Иллюстрированный самоучитель по защите информации

Что такое криптографический протокол

Гибридные криптосистемы

На практике криптосистемы с открытым ключом используются для шифрования не сообщений, а ключей. На это есть две основные причины:

• Алгоритмы шифрования с открытым ключом в среднем работают в тысячи раз медленнее, чем алгоритмы с симметричным ключом. И хотя темпы роста компьютерной производительности очень высоки, требования к скорости шифрования растут не менее стремительно. Поэтому криптосистемы с открытым ключом вряд ли когда-нибудь смогут удовлетворить современные потребности в скорости шифрования.
• Алгоритмы шифрования с открытым ключом уязвимы по отношению к криптоаналитическим атакам со знанием открытого текста. Пусть С=Е(Р), где С обозначает шифртекст, Р – открытый текст, Е – функцию шифрования. Тогда, если Р принимает значения из некоторого конечного множества, состоящего из n открытых текстов, криптоаналитику достаточно зашифровать все эти тексты, используя известный ему открытый ключ, и сравнить результаты с С. Ключ таким способом ему вскрыть не удастся, однако открытый текст будет успешно определен.

Чем меньше количество (n) возможных открытых текстов, тем эффективнее будет атака на криптосистему с открытым ключом. Например, если криптоаналитику известно, что шифрованию подверглась сумма сделки, не превышающая 1 млн долл., он может перебрать все числа от 1 до 1000000.

В большинстве случаев криптографические алгоритмы с открытым ключом применяются для шифрования сеансовых ключей при их передаче абонентам сети связи. Соответствующий протокол выглядит обычно так:

1. Антон генерирует сеансовый ключ К и шифрует его с использованием открытого ключа В, принадлежащего Борису:

   Е_В(К)

2. Борис расшифровывает сообщение Антона при помощи своего тайною ключа и получает в результате сеансовый ключ К, сгенерированный Антоном:

   K=D_B(E_B(K))

3. Антон и Борис обмениваются сообщениями, зашифрованными одним и тем же сеансовым ключом К.

Данный протокол позволяет не хранить ключи в течение неопределенного периода времени до тех пор, пока они не понадобятся в очередном сеансе связи. Сеансовый ключ можно сгенерировать и отправить по требуемому адресу непосредственно перед посылкой сообщения, которое предполагается зашифровать на этом ключе, а потом его сразу уничтожить. Тем самым уменьшается вероятность компрометации сеансового ключа. И хотя тайный ключ также может быть скомпрометирован, риск здесь значительно меньше, поскольку тайный ключ используется очень редко – только для однократного зашифрования сеансового ключа.

"Шарады" Меркля

Оригинальный протокол обмена ключами был предложен американским криптологом Р. Мерклем (R. Merkle) в 1974 г. Данный протокол основывается на так называемых "шарадах", которые требуется решить для получения ключа. Это гораздо легче сделать отправителю и получателю шифрованных сообщений, чем криптоаналитику, перехватывающему их. В результате Антон может послать шифрованное сообщение Борису, предварительно не передавая ему секретного ключа:

1. Борис генерирует 2²⁰ (около 1 млн) сообщений вида: "Это шарада под номером х. Это секретный ключ под номером у", где х – случайное число, у – случайный секретный ключ. Пара х, у является уникальной для каждого сообщения. Затем Борис шифрует все эти сообщения при помощи какого-либо симметричного алгоритма на различных 20-битных ключах и отсылает Антону.
2. Антон случайным образом выбирает одно из шифрованных сообщений, присланных Борисом, и методом тотального перебора получает открытый текст этого сообщения.
3. Антон шифрует свое собственное секретное сообщение при помощи другого симметричного алгоритма на ключе у, вскрытом им методом тотального перебора, и посылает это сообщение вместе с соответствующим х.
4. Борис, зная соответствие между х и у, расшифровывает сообщение, пришедшее ему от Антона.

Конечно же, Петр может вскрыть ключ, который был использован Антоном для зашифрования секретного сообщения, однако для этого Петру придется выполнить значительно больший объем вычислений, чем Антону и Борису. Петр должен будет прочесть все 2²⁰ шифрованных сообщений, отправлениях Борисом, чтобы найти у, соответствующее значению х, выбранному Антоном. На решение этих "шарад" Петр потратит примерно квадрат времени, которое потребуется Антону и Борису, чтобы их составить. И хотя такое отличие в трудоемкости по криптографическим меркам довольно невелико, в некоторых случаях этого может оказаться достаточно. Например, если Антон и Борис смогут опробовать по 10 тыс. ключей в секунду, им понадобится немногим более 1 минуты, чтобы ключ шифрования у оказался в руках Антона. В то же время у Петра, обладающего примерно такой же вычислительной мощью для опробования ключей, как Антон и Борис, на вскрытие правильного ключа уйдет больше года.