Криптография

редактировать
Практика и методы безопасной связи

Шифр ​​Лоренца машина двенадцать роторов с механизмом использовалась Немецкая машина с шифрованием Лоренца, во время Вторая мировая война для шифрования сообщений генерального штаба

криптографии или криптология (от Древнегреческий : κρυπτός, романизированный : kryptós «скрытый, секретный»; и γράφειν графейн, «писать», или -λογία -логия, «учиться», соответственно) - это практика и изучение техник безопасной связи при наличии третьи стороны называли противниками. В более общем смысле криптография заключается в построении и анализе протоколов, которые не позволяют третьим сторонам или общественности читать личные сообщения; различные аспекты информационной безопасности, такие как конфиденциальность, целостность данных, аутентификация и неотказуемость, являются центральным в современной криптографии. Современная криптография существует на пересечении таких дисциплин, как математика, информатика, электротехника, коммуникация и физика.. Приложения криптографии включают электронную торговлю, цифровую торговлю, компьютерные пароли и военные коммуникации.

. Криптография до современной эпохи была фактически синонимом шифрование, преобразование информации из читаемого состояния в очевидную бессмыслицу. Отправитель зашифрованного сообщения использует метод декодирования для предполагаемых получателей, чтобы предотвратить доступ злоумышленников. В литературе по криптографии часто используются имена получателя Алиса ("A") для отправителя, Боб ("B") для предполагаемого предполагаемого лица и Ева ("подслушивающий ") для злоумышленника.. С момента разработки роторных шифровальных машин в Первой мировой войны и появления компьютеров в Второй мировой войне методы, используемые для переноса Наша криптология становится все более сложной, а ее применение все более распространенным.

Современная криптография во многом на основе математической теории и практики информатики; криптографические алгоритмы разработаны на основе допущений о вычислительной надежности, что делает такие алгоритмы трудными для взлома на практике любым противником. Теоретически взломать такую ​​систему, но невозможно сделать это какими-либо известными практическими средствами. Поэтому эти схемы называются вычислительно безопасными; теоретические достижения, например усовершенствования алгоритмов целочисленной факторизации и более быстрые вычислительные технологии, требуют постоянной адаптации этих решений. Существуют теоретически безопасные схемы, которые доказаны невозможным взломать даже с неограниченной вычислительной мощностью - например, одноразовый блокнот - но эти схемы сложнее использовать на практике, чем лучшие теоретически взломанные, но вычислительно безопасные механизмы.

Развитие криптографических технологий подняло ряд юридических проблем в век информации. Потенциал криптографии для использования в качестве инструмента шпионажа побудить правительство классифицировать ее как оружие и ограничить или даже запретить ее использование и экспорт. В некоторых юрисдикциях, где использование криптографии является законным, законы разрешают следователям требовать раскрытия ключей шифрования для документов, имеющих отношение к расследованию. Криптография также играет важную роль в управлении цифровыми правами и нарушении авторских прав цифровых носителей.

Содержание

  • 1 Терминология
  • 2 История криптографии и криптоанализа
    • 2.1 Классическая криптография
    • 2.2 Компьютерная эра
    • 2.3 Появление современной криптографии
  • 3 Современная криптография
    • 3.1 Криптография с симметричным ключом
    • 3.2 Криптография с открытым ключом
    • 3.3 Криптоанализ
    • 3.4 Криптографические примитивы
    • 3.5 Криптосистемы
  • 4 Правовые вопросы
    • 4.1 Запреты
    • 4.2 Экспортный контроль
    • 4.3 Участие АНБ
    • 4.4 Управление цифровыми правами
    • 4.5 Принудительное раскрытие ключей шифрования
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

Терминология

диаграмма, показывающая сдвиг на три буквы, буквенный код D становится A, а E становится B Считается, что шифры со сдвигом алфавита использовались Юлием Цезарем более 2000 лет назад. Это пример с k = 3. Другими словами, в алфавите сдвигаются на три в одном направлении для шифрования и на другом в направлении буквы для дешифрования.

Первое терминал использование криптографа (отличие от криптограммы) восходит к 19 веку - происходит из романа Золотой жук, романа Эдгара Аллана По.

До наших дней криптография относилась почти исключительно к шифрованию, есть процесс преобразования обычной информации (называемую открытым текстом ) в неразборчивую (называемую зашифрованным текстом ). Расшифровка обратная, другими словами, переход от непонятного зашифрованного текста обратно к открытому тексту. шифр (или шифр) - это пара алгоритмов, которые делают шифрование и обратное дешифрование. Подробная работа шифра управляется как алгоритмом, так и в каждом случае «ключом ». Ключ - это секрет (в идеале он известен только коммуникантам), обычно это короткая строка символов, необходимая для расшифровки зашифрованного текста. Формально «криптосистема » представляет упорядоченный список элементов конечных открытых текстов, конечных агентов каждого шифротекстов, конечных ключей и алгоритмов шифрования и дешифрования, которые соответствуют ключу. Ключи важны как формально, так и на практике, используя тривиально взломаны, зная использование шифр, и даже поэтому контрпродуктивны для целей целей.

Исторически шифры часто использовались напрямую для шифрования или дешифрования без дополнительных процедур, таких как аутентификация или проверки целостности. Существует два типа криптосистем: симметричная и асимметричная. В симметричных системах один и тот же ключ (секретный ключ) используется для шифрования и дешифрования сообщений. Обработка данных в симметричных системах быстрее происходит, чем в асимметричных системах, поскольку они используют более короткие ключи. Асимметричные системы используют открытый ключ для шифрования сообщения и закрытый ключ для его расшифровки. Использование асимметричных систем повышает безопасность общения. Примеры асимметричных систем включают RSA (Ривест - Шамир - Адлеман ) и ECC (Криптография с эллиптическими кривыми ). Симметричные модели включают широко используемый AES (Расширенный стандарт шифрования ), который заменил старый DES (Стандарт шифрования данных ).

В разговорной речи термин «код "часто используется для обозначения любого метода шифрования или сокрытия значений. Однако в криптографии код имеет более конкретное значение: замена единицы открытого текста (то есть значимого слова или фразы) на кодовое слово (например,« валлаби »заменяет« атаку на рассвете »).

Криптоанализ - это термин, используемые для изучения методы получения значения зашифрованной информации без доступа к ключу обычно для этого; т.е. это исследование, как взламывать алгоритмы шифрования или их реализации

Некоторые используют термины криптография и криптология как синонимы на английском языке, в то время как другие (включая военную практику США в целом) используют криптографию для конкретного использования и практики криптографиче ских методов и к риптологу ии, повторно предлагаю совместное изучение криптографии и криптоанализа. Английский язык более гибкий, чем несколько других языков, в которых криптология всегда используется во втором вышеупомянутом смысле. RFC 2828 сообщает, что стеганография иногда включается в криптологию.

Изучение характеристик, которые имеют применение в криптографии или криптологии (например, частотные данные языков, комбинации букв, универсальные шаблоны и т. Д.) Называется криптолингвистикой.

История криптографии и криптоанализа

До современной эпохи криптография была сосредоточена на конфиденциальности сообщений (т. Е. На шифровании) - преобразовании сообщений из понятной формы в непонятную и снова на другом конце, его нечитаемым перехватчиками или перехватчиками без секретного знания (а именно ключа, необходимого для дешифрования этого сообщения). Шифрование попытка обеспечить секретность в сообщениях, например, в сообщениях шпионов, военачальников и дипломатов. В последние десятилетия область расширилась, не ограничивает возможности конфиденциальности, и теперь включает методы проверки целостности информации, идентификации отправителя / получателя аутентификации, цифровых подписей, интерактивных доказательств и безопасное вычисление, среди прочего.

Классическая криптография

Палочка Skytala с намотанной полоской бумаги по спирали Реконструкция древнегреческого scytale, раннего шифровального устройства

Основными классическими типами шифрование являются транспозиционные шифры, изменяющие порядок букв в сообщении (например, 'hello world' становится 'ehlol owrdl' в тривиально простой схеме перестановки), и шифры систематически заменяют буквы или группы букв замены другими буквами или группы букв (например, "летать сразу" становится " gmz bu podf "путем замены каждой следующей буквы за ней в латинском алфавите ). Простые версии другого факта, не предполагающего особой конфиденциальности со стороны предприимчивых оппонентов. Ранним шифром подстановки был шифр Цезаря, в котором каждая буква в открытом тексте заменялась буквой на фиксированное количество позиций ниже по алфавиту. Светоний сообщает, что Юлий Цезарь использовал его со сменой на три человека для связи со своими генералами. Атбаш - пример раннего еврейского шифра. Самое раннее известное использование криптографии - это вырезанный на камне зашифрованный текст в Египте (ок. 1900 г. до н.э.), но это могло быть сделано для развлечения грамотных наблюдателей, а не для сокрытия информации.

греки классической эпохи, как говорят, знали о шифрах (например, шифр транспонирования scytale, который, как утверждается, использовался спартанскими военными). Стеганография (т. Е. Сокрытие даже новых сообщений, чтобы сохранить его конфиденциальность) также была впервые в древние времена. Ранним примером, из Геродота, было сообщение, вытатуированное на бритой голове раба и скрытое под отросшими волосами. Более современные примеры стеганографии включают использование невидимых чернил, микроточек и цифровых водяных знаков для сокрытия информации.

В Индии 2000-летний Камасутра из Ватсьаяна говорит о двух разных типах шифров, называемых Каутилиям и Мулаведия. В Kautiliyam замены зашифрованных букв основаны на фонетических отношениях, например, гласные становятся согласными. В Мулаведии шифралфавит состоит из пары букв и использования взаимных букв.

В Сасанидской Персии, согласно мусульманскому автору Ибн ал- Надим : шах-дабирийа (буквально «царская письменность»), которая использовалась для официальной переписки, и раз- сахария, которая использовалась для передачи секретных сообщений с другими странами.

Дэвид Кан отмечает в Взломщики кодов, что современная криптология зародилась среди арабов, первых людей, систематически документировавших криптоаналитические методы. Аль-Халил (717–786) написалгу криптографических сообщений, который содержит первое использование перестановок и комбинаций для перечисления всех исполнителей арабских слов с гласными и без них.

Арабский текст книги Аль-Кинди Первая страница книги Аль-Кинди, в котором обсуждается шифрование сообщений

Шифрованные тексты, созданные классическим шифром (и некоторыми современными шифрами), будут раскрывать статистическую информацию о открытом тексте, и эту информацию часто можно использовать для взлома шифра. После открытия частотного анализа арабским математиком и полиматом Аль-Кинди (также известным как Алкиндус) в IX веке, почти все такие шифры могут быть взломаны информированным злоумышленником. Такие классические шифры все еще пользуются популярностью сегодня, хотя в основном это головоломки. Аль-Кинди написал книгу по криптографии под названием Risalah fi Istikhraj al-Mu'amma (Рукопись для расшифровки криптографических сообщений), в которой описывается первое известное использование методов частотного анализа и криптоанализа. Важный вклад Ибн Адлана (1187–1268) заключался в размере выборки для использования частотного анализа.

металлическая машина размером с книгу с большим циферблатом на левой странице и девятнадцатью маленькими циферблатами на правой странице Книжный шифр XVI века Французский шифр машина, с оружием Генриха II из Франции manuscript from Gabriel de Luetz d'Aramon in bound volume Зашифрованное письмо от Габриэля де Луэц д'Арамона, Камера Франции в Османской империи, после 1546 года, с частичной расшифровкой

Частота языковых букв может помочь в некоторых расширенных международных методах шифрования, таких как гомофонический шифр, которые имеют тенденцию сглаживать частотное распределение. Для этой шифровки частота языковых буквенных групп (или n-граммов) может обеспечить атаку.

Практически все шифры оставлены уязвимыми для использования криптоанализа с использованием частот техники анализа до разработки полиалфавитного шифра. Хотя до некоторой степени он был известен Аль-Кинди, он впервые был четко описан в работе Аль-Калкашанди (1355–1418), основанной на более ранней работе Ибн аль-Дурайхим (1312)) –1359), описывающий полиалфавитный шифр, в котором каждый букве открытого текста присваивается более одной замены. Позже он был описан Леоном Баттистой Альберти примерно в 1467 году, хотя есть некоторые указания на то, что метод Альберти заключался в использовании разных шифров (т. Е. Замещающих алфавитов) для различных частей сообщения (возможно, для каждого)))) последующего сообщения). текстовое письмо на пределе). Он также изобрел то, что, вероятно, было первым автоматическим шифрованием представило , колесом, которое частично реализовало его изобретение. В шифре Виженера, полиалфавитный шифр, шифрование использует слово, которое управляет заменой букв в зависимости от того, какая буква ключевого слова используется. В середине 19 века Чарльз Бэббидж показал, что шифр Виженера уязвим для проверки Касиски, но это было впервые опубликовано примерно десять лет назад Фридрихом Касиски.

Хотя частотный анализ может быть Шифрование широким и общим против многих шифрование, шифрование все еще часто используется, как потенциальные мощные криптоаналитики, не использовали этот методе. Используемый шифр и, возможно, задействованный ключ, может задействовать шпионаж, взяточничество, кражу со взломом, бегство и т. Д. Более привлекательными подходами к криптоаналитически неинформированным. В конце концов в 19 веке было открыто признано, что секретность алгоритма шифра не является разумной или практической гарантией сообщений безопасности; на самом деле, в дальнейшем стало понятно, что любая адекватная криптографическая схема (включая шифры) должна безопасным, даже если противник полностью понимает сам алгоритм шифрования. Безопасность используемого ключа должна быть достаточной для того, чтобы хороший шифр конфиденциальной информации при атаке. Этот фундаментальный принцип был сформулирован сформулирован в 1883 году Огюстом Керкхоффом и обычно называется принципом Керкгофа ; в качестве альтернативы и более прямо, это было переформулировано Клодом Шенноном, изобретателем теории информации и основ теоретической криптографии, как Максим Шеннона: «Враг знает систему».

Для помощи с шифрованием использовались различные устройства и средства. Одним из самых ранних, возможно, предположительно был скитал , использовался спартанцами в качестве средств для транспозиционного шифра. В средневековье были изобретены другие вспомогательные средства, такие как зашифрованная решетка, которая также использовалась для своего рода стеганографии. С изобретением полиалфавитных шифров появились более сложные средства, такие как собственный шифровальный диск Альберти, Йоханнес Тритемиус 'прямоугольная таблица и Томас Джефферсон колесный шифр (публично не известный, независимо изобретенный Базери около 1900 года). Многие механические устройства шифрования / дешифрования были изобретены в начале 20 века и несколько запатентованы, в том числе роторные машины, в том числе, как известно, машина Enigma, используемая правительством и военными Германии с конца 1920-е годы и во время Второй мировой войны. Шифры, реализованные на более качественных примерах конструкции этих машин, привели к значительному увеличению сложности криптоанализа после Первой мировой войны.

Компьютерная эра

До начала 20-го века криптография в основном занималась лингвистические и лексикографические шаблоны. С тех пор акцент сместился, и теперь криптография широко использует математику, включая аспекты теории информации, вычислительной сложности, , комбинаторики, абстрактная алгебра, теория чисел и конечная математика в целом. Криптография также является отраслью инженерии, но необычной, поскольку имеет дело с активным, разумным и злонамеренным противодействием; другие виды инженерии (например, гражданское или химическое машиностроение) должны иметь дело только с нейтральными природными силами. Также ведутся активные исследования взаимосвязи между криптографическими проблемами и квантовой физикой.

. Так же, как развитие цифровых компьютеров и электроники помогло криптоанализу, оно сделало намного более сложным шифры. Кроме того, допускаются шифрование любых данных, представленных в любом двоичном формате, в отличие от классических шифрованных данных, которые шифруют только тексты на письменном языке; это было новым и значительным. Таким образом, использование компьютеров вытеснило лингвистическую криптографию как для разработки шифрование, так и для криптоанализа. Многиеры можно охарактеризовать по их работе с последовательностями двоичных бит (иногда в группах или блоках), в отличие от классических и механических схем, которые обычно управляют традиционными схемами (т. Буквами и цифрами)).) напрямую. Однако компьютеры также помогли криптоанализу, что в некоторой степени компенсировало возросшую сложность шифрование. Тем не менее, хорошие современные шифры опередили криптоанализ; Как, качественного шифра очень эффективно (т. Е. Быстро и требует небольшого количества ресурсов, такого как его взлом, требует на много порядков больше и намного больше, чем требуется для классического шифра, делающий криптоанализ настолько неэффективным и непрактичным, что становится практически невозможным.

Появление современной криптографии

Криптоанализ новых механических устройств оказалось трудным и трудоемким. В Соединенном Королевстве криптоаналитические усилия в во время Второго мировой войны стимулировали более эффективные средства для выполнения повторяющихся задач. к разработке Colossus, первый в мире полностью электронного, цифрового, программируемого компьютера, который помогал в расшифровке шифрованием, генерируемым немецкой армией Lorenz SZ40 / 42 машина.

Обширные открытые академические исследования криптографии начались сравнительно недавно; он начался только в середине 1970-х годов. авно сотрудники IBM разработали алгоритм, который стал Федеральным (то есть США) стандартом шифрования данных ; Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман опубликовали свой алгоритм согласования ключей ; а алгоритм RSA был опубликован в столбце Мартина Гарднера Scientific American. После их работы в 1976 году стало популярным рассматривать системы криптографии, основанные на математических задачах, которые легко определить, но оказалось трудно решить. С тех пор криптография стала широко используемым средством связи, компьютерных сетей и компьютерной безопасности в целом. Некоторые современные криптографические методы могут хранить свои ключи в том случае, если используются математические задачи неразрешимы, такие как целочисленная факторизация или дискретного логарифма, поэтому существуют глубокие связи с абстрактной математикой. Существует очень мало криптосистем, которые доказали свою безоговорочную безопасность. Одноразовый блокнот является одним, и это доказал Клод Шеннон. Есть несколько важных алгоритмов, которые доказали свою безопасность при предположениях. Например, невозможность разложения на множители очень больших целых чисел является основанием полагаться, что RSA безопасен, и некоторые другие системы, но даже в этом случае доказательства недоступности, поскольку лежащая в основе математическая проблема остается открытой. На практике они используются широко распространенными методами наблюдения за наблюдениями их неразрушимыми. Существуют системы, подобные RSA, такие как система Майкла О. Рабина, которая доказана безопасны при условии, что факторинг n = pq невозможен; на практике это совершенно непригодно. проблема дискретного логарифма является основанием для уверенности в том, что некоторые другие криптосистемы разрешимы, и кроме того, есть связанные, менее практичные системы, которые доказаны относительно незначительными или неразрешимыми задачами дискретного журнала.

Помимо знаний криптографии, разработчики криптографических алгоритмов и систем могут быть разумно возможные будущие разработки при работе над своими проектами. Например, постоянное совершенствование вычислительной мощности компьютера увеличивают объем атак полным перебором, поэтому при указании длин ключей требуемые длины ключей также увеличиваются. Потенциальные эффекты квантовых вычислений уже некоторых группы криптографических систем, занимающие постквантовая криптография ; объявленная неизбежность небольших реализаций этих машин, возможно, делает необходимость превентивной осторожности больше, чем просто умозрительной.

Современная криптография

Криптография с симметричным ключом

диаграмма, показывающая процесс шифрования с ключом и дешифрования Криптография с симметричным ключом, где один ключ используется для шифрования и дешифрования

Криптография с симметричным ключом относится к методам шифрования, в котором и отправитель, и получатель использовать один и тот же ключ (или, реже, у которых их разные ключи связаны, но связаны в легко вычисляемой путь). Это единственный вид шифрования публично известный до июня 1976 года.

логическая диаграмма, показывающая процесс шифрования международного алгоритма шифрования данных Один цикл (из 8.5) шифра IDEA, использовавшийся в большинстве версий PGP и программного обеспечения, совместимого с OpenPGP. для эффективного по времени шифрования сообщений

Шифры с симметричным ключом реализованы в виде либо блочных шифров, либо потоковых шифров. Блочный шифр кодирует ввод блоками открытого текста, а не используется форма ввода, используемая потоковым шифром.

Стандарт шифрования данных (DES) и Расширенный стандарт шифрования (AES) - это конструкции блочных шифров, которые были обозначены стандартами криптографии правительство США (хотя обозначение DES было окончательно отозвано после принятия AES). Несмотря на то, что он устарел как официальный стандарт, DES (особенно одобренный и безопасный вариант тройной DES ) остается популярным; он используется в широком диапазоне приложений, от шифрования банкоматов до конфиденциальности электронной почты и безопасного удаленного доступа. Были разработаны многие блочные шифры и другие выпущены со значительными вариациями качества. Многие из них, даже некоторые из них, разработаны опытными специалистами, были полностью взломаны, например, FEAL.

Потоковые шифры, в отличие от блочного типа произвольно длинный поток ключевого материала, который объединяется с открытым текстом. побитно или посимвольно, что-то вроде одноразового блокнота . В потоковом шифре выходной поток создается на основе внутреннего скрытого состояния, которое изменяется по мере работы шифра. Это внутреннее состояние изначально устанавливается с использованием материала секретного ключа. RC4 - использовался широко потоковый шифр. Блочные шифры Программа как поточные шифры.

Криптографические хеш-функции - это третий тип криптографического алгоритма. Они принимают сообщение любой длины на входе и вывод хэш фиксированной длины , который может ввести (например) в цифровую подписи. Для хороших хэш-функций злоумышленник не может найти два сообщения, которые производят один и тот же хеш. MD4 - это давно используемая хеш-функция, которая сейчас не работает; MD5, усиленный вариант MD4, также широко используется, но практика не работает. Агентство национальной безопасности США разработало серию алгоритмов безопасного хеширования, состоящую из MD5-подобных хеш-функций: SHA-0 был некорректным алгоритмом, от которого агентство отказалось; SHA-1 широко распространен и более безопасен, чем MD5, но криптоаналитики выявили атаки на него; семейство SHA-2 улучшено по сравнению с SHA-1, но с 2011 года уязвимо для конфликтов; а орган стандартизации США посчитал «благоразумным» точки зрения безопасности новый стандарт, который «проголосовал за надежность всего набора хеш-алгоритма NIST ». Таким образом, соревнование по разработке хэш-функций было предназначено для выбора нового национального стандарта США, который будет называться SHA-3, к 2012 году. Конкурс завершился 2 октября 2012 года, когда NIST объявил, что Keccak будет новым алгоритмом хеширования SHA-3. В отличие от обратимых блочных и потоковых шифров, криптографические хеш-функции использовать хешированный вывод, использовать для получения исходных входных данных. Криптографические хеш-функции используются для проверки подлинности данных, полученных из ненадежного источника, или для добавления уровня безопасности.

Коды аутентификации сообщений (MAC) очень похожи на криптографические хэш-функции, за исключением того, что секретный ключ может быть аутентификацией хэш-значения при получении; это дополнительное усложнение блокирует схему алгоритмов голых алгоритмов дайджеста , и поэтому усилия стоят того.

Криптография с открытым ключом

диаграмма криптографии с открытым ключом, показывающая открытый ключ и закрытый ключ Криптография с открытым ключом, где для шифрования и дешифрования используются разные ключи. значок замка в Строка интернет-браузера рядом с URL-адресом Значок замка из Firefox веб-Яндекс, что указывает на то, что используется TLS, криптографическая система с открытым ключом.

Криптосистема с симметричным ключом использует один и тот же ключ для шифрования и дешифрования сообщений, хотя сообщение или группа сообщений могут иметь другой ключ, чем другие. Существенным недостатком симметричного шифрования является управление ключами, необходимое для их безопасного использования. Каждого отдельного параплана, в идеале, можно использовать другой ключ и, возможно, также и для каждого обменяемого зашифрованного текста. Количество требуемых ключей увеличивается по мере того, как квадрат числа сети, что очень быстро требует сложных схем управления ключами для обеспечения согласованности и секретности.

фотографии Уитфилда Диффи и Мартина Хеллмана Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман, авторы первой опубликованной статьи по криптографии с открытым ключом.

В новаторской статье 1976 года Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман предложили понятие публичного доступа. ключ (также, в более общем смысле, называемый асимметричным ключом) криптография, в которой используются два разных, но математически связанных ключа - открытый и закрытый ключ. Система открытых ключей построена таким образом, что вычисление одного ключа («закрытого ключа») невозможно вычислить с помощью другого («открытого ключа»), даже если они обязательно связаны. Вместо этого оба ключа генерируются тайно, как взаимосвязанная пара. Историк Дэвид Кан описал криптографию с открытым ключом как «самую революционную концепцию в области с момента появления полиалфавитной замены в эпоху Возрождения».

В криптосистемах с открытым ключом открытый ключ может свободно распространяться, а его парный закрытый ключ должен оставаться в секрете. В системе шифрования с открытым ключом открытый ключ используется для шифрования, а закрытый или секретный ключ используется для дешифрования. Хотя Диффи и Хеллман не смогли использовать эту систему, они применялись, что криптография с открытым ключом действительно возможна, представив протокол , система обмена ключами Диффи-Хеллмана, которая сейчас широко используется в защищенной связи, чтобы использовать два стороны тайно согласовывают общий ключ шифрования. Стандарт X.509 наиболее часто используется формат для сертификатов открытого ключа..

Публикация Диффи и Хеллмана вызвала широкие научные усилия по поиску практической системы шифрования с открытым ключом. В конце концов, в 1978 году эту гонку выиграли Рональд Ривест, Ади Шамир и Лен Адлеман, чье решение с тех пор стало известно как алгоритм RSA.

Алгоритмы Диффи - Хеллмана и RSA, кроме того, являются первыми общедоступными примерами высококачественных алгоритмов с открытым ключом, среди наиболее широко используемых. Другие алгоритмы с асимметричным ключом включают криптосистему Крамера - Шупа, шифрование Эль-Гамаля и различные методы эллиптических кривых..

Документ, опубликованный в 1997 г. Штабственной правительственной связи (GCHQ ), британская разведывательная организация, сообщила, что криптографы в GCHQ предвидели несколько научных достижений. Сообщается, что примерно в 1970 году Джеймс Х. Эллис разработал принципы криптографии с асимметричным ключом. В 1973 году Клиффорд Кокс изобрел решение, очень похоже по конструктивному обоснованию на RSA. А в 1974 году Малкольм Дж. Уильямсон, как утверждается, разработал обмен ключами Диффи-Хеллмана.

В этом примере сообщение только подписано, но не зашифровано. 1) Алиса подписывает сообщение своим закрытым ключом. 2) Боб может проверить, что Алиса отправила сообщение и что сообщение не было изменено.

Криптография с открытым ключом также используется для реализации схем цифровой подписи. Цифровая подпись напоминает обычную подпись ; они оба свойства, которые легко создать для пользователя, но трудно для кого-либо еще подделать. Цифровые подписи также могут быть навсегда привязаны к содержимому подписываемого сообщения; их нельзя «заменить» из одного документа в другой, поскольку любая попытка будет обнаружена. В схемах цифровой подписи существует два алгоритма: один для подписи, в котором секретный ключ используется для обработки сообщения (или хэша сообщения, или того и другого), и один для проверки, в котором используется соответствующий открытый ключ. с сообщением для проверки действительности подписи. RSA и DSA - две из самых популярных схем цифровой подписи. Цифровые подписи играют центральную роль в работе инфраструктур открытых ключей и многих схем сетевой безопасности (например, SSL / TLS, многих VPN и т. Д.)

Алгоритмы с открытым ключом чаще всего основаны на вычислительной сложности «сложных» задач, часто на основе теории чисел. Например, жесткость RSA связана с проблемой целочисленной факторизации, в то время как Diffie – Hellman и DSA связаны с проблемой дискретного логарифма. Безопасность криптографии эллиптических кривых основана на теоретико-числовых задачах, связанных с эллиптическими кривыми. Из-за сложности основных проблем большинство алгоритмов с открытым ключом включают в себя такие операции, как модульное умножение и возведение в степень, которые намного дороже в вычислительном отношении, чем методы, используемые в большинстве блочных шифров, особенно с типичными размерами ключей. В результате криптосистемы с открытым ключом обычно представляют собой гибридные криптосистемы, в которых для самого сообщения используется быстрый высококачественный алгоритм шифрования с симметричным ключом, а соответствующий симметричный ключ отправляется вместе с сообщением, но зашифровано с использованием алгоритма с открытым ключом. Аналогичным образом часто используются гибридные схемы подписей, в которых вычисляется криптографическая хеш-функция, и только результирующий хэш имеет цифровую подпись.

Криптоанализ

Клавиатура пишущей машинки Enigma над многими роторами в деревянном ящике Используются варианты машины Enigma Военными и гражданскими властями Германии с конца 1920-х до Второй мировой войны был реализован сложный электромеханический полиалфавитный шифр. Взлом и чтение шифра Enigma в польском Бюро шифров за 7 лет до войны и последующая дешифровка в Блетчли-парке были важны для победы союзников.

Цель криптоанализа - найти некоторые слабые места или незащищенность в криптографической схеме, тем самым допуская ее подрыв или уклонение.

Распространенное заблуждение, что каждый метод шифрования может быть взломан. В связи с его работой во время Второй мировой войны в Bell Labs, Клод Шеннон доказал, что шифр одноразового блокнота невозможно взломать, при условии, что ключевой материал действительно случайно, никогда не используется повторно, хранится в секрете от всех преступников злоумышленников и имеет большую длину или большую, чем сообщение. Большинство шифрование, за исключением одноразового блокнота, могут быть взломаны с достаточными вычислительными усилиями с помощью атаки грубой силы, но количество необходимых усилий может быть экспоненциально зависит от размера ключа по сравнению с усилиями, необходимыми для использования шифра. В таких случаях эффективная безопасность может быть достигнута, если будет доказано, что требуемые усилия (т. Е. «Рабочий фактор», в терминах Шеннона) превышают возможности любого противника. Это означает, что необходимо показать, что не может быть найден эффективный метод (в отличие от трудоемкого метода грубой силы) для взлома шифра. Поскольку на сегодняшний день такого доказательства не найдено, одноразовый блокнот остается единственным теоретически нерушимым шифром.

Существует множество криптоаналитических атак, и их можно классифицировать любым из нескольких способов. Общее различие заключается в том, что знает Ева (злоумышленник) и какие возможности доступны. В атаке только зашифрованным текстом Ева имеет доступ только к зашифрованному тексту (хорошие современные криптосистемы обычно эффективно защищены от атак только зашифрованного текста). В атаке с использованием известного открытого текста Ева имеет доступ к зашифрованному тексту и соответствующему ему открытому тексту (или ко многим таким парам). В атаке с выбранным открытым текстом Ева может выбрать открытый текст и узнать соответствующий ему зашифрованный текст (возможно, много раз); пример - садоводство, использовавшееся британцами во время Второй мировой войны. При атаке с выбранным зашифрованным текстом Ева может выбрать зашифрованные тексты и узнать соответствующие открытые тексты. Наконец, в атаке человек посередине Ева оказывается между Алисой (отправителем) и Бобом (получателем), получает доступ и изменяет трафик, а пересылает его получателю. Также важны, часто в подавляющем большинстве случаев ошибки (как правило, при разработке или использовании одного из задействованных протоколов ).

Номера памятников Kaiserschloss Kryptologen на стеле Познань памятник (в центре) польским криптоаналитикам, чей взлом немецких машинных шифрованных Enigma, начавшийся в 1932 году, изменил ход Второй мировой войны

Криптоанализ шифрованием с симметричным ключом обычно включает поиск атак на блок шифры или потоковые шифры, которые более эффективны, чем любая атака, направленная против идеального шифра. Например, простая атака грубой силы на DES требует одного известного метода открытого текста и двух расшифровок с попыткой получить ключи к достижению точки, в которой шансы выше, чем даже то, что искомый ключ будет найден. Но этого может быть недостаточно; атака линейным криптоанализом на DES требует 2 известных открытых текстов (с проверкой зашифрованными текстами) и приблизительно 2 операции DES. Это значительное улучшение по сравнению с атаками методом грубой силы.

Алгоритмы открытого ключа основаны на вычислительной сложности различных задач. Самыми известными из них являются сложность целочисленной факторизации полупростых чисел и сложность вычислений дискретных логарифмов, разрешимость обоих из которых еще не доказана. полиномиальное время с использованием только классического компьютера полного Тьюринга. Криптоанализ с открытым ключом в основном касается разработки алгоритмов на языке P, которые могут решить эти проблемы, или использовать других технологий, таких как квантовые компьютеры. Например, наиболее известные алгоритмы решения дискретного логарифма на основе эллиптических кривых требуют гораздо больше времени, чем наиболее известные алгоритмы факторизации, по крайней мере, для задач более или менее эквивалентного размера. Таким образом, при прочих равных условиях для достижения эквивалентной силы методы шифрования на основе факторинга должны использовать большие ключи, чем методы эллиптических кривых. По этой причине криптосистемы с открытым ключом, основанные на эллиптических кривых, стали популярными с момента их изобретения в середине 1990-х годов.

Хотя чистый криптоанализ использует слабые места в алгоритмах, другие атаки на криптосистемы основаны на фактическом использовании алгоритмов в реальных устройствах и называются атаками по побочным каналам. Если криптоаналитик имеет доступ, например, к количеству времени, которое устройство потребовало для шифрования открытого текста или сообщения об ошибке в пароле или символе ПИН-кода, он может использовать временную атаку для взломать шифр, который иначе не поддается анализу. Злоумышленник может также изучить структуру и длину сообщений, чтобы получить ценную информацию; это известно как анализ трафика и может быть весьма полезным для злоумышленника. Плохое администрирование криптосистемы, например, слишком коротких ключей, сделает любую систему уязвимой, независимо от других достоинств. Социальная инженерия и другие атаки людей (например, взяточничество, вымогательство, шантаж, шпионаж, пытки,...) обычно используются из-за того, что они более рентабельны и реализуются в разумные сроки по сравнению с чистым криптоанализом с большим запасом.

Криптографические примитивы

Большая часть теоретических работ в криптографии касается криптографических примитивов - алгоритмов с базовыми криптографическими свойствами - и их связи с другими криптографическими проблемами. Затем из этих базовых примитивов строятся сложные криптографические инструменты. Эти примитивы обеспечивают фундаментальные свойства, которые используются для разработки более сложных инструментов, называемых протоколами криптосистемы или криптографическими протоколами, которые гарантируют или несколько свойств безопасности высокого уровня. Однако обратите внимание, что различие между криптографическими примитивами и криптосистемами довольно произвольно; например, алгоритм RSA иногда считается криптосистемой, а и примитивом. Типичные примеры криптографических примитивов включают псевдослучайные функции, односторонние функции и т. Д.

Криптосистемы

Один или несколько криптографических примитивов часто используются для разработки сложный алгоритм, называемый криптографической системой или криптосистемой. Криптосистемы (например, шифрование Эль-Гамаля ) предназначены для защиты параметров функций (например, шифрование с открытым ключом), гарантируя при этом высокие свойства безопасности (например, атака с выбранным открытым текстом (CPA), безопасность в случайной модели оракула ). Криптосистемы используют свойства базовых криптографических примитивов для поддержки безопасности системы. Условия между примитивами и криптосистемами несколько произвольно, сложная криптосистема может быть получена из комбинации нескольких более примитивных криптосистем. Во многих структурах криптосистемы включает обмен данными между двумя или более конкретными случаями (например, между отправленным защищенным сообщениями и во времени) или во времени (например, криптографически защищенные данные резервной копии ). Такие криптосистемы иногда называют криптографическими протоколами.

. Некоторые широко известные криптосистемы включают шифрование RSA, подпись Шнорра, шифрование Эль-Гамаля, PGP и т. Д. Более сложные криптосистемы включают системы электронных денег, системы шифрования и т. Д. Некоторые другие «теоретические» криптосистемы включают интерактивные системы проверки, (например, доказательства с нулевым разглашением ), системы для совместного использования секретов и т. д.

Правовые вопросы

Запреты

Криптография давно представляли интерес для разведки и правоохранительных органов. Секретные сообщения могут быть преступными или даже предательскими. Из-за облегчения конфиденциальности и уменьшения конфиденциальности в связи с его запретом криптография представляет значительный интерес для сторонников гражданских прав. Соответственно, существует история противоречивых юридических вопросов, связанных с криптографией, особенно с тех пор, появление новых компьютеров сделало возможным доступ к высококачественной криптографии.

В некоторых странах даже внутреннее использование криптографии ограничено или было ограничено. До 1999 года Франция значительно ограничивала использование криптографии внутри страны, хотя с тех пор она ослабила многие из этих правил. В Китае и Иране для использования криптографии по-прежнему требуется лицензия. Во введении жесткие ограничения на использование криптографии. Среди наиболее строгих - законы Беларуси, Казахстана, Монголии, Пакистана, Сингапура, Тунис и Вьетнам.

В США криптография разрешена для внутреннего использования, но возникло много конфликтов по юридическим вопросам, с криптографией. Одним из особенно важных вопросов был экспорт криптографии и криптографического программного и аппаратного обеспечения. Вероятно, из-за важности криптоанализа во время Второй мировой войны и того, что криптография будет по-прежнему важна для национальной безопасности, многие западные правительства в какой-то момент строго регулируют экспорт криптографии. После Второй мировой войны в США было незаконно продавать или распространять технологии шифрования за рубежом; фактически, шифрование было обозначено как вспомогательное военное оборудование и внесено в Список боеприпасов США. До разработки персонального компьютера, алгоритмов с асимметричным ключом (т. Е. Методов открытого ключа) и Интернета это не было особенно проблематичным. Однако по мере того, как Интернет-рос и компьютеры становились все более доступными, высококачественными методами шифрования широко известны во всем мире.

Экспортный контроль

В 1990-е годы регулированию экспорта криптографии в США было несколько проблем. После того, как исходный код для Филипа Циммермана Pretty Good Privacy (PGP), программа шифрования попала в Интернет в июне 1991 года, жалоба от RSA Служба безопасности (тогда называвшееся RSA Data Security, Inc.) привело к длительному уголовному расследованию Циммермана Таможенной службой США и ФБР, хотя никаких обвинений предъявлено не было. Дэниел Дж. Бернстайн, в то время аспирант Калифорнийского университета в Беркли, подал иск против правительства США, оспаривая некоторые ограничения на основании свободы слова. Дело 1995 года Бернштейн против Соединенных Штатов в конечном итоге привело к решению 1999 года, согласно которому установленный исходный код для криптографических алгоритмов и систем защищен как свобода слова Конституцией Соединенных Штатов.

В 1996 году тридцать девять стран подписали Вассенаарские договоренности, договор о контроле над вооружениями, который касается оружия и технологий «двойного назначения», таких как криптография. Договорвал предусматривает, что использование криптографии с короткими длинами ключей (56 бит для симметричного шифрования, 512 бит для RSA) больше не будет контролироваться экспортом. Экспорт криптографии из США стал менее строго ослабленным в результате значительного политики в 2000 году; в программном продукте для массового рынка, экспортируемого из США - , больше нет многих очень ограничений на размер ключей. Это ослабление экспортных ограничений США и других мобильных компьютеров, подключенных к Интернету, включая веб-браузеры американского происхождения, такие как Firefox или Internet Explorer, почти каждый пользователь Интернета во всем мире имеет потенциальный доступ к качественной криптографии через свои браузеры (например, через Безопасность транспортного уровня ). Программы Mozilla Thunderbird и Microsoft Outlook Почтовый клиент аналогичным образом могут отправлять электронные письма через TLS, а также отправлять и получать электронную почту, зашифрованную с помощью S. / MIME. Многие пользователи не осознают, что их базовое прикладное программное обеспечение содержит такие обширные крипосистемы. Эти браузеры и почтовые программы настолько распространены, что даже правительства, которые намерены регулировать использование криптографии в гражданских целях, обычно не используются таким много делать для контроля за распространением или использованием криптографии качества, поэтому даже когда законы действуют в силе, реальное правоприменение часто фактически невозможно.

участие АНБ

штаб-квартира АНБ в Форт-Мид, штат Мэриленд

Другой спорный вопрос, связанный с криптографией разработки в США, - это влияние Агентства национальной безопасности о шифровании и политике. АНБ участвовало в разработке DES во время его разработки в IBM и рассмотрение его Национальным бюро стандартов в качестве возможного федерального стандарта для криптографии. DES был разработан так, чтобы быть устойчивым к дифференциальному криптоанализу, мощному и общему криптоаналитическому методу, известному NSA и IBM, который стал широко известен только после того, как повторно открыт в конце 1980-х. Согласно Стивену Леви, IBM открыла дифференциальный криптоанализ, но по запросу АНБ держала этот метод в секрете. Этот метод публично известен только тогда, когда Бихам и Шамир повторно открыли его и объявили о нем несколько лет спустя. Все это показывает, как определить, какими ресурсами может обладать злоумышленник.

Другим примером участия АНБ было дело Clipper 1993 года, микрочип шифрования, предназначенный для участия в инициативе Capstone по контролю за криптографией. Клипер подвергся широкой критике со стороны криптографов по двум причинам. Затем алгоритм шифрования (названный Skipjack ) был засекречен (рассекречен в 1998 году, спустя много времени после того, как инициатива Клипера перестала действовать). Секретный шифр вызвал опасения, что АНБ намеренно сделало шифр слабым, чтобы помочь своей разведке. Вся инициатива также подверглась критике за нарушение схемаа Керкхоффса, поскольку включала специальный условный ключ, находившийся у правительства для использования правоохранительными органами (т.е. прослушивание телефонных разговоров ).

Управление цифровыми правами

Криптография играет центральную роль в управлении цифровыми правами (DRM), группы методов технологического контроля материалов, защищенных авторским правом, которые широко внедряются и используются по инициативе некоторых правообладателей. году президент США Билл Клинтон подписал Закон об авторском праве в цифровую эпоху (DMCA), который криминализировал любое производство, распространение и использование определенных криптоаналитических методов и технологий (известные сейчас или обнаруженные позже); в частности, те, которые могут быть использованы для обхода технологических DRM. общество исследователей криптографии, поскольку можно утверждать, что любое криптоаналитическое исследование нарушает DMCA.с тех пор были приняты в странах и регионах, включая в Директиве ЕС по авторскому праву. Подобные ограничения требуются договоры, подписанные страны-члены Всемирной организации интеллектуальной собственности.

Министерство юстиции США и ФБР не применяло DMCA так строго, как того опасались некоторые, но закон, тем не менее, остается спорным.. Нильс Фергюсон, уважаемый исследователь криптографии, публично заявил, что он не будет публиковать некоторые из своих исследований по проекту безопасности Intel, опасаясь судебного преследования в соответствии с DMCA. Криптолог Брюс Шнайер утверждал, что DMCA нанесет привязку к поставщику, в то же допустимые реальные меры по обеспечению кибербезопасности. И Алан Кокс (давний разработчик ядра Linux ), и Эдвард Фелтен (и некоторые из его студентов в Принстоне) столкнулись с проблемами, связанными с Законом. Дмитрий Скляров был арестован во время визита в США из России и заключен в тюрьму на пять месяцев до суда за предполагаемые права США "Об авторском праве в цифровую эпоху" в связи с работой, которую он выполнял в России, где работа была законной. В 2007 году были обнаружены и опубликованы в Интернете криптографические ключи, отвечающие за скремблирование содержимого Blu-ray и HD DVD. В обоих случаях Американская ассоциация кинематографии разослала систему уведомления о нарушении закона США "Об авторском праве в цифровую эпоху" (DMCA) и в Интернете возникла массовая негативная реакция, вызванная предполагаемым уведомлением таких уведомлений на добросовестное использование и свобода слова.

Принудительное раскрытие ключей шифрования

В Соединенном Королевстве Закон о полномочиях следствия дает полиции Великобритании право заставлять подозреваемые расшифровывать файлы или пароли, которые защищают ключи шифрования. Несоблюдение требований правонарушением само по себе, наказуемым в случае осуждения двумя годами тюремного заключения или до пяти лет в делах, национальной безопасности. В соответствии с Законом возбуждено уголовное дело; первый, в 2009 году, привел к лишению свободы на срок 13 месяцев. Аналогичные законы о принудительном раскрытии информации в Австралии, Финляндии, Франции и Индии заставляют отдельных подозреваемых, находящихся под следствием, передавать ключи шифрования или пароли во время уголовного расследования.

В США в федеральном уголовном деле United States v. Fricosu рассматривалось вопрос о том, может ли ордер на обыск вынудить человека раскрыть шифрование кодовую фразу. или пароль. Electronic Frontier Foundation (EFF) утверждал, что это нарушение защиты от самообвинения, предусмотренной Пятой поправкой. В 2012 году суд постановил, что согласно Закону о всех судебных исках ответчик должен был предоставить суду незашифрованный жесткий диск.

Во многих юрисдикциях правовой статус принудительного раскрытия информации остается не понятно.

Спор о шифровании ФБР и Apple в 2016 г. касается способности судов в США требовать от производителей помощи в разблокировке сотовых телефонов, содержимое которых защищено криптографически.

В качестве потенциальной меры противодействия принудительному раскрытию некоторые криптографические программы поддерживают правдоподобное отрицание, когда зашифрованные данные неотличимы от неиспользуемых случайных данных (например, таких как данные диска который был надежно вытерт ).

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Криптография
Викиучебники содержат дополнительную информацию по темам: Криптография
На Викиверситет вы можете узнать больше и научить других Криптографии в Департаменте криптографии
Wikisource есть текст Британской энциклопедии 1911 года статьи Криптография.
Последняя правка сделана 2021-05-16 10:21:15
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте