Секреты и ложь. Безопасность данных в цифровом мире - Брюс Шнайер

Не важно, какие алгоритмы и насколько длинные ключи используются; секреты, которые хранятся в памяти пользователя, беззащитны сами по себе.

Ключ, сгенерированный случайным образом, намного лучше, но проблемы остаются. Генератор случайных чисел должен создавать ключи с максимальной энтропией. Недостатки генератора случайных чисел – те же, что привели к сбоям системы шифрования в Netscape Navigator 1.1. Хотя генератор случайных чисел применяли для создания 128-битовых ключей, максимальная энтропия достигала примерно 20 бит. То есть алгоритм был не лучше, чем если бы использовался 20-битовый ключ[23].

Второй предмет заботы – это качество алгоритма шифрования. Все предыдущие расчеты предполагали, что алгоритм получал ключи при помощи вычислений и использовал их совершенным образом. Если в алгоритме есть слабые места, доступные для атаки, это существенно снижает энтропию ключей. Например, алгоритм А5/1, используемый европейской сетью сотовых телефонов GSM, имеет 64-битовый ключ, но может быть взломан за время, требующееся для взлома 30-битового ключа при помощи атаки «в лоб». Это значит, что хотя у алгоритма имеется ключ с 64-битовой энтропией, он задействует для ключа только 30 бит энтропии. Вы можете с тем же успехом использовать хороший алгоритм с 30-битовым ключом.

По этой причине проходит довольно много времени, прежде чем шифровальщики начинают доверять новому алгоритму. Когда кто-то предлагает новый алгоритм, у него есть определенная длина ключа. Но обеспечивает ли алгоритм реально ту энтропию, которая заявлена? Может потребоваться несколько лет анализа, прежде чем мы поверим, что он это делает. И даже тогда мы можем легко ошибиться: возможно, кто-то придумает новые математические подходы, которые понизят энтропию алгоритма и сломают его. Поэтому рекламу программ, в которых обещаются тысячебитовые ключи, трудно воспринимать серьезно – ее создатели не имеют понятия, как работают ключи и энтропия.

Похожая проблема существует и для физических ключей и замков. Принято думать, что слесарь возит в своем грузовике огромное кольцо с ключами от машин. Может потребоваться 10 000 ключей, чтобы открыть все замки, но в реальности несколько дюжин ключей откроют любой из них. Иногда слесарю достаточно просто взять другой ключ, отличающийся от предыдущего на 1-2 «бита», – отметим, что это комбинация анализа и лобовой атаки – и этого уже достаточно. Да, процесс долгий, но совсем не такой, как проверка всех 10 000 возможных ключей (старые замки – четырехштырьковые). Действительная надежность дверного замка существенно отличается от теоретической.

То же самое с комбинациями замков. Вы можете перебрать все возможные комбинации – и существуют машины для взлома сейфов, которые так и делают, – или поступить хитрее. Современные машины для взлома сейфов применяют микрофон, чтобы слушать звук, производимый дисками, когда их поворачивают, и они могут открыть сейф намного быстрее, чем старые, действующие «в лоб».

Сказанное здесь заставляет очень внимательно подходить к выбору алгоритма. Мы еще обсудим это более детально в конце этой главы.

Кодирование одноразового использования – это самый простой из всех алгоритмов, его изобрели незадолго до XX века. Основная идея его состоит в том, что у вас есть набор символов ключа. Вы прибавляете один символ ключа к каждому символу открытого текста и никогда не повторяете символы ключа. (Это «одноразовая» часть.) Например, вы прибавляете В (2) к С (3), чтобы получить Е (5), или Т (20) к L (12), чтобы получить F (6). ((20 + 12) mod 26 = 6.) Такая система подходит для любого алфавита, в том числе и бинарного. И это единственный имеющийся у нас алгоритм, безопасность которого может быть доказана[24].

Вспомним понятие расстояния уникальности. Оно возрастает при увеличении длины ключа. Когда длина ключа приближается к длине сообщения, расстояние уникальности стремится к бесконечности. Это означает, что невозможно восстановить открытый текст, и это доказывает безопасность одноразового кодирования.

Но, с другой стороны, это практически бесполезно. Поскольку ключ должен при этом быть такой же длины, как и сообщение, то проблема не решена. Единственный здравый подход к шифрованию должен предполагать, что очень длинная секретная информация – сообщение – превращается с его помощью в очень короткую секретную информацию – ключ. При помощи одноразового кодирования вы нисколько не сокращаете секретную информацию. Так же сложно доставить шифр получателю, как и доставить само сообщение. Современная криптография зашифровывает большие объекты, например цифровые фильмы, соединения через Интернет или телефонные разговоры, и такое шифрование практически невозможно осуществить, работая с одноразовым кодированием.

Одноразовое кодирование практически использовалось в особых случаях. Русские шпионы применяли для общения алгоритм одноразового кодирования, используя карандаш и бумагу. Агентство национальной безопасности (NSA) раскрыло эту систему, поскольку русские использовали ее повторно. Горячая линия телетайпа между Вашингтоном и Москвой была зашифрована именно таким образом.

Если утверждают, что некая программа использует этот алгоритм, то здесь почти наверняка обман. А если и нет, то программа наверняка непригодна для использования или небезопасна.

Шесть инструментов, о которых я говорил в предыдущей главе, – симметричное шифрование, коды аутентификации сообщений, шифрование с открытым ключом, односторонние хэш-функции, схемы цифровых подписей и генераторы случайных чисел – составляют набор инструментов шифровальщика. С его помощью мы выстраиваем криптографические решения реальных задач: «Как мне послать секретное письмо по электронной почте? Как можно предотвратить мошенничества с телефонными звонками? Как мне обеспечить безопасность системы голосования через Интернет?» Эти задачи безопасности мы решаем, компонуя простейшие элементы в так называемые протоколы. Приходится использовать и другие второстепенные элементы, но, по существу, шесть перечисленных выше элементов составляют ядро любого криптографического протокола.

Например, предположим, что Алиса хочет сохранить в тайне некоторые файлы данных. Вот протокол, который это делает. Алиса выбирает пароль или даже лучше – ключевую фразу. Криптографические программы хэшируют этот пароль, чтобы получить секретный ключ, а затем, применяя симметричный алгоритм, зашифровывают файл данных. В результате получится файл, доступ к которому есть только у Алисы или у того, кто знает пароль.

Хотите создать безопасный телефон? Используйте криптографию с открытым ключом, чтобы сформировать сеансовый ключ, а затем при помощи этого ключа и симметричной криптографии зашифруйте переговоры. Хэш-функция обеспечивает дополнительную безопасность против атак, проводимых человеком. (Подробнее об этом позже.) Чтобы засекретить сообщение электронной почты, воспользуйтесь криптографией с открытым ключом для соблюдения секретности и схемой цифровой подписи для аутентификации. Электронная торговля? Обычно для нее не требуется ничего, кроме цифровых подписей и, иногда, шифрования для секретности. Секретный контрольный журнал? Возьмите хэш-функции, шифрование, может быть, MAC и перемешайте.

То, что мы сейчас делаем, и есть создание протоколов. Протокол – это не сложнее, чем танец. Это последовательность заданных шагов, которую выполняют два (или больше) партнера и которая предназначена для решения поставленной задачи. Представьте себе протокол, которым пользуются продавец и покупатель при покупке мандаринов. Вот необходимые шаги:

1. Покупатель спрашивает у продавца мандарины.

2. Продавец дает ему мандарины.

3. Покупатель платит продавцу.

4. Продавец возвращает ему сдачу.

Все, о ком идет речь в протоколе, должны знать шаги. Например, покупатель знает, что он должен заплатить за мандарины. Все шаги должны быть однозначны: ни продавец, ни покупатель не могут достичь шага, на котором они не знают, что делать. Кроме того, протокол должен обязательно завершаться – в нем не должно быть бесконечных циклов.

Шаг 2 не будет работать как надо, если продавец не поймет семантическое содержание шага 1. Продавец не выполнит шаг 4, если на шаге 3 не признает деньги настоящими. Попробуйте купить мандарины в США на польские злотые и посмотрите, как вам это удастся.

Нас особо волнуют протоколы безопасности. Кроме всех перечисленных выше требований мы хотим, чтобы покупатель и продавец не имели возможности обманывать (что бы ни означало «обманывать» в нашем контексте). Мы не хотим, чтобы продавец мог заглянуть в бумажник покупателя на шаге 3. Мы не хотим, чтобы продавец не отдал покупателю сдачу на шаге 4. Мы не хотим, чтобы покупатель застрелил продавца на шаге 3 и ушел с украденными мандаринами. Такие способы обмана распространены и в материальном мире, а анонимность киберпространства только увеличивает опасность.