Текст книги "Введение в криптографию (ЛП)"

Автор книги: Филипп Циммерман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 7 страниц)

Предисловие

Криптография – частая тема детских комиксов и шпионских историй. Дети когда-то собирали этикетки Ovaltine®, чтобы получить Секретное кольцо-декодер капитана Миднайта. Едва ли не каждый смотрел телевизионный фильм о неприметном одетом в костюм джентльмене с пристёгнутым к запястью дипломатом. Слово «шпионаж» навевает образы Джеймса Бонда, автомобильных погонь и свистящих пуль.

И вот вы, сидя в офисе, сталкиваетесь с заурядным делом: отправить отчёт о продажах своему сотруднику, но так, чтобы никто посторонний не смог его прочитать. Вы просто хотите быть уверенны, что ваш коллега будет единственным получателем письма, а он, в свою очередь, желает быть уверен, что именно вы являетесь фактическим отправителем. На кону, конечно, не национальная безопасность, но если конкурент получит к отчёту доступ, это может влететь вам в копейку. Как же вы разрешите эту задачу?

Вы можете воспользоваться криптографией. Конечно, вы обнаружите, что в реальности ей не достаёт драматизма передаваемых шёпотом в тёмных переулках кодовых фраз, но результат окажется ровно тем же: информация будет раскрыта только тому, кому она предназначалась.

Кому следует это читать

Это руководство предназначено всем, кого интересуют азы криптографии; оно в популярной форме объясняет терминологию и технологию, с которыми вы столкнётесь, используя продукты PGP. Будет полезно прочитать его прежде, чем начинать работать с криптосистемой.

О данном руководстве

Руководство включает следующие главы:

Глава 1, «Основы криптографии», представляет описание терминологии и концепций, с которыми вам придётся иметь дело, используя PGP.

Глава 2, «Фил Циммерман о PGP», написанная автором PGP, содержит детальное обсуждение вопросов безопасности и прав личности, а также уязвимостей, присущих любой криптосистеме, включая PGP.

Библиография

В этом разделе представлены Веб-сайты, книги и периодика об истории, технических аспектах и политике криптографии, а также, доверенные сайты, с которых можно скачать PGP.

История криптографии

The Code Book: The Evolution of Secrecy from Mary, Queen of Scots, to Quantum Cryptography, Simon Singh, Doubleday & Company, Inc., 1999, ISBN 0-385-49531-5.The Codebreakers: The Story of Secret Writing, David Kahn, Simon & Schuster Trade, 1996, ISBN 0-684-83130-9 (обновление издания 1967 года). Эта книга описывает историю шифров и людей, взламывающих эти шифры, со времён древних египтян и до окончания Второй Мировой войны. Кан впервые написал её в шестидесятых – это пересмотренное издание. Эта книга не научит Вас тому, как действует криптография, но она может вдохновить Вас, как вдохновила целое поколение современных криптографов.

Технические аспекты криптографии

Веб-сайты

http://www.iacr.org – Международная Ассоциация Криптологических Исследований (IACR). IACR проводит конференции по проблемам криптографии и издаёт журналы.

http://www.pgpi.org – международный неофициальный веб-сайт PGP, не поддерживаемый PGP Corporation. Тем не менее, является исчерпывающим ресурсом по продуктам PGP.

http://www.nist.gov/aes – проект Национального Института Стандартов и Технологий (NIST) США по разработке правопреемника DES – Улучшенного Стандарта Шифрования (Advanced Encryption Standart, AES) – вероятно, наиболее интересный проект, проводимый сегодня в криптографии.

http://www.ietf.org/rfc/rfc2440.txt – IETF-спецификации стандарта OpenPGP[1]1
  Эти спецификации устарели. Новые версии PGP и других OpenPGP-приложений основаны на RFC 2440bis/4880.


[Закрыть].

http://www.ietf.org/rfc/rfc3156.txt – IETF-спецификации стандарта PGP/MIME.

Книги и периодика

Applied Cryptography: Protocols, Algorithms, and Source Code in C, второе издание, Bruce Schneier, John Wiley & Sons, 1996; ISBN 0-471-12845-7. Если хотите купить всего одну книгу, по которой научитесь криптографии, то эта книга для вас.

Handbook of Applied Cryptography, Alfred Menezes, Paul van Oorschot и Scott Vanstone, CRC Press, 1996; ISBN 0-8493-8523-7. Это сугубо техническая работа, за которую следует браться после Шнайера. В ней много сложных математических вычислений, но она, тем не менее, пригодна и людям, не понимающим в математике.

Journal of Cryptology, International Association for Cryptologic Research (IACR). См.http://www.iacr.org.

Advances in Cryptology, протокол конференций IACR CRYPTO, публикуемый ежегодно Springer-Verlag. См.http://www.iacr.org.

Cryptography for the Internet, Philip Zimmermann, Scientific American, октябрь 1998 (вводная консультативная статья).

The Twofish Encryption Algorithm: A 128-Bit Block Cipher, Bruce Schneier, et al, John Wiley & Sons, Inc., 1999; ISBN: 0471353817. Содержит детальные сведения о шифре Twofish от критериев дизайна до криптоанализа алгоритма.

Политика криптографии

http://www.epic.org – Electronic Privacy Information Center.

http://www.crypto.org – Internet Privacy Coalition.

http://www.eff.org – Electronic Frontier Foundation.

http://www.privacy.org – The Privacy Page. Великолепный информационный ресурс по вопросам прав человека.

http://www.cdt.org – Center for Democracy and Technology.

http://www.philzimmermann.com – домашняя страница Фила Циммермана; его показания на сенатских слушаниях и пр.

Книги

Privacy on the Line: The Politics of Wiretapping and Encryption, Whitfield Diffie и Susan Landau, The MIT Press, 1998, ISBN 0-262-04167-7. В этой книге рассматриваются вопросы истории и политик криптографии и безопасности телекоммуникаций. Прекрасный текст даже для новичков и нетехнических читателей. Содержит сведения, которыми не владеют даже многие эксперты.

Technology and Privacy: The New Landscape, Philip Agre и Marc Rotenberg, The MIT Press, 1997; ISBN 0-262-01162-x.

Building in Big Brother, The Cryptographic Policy Debate, редактор – Lance Hoffman, Springer-Verlag, 1995; ISBN 0-387-94441-9.

The Code Book: The Evolution of Secrecy from Ancient Egypt to Quantum Cryptography, Simon Singh, Doubleday & Company, Inc., сентябрь 2000; ISBN: 0385495323. Эта книга – прекрасное введение для желающих понять, как человеческая необходимость на тайну связи утвердила себя через криптографию.

Crypto: How the Code Rebels Beat the Government – Saving Privacy in the Digital Age, Steven Levy, Penguin USA, 2001; ISBN 0140244328.

Сетевая безопасность

Книги

Building Internet Firewalls, Elizabeth D. Zwicky, D. Brent Chapman, Simon Cooper и Deborah Russell (редактор), O’Reilly & Associates, Inc., 2000; ISBN: 1565928717. Это практическое руководство по проектированию, построению и обслуживанию сетевых брандмауэров.

Firewalls and Internet Security: Repelling the Wily Hacker, William R. Cheswick, Steven M. Bellovin, Addison Wesley Longman, Inc., 1994; ISBN: 0201633574. Это практическое руководство по защите сетей от атак хакеров через Интернет.

Hacking Exposed: Network Security Secrets and Solutions, Stuart McClure, Joel Scambray и George Kurtz, The McGraw-Hill Companies, 1999; ISBN: 0072121270. Современный подход к взлому компьютеров и компьютерных сетей с позиций защиты и нападения.

Network Security: Private Communication in a Public World, второе издание, Charles Kaufman, Radia Perlman, and Mike Speciner, Pearson Education, 2002; ISBN: 0130460192. Книга содержит описания многих сетевых протоколов, включая Kerberos, IPsec, SSL и др., а также разъяснения основ криптографии, с позиций которых показывает принципы построения конкретных систем.

Глава 1. Основы криптографии

Юлий Цезарь не доверял гонцам. Поэтому, отправляя письма своим генералам, он заменял каждую букву A в своём сообщении на D, каждую B на E, и т. д. Только тот, кто знал правило «сдвига на 3» мог расшифровать его послание.

Итак, приступим.

Зашифрование и расшифрование

Информация, которая может быть прочитана, осмыслена и понята без каких-либо специальных мер, называется открытым текстом (plaintext, clear text). Метод искажения открытого текста таким образом, чтобы скрыть его суть, называется зашифрованием[2]2
  В большинстве случаев русский термин шифрование является синонимом зашифрования, но иногда обозначает криптографический процесс в целом, – здесь и далее прим. пер.


[Закрыть] – (encryption или enciphering). Зашифрование открытого текста приводит к его превращению в непонятную абракадабру, именуемую шифртекстом (ciphertext). Шифрование позволяет скрыть информацию от тех, для кого она не предназначается, несмотря на то, что они могут видеть сам шифртекст. Противоположный процесс по обращению шифртекста в его исходный вид называется расшифрованием (decryption или deciphering)[3]3
  Не следует путать расшифрование с дешифрованием: первое обозначает обращение шифртекста в открытый текст при помощи ключа, второе – без знания ключа путём криптоанализа.


[Закрыть].

Рисунок 1 иллюстрирует это.

Что такое криптография

Криптография– это наука об использовании математики для зашифрования и расшифрования данных. Криптография позволяет хранить важную информацию или передавать её по ненадёжным каналам связи (таким как Интернет) так, что она не может быть прочитана никем, кроме легитимного получателя.

В то время как криптография – это наука о защите данных, криптоанализ – это наука об анализировании и взломе зашифрованной связи. Классический криптоанализ представляет собой смесь аналитики, математических и статистических расчётов, а также спокойствия, решительности и удачи. Криптоаналитиков также называют взломщиками.

Криптология объединяет криптографию и криптоанализ.

Стеганография является смежной дисциплиной. Вместо того, чтобы делать сообщения нечитаемыми, она использует техники сокрытия самих сообщений. Стеганография – это не криптография, это лишь частный случай кодирования, чья надёжность опирается на секретность механизма сокрытия сообщений. Скажем, если вы решите спрятать сообщение А, используя для этого первые буквы первых слов в каждом предложении сообщения Б, это будет секретом, пока кто-то не обнаружит, где искать А, и тогда механизм более не будет предоставлять никакой защиты.

Стойкая криптография

«В мире различают два типа критографии: криптография, которая помешает вашей младшей сестре читать ваши файлы, и криптография, которая помешает читать ваши файлы правительствам могучих держав. Эта книга посвящена криптографии второго типа»

– Брюс Шнайер, «Прикладная криптография: протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке С»

PGP основан на том же типе криптографии.

Криптография может быть стойкой, а может быть слабой, как описано в приведённом примере. Криптографическая стойкость измеряется тем, сколько понадобится времени и ресурсов, чтобы из шифртекста восстановить исходный открытый текст. Результатом стойкой криптографии является шифртекст, который исключительно сложно взломать без обладания определёнными инструментами по дешифрованию. Но насколько сложно? Используя весь вычислительный потенциал современной цивилизации – даже миллиард компьютеров, выполняющих миллиард операций в секунду – невозможно дешифровать результат стойкой криптографии до конца существования Вселенной.

Кто-то может решить, что стойкая криптография сможет устоять даже против самого серьёзного криптоаналитика. Но кто об этом говорит? Никем не доказано, что лучшее шифрование, доступное сегодня, сможет выстоять против вычислительных возможностей компьютеров, доступных завтра. Тем не менее, стойкая криптография, задействованная в PGP, – лучшая на сегодняшний день. Бдительность и консерватизм сберегут вас лучше заявлений о совершенной защите.

Как действует криптография

Криптографический алгоритм, или шифр, – это математическая формула, описывающая процессы зашифрования и расшифрования. Чтобы зашифровать открытый текст, криптоалгоритм работает в сочетании с ключом– словом, числом или фразой. Одно и то же сообщение одним алгоритмом, но разными ключами будет преобразовываться в разный шифртекст. Защищённость шифртекста целиком зависит от двух вещей: стойкости криптоалгоритма и секретности ключа.

Криптоалгоритм плюс всевозможные ключи и протоколы, приводящие их в действие, составляют криптосистему. PGP – это криптосистема.

Обычная криптография

В традиционной криптографии, также называемой шифрованием тайным, или симметричным, ключом, один и тот же ключ используется как для зашифрования, так и для расшифрования данных. Data Encryption Standart (DES) – пример симметричного алгоритма, широко применявшегося на Западе с 70-х годов в банковской и коммерческой сферах. В настоящее время его сменяет Advanced Encryption Standard (AES). Рисунок 2 иллюстрирует процесс симметричного шифрования.

Шифр Цезаря

Крайне простой пример симметричного шифрования – это подстановочный шифр. Подстановочный шифр заменяет каждую часть информации другой информацией. Чаще всего это достигается смещением букв алфавита. Пара примеров – это Секретное кольцо-декодер капитана Миднайта, которое могло быть у вас в детстве, и шифр Юлия Цезаря. В обоих случаях алгоритм состоит в том, чтобы сдвинуть алфавит, а ключ – это число букв, на которое произведено смещение.

Допустим, если мы решим зашифровать слово «SECRET», используя ключ Цезаря, равный 3, то сдвинем латинский алфавит так, чтобы он начинался с третьей буквы (D).

Итак, беря исходный вариант

ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ,

и смещая всё на 3, получаем

DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC,

где D=A, E=B, F=Cи т. д.

Используя эту схему, открытый текст «SECRET» превращается в «VHFUHW». Чтобы кто-то мог восстановить исходный текст, вы сообщаете ему, что ключ – 3.

Очевидно, что по сегодняшним меркам это чрезвычайно слабый алгоритм, тем не менее, даже он помогал Цезарю! И прекрасно демонстрирует, как действует симметричное шифрование.

Симметричное шифрование и управление ключами

Симметричное шифрование имеет ряд преимуществ. Первое – скорость криптографических операций. Оно особенно полезно для шифрования данных, которые остаются у вас. Однако, симметричное шифрование, применяемое само по себе как средство защиты пересылаемых ценных данных, может оказаться весьма затратным просто из-за сложности передачи тайного ключа.

Вспомните персонажа из вашего любимого шпионского фильма: человек с запечатанным кейсом, пристёгнутым наручником к руке. Как вы считаете, что в этом кейсе? Едва ли в нём коды запуска ракет / формула химического оружия / планы вторжения, как таковые. Вероятнее, там – ключ, который расшифрует секретную информацию.

Для установления шифрованной связи с помощью симметричного алгоритма, отправителю и получателю нужно предварительно согласовать ключ и держать его в тайне. Если они находятся в географически удалённых местах, то должны прибегнуть к помощи доверенного посредника, например, надёжного курьера, чтобы избежать компрометации ключа в ходе транспортировки. Злоумышленник, перехвативший ключ в пути, сможет позднее читать, изменять и подделывать любую информацию, зашифрованную или заверенную этим ключом. Глобальная проблема симметричных шифров (от Кольца-декодера капитана Миднайта до DES и AES) состоит в сложности управления ключами: как вы доставите ключ получателю без риска, что его перехватят?

Криптография с открытым ключом

Проблема управления ключами была решена криптографией с открытым, или асимметричным, ключом, концепция которой была предложена Уитфилдом Диффи и Мартином Хеллманом в 1975 году[4]4
  Теперь есть доказательства в пользу того, что Британская Секретная Служба изобрела его несколькими годами раньше Диффи и Хеллмана, но хранила под грифом «сов. секретно» и никак не использовала. J.H.Ellis, The Possibility of Secure Non-Secret Digital Encryption, CESG Report, январь 1970. (CESG – Национальный Центр Объединённого Королевства по официальному применению криптографии.), – прим. автора.
  Первой гражданской реализацией криптографии с открытым ключом было изобретение Ральфа Меркла, получившее название «Головоломок Меркла»(было описано им в качестве курсовой работы в 1974 году), но к практическим целям эта схема была неприменима, – прим. пер.


[Закрыть].

Криптография с открытым ключом – это асимметричная схема, в которой применяются пары ключей: открытый(public key), который зашифровывает данные, и соответствующий ему закрытый (private key), который их расшифровывает. Вы распространяете свой открытый ключ по всему свету, в то время как закрытый держите в тайне. Любой человек с копией вашего открытого ключа может зашифровать информацию, которую только вы сможете прочитать. Кто угодно. Даже люди, с которыми вы прежде никогда не встречались.

Хотя ключевая пара математически связана, вычисление закрытого ключа из открытого в практическом плане невыполнимо. Каждый, у кого есть ваш открытый ключ, сможет зашифровать данные, но не сможет их расшифровать. Только человек, обладающий соответствующим закрытым ключом может расшифровать информацию.

Главное достижение асимметричного шифрования в том, что оно позволяет людям, не имеющим существующей договорённости о безопасности, обмениваться секретными сообщениями. Необходимость отправителю и получателю согласовывать тайный ключ по специальному защищённому каналу полностью отпала. Все коммуникации затрагивают только открытые ключи, тогда как закрытые хранятся в безопасности. Примерами криптосистем с открытым ключом являются Elgamal (названная в честь автора, Тахира Эльгамаля), RSA (названная в честь изобретателей: Рона Ривеста, Ади Шамира и Леонарда Адлмана), Diffie-Hellman (названная, правильно, в честь её создателей) и DSA, Digital Signature Algorithm (изобретённый Дэвидом Кравицом).

Поскольку симметричная криптография была некогда единственным способом пересылки секретной информации, цена надёжных каналов для обмена ключами ограничивала её применение только узким кругом организаций, которые могли её себе позволить, в частности, правительствами и крупными банковскими учреждениями (или маленькими детьми с Секретными кольцами-декодерами). Появление шифрования с открытым ключом стало технологической революцией, предоставившей стойкую криптографию массам. Помните курьера с кейсом, пристёгнутым к руке? Шифрование с открытым ключом отправило его на покой (к его же счастью, вероятно).

Как действует PGP

PGP объединяет в себе лучшие стороны симметричной криптографии и криптографии с открытым ключом. PGP – это гибридная криптосистема.

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.