Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
8.4.1. Основы криптографии
Исторически искусство криптографии применяли и развивали представители четырех групп: военные, дипломаты, авторы дневников и влюбленные. Наиболее важный вклад в эту сферу на протяжении веков вносили военные. В военных организациях секретные сообщения традиционно отдавались для зашифровки и передачи низкоквалифицированным шифровальщикам с маленьким жалованьем. Объем сообщений не позволял выполнить эту работу с привлечением небольшого числа элитных специалистов.
До появления компьютеров одним из основных сдерживающих факторов в криптографии была способность шифровальщика выполнять необходимые преобразования, часто на поле боя, с помощью несложного оборудования. Кроме того, достаточно тяжело было быстро переключаться с одного криптографического метода на другой, так как для этого требовалось переобучение множества людей. Тем не менее риск захвата шифровальщика в плен поставил на первый план задачу мгновенного перехода, в случае необходимости, к другому криптографическому методу. Эти противоречивые требования отражены в модели процесса шифрования-дешифрования (илл. 8.9).
Илл. 8.9. Модель шифрования (для шифра с симметричным ключом)
Сообщения, подлежащие зашифровке, открытый текст (plaintext), преобразуются с помощью функции, параметром которой является ключ (key). Результат шифрования, зашифрованный текст (ciphertext), обычно передается по радио или через связного. Предполагается, что противник или злоумышленник (intruder) слышит и аккуратно копирует весь зашифрованный текст. Но в отличие от адресата, он не знает ключа дешифрования, и поэтому расшифровка сообщения представляет для него большие трудности, а порой просто невозможна. Иногда он не только прослушивает канал связи (пассивный злоумышленник), но также записывает сообщения и воспроизводит их позже, вставляет свои сообщения или модифицирует оригинал, прежде чем он достигнет получателя (активный злоумышленник). Искусство взлома шифров называется криптоанализом (cryptanalysis). Искусство изобретать шифры (криптография) и искусство взламывать их (криптоанализ) вместе называются криптологией (cryptology).
Для обозначения открытого/зашифрованного текста и ключей лучше всего применять специальную нотацию. Мы будем использовать формулу C = EK (P), обозначающую, что при зашифровке открытого текста P с помощью ключа K получается зашифрованный текст C. Аналогично формула P = DK (C) означает расшифровку зашифрованного текста C для восстановления открытого текста. Из этих формул следует, что
DK (EK (P)) = P.
Эта нотация предполагает, что E и D — просто математические функции (чем они и являются). Единственная хитрость состоит в том, что каждая из них имеет два параметра, один из которых (ключ) мы записали не в виде аргумента, а в виде нижнего индекса, чтобы отличать его от сообщения.
Основное правило криптографии заключается в предположении, что криптоаналитику (взломщику шифра) известен используемый метод шифрования. Другими словами, он точно знает, как работают методы шифрования E и дешифрования D на илл. 8.9. На разработку, тестирование и внедрение нового метода тратятся огромные усилия. Поэтому каждый раз, когда старый метод оказывается скомпрометированным (или считается таковым), хранить алгоритм шифрования в секрете просто непрактично. А предположение, что метод является секретным, когда это уже не так, может принести еще больше вреда.
Здесь на помощь приходит ключ шифрования. Он состоит из относительно короткой строки, определяющей один из множества вариантов результата шифрования. В отличие от самого метода шифрования, который может меняться лишь раз в несколько лет, ключ можно менять столько, сколько нужно. Таким образом, наша базовая модель представляет собой постоянный и известный общий метод, в котором в качестве параметра используется секретный и легко изменяемый ключ. Идея, согласно которой криптоаналитику известен метод, а краеугольным камнем секретности является эксклюзивный ключ, называется принципом Керкгоффса (Kerckhoff’s principle). Его в 1883 году впервые высказал голландский военный криптограф Огюст Керкгоффс (Auguste Kerckhoff, 1883). Итак:
Принцип Керкгоффса: все алгоритмы шифрования должны быть общедоступными; секретны только ключи.
Не стоит придавать большое значение секретности алгоритма. Попытка сохранить алгоритм в тайне, называемая в отрасли безопасностью за счет неясности (security by obscurity), обречена на провал. К тому же, опубликовав свой алгоритм, разработчик получает бесплатную консультацию от большого количества ученых-криптоаналитиков, горящих желанием взломать новую систему и тем самым продемонстрировать свой ум. Если никто не смог взломать алгоритм в течение долгого времени после его публикации, видимо, алгоритм достаточно прочен. (С другой стороны, исследователи иногда находят ошибки в системах защиты с открытым кодом наподобие OpenSSL спустя десять и более лет после их появления, поэтому принцип «чем больше глаз, тем меньше неполадок» далеко не всегда действует на практике.)
Поскольку только ключ является по-настоящему секретным, главный вопрос касается его длины. Рассмотрим простой кодовый замок. Его основной принцип состоит в том, что вы последовательно вводите цифры. Все это знают, но ключ хранится в секрете. Ключ длиной в две цифры образует 100 вариантов. Ключ длиной в три цифры означает 1000 вариантов, а при длине ключа в шесть цифр число комбинаций достигает миллиона. Чем длиннее ключ, тем выше показатель трудозатрат (work factor) взломщика шифра. При увеличении длины ключа показатель трудозатрат для взлома системы путем простого перебора значений ключа растет экспоненциально. Секретность передаваемого сообщения обеспечивается мощным (но все же открытым) алгоритмом и длинным ключом. Чтобы не дать прочитать свою электронную почту младшему брату, достаточно ключа длиной в 64 бита. В коммерческих системах имеет смысл использовать ключи длиной 256 бит. Для защиты текстов от спецслужб развитых государств потребуются ключи минимум в 256 бит (и гораздо больше). При этом нужно отметить, что эти цифры относятся к симметричному шифрованию, когда для шифрования и дешифрования используются одинаковые ключи. Чуть позже мы подробно обсудим различия между симметричным и асимметричным шифрованием.
С точки зрения криптоаналитика, задача криптоанализа имеет три принципиальных варианта. В первом случае у криптоаналитика есть зашифрованный текст без соответствующего открытого текста; это задача только с зашифрованным текстом (ciphertext-only problem). Криптограммы такого рода часто публикуются в газетах в разделе головоломок. Во втором случае криптоаналитик располагает зашифрованным текстом вместе с соответствующим открытым
