Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
В принципе, для цифровых подписей можно использовать любой алгоритм с открытым ключом. Стандартом фактически является RSA. Он применяется во многих программах, предназначенных для обеспечения безопасности. Однако в 1991 году NIST предложил использовать для нового Стандарта цифровой подписи (Digital Signature Standard, DSS) вариант алгоритма с открытым ключом Эль-Гамаля. Он основан не на трудности факторизации больших чисел, а на сложности вычисления дискретных логарифмов.
Как обычно, попытка правительства навязать новые криптографические стандарты вызвала много шума. Стандарт DSS критиковали за то, что он:
1) слишком засекречен (протокол, использующий алгоритм Эль-Гамаля, разрабатывался АНБ);
2) слишком медленный (при проверке подписей он работает в 10–40 раз медленнее алгоритма RSA);
3) слишком новый (алгоритм Эль-Гамаля еще не был тщательно проанализирован);
4) слишком ненадежен (фиксированная длина ключа — 512 бит).
При последующей переработке четвертый пункт утратил значение, так как было разрешено применять ключи длиной до 1024 бит. Однако первые два пункта актуальны и по сей день.
8.7.3. Профили сообщений
Многие методы цифровых подписей критикуют за то, что в них совмещаются две разные функции: аутентификация и секретность. Чаще всего требуется лишь первая функция. К тому же получить лицензию на экспорт обычно проще, если система обеспечивает только аутентификацию. Ниже описана схема аутентификации, не требующая шифрования всего сообщения.
Она основана на идее необратимой хеш-функции, которая принимает на входе участок открытого текста произвольной длины и по нему вычисляет строку битов фиксированной длины. Эта хеш-функция, которую часто называют профилем сообщения (message digest, MD), обладает четырьмя важными свойствами:
1. На основе заданного сообщения P можно легко вычислить MD(P).
2. На основе MD(P) практически невозможно определить P.
3. Для заданного сообщения P невозможно подобрать сообщение P', для которого будет выполняться равенство MD(Pʹ) = MD(P).
4. Изменение даже одного бита входной последовательности приводит к совершенно другому результату.
Чтобы удовлетворять требованию 3, результат хеш-функции должен обладать длиной по крайней мере 128 бит (а желательно больше). Чтобы соответствовать требованию 4, хеш-функция должна очень сильно искажать входные значения, как и алгоритмы шифрования с симметричным ключом, рассмотренные выше.
Вычислить профиль сообщения по фрагменту открытого текста гораздо быстрее, чем зашифровать все сообщение с помощью алгоритма с открытым ключом. Поэтому профили сообщений могут использоваться для ускорения работы алгоритмов цифровых подписей. Чтобы понять, как это работает, мы вновь обратимся к протоколу цифровой подписи на илл. 8.21. Вместо передачи открытого текста P вместе с KBB(A, t, P) теперь BB вычисляет профиль сообщения MD(P), применяя функцию хеширования MD к открытому тексту P. Затем он помещает KBB(A, t, MD(P)) как пятый элемент в список, зашифрованный ключом KB, и отправляет его Бобу вместо KBB(A, t, P).
В случае возникновения спора Боб может предъявить на суде как открытый текст P, так и KBB(A, t, MD(P)). По просьбе судьи BB расшифровывает KBB(A, t, MD(P)). В результате суду также предъявляется цифровая подпись MD(P), подлинность которой гарантируется BB, и сам открытый текст P, подлинность которого суд должен выяснить. Поскольку создать другой открытый текст, соответствующий данной цифровой подписи, практически невозможно, суд убеждается в том, что Боб говорит правду. Использование профиля сообщения экономит время шифрования и затраты на транспортировку и хранение.
Профиль сообщения также применяется в системах шифрования с открытым ключом (илл. 8.23). Сначала Алиса вычисляет профиль сообщения для своего открытого текста. Затем она подписывает его и отправляет Бобу вместе с открытым текстом. Если во время передачи Труди подменит открытый текст P, Боб обнаружит это, вычислив MD(P).
Илл. 8.23. Цифровая подпись с использованием профиля сообщения
SHA-1, SHA-2 и SHA-3
Для вычисления профиля сообщения было предложено несколько вариантов функций. Долгое время в качестве такой функции широко использовался алгоритм SHA-1 (Secure Hash Algorithm 1 — защищенный алгоритм хеширования 1) (NIST, 1993). Прежде всего стоит отметить, что он был взломан в 2017 году и теперь постепенно выводится из эксплуатации в большинстве систем, о чем будет подробно рассказано чуть позже. Как и все профили сообщения, этот алгоритм достаточно сложным образом перемешивает входные биты, и в результате каждый выходной бит зависит от каждого входного. Алгоритм SHA-1 был разработан АНБ и получил благословение NIST (в виде федерального стандарта FIPS 180-1). Он обрабатывает входные данные блоками по 512 бит и формирует профиль сообщения длиной 160 бит. Типичный случай отправки Алисой несекретного, но подписанного сообщения Бобу показан на илл. 8.24. Открытый текст обрабатывается алгоритмом SHA-1, на выходе получается 160-битный хеш SHA-1. Затем Алиса подписывает его закрытым ключом RSA и отправляет вместе с открытым текстом Бобу.
Илл. 8.24. Применение SHA-1 и RSA для создания подписей несекретных сообщений
При получении сообщения Боб сам вычисляет хеш-функцию с помощью SHA-1 и применяет открытый ключ Алисы к подписанному хешу, чтобы получить исходный хеш H. Если они совпадают, сообщение считается корректным. Поскольку Труди не может перехватить сообщение и изменить его так, чтобы значение H совпадало с контрольным, Боб легко узнает обо всех подменах, которые она совершила. Для сообщений, чья целостность важна, а секретность не имеет значения, часто применяется схема, показанная на илл. 8.24. При относительно небольших вычислительных затратах она гарантирует, что все изменения, внесенные на пути следования сообщения, будут с высокой степенью вероятности выявлены.
В настоящее время идет работа над новыми версиями SHA-1 с 224-, 256-, 384- и 512-разрядными значениями хеш-функций. Вместе они называются SHA-2. Помимо увеличения длины хешей, в этих версиях также была изменена функция для вычисления профиля, что позволило избавиться от потенциальных уязвимостей версии SHA-1 (а они были достаточно серьезными). В 2017 году SHA-1 был взломан специалистами Google и амстердамского исследовательского центра CWI. Точнее, им удалось сгенерировать коллизии хеш-функций (hash collisions), что нивелирует защиту алгоритма SHA-1. Как и следовало ожидать, результатом этой атаки стало существенное возрастание интереса к SHA-2.
В 2006 году NIST организовал конкурс с целью создания нового стандарта хеш-функции, теперь известного как SHA-3. Это соревнование было завершено в 2012 году, а три года спустя был опубликован новый стандарт SHA-3 («Keccak»). Что интересно, NIST не предлагает сразу же отказаться от алгоритма SHA-2 в пользу SHA-3, поскольку случаев успешного взлома SHA-2 еще не зафиксировано. Но даже несмотря на это, полезно на всякий случай иметь под рукой запасной вариант.
