Классификация криптографических протоколов

Основные классы прикладных криптографических протоколов:

– протоколы шифрования / расшифрования, конфиденциальные вычисления.

– протоколы идентификации / аутентификации (подтверждение подлинности источника, данных, ключей);

– протоколы аутентифицированного распределения и генераци ключей: пересылка ключей (перешифрование), согласование ключей (протоколы типа Диффи-Хеллмана);
– протоколы электронной цифровой подписи (ЭЦП),

- электронные деньги (система протоколов);
– протоколы голосования;

Протоколы идентификации/аутентификации

В основе протокола идентификации содержится некоторый алгоритм проверки того факта, что идентифицируемый объект (пользователь, устройство, процесс), предъявивший некоторое имя (идентификатор), знает секретную информацию, известную только заявленному объекту, причем метод проверки является, конечно, косвенным, то есть без предъявления этой секретной информации.

Обычно с каждым именем (идентификатором) объекта связывается перечень его прав и полномочий в системе, записанный в защищенной базе данных. В этом случае протокол идентификации может быть расширен до протокола аутентификации, в котором идентифицированный объект проверяется на правомочность заказываемой услуги.

Если в протоколе идентификации используется ЭЦП, то роль секретной информации играет секретный ключ ЭЦП, а проверка ЭЦП осуществляется с помощью открытого ключа ЭЦП, знание которого не позволяет определить соответствующий секретный ключ, но позволяет убедиться в том, что он известен автору ЭЦП.

Протоколы аутентифицированного распределения ключей

Протоколы этого класса совмещают аутентификацию пользователей с протоколом генерации и распределения ключей по каналу связи.

Протокол имеет двух или трёх участников; третьим участником является центр генерации и распределения ключей (ЦГРК), называемый для краткости сервером S.

Протокол состоит из трёх этапов, имеющих названия:

· генерация,

· регистрация

· и коммуникация.

На этапе генерациисервер S генерирует числовые значения параметров системы, в том числе, свой секретный и открытый ключ.

На этапе регистрации сервер S идентифицирует пользователей по документам (при личной явке или через уполномоченных лиц), для каждого объекта генерирует ключевую и/или идентификационную информацию и формирует маркер безопасности, содержащий необходимые системные константы и открытый ключ сервера S (при необходимости).

На этапе коммуникации реализуется собственно протокол аутентифицированного ключевого обмена, который завершается формированием общего сеансового ключа.

На практике криптосистемы с открытым ключом используются для шифрования ключей, а не сообщений.

На это есть две основные причины:

1. Алгоритмы шифрования с открытым ключом в среднем работают в тысячи раз медленнее, чем алгоритмы с симметричным ключом. И хотя темпы роста компьютерной производительности очень высоки, требования к скорости шифрования растут не менее стремительно. Поэтому криптосистемы с открытым ключом вряд ли когда-нибудь смогут удовлетворить современные потребности в скорости шифрования.
2.Алгоритмы шифрования с открытым ключом уязвимы по отношению к криптоаналитическим атакам со знанием открытого текста.

Пусть С=Е(Р),

где С обозначает шифртекст,

Р – открытый текст,

Е – функция шифрования.

Тогда, если Р принимает значения из некоторого конечного множества, состоящего из n открытых текстов. Криптоаналитику достаточно зашифровать все эти тексты, используя известный ему открытый ключ, и сравнить результаты с С.

Ключ таким способом ему вскрыть не удастся, однако открытый текст будет успешно определен.

Чем меньше количество n возможных открытых текстов, тем эффективнее будет атака на криптосистему с открытым ключом.

Например, если криптоаналитику известно, что шифрованию подверглась сумма сделки, не превышающая 1 млн долл., он может перебрать все числа от 1 до 1 000 000.
В большинстве случаев криптографические алгоритмы с открытым ключом применяются для шифрования сеансовых ключей при их передаче абонентам сети связи.
Данный протокол позволяет не хранить ключи в течение неопределенного периода времени до тех пор, пока они не понадобятся в очередном сеансе связи.

Сеансовый ключ можно сгенерировать и отправить по требуемому ; адресу непосредственно перед посылкой сообщения, которое предполагается зашифровать на этом ключе, а потом его сразу уничтожить. Тем самым уменьшается вероятность компрометации сеансового ключа. И хотя тайным ключ также может быть скомпрометирован, риск здесь значительно меньше поскольку тайный ключ используется очень редко – только для однократного зашифрования сеансового ключа.

Протоколы электронной цифровой подписи (ЭЦП)

В основе протокола этого класса содержится некоторый симметричный или асимметричный алгоритм шифрования/расшифрования.

Алгоритм шифрования выполняется на передаче отправителем сообщения, в результате чего сообщение преобразуется из открытой формы в шифрованную. Алгоритм расшифрования выполняется на приёме получателем, в результате чего сообщение преобразуется из шифрованной формы в открытую. Так обеспечивается свойство конфиденциальности.

Для обеспечения свойства целостности передаваемых сообщений симметричные алгоритмы шифрования / расшифрования, обычно, совмещаются с алгоритмами вычисления имитозащитной вставки (ИЗВ) на передаче и проверки ИЗВ на приёме, для чего используется ключ шифрования.

При использованииасимметричных алгоритмов шифрования / расшифрованиясвойство целостности обеспечивается отдельно путем вычисления электронной цифровой подписи (ЭЦП) на передаче и проверки ЭЦП на приёме, чем обеспечиваются также свойства безотказности и аутентичности принятого сообщения.

Алгоритм вычисления ЭЦП на передаче осуществляется с помощью секретного ключа отправителя.

Проверка ЭЦП на приёме осуществляется с помощью соответствующего открытого ключа, извлекаемого из открытого справочника, но защищенного от модификаций.

В случае положительного результата проверки протокол, обычно, завершается операцией архивирования принятого сообщения, его ЭЦП и соответствующего открытого ключа. Операция архивирования может не выполняться, если ЭЦП используется только для обеспечения свойств целостности и аутентичности принятого сообщения, но не безотказности. В этом случае, после проверки, ЭЦП может быть уничтожена сразу или по прошествии ограниченного промежутка времени ожидания.

Подводя итог сказанному, следует еще раз подчеркнуть, что в протоколах обмена сообщениями с использованием симметричного шифрования ключи должны храниться и распределяться между участниками протокола в строжайшем секрете. Ключи являются не менее ценными, чем сама информация, которая шифруется с их использованием, поскольку знание ключей противником открывает ему неограниченный доступ к этой информации

В 1976 г. американские криптологи У. Диффи и М. Хеллман изобрели криптографию с открытым ключом. Они предложили использовать два вида ключей – открытые и тайные. Вычислить тайный ключ, зная только открытый, очень сложно. Человек, владеющий открытым ключом, может с его помощью зашифровать сообщение. Расшифровать это сообщение в состоянии только тот, кто имеет соответствующий тайный ключ. В отличие от симметричной криптосистемы, для алгоритма шифрования с открытым ключом больше подходит сравнение с почтовым ящиком. Опустить почту и этот ящик очень просто, равно как и зашифровать сообщение с применением открытого ключа. А извлечение из почтового ящика находящейся в нем корреспонденции сродни расшифрованию сообщения. Желающего сделать это без ключа вряд ли ожидает легкая работа. Обладатель же ключа откроет почтовый ящик, т. е. расшифрует сообщение, без особого труда.
При зашифровании и расшифровании сообщений в криптосистеме с открытым ключом используется однонаправленная функция с лазейкой. Причем зашифрование соответствует вычислению значения этой функции, а расшифрование – ее обращению. Поскольку и открытый ключ, и сама функция не являются секретными, каждый может зашифровать свое сообщение с их помощью. Однако обратить функцию, чтобы получить открытый текст зашифрованного сообщение, в разумные сроки не сможет никто. Для этого необходимо знать лазейку, т.е. тайный ключ. Тогда расшифрование будет таким же легким, как и зашифрование.
Применение криптографии с открытым ключом позволяет решить проблему передачи ключей, которая присуща симметричным криптосистемам.
Чтобы упростить протокол обмена шифрованными сообщениями, открытые ключи всех абонентов единой сети связи часто помещаются в справочную базу данных, находящуюся в общем пользовании этих абонентов.

Электронные деньги

Протоколы, обеспечивающие реализацию функции электронные деньги должны обеспечивать два основных свойства: невозможность их подделать (очевидно) и неотслеживаемость.

1. Внесетевые платежные системы

Рассмотрим платежные инструменты которые сейчас являются современными, доступными для общего пользования и в последнее время все чаще и чаще соперничают с тем, что мы привыкли называть деньгами в наличной и безналичной форме. Первыми из этих инструментов рассматриваются пластиковые карточки так как они являются наиболее близкими к наличным деньгам, уже достаточно устоявшимися и привычными для пользователей.

Пластиковая карточка - это персонифицированный платежный инструмент, предоставляющий пользующемуся карточкой лицу возможность безналичной оплаты товаров и/или услуг, а также получения наличных средств в отделениях (филиалах) банков и банковских автоматах (банкоматах) /4/. Принимающие карточку предприятия торговли/сервиса и отделения банков образуют сеть точек обслуживания карточки (или приемную сеть).

Таким образом, пластиковые карты можно разделить на два типа:
1) магнитные карты
2) карты памяти.

Магнитные карты

Простейшим видом пластиковых карт является магнитная карта.

Эта пластиковая карточка, соответствующая спецификациям ISO, имеет на обратной стороне магнитную полосу с информацией объемом около 100 байт, которая считывается специальным устройством.

Такие магнитные карточки широко используются во всем мире в качестве кредитных (VISA, MasterCard, Eurocard и т. д.), а также как дебетовые банковские карточки в банкоматах.