Шифрование

Шифрование с открытым ключом

Шифрование с открытым ключом является более поздней технологией, чем шифрование с секретным ключом. Главным различием между этими двумя технологиями является число ключей, используемых при шифровании данных. В шифровании с секретным ключом для шифрования и дешифрования данных используется один и тот же ключ, в то время как в алгоритмах шифрования с открытым ключом используются два ключа. Один ключ используется при шифровании информации, другой - при дешифровке.

В чем заключается шифрование с открытым ключом?

На рисунке 12.8 показана базовая схема шифрования с открытым ключом (асимметричного шифрования). Как видно из рисунка, оба абонента (и отправитель, и получатель) должны иметь ключ. Ключи связаны друг с другом (поэтому они называются парой ключей), но они различны. Связь между ключами заключается в том, что информация, зашифрованная с использованием ключа K1, может быть дешифрована только с помощью его пары - ключа K2. Если информация зашифрована с помощью K2, то расшифровать ее можно только с использованием ключа K1.

На практике один ключ называют секретным, а другой - открытым. Секретный ключ содержится в тайне владельцем пары ключей. Открытый ключ передается вместе с информацией в открытом виде. Еще одной особенностью шифрования с открытым ключом является то, что если у абонента имеется один из ключей пары, другой ключ вычислить невозможно. Именно поэтому открытый ключ передается в открытом виде.

Рис. 12.8. Шифрование с открытым ключом

Если важно обеспечить конфиденциальность, шифрование выполняется с открытым ключом. Таким образом, расшифровать информацию может только владелец ключа, так как секретный ключ содержится в тайне самим владельцем. Если необходимо осуществлять аутентификацию, владелец ключевой пары шифрует данные с использованием секретного ключа. Корректно дешифровать информацию можно только с помощью правильного открытого ключа, передаваемого в открытом виде, и поэтому только владелец пары ключей (иными словами, хранитель секретного ключа) может отправлять информацию. Целостность информации при передаче защищается в обоих случаях.

Целостность информации после передачи может быть проверена, если исходная информация была зашифрована с помощью секретного ключа владельца.

Недостатком систем шифрования с открытым ключом является то, что они требуют больших вычислительных мощностей и, следовательно, являются намного менее быстродействующими, нежели системы с секретным ключом. Тем не менее, если скомбинировать шифрование с открытым и секретным ключами, получится гораздо более мощная система шифрования. Система шифрования с открытым ключом используется для обмена ключами и аутентификации абонентов по обе стороны соединения. Система шифрования с секретным ключом затем используется для шифрования остального трафика.

Алгоритм обмена ключами Диффи-Хеллмана

Уитфилд Диффи (Whitfield Diffie) и Мартин Хеллман (Martin Hellman) разработали свою систему шифрования с открытым ключом в 1976 г. Система Диффи-Хеллмана (Diffie-Hellman) разрабатывалась для решения проблемы распространения ключей при использовании систем шифрования с секретными ключами. Идея заключалась в том, чтобы применять безопасный метод согласования секретного ключа без передачи ключа каким-либо другим способом. Следовательно, необходимо было найти безопасный способ получения секретного ключа с помощью того же метода связи, для которого разрабатывалась защита. Алгоритм Диффи-Хеллмана нельзя использовать для шифрования или дешифрования информации.

Алгоритм Диффи-Хеллмана работает следующим образом.

1. Предположим, что двум абонентам ( P1 и P2 ) требуется установить между собой безопасное соединение, для которого необходимо согласовать ключ шифрования.
2. P1 и P2 принимают к использованию два больших целых числа a и b, причем 1 < a < b.
3. P1 выбирает случайное число i и вычисляет I = aⁱ mod b. P1 передает I абоненту P2.
4. P2 выбирает случайное число j и вычисляет J = a^j mod b. P2 передает J абоненту P1.
5. P1 вычисляет k1 = Jⁱ mod b.
6. P2 вычисляет k2 = I^j mod b.
7. Имеем k1 = k2 = a^i*j mod b, следовательно, k1 и k2 являются секретными ключами, предназначенными для использования при передаче других данных.

Примечание

В приведенных выше уравнениях "mod" означает остаток. Например, 12 mod 10 = 2. Два - это остаток от деления 12 на 10.

Если злоумышленник прослушивает трафик, передаваемый по кабелю, то ему будут известны a, b, I и J. Тем не менее, остаются в секрете i и j. Уровень безопасности системы зависит от сложности нахождения i при известном I = aⁱ mod b. Эта задача называется задачей дискретного логарифмирования и считается очень сложной (т. е. с помощью современного вычислительного оборудования ее решить практически невозможно), если числа очень велики. Следовательно, a и b необходимо выбирать очень тщательно. Например, оба числа b и (b - 1)/2 должны быть простыми и иметь длину не менее 512 бит. Рекомендуемая длина чисел составляет 1024 бит.

Алгоритм обмена ключами Диффи-Хеллмана используется во многих системах безопасности для реализации обмена ключами, используемыми для дополнительного трафика. Недостатком системы Диффи-Хеллмана является то, что она может быть уязвима для атаки посредником (см. рис. 12.9). Если атакующий сумеет разместить свой компьютер между двумя абонентами P1 и P2, подключить его к каналу связи и осуществлять перехват всей передаваемой информации, то он сможет выполнять обмен данными с P2, выдавая себя за P1, и с P1 под видом P2. Таким образом, обмен ключами будет происходить между P1 и злоумышленником и между P2 и злоумышленником. Тем не менее, осуществление такой атаки требует большого объема ресурсов, и в реальном мире такие атаки происходят редко.

Рис. 12.9. Атака посредником на алгоритм Диффи-Хеллмана