Введение в криптографию - Филипп Циммерманн

Когда пользователь зашифровывает данные с помощью PGP, программа для начала их сжимает. Сжатие сокращает время модемной передачи и экономит дисковое пространство, а также, что более важно, повышает криптографическую стойкость. Большинство криптоаналитических техник основано на статистическом анализе шифртекста в поисках признаков открытого текста. Сжатие уменьшает число таких признаков (снижает избыточность данных), чем существенно усиливает сопротивляемость криптоанализу. (Слишком короткие файлы и файлы, которые не сжимаются достаточно хорошо, не сжимаются вовсе.)

Затем, PGP создаёт сеансовый ключ, т. е. одноразовый симметричный ключ, применяемый только для одной операции. Этот сеансовый ключ представляет собой псевдослучайное число, сгенерированное от случайных движений мышки и нажатий клавиш. Сеансовый ключ работает на основе очень надёжного, быстрого симметричного алгоритма, которым PGP зашифровывает сжатое сообщение; в результате получается шифртекст. Как только данные зашифрованы, сеансовый ключ также шифруется, но уже открытым ключом получателя. Этот зашифрованный открытым ключом сеансовый ключ прикрепляется к шифртексту и передаётся вместе с ним получателю.

Расшифрование происходит в обратном порядке. PGP получателя использует его закрытый ключ для извлечения сеансового ключа из сообщения, которым шифртекст исходного послания восстанавливается в открытый текст.

Таким образом, комбинация этих двух криптографических методов объединяет удобство шифрования открытым ключом со скоростью работы симметричного алгоритма. Симметричное шифрование в тысячи раз быстрее асимметричного. Шифрование открытым ключом, в свою очередь, предоставляет простое решение проблемы управления ключами и передачи данных. Используемые совместно, скорость исполнения и управление ключами взаимно дополняются и улучшаются без какого-либо ущерба для безопасности.

Ключи

Ключ— это некоторая величина, которая, работая в сочетании с криптоалгоритмом, производит определённый шифртекст. Ключи, как правило, — это очень-очень-очень большие числа. Размер ключа измеряется в битах; число, представляющее 2048-битовый ключ, чертовски большое. В асимметричной криптографии, чем больше ключ, тем защищённей полученный шифртекст.

Однако, размер асимметричного ключа и размер симметричного тайного ключа, абсолютно несопоставимы. Симметричный 80-битовый ключ эквивалентен в стойкости 1024-битовому открытому ключу. Симметричный 128-битовый ключ примерно равен 3000-битовому открытому. Опять же, больше ключ — выше надёжность, но механизмы, лежащие в основе каждого из типов криптографии совершенно различны, и сравнивать их ключи в абсолютных величинах недопустимо.

Несмотря на то, что ключевая пара математически связана, практически невозможно из открытого ключа вычислить закрытый ключ; в то же время, вычисление закрытого ключа всегда остаётся возможным, если располагать достаточным временем и вычислительными мощностями. Вот почему критически важно создавать ключ верной длины: достаточно крупный, чтобы был надёжным, но достаточно малый, чтобы оставался быстрым в работе. Для этого подумайте и оцените, кто может попытаться «прочитать ваши файлы», насколько они могут быть упорны, скольким временем располагают, каковы их ресурсы.

Более крупные ключи будут криптографически защищены больший промежуток времени. Если то, что вы хотите зашифровать, должно храниться в тайне многие-многие годы, вам, возможно, следует воспользоваться очень большим ключом. Кто знает, сколько потребуется времени, чтобы вскрыть ваш ключ, используя завтрашние более быстрые, более эффективные компьютеры? Было время, когда 56-битовый симметричный ключ DES считался крайне надёжным.

По современным представлениям 128-битовые симметричные ключи совершенно надёжны и не подвержены взлому, по крайней мере до тех пор, пока кто-то не построит функционирующий квантовый суперкомпьютер. 256-битовые ключи по оценкам криптологов не могут быть взломаны даже теоретически и даже на гипотетическом квантовом компьютере. Именно по этой причине алгоритм AES поддерживает ключи длиной 128 и 256 бит. Однако история учит нас тому, что все эти заверения спустя пару десятилетий могут оказаться пустой болтовнёй.

PGP хранит ключи в зашифрованном виде. Они содержатся в двух файлах на жёстком диске; один файл для открытых ключей, другой — для закрытых. Эти файлы называются связками (keyrings). Используя PGP, вы, время от времени, будете добавлять открытые ключи своих корреспондентов на связку открытых. Ваши закрытые ключи находятся на связке закрытых. Если вы потеряете (удалите) связку закрытых ключей, то уже никаким образом не сможете расшифровать информацию, зашифрованную для ключей с этой связки. Следовательно, сохранение пары резервных копий этого файла является полезной практикой.

Цифровые подписи

Дополнительное преимущество от использования криптосистем с открытым ключом состоит в том, что они предоставляют возможность создания электронных цифровых подписей (ЭЦП). Цифровая подпись позволяет получателю сообщения убедиться в аутентичности источника информации (иными словами, в том, кто является автором информации), а также проверить, была ли информация изменена (искажена), пока находилась в пути. Таким образом, цифровая подпись является средством аутентификации и контроля целостности данных. Кроме того, ЭЦП несёт принцип неотречения, который означает, что отправитель не может отказаться от факта своего авторства подписанной им информации. Эти возможности столь же важны для криптографии, как и секретность.

ЭЦП служит той же цели, что печать или собственноручный автограф на бумажном листе. Однако вследствие своей цифровой природы ЭЦП превосходит ручную подпись и печать в ряде очень важных аспектов. Цифровая подпись не только подтверждает личность подписавшего, но также помогает определить, было ли содержание подписанной информации изменено. Собственноручная подпись и печать не обладают подобным качеством, кроме того, их гораздо легче подделать. В то же время, ЭЦП аналогична физической печати или факсимиле в том плане, что, как печать может быть проставлена любым человеком, получившим в распоряжение печатку, так и цифровая подпись может быть сгенерирована кем угодно с копией нужного закрытого ключа[5].

Некоторые люди используют цифровую подпись гораздо чаще шифрования. Например, вы можете не волноваться, если кто-то узнает, что вы только что поместили $1000 на свой банковский счёт, но вы должны быть абсолютно уверены, что производили транзакцию через банковского кассира.

Простой способ генерации цифровых подписей показан на рисунке 6. Вместо зашифрования информации чужим открытым ключом, вы шифруете её своим собственным закрытым. Если информация может быть расшифрована вашим открытым ключом, значит её источником являетесь вы.

Хэш-функция

Однако описанная выше схема имеет ряд существенных недостатков. Она крайне медлительна и производит слишком большой объём данных — по меньшей мере вдвое больше объёма исходной информации. Улучшением такой схемы становится введение в процесс преобразования нового компонента — односторонней хэш-функции. Одностороняя хэш-функция берёт ввод произвольной длины, называемый прообразом, — в данном случае, сообщение любого размера, хоть тысячи или миллионы бит — и генерирует строго зависящий от прообраза вывод фиксированной длины, допустим, 160 бит. Хэш-функция гарантирует, что если информация будет любым образом изменена — даже на один бит, — в результате получится совершенно иное хэш-значение.

В процессе цифрового подписания PGP обрабатывает сообщение криптографически стойким односторонним хэш-алгоритмом. Эта операция приводит к генерации строки ограниченной длины, называемой дайджестом сообщения (message digest)[6]. (Опять же, любое изменение прообраза приведёт к абсолютно иному дайджесту.)

Затем PGP зашифровывает полученный дайджест закрытым ключом отправителя, создавая «электронную подпись», и прикрепляет её к прообразу. PGP передаёт ЭЦП вместе с исходным сообщением. По получении сообщения, адресат при помощи PGP заново вычисляет дайджест подписанных данных, расшифровывает ЭЦП открытым ключом отправителя, тем самым сверяя, соответственно, целостность данных и их источник; если вычисленный адресатом и полученный с сообщением дайджесты совпадают, значит информация после подписания не была изменена. PGP может как зашифровать само подписываемое сообщение, так и не делать этого; подписание открытого текста без зашифрования полезно в том случае, если кто-либо из получателей не заинтересован или не имеет возможности сверить подпись (допустим, не имеет PGP).