Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография - Гомес Жуан (бесплатные полные книги TXT) 📗

Всем известно, что для обеспечения безопасности кода ключи шифрования должны быть защищены надежнее, чем алгоритм. Тогда возникает проблема: как безопасно распределять ключи. Даже в простых случаях это является серьезной проблемой логистики, например, как распределить тысячи шифровальных книг среди радистов большой армии, или как доставить книги в мобильные центры связи, работающие в экстремальных условиях, такие как станции на подводных лодках или штабы на линии фронта. Какой бы сложной ни была классическая система шифрования, она остается уязвимой, так как соответствующие ключи могут быть перехвачены.

Сама концепция безопасного обмена ключами может показаться противоречивой: как вы можете послать ключ в виде сообщения, которое уже как-то зашифровано?

Ключом, переданным заранее обычным способом? Однако, если ключами действительно несколько раз обменивались, то решение проблемы можно себе представить — по крайней мере, на теоретическом уровне.

Предположим, что отправитель по имени Джеймс шифрует сообщение с помощью своего ключа и посылает результат получателю по имени Питер, который повторно шифрует зашифрованное послание своим ключом и возвращает его отправителю. Джеймс расшифровывает сообщение своим ключом и посылает назад результат, т. е. текст, в данный момент зашифрованный только ключом Питера, который его расшифровывает. Казалось бы, вековая проблема безопасного обмена ключами решена! Неужели это правда? К сожалению, нет. В любом сложном алгоритме шифрования порядок применения ключей имеет решающее значение, а в нашем примере мы видим, что Джеймс расшифровывает сообщение, которое уже зашифровано другим ключом. Когда порядок ключей меняется, результат будет абракадаброй. Вышеизложенный пример не объясняет теории подробно, но он дает подсказку к решению проблемы. В 1976 г. два молодых американских ученых, Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман, нашли способ, при котором два человека могут обмениваться зашифрованными сообщениями без всякого обмена секретными ключами. Этот метод использует модульную арифметику, а также свойства простых чисел. Идея заключается в следующем.

* * *

Уитфилд Диффи

* * *

1. Джеймс выбирает число, которое он держит в секрете. Мы обозначим это число N_j1

2. Питер выбирает другое случайное число, которое он тоже держит в секрете. Мы обозначим это число N_p1

3. Затем и Джеймс, и Питер применяют к своим числам функцию вида f(x) = а^х (mod р) где р — простое число, известное им обоим.

∙ После этой операции Джеймс получает новое число, N_j2, которое он посылает Питеру.

∙ А Питер посылает Джеймсу свое новое число N_p2

4. Джеймс вычисляет N^Nj1_p2 (mod р) и получает новое число С_j.

5. Питер вычисляет N^Np1_j2 (mod р) и получает новое число С_р.

Хотя это кажется невозможным, но числа С_j и С_р являются одинаковыми. И теперь у нас есть ключ. Заметим, что Джеймс и Питер обменивались информацией только тогда, когда они выбрали функцию f(x) = а^х (mod р) и послали друг другу числа N_j2 и N_p2. Ни то, ни другое не является ключом, поэтому перехват этой информации не будет угрожать безопасности системы шифрования. Ключ этой системы имеет следующий вид:

a^Nj1∙Np1  (mod p).

Важно также учесть, что данная функция имеет одну особенность: она необратима, то есть зная саму функцию и результат ее применения к переменной х, невозможно (или, по крайней мере, очень сложно) найти исходное значение х.

Далее, чтобы пояснить идею, мы повторим процесс с конкретными значениями.

Возьмем следующую функцию:

f(x) = 7^х (mod 11).

1. Джеймс выбирает число, N_J1 например, 3, и подставляет в функцию f(3) = 7³  

2. Питер выбирает число, N_p1 например, 6, и подставляет в функцию f(6) = 7⁶ 

3. Джеймс посылает Питеру свой результат, 2, а Питер Джеймсу — свой, 4.

4. Джеймс считает 4³ 

5. Питер считает 2⁶ 

Это число, 9, и будет ключом системы.

Джеймс и Питер обменялись функцией f(х) и числами 2 и 4. Будет ли эта информация полезна злоумышленнику? Допустим, злоумышленник знает и функцию, и числа. Тогда он должен найти N_j1 и N_p1 по модулю 11, где N_j1 и N_p1 — такие числа, которые и Джеймс, и Питер держат в секрете даже друг от друга. Если шпиону удастся узнать эти числа, он получит ключ, лишь вычислив a^Nj1∙Np1  по модулю р. Решение уравнения вида у = а^х, кстати, в математике называется дискретным логарифмом.

Например, в случае:

f(х) = 3^х (mod 17),

зная, что 3^х = 15 (mod 17), и пробуя различные значения х, мы получим, что х = 6.

Алгоритмы этого типа и задачи с дискретным логарифмом не получали должного внимания вплоть до начала 1990 гг., и лишь в последнее время эти методы начали разрабатываться. В приведенном выше примере число 6 является дискретным логарифмом числа 15 с основанием 3 по модулю 17.

Особенностью этого типа уравнений, как мы уже говорили, является сложность обратного процесса — они асимметричны. Если р больше 300, а число а больше 100, решение — и, следовательно, взлом ключа — становится крайне сложной задачей.

* * *

* * *

Этот алгоритм является основой современной криптографии. Диффи и Хеллман представили свою идею на Национальной компьютерной конференции, на семинаре, который можно назвать поворотным. В полном объеме их работу можно почитать на www.cs.berkeley.edu/~christos/classics/diffiehellman.pdf, статья с названием «Новые направления в криптографии».