть перехвачено и незащищенный ключ может быть извлечен из него злоумышленником для последующего использования в целях расшифрования и ознакомления с вашими сообщениями. Не следует использовать для шифрования сообщений симметричный ключ, если для него не обеспечена надлежащая защита. Для обеспечения защиты симметричного ключа можно использовать асимметричный алгоритм, с помощью которого он может быть зашифрован (см. Рисунок 6-13). Но зачем нам использовать симметричный ключ для шифрования сообщений, а асимметричный ключ для шифрования симметричного ключа? Как было сказано ранее, асимметричный алгоритм работает медленно, т.к. он использует более сложную математику. А поскольку ваше сообщение, скорее всего, будет длиннее ключа, для его шифрования разумнее использовать более быстрый алгоритм (симметричный), а для шифрования ключа подойдет медленный (асимметричный), но обеспечивающий дополнительные сервисы безопасности.

Рисунок 6-13. В гибридной системе асимметричный ключ используется для шифрования симметричного ключа, а симметричный ключ используется для шифрования сообщений

Как это работает в реальности? Предположим, что Билл отправляет Полу сообщение и хочет, чтобы только Пол мог прочитать его. Билл зашифровывает сообщение на секретом ключе, теперь он имеет шифротекст и симметричный ключ. Ключ должен быть защищен, поэтому Билл зашифровывает симметричный ключ на асимметричном ключе. Асимметричные алгоритмы используют закрытый и открытый ключи, поэтому Билл зашифровывает симметричный ключ на открытом ключе Пола. Теперь у Билла есть шифротекст сообщения и шифротекст симметричного ключа. Почему Билл зашифровал симметричный ключ на открытом ключе Пола, а не на своем закрытом ключе? Если бы Билл зашифровал его на собственном закрытом ключе, кто угодно мог бы расшифровать его на открытом ключе Билла и получить симметричный ключ. Однако Биллу не нужно, чтобы любой, имеющий его открытый ключ, мог читать его сообщения Полу. Биллу нужно, чтобы такая возможность была только у Пола. Итак, Билл зашифровал симметричный ключ на открытом ключе Пола. Если Пол хорошо защищал свой закрытый ключ, только он один сможет прочитать сообщение Билла.

Пол получает сообщение Билла и использует свой закрытый ключ, чтобы расшифровать симметричный ключ. Затем Пол использует симметричный ключ, чтобы расшифровать сообщение. Теперь Пол может прочитать важное и конфиденциальное сообщение от Билла.

Когда мы говорим, что Билл использует ключ для зашифрования сообщения, а Пол использует тот же ключ для расшифрования, это не значит, что они выполняют все эти операции вручную. Современное программное обеспечение делает все это за нас, не требуя от нас особых знаний для его использования.

Здесь все достаточно просто, вам нужно запомнить следующие аспекты:

• Асимметричный алгоритм выполняет зашифрование и расшифрование, используя закрытый и открытый ключи, которые математически связаны между собой.
• Симметричный алгоритм выполняет зашифрование и расшифрование с использованием общего секретного ключа.
• Симметричный (секретный) ключ используется для шифрования реальных сообщений.
• Открытый ключ используются для зашифрования симметричного ключа с целью его безопасной передачи.
• Секретный ключ – это то же самое, что симметричный ключ.
• Асимметричный ключ может быть закрытым или открытым.

Итак, при использовании гибридной системы, симметричный алгоритм создает секретный ключ, используемый для шифрования данных или сообщений, а асимметричный ключ шифрует секретный ключ.

Сеансовый ключ (session key) – это симметричный ключ, используемый для шифрования сообщений, которыми обмениваются два пользователя. Сеансовый ключ ничем не отличается от симметричного ключа, описанного ранее, но он действителен только в рамках одного коммуникационного сеанса между пользователями.

Если у Тани есть симметричный ключ, который она постоянно использует для шифрования сообщений между ней и Лансом, этот симметричный ключ не нужно перегенерировать или изменять. Они просто используют один и тот же ключ каждый раз при взаимодействии с использованием шифрования. Однако длительное повторное использование одного и того же ключа повышает вероятность его перехвата и компрометации безопаных коммуникаций. Чтобы избежать этого, следует генерировать новый симметричный ключ каждый раз, когда Тане и Лансу нужно взаимодействовать, и использовать его лишь на протяжении одного сеанса связи, а затем уничтожать (см. Рисунок 6-14). Даже если им потребуется снова взаимодействовать всего через час, будет сгенерирован новый сеансовый ключ.

Рисунок 6-14. Сеансовый ключ генерируется для каждого сеанса взаимодействия пользователей и действует только в рамках этого сеанса

Цифровые конверты. При первом знакомстве людей с вопросами криптографии, совместное использование симметричных и асимметричных алгоритмов может вызвать непонимание. Однако эти концепции очень важно понять, поскольку они действительно являются ядром, фундаментальными концепциями криптографии. Этот процесс используется не только в почтовом клиенте или в нескольких продуктах, он определяет весть порядок обработки данных и симметричных ключей при их передаче.
Совместное использование этих двух технологий называется гибридным подходом, но у него есть и более общее название – цифровой конверт (digital envelope).

Сеансовый ключ обеспечивает более высокий уровень защиты, по сравнению со статичным симметричным ключом, т.к. он действителен только на один сеанс связи между двумя компьютерами. Если атакующий сможет перехватить сеансовый ключ, он сможет использовать его для несанкционированного доступа к передаваемой информации только в течение небольшого периода времени.

Если двум компьютерам нужно взаимодействовать с применением шифрования, сначала они должны пройти процесс «рукопожатия», в рамках которого они договариваются об алгоритме шифрования, который будет использоваться для передачи сеансового ключа, предназначенного для дальнейшего шифрования данных в процессе взаимодействия компьютеров. По сути, два компьютера устанавливают виртуальное соединение друг с другом, которое называют сеансом. После завершения сеанса, каждый компьютер уничтожает любые структуры данных, созданные для этого сеанса, освобождает ресурсы и, в том числе, уничтожает использованный сеансовый ключ. Эти вещи операционная система и приложения выполняют в фоновом режиме и пользователю не нужно заботиться об этом. Однако специалист по безопасности должен понимать различия между типами ключей и связанные с ними вопросы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Закрытые и симметричные ключи не должны храниться и/или передаваться в виде открытого текста. Хотя это кажется очевидным, уже множество программных продуктов было скомпрометировано именно по этой причине.

Проблемы беспроводной безопасности. Мы рассматривали различные стандарты 802.11 и протокол WEP в Домене 05 . Среди обширного списка проблем WEP, есть проблема, связанная с шифрованием данных. Если для шифрования беспроводного трафика используется только WEP, в таком случае в большинстве реализаций используется только один статистический симметричный ключ для шифрования пакетов. Одним из изменений и преимуществ стандарта 802.11i является то, что он обеспечивает шифрование каждого пакета уникальным сеансовым ключом.