Криптография

В схеме электронной подписи должно быть две части: одна отвечает за формирование (создание) подписи, другая за проверку. Вторая часть является общедоступной.

Что такое криптография и как она стала частью нашей жизни

Криптография — это технология шифрования исходного сообщения в секретный код или шифр и его последующего дешифрования. Термин происходит от древнегреческих kryptós — скрытый, и graphein — писать.

Хотя криптография ассоциируется в первую очередь с достижениями современной науки, технология используется человечеством уже несколько тысячелетий. Если раньше ее применяли преимущественно государственные деятели и секретные службы, сейчас криптография присутствует в жизни любого человека с доступом в интернет. Ведь мы обмениваемся сотнями сообщений каждый день, снимаем наличные в банкоматах, оплачиваем покупки с помощью кредитных карт, делаем заказы в интернете, отправляем и получаем электронные письма — и все эти данные кодируются и расшифровываются. На реализацию этих сложнейших, с точки зрения обывателя, криптографических операций уходят доли секунды.

Шифрование обеспечивают те, кто такие операции производит: банки, социальные сети, почтовые сервисы. Фактически, они берут на себя функцию службы безопасности в мире электронных транзакций. В наши дни информация обладает исключительной ценностью, а ее сохранность сравнима с физической безопасностью человека. А во многом, напрямую с ней связана.

Главный метод современной криптографии — шифрование, которое превращает информацию в код, поддающийся расшифровке только с помощью подходящего ключа. То есть в основе криптографии лежит та же идея, что и у секретных языков, которые придумывают дети, чтобы запутать взрослых. В ситуации, когда код знает только отправитель и получатель информации, передаваемые данные остаются для остальных непереводимым набором символов.

Алгоритмы шифрования

Алгоритмы шифрования в криптографии делятся на два основных класса:

• Симметричные используют один секретный ключ для шифрования и дешифрования данных. Симметричное шифрование используется, например, в банковских переводах и при оплате онлайн. Его уязвимость заключается в возможном перехвате самого ключа: в этом случае посторонние получат неограниченный доступ к информации.

Фото: Otus.ru

• Асимметричные алгоритмы решают упомянутую проблему наличием двух ключей — публичного и приватного. Сначала отправитель шифрует сообщение с помощью своего открытого ключа и отправляет его адресату. Получатель сможет декодировать исходное сообщение только при наличии уже собственного приватного ключа. Именно эта уникальная пара «публичный код отправителя — приватный ключ получателя» делает кражу одного из кодов бесполезной и улучшает защиту. Асимметричные алгоритмы используются, в частности, для генерации цифровых подписей.

Фото: Otus.ru

Bad title

The requested page title is invalid. It may be empty, contain unsupported characters, or include a non-local or incorrectly linked interwiki prefix. You may be able to locate the desired page by searching for its name (with the interwiki prefix, if any) in the search box.

Possible causes are:

• an attempt to load a URL such as https://en.wikipedia.org/wiki/| (the | character is unsupported);
• an attempt to load a URL pointing to a «non-local» interwiki page (usually those not run by the Wikimedia Foundation). For example, the URL https://en.wikipedia.org/wiki/meatball:WikiPedia will give this error, because the «meatball:» interwiki prefix is not marked as local in the interwiki table. Certain interwiki prefixes are marked as local in the table. For example, the URL https://en.wikipedia.org/wiki/meta:Main_Page can be used to load meta:Main_Page. All interlanguage prefixes are marked as local, and thus URLs such as https://en.wikipedia.org/wiki/fr:Accueil will work as expected. However, non-local interwiki pages can still be accessed by interwiki linking or by entering them in the search box. For example [[meatball:WikiPedia]] can be used on a page, like this: meatball:WikiPedia.

Retrieved from «https://en.wikipedia.org/wiki/Special:Badtitle»

• Privacy policy
• About Wikipedia
• Disclaimers
• Contact Wikipedia
• Code of Conduct
• Developers
• Statistics
• Cookie statement
• Mobile view

Введение в криптографию и шифрование, часть первая. Лекция в Яндексе

Чтобы сходу понимать материалы об инфраструктуре открытых ключей, сетевой безопасности и HTTPS, нужно знать основы криптографической теории. Один из самых быстрых способов изучить их — посмотреть или прочитать лекцию Владимира ivlad Иванова. Владимир — известный специалист по сетям и системам их защиты. Он долгое время работал в Яндексе, был одним из руководителей нашего департамента эксплуатации.

Мы впервые публикуем эту лекцию вместе с расшифровкой. Начнём с первой части. Под катом вы найдёте текст и часть слайдов.

Я когда-то читал в МГУ лекции по крипте, и они занимали у меня по полгода. Я попытаюсь вам всё рассказать за два с половиной часа. Никогда этого не делал. Вот и попробуем.

Кто понимает, что такое DES? AES? TLS? Биноминальное отображение?

Говорить постараемся в общих терминах, потому что сложно и глубоко разбирать не получится: мало времени и базовая подготовка должна быть довольно большой. Будем оперировать общими концепциями, довольно поверхностно.

Мы поговорим о том, что такое криптографические примитивы, простые штучки, из которых впоследствии можно строить более сложные вещи, протоколы.

Мы будем говорить о трех примитивах: симметричном шифровании, аутентификации сообщений и асимметричном шифровании. Из них вырастает очень много протоколов.

Сегодня мы попробуем чуть-чуть поговорить про то, как вырабатываются ключи. В общем виде поговорим о том, как отправить защищенное сообщение, используя криптопримитивы, которые у нас есть, от одного пользователя другому.

Когда люди говорят про крипту вообще, есть несколько фундаментальных принципов. Один из них — принцип Керкгоффса, который говорит, что open source в криптографии очень важен. Если точнее, он дает общее знание об устройстве протоколов. Смысл очень простой: криптографические алгоритмы, которые используются в той или иной системе, не должны быть секретом, обеспечивающим ее устойчивость. В идеале необходимо строить системы так, чтобы их криптографическая сторона была полностью известна атакующему и единственным секретом являлся криптографический ключ, который в данной системе используется.

Современные и коммерчески доступные системы шифрования — все или почти все или лучшие из них — построены из компонент, устройство и принцип работы которых хорошо известны. Единственная секретная вещь в них — ключ шифрования. Есть только одно известное мне значимое исключение — набор секретных криптографических протоколов для всевозможных государственных организаций. В США это называется NSA suite B, а в России это всякие странные секретные алгоритмы шифрования, которые до определенной степени используются военными и государственными органами.

Не сказал бы, что такие алгоритмы приносят им большую пользу, за исключением того, что это примерно как атомная физика. Можно попытаться по пониманию дизайна протокола понять направление мысли людей, которые его разработали, и неким образом обогнать другую сторону. Не знаю, насколько такой принцип актуален по нынешним меркам, но люди, знающие про это больше меня, поступают именно так.

В каждом коммерческом протоколе, с которым вы столкнетесь, ситуация обстоит иначе. Там везде используется открытая система, все придерживаются этого принципа.

Первый криптографический примитив — симметричные шифры.

Они очень простые. У нас есть какой-то алгоритм, на вход которого поступает открытый текст и нечто, называемое ключом, какое-то значение. На выходе получается зашифрованное сообщение. Когда мы хотим его дешифровать, важно, чтобы мы брали тот же самый ключ шифрования. И, применяя его к другому алгоритму, алгоритму расшифровки, мы из шифротекста получаем наш открытый текст назад.

Какие здесь важные нюансы? В большинстве распространенных алгоритмов симметричного шифрования, с которыми можно столкнуться, размер шифротекста всегда равен размеру открытого текста. Современные алгоритмы шифрования оперируют размерами ключей. Размер ключей измеряется в битах. Современный размер — от 128 до 256 бит для алгоритмов симметричного шифрования. Об остальном, в том числе о размере блока, мы поговорим позже.

Исторически, в условном IV веке до нашей эры, существовало два метода дизайна шифров: шифры подстановки и перестановки. Шифры подстановки — алгоритм, где в те времена заменяли одну букву сообщения на другую по какому-то принципу. Простой шифр подстановки — по таблице: берем таблицу, где написано, что А меняем на Я, Б на Ю и т. д. Дальше по этой таблице шифруем, по ней же дешифруем.

Как вы считаете, с точки зрения размера ключа насколько это сложный алгоритм? Сколько вариантов ключей существует? Порядок факториала длины алфавита. Мы берем таблицу. Как мы ее строим? Допустим, есть таблица на 26 символов. Букву А можем заменить на любой из них, букву Б — на любой из оставшихся 25, С — на любой из оставшихся 24… Получаем 26*25*24*… — то есть факториал от 26. Факториал размерности алфавита.

Если взять log₂26!, это будет очень много. Думаю, вы точно получите в районе 100 бит длины ключа, а то и поболее. Оказалось, что с точки зрения формального представления стойкости указанный алгоритм шифрования — довольно неплохой. 100 бит — приемлемо. При этом все, наверное, в детстве или юности, когда сталкивались с кодировками, видели, что такие алгоритмы дешифруются тривиально. Проблем с расшифровкой нет.

Долго существовали всякие алгоритмы подстановки в разных конструкциях. Одним из них, еще более примитивным, является шифр Цезаря, где таблица формируется не случайной перестановкой символов, а сдвигом на три символа: А меняется на D, B на Е и т. д. Понятно, что шифр Цезаря вместе со всеми его вариантами перебрать очень легко: в отличие от табличной подстановки, в ключе Цезаря всего 25 вариантов при 26 буквах в алфавите — не считая тривиального шифрования самого в себя. И его как раз можно перебрать полным перебором. Здесь есть некоторая сложность.

Почему шифр табличной подстановки такой простой? Откуда возникает проблема, при которой мы можем легко, даже не зная ничего про криптографию, расшифровать табличную подстановку? Дело в частотном анализе. Есть самые распространенные буквы — какая-нибудь И или Е. Их распространенность велика, гласные встречаются намного чаще, чем согласные, и существуют негативные пары, никогда не встречающиеся в естественных языках, — что-то вроде ЬЪ. Я даже давал студентам задание сделать автоматический дешифратор шифра подстановки, и, в принципе, многие справлялись.

В чем проблема? Надо статистику распределения букв исказить, чтобы распространенные буквы не так светились в зашифрованном тексте. Очевидный способ: давайте будем шифровать самые часто встречающиеся буквы не в один символ, а в пять разных, например. Если буква встречается в среднем в пять раз чаще, то давайте по очереди — сначала в первый символ будем зашифровывать, потом во второй, в третий и т. д. Далее у нас получится маппинг букв не 1 к 1, а, условно, 26 к 50. Статистика, таким образом, нарушится. Перед нами первый пример полиалфавитного шифра, который как-то работал. Однако с ним есть довольно много проблем, а главное, очень неудобно работать с таблицей.

Дальше придумали: давайте не будем шифровать такими таблицами, а попробуем брать шифр Цезаря и для каждой следующей буквы изменять сдвиг. Результат — шифр Виженера.

Берем в качестве ключа слово ВАСЯ. Берем сообщение МАША. Задействуем шифр Цезаря, но отсчитывая от этих букв. Например, В — третья буква в алфавите. Мы должны сдвинуть на три буквы соответствующую букву в открытом тексте. М сдвигается в П. А в А. Ш — на 16, перескочим букву А, получим, условно, Д. Я сдвинет А в Я. ПАДЯ.

Что удобно в получившемся шифре? Здесь было две одинаковых буквы, но в результате они зашифровались в разные. Это классно, потому что размывает статистику. Метод хорошо работал, пока где-то в XIX веке, буквально недавно на фоне истории криптографии, не придумали, как его ломать. Если посмотреть на сообщение из нескольких десятков слов, а ключ довольно короткий, то вся конструкция выглядит как несколько шифров Цезаря. Мы говорим: окей, давайте каждую четвертую букву — первую, пятую, девятую — рассматривать как шифр Цезаря. И поищем среди них статистические закономерности. Мы обязательно их найдем. Потом возьмем вторую, шестую, десятую и так далее. Опять найдем. Тем самым мы восстановим ключ. Единственная проблема — понять, какой он длины. Это не очень сложно, ну какой он может быть длины? Ну 4, ну 10 символов. Перебрать 6 вариантов от 4 до 10 не очень сложно. Простая атака — она была доступна и без компьютеров, просто за счет ручки и листа бумаги.

Как из этой штуки сделать невзламываемый шифр? Взять ключ размера текста. Персонаж по имени Клод Шэннон в ХХ веке, в 1946 году, написал классическую первую работу по криптографии как по разделу математики, где сформулировал теорему. Длина ключа равна длине сообщения — он использовал XOR вместо сложения по модулю, равному длине алфавита, но в данной ситуации это не очень принципиально. Ключ сгенерирован случайным образом, является последовательностью случайных бит, и на выходе тоже получится случайная последовательность бит. Теорема: если у нас есть такой ключ, то подобная конструкция является абсолютно стойкой. Доказательство не очень сложное, но сейчас не буду про него говорить.

Важно, что можно создать невзламываемый шифр, но у него есть недостатки. Во-первых, ключ должен быть абсолютно случайным. Во-вторых, он никогда не должен использоваться повторно. В-третьих, длина ключа должна быть равна длине сообщения. Почему нельзя использовать один и тот же ключ для шифровки разных сообщений? Потому что, перехватив этот ключ в следующий раз, можно будет расшифровать все сообщения? Нет. В первых символах будет виден шифр Цезаря? Не очень понял. Кажется, нет.

Возьмем два сообщения: МАША, зашифрованная ключом ВАСЯ, и другое слово, у которого ключ тоже был ВАСЯ, — ВЕРА. Получим примерно следующее: ЗЕШЯ. Сложим два полученных сообщения, причем так, чтобы два ключа взаимно удалились. В итоге получим лишь разницу между осмысленным шифротекстом и осмысленным шифротекстом. На XOR это делается удобнее, чем на сложении по длине алфавита, но разницы практически никакой.

Если мы получили разницу между двумя осмысленными шифротекстами, то дальше, как правило, становится намного легче, поскольку у текстов на естественном языке высокая избыточность. Зачастую мы можем догадаться, что происходит, делая разные предположения, гипотезы. А главное, что каждая верная гипотеза будет раскрывать нам кусочек ключа, а значит и кусочки двух шифротекстов. Как-то так. Поэтому плохо.

Помимо шифров подстановки, были еще шифры перестановки. С ними тоже все довольно просто. Берем сообщение ВАСЯИ, записываем его в блок какой-то длины, например в ДИДОМ, и считываем результат так же.

Не бог весть какая штука. Как ее ломать, тоже понятно — переберем все возможные варианты перестановок. Тут их не очень много. Берем длину блока, подбираем и восстанавливаем.

В качестве следующей итерации был выбран такой способ: возьмем все то же самое, а сверху напишем какой-нибудь ключ — СИМОН. Переставим столбцы так, чтобы буквы оказались в алфавитном порядке. В итоге получим новую перестановку по ключу. Она уже намного лучше старой, поскольку количество перестановок намного больше и подобрать ее не всегда легко.

Каждый современный шифр тем или иным способом базируется на этих двух принципах — подстановки и перестановки. Сейчас их использование намного более сложное, но сами базовые принципы остались прежними.

Если говорить про современные шифры, они делятся на две категории: поточные и блочные. Поточный шифр устроен так, что фактически представляет собой генератор случайных чисел, выход которого мы складываем по модулю 2, «ксорим», с нашим шифротекстом, как видно у меня на слайде. Ранее я сказал: если длина получившегося ключевого потока — она же ключ — абсолютно случайная, никогда повторно не используется и ее длина равна длине сообщения, то у нас получился абсолютно стойкий шифр, невзламываемый.

Возникает вопрос: как сгенерировать на такой шифр случайный, длинный и вечный Ключ? Как вообще работают поточные шифры? По сути, они представляют собой генератор случайного числа на основе какого-то начального значения. Начальное значение и является ключом шифра, ответом.

Из этой истории есть одно занятное исключение — шифроблокноты. Речь идет о настоящей шпионской истории про настоящий шпионаж. Некие люди, которым нужна абсолютно устойчивая коммуникация, генерируют случайные числа — например, буквальным бросанием кубика или буквальным выниманием шаров из барабана, как в лото. Создают два листа, где печатают эти случайные числа. Один лист отдают получателю, а второй оставляют у отправителя. При желании пообщаться они используют этот поток случайных чисел в качестве ключевого потока. Нет, история взята не из совсем далекого прошлого. У меня есть настоящий радиоперехват от 15 октября 2014 года: 7 2 6, 7 2 6, 7 2 6. Это позывной. 4 8 3, 4 8 3, 4 8 3. Это номер шифроблокнота. 5 0, 5 0, 5 0. Это количество слов. 8 4 4 7 9 8 4 4 7 9 2 0 5 1 4 2 0 5 1 4 и т. д. 50 таких числовых групп. Не знаю где, где-то не в России сидел какой-нибудь человек с ручкой и карандашом у обычного радиоприемника и записывал эти цифры. Записав их, он достал похожую штуку, сложил их по модулю 10 и получил свое сообщение. Другими словами, это реально работает, и подобное сообщение нельзя взломать. Если действительно были сгенерированы хорошие случайные числа и он впоследстии сжег бумажку с ключом, то осуществить взлом нельзя никак, совсем.

Но тут есть довольно много проблем. Первая — как нагенерировать по-настоящему хорошие случайные числа. Мир вокруг нас детерминирован, и если мы говорим про компьютеры, они детерминированы полностью.

Во-вторых, доставлять ключи такого размера… если мы говорим про передачу сообщений из 55 цифровых групп, то проделать подобное не очень сложно, а вот передать несколько гигабайт текста — уже серьезная проблема. Следовательно, нужны какие-нибудь алгоритмы, которые, по сути, генерируют псевдослучайные числа на основе какого-нибудь небольшого начального значения и которые могли бы использоваться в качестве таких потоковых алгоритмов.

Самый исторически распространенный алгоритм подобного рода называется RC4. Он был разработан Роном Ривестом лет 25 назад и активно использовался очень долго, был самым распространенным алгоритмом для TLS, всех его различных вариантов, включая HTTPS. Но в последнее время RC4 начал показывать свой возраст. Для него существует некоторое количество атак. Он активно используется в WEP. Была одна хорошая лекция Антона, история, которая показывает: плохое применение пристойного даже по нынешним меркам алгоритма шифрования приводит к тому, что компрометируется вся система.

RC4 устроен несложно. На слайде целиком описана его работа. Есть внутренний байтовый стейт из 256 байт. На каждом шаге этого стейта есть два числа, два указателя на разные байты в стейте. И на каждом шаге происходит сложение между этими числами — они помещаются в некоторое место стейта. Полученный оттуда байт является следующим байтом в числовой последовательности. Вращая эту ручку таким образом, выполняя подобное действие на каждом шаге, мы получаем каждый следующий байт. Мы можем получать следующий байт числовой последовательности вечно, потоком.

Большое достоинство RC4 — в том, что он целиком внутрибайтовый, а значит, его программная реализация работает довольно быстро — сильно быстрее, в разы, если не в десятки раз быстрее, чем сравнимый и существовавший примерно в одно время с ним шифр DES. Поэтому RC4 и получил такое распространение. Он долго был коммерческим секретом компании RSA, но потом, где-то в районе 90-х годов, некие люди анонимно опубликовали исходники его устройства в списке рассылки cypherpunks. В результате возникло много драмы, были крики, мол, как же так, какие-то неприличные люди украли интеллектуальную собственность компании RSA и опубликовали ее. RSA начала грозить всем патентами, всевозможными юридическими преследованиями. Чтобы их избежать, все реализации алгоритма, которые находятся в опенсорсе, называются не RC4, а ARC4 или ARCFOUR. А — alleged. Речь идет о шифре, который на всех тестовых кейсах совпадает с RC4, но технически вроде как им не является.

Если вы конфигурируете какой-нибудь SSH или OpenSSL, вы в нем не найдете упоминания RC4, а найдете ARC4 или что-то подобное. Несложная конструкция, он уже старенький, на него сейчас есть атаки, и он не очень рекомендуется к использованию.

Было несколько попыток его заменить. Наверное, на мой предвзятый взгляд самым успешным стал шифр Salsa20 и несколько его последователей от широко известного в узких кругах персонажа Дэна Берштайна. Линуксоидам он обычно известен как автор qmail.

Salsa20 устроен сложнее, чем DES. Его блок-схема сложная, но он обладает несколькими интересными и классными свойствами. Для начала, он всегда выполняется за конечное время, каждый его раунд, что немаловажно для защиты от тайминг-атак. Это такие атаки, где атакующий наблюдает поведение системы шифрования, скармливая ей разные шифротексты или разные ключи за этим черным ящиком. И, понимая изменения во времени ответа или в энергопотреблении системы, он может делать выводы о том, какие именно процессы произошли внутри. Если вы думаете, что атака сильно надуманная, это не так. Очень широко распространены атаки подобного рода на смарт-карты — очень удобные, поскольку у атакующего есть полный доступ к коробке. Единственное, что он, как правило, не может в ней сделать, — прочитать сам ключ. Это сложно, а делать все остальное он может — подавать туда разные сообщения и пытаться их расшифровать.

Salsa20 устроен так, чтобы он всегда выполнялся за константное одинаковое время. Внутри он состоит всего из трех примитивов: это сдвиг на константное время, а также сложение по модулю 2 и по модулю 32, 32-битных слов. Скорость Salsa20 еще выше, чем у RC4. Он пока что не получил такого широкого распространения в общепринятой криптографии — у нас нет cipher suite для TLS, использующих Salsa20, — но все равно потихоньку становится мейнстримом. Указанный шифр стал одним из победителей конкурса eSTREAM по выбору лучшего поточного шифра. Их там было четыре, и Salsa — один из них. Он потихоньку начинает появляться во всяких опенсорс-продуктах. Возможно, скоро — может, через пару лет — появятся даже cipher suite в TLS с Salsa20. Мне он очень нравится.

На него имеется некоторое количество криптоанализа, есть даже атаки. Снаружи он выглядит как поточный, генерируя на основе ключа последовательность почти произвольной длины, 2 64 . Зато внутри он работает как блочный. В алгоритме есть место, куда можно подставить номер блока, и он выдаст указанный блок.

Какая проблема с поточными шифрами? Если у вас есть поток данных, передаваемый по сети, поточный шифр для него удобен. К вам влетел пакет, вы его зашифровали и передали. Влетел следующий — приложили эту гамму и передали. Первый байт, второй, третий по сети идут. Удобно.

Если данные, например гигабайтный файл целиком, зашифрованы на диске поточным шифром, то чтобы прочитать последние 10 байт, вам нужно будет сначала сгенерировать гаммы потока шифра на 1 гигабайт, и уже из него взять последние 10 байт. Очень неудобно.

В Salsa указанная проблема решена, поскольку в нем на вход поступает в том числе и номер блока, который надо сгенерировать. Дальше к номеру блока 20 раз применяется алгоритм. 20 раундов — и мы получаем 512 бит выходного потока.

Самая успешная атака — в 8 раундов. Сам он 256-битный, а сложность атаки в 8 раундов — 250 или 251 бит. Считается, что он очень устойчивый, хороший. Публичный криптоанализ на него есть. Несмотря на всю одиозность личности Берштайна в этом аспекте, мне кажется, что штука хорошая и у нее большее будущее.

Исторически поточных шифров было много. Они первые не только в коммерческом шифровании, но и в военном. Там использовалось то, что называлось линейными регистрами сдвига.

Какие тут проблемы? Первая: в классических поточных шифрах, не в Salsa, чтобы расшифровать последнее значение гигабайтного файла, последний байт, вам нужно сначала сгенерировать последовательность на гигабайт. От нее вы задействуете только последний байт. Очень неудобно.

Поточные шифры плохо пригодны для систем с непоследовательным доступом, самый распространенный пример которых — жесткий диск.

Есть и еще одна проблема, о ней мы поговорим дальше. Она очень ярко проявляется в поточных шифрах. Две проблемы в совокупности привели к тому, что здорово было бы использовать какой-нибудь другой механизм.

Другой механизм для симметричного шифрования называется блочным шифром. Он устроен чуть по-другому. Он не генерирует этот ключевой поток, который надо ксорить с нашим шифротекстом, а работает похоже — как таблица подстановок. Берет блок текста фиксированной длины, на выходе дает такой же длины блок текста, и всё.

Размер блока в современных шифрах — как правило, 128 бит. Бывают разные вариации, но как правило, речь идет про 128 или 256 бит, не больше и не меньше. Размер ключа — точно такой же, как для поточных алгоритмов: 128 или 256 бит в современных реализациях, от и до.

Из всех широко распространенных блочных шифров сейчас можно назвать два — DES и AES. DES очень старый шифр, ровесник RC4. У DES сейчас размер блока — 64 бита, а размер ключа — 56 бит. Создан он был в компании IBM под именем Люцифер. Когда в IBM его дизайном занимался Хорст Фейстель, они предложили выбрать 128 бит в качестве размера блока. А размер ключа был изменяемый, от 124 до 192 бит.

Когда DES начал проходит стандартизацию, его подали на проверку в том числе и в АНБ. Оттуда он вернулся с уменьшенным до 64 бит размером блока и уменьшенным до 56 бит размером ключа.

20 лет назад вся эта история наделала много шума. Все говорили — наверняка они туда встроили закладку, ужасно, подобрали такой размер блока, чтобы получить возможность атаковать. Однако большое достоинство DES в том, что это первый шифр, который был стандартизован и стал тогда основой коммерческой криптографии.

Его очень много атаковали и очень много исследовали. Есть большое количество всевозможных атак. Но ни одной практически реализуемой атаки до сих пор нет, несмотря на его довольно почтенный возраст. Единственное, размер ключа в 56 бит сейчас просто неприемлемый и можно атаковать полным перебором.

Как устроен DES? Фейстель сделал классную штуку, которую называют сетью Фейстеля. Она оперирует блоками. Каждый блок, попадающий на вход, делится на две части: левую и правую. Левая часть становится правой без изменений. Правая часть ксорится с результатом вычисления некой функции, на вход которой подается левая часть и ключ. После данного преобразования правая часть становится левой.

У нее есть несколько интересных достоинств. Первое важное достоинство: функция F может быть любой. Она не должна обладать свойствами обратимости, она может и не быть линейной или нелинейной. Все равно шифр остается симметричным.

Второе очень удобное свойство: расшифровка устроена так же, как шифрование. Если нужно расшифровать данную сеть, вы в прежний механизм вместо открытого текста засовываете шифротекст и на выходе вновь получаете открытый текст.

Почему это удобно? 30 лет назад удобство являлось следствием того, что шифраторы были аппаратными и заниматься дизайном отдельного набора микросхем для шифрования и для расшифровки было трудоемко. А в такой конструкции все очень здорово, фактически мы можем один блок использовать для разных задач.

В реальной ситуации такая конструкция — один раунд блочного шифра, то есть в реальном шифре она выполняется 16 раз с разными ключами. На каждом 16 раунде генерируется отдельный ключ и 16 раундовых подключей, каждый из которых применяется на каждом раунде для функции F.

Раунд тоже выглядит довольно несложно — он состоит всего из двух-трех операций. Первая операция: размер попавшегося полублока становится равен 32 бита, полубок проходит функцию расширения, на вход попадает 32 бита. Дальше мы по специальной несекретной таблице немного добавляем к 32 битам, превращая их в 48: некоторые биты дублируются и переставляются, такая гребеночка.

Потом мы его ксорим с раундовым ключом, размер которого — тоже 48 бит, и получаем 48-битное значение.
Затем оно попадает в набор функций, которые называются S-боксы и преобразуют каждый бит входа в четыре бита выхода. Следовательно, на выходе мы из 48 бит снова получаем 32 бита.

И наконец, окончательная перестановка P. Она опять перемешивает 32 бита между собой. Все очень несложно, раундовая функция максимально простая.

Самое интересное ее свойство заключается в указанных S-боксах: задумано очень сложное превращение 6 бит в 4. Если посмотреть на всю конструкцию, видно, что она состоит из XOR и пары перестановок. Если бы S-боксы были простыми, весь DES фактически представлял бы собой некоторый набор линейных преобразований. Его можно было бы представить как матрицу, на которую мы умножаем наш открытый текст, получая шифротекст. И тогда атака на DES была бы тривиальной: требовалось бы просто подобрать матрицу.

Вся нелинейность сосредоточена в S-боксах, подобранных специальным образом. Существуют разные анекдоты о том, как именно они подбирались. В частности, примерно через 10 лет после того, как DES был опубликован и стандартизован, криптографы нашли новый тип атак — дифференциальный криптоанализ. Суть атаки очень простая: мы делаем мелкие изменения в открытом тексте — меняя, к примеру, значение одного бита с 0 на 1 — и смотрим, что происходит с шифротекстом. Выяснилось, что в идеальном шифре изменение одного бита с 0 на 1 должно приводить к изменению ровно половины бит шифротекста. Выяснилось, что DES, хоть он и был сделан перед тем, как открыли дифференциальный криптоанализ, оказался устойчивым к этому типу атак. В итоге в свое время возникла очередная волна паранойи: мол, АНБ еще за 10 лет до открытых криптографов знало про существование дифференциального криптоанализа, и вы представляете себе, что оно может знать сейчас.

Анализу устройства S-боксов посвящена не одна сотня статей. Есть классные статьи, которые называются примерно так: особенности статистического распределения выходных бит в четвертом S-боксе. Потому что шифру много лет, он досконально исследован в разных местах и остается достаточно устойчивым даже по нынешним меркам.

56 бит сейчас уже можно просто перебрать на кластере машин общего назначения — может, даже на одном. И это плохо. Что можно предпринять?

Просто сдвинуть размер ключа нельзя: вся конструкция завязана на его длину. Triple DES. Очевидный ответ был таким: давайте мы будем шифровать наш блок несколько раз, устроим несколько последовательных шифрований. И здесь всё не слишком тривиально.

Допустим, мы берем и шифруем два раза. Для начала нужно доказать, что для шифрований k1 и k2 на двух разных ключах не существует такого шифрования на ключе k3, что выполнение двух указанных функций окажется одинаковым. Здесь вступает в силу свойство, что DES не является группой. Тому существует доказательство, пусть и не очень тривиальное.

Окей, 56 бит. Давайте возьмем два — k1 и k2. 56 + 56 = 112 бит. 112 бит даже по нынешним меркам — вполне приемлемая длина ключа. Можно считать нормальным всё, что превышает 100 бит. Так почему нельзя использовать два шифрования, 112 бит?

Одно шифрование DES состоит из 16 раундов. Сеть применяется 16 раз. Изменения слева направо происходят 16 раз. И он — не группа. Есть доказательство того, что не существует такого ключа k3, которым мы могли бы расшифровать текст, последовательно зашифрованный выбранными нами ключами k1 и k2.

Есть атака. Давайте зашифруем все возможные тексты на каком-нибудь ключе, возьмем шифротекст и попытаемся его расшифровать на всех произвольных ключах. И здесь, и здесь получим 2 56 вариантов. И где-то они сойдутся. То есть за два раза по 2 56 вариантов — плюс память для хранения всех расшифровок — мы найдем такую комбинацию k1 и k2, при которых атака окажется осуществимой.

Эффективная стойкость алгоритма — не 112 бит, а 57, если у нас достаточно памяти. Нужно довольно много памяти, но тем не менее. Поэтому решили — так работать нельзя, давайте будем шифровать три раза: k1, k2, k3. Конструкция называется Triple DES. Технически она может быть устроена по-разному. Поскольку в DES шифрование и дешифрование — одно и то же, реальные алгоритмы иногда выглядят так: зашифровать, расшифровать и снова расшифровать — чтобы выполнять операции в аппаратных реализациях было проще.

Наша обратная реализация Triple DES превратится в аппаратную реализацию DES. Это может быть очень удобно в разных ситуациях для задачи обратной совместимости.

Где применялся DES? Вообще везде. Его до сих пор иногда можно пронаблюдать для TLS, существуют cipher suite для TLS, использующие Triple DES и DES. Но там он активно отмирает, поскольку речь идет про софт. Софт легко апдейтится.

А вот в банкоматах он отмирал очень долго, и я не уверен, что окончательно умер. Не знаю, нужна ли отдельная лекция о том, как указанная конструкция устроена в банкоматах. Если коротко, клавиатура, где вы вводите PIN, — самодостаточная вещь в себе. В нее загружены ключи, и наружу она выдает не PIN, а конструкцию PIN-блок. Конструкция зашифрована — например, через DES. Поскольку банкоматов огромное количество, то среди них много старых и до сих пор можно встретить банкомат, где внутри коробки реализован даже не Triple DES, а обычный DES.

Однажды DES стал показывать свой возраст, с ним стало тяжело, и люди решили придумать нечто поновее. Американская контора по стандартизации, которая называется NIST, сказала: давайте проведем конкурс и выберем новый классный шифр. Им стал AES.

DES расшифровывается как digital encrypted standard. AES — advanced encrypted standard. Размер блока в AES — 128 бит, а не 64. Это важно с точки зрения криптографии. Размер ключа у AES — 128, 192 или 256 бит. В AES не используется сеть Фейстеля, но он тоже многораундовый, в нем тоже несколько раз повторяются относительно примитивные операции. Для 128 бит используется 10 раундов, для 256 — 14.

Сейчас покажу, как устроен каждый раунд. Первый и последний раунды чуть отличаются от стандартной схемы — тому есть причины.

Как и в DES, в каждом раунде AES есть свои раундовые ключи. Все они генерируются из ключа шифрования для алгоритма. В этом месте AES работает так же, как DES. Берется 128-битный ключ, из него генерируется 10 подключей для 10 раундов. Каждый подключ, как и в DES, применяется на каждом конкретном раунде.

Каждый раунд состоит из четырех довольно простых операций. Первый раунд — подстановка по специальной таблице.

В AES мы строим байтовую матрицу размером 4 на 4. Каждый элемент матрицы — байт. Всего получается 16 байт или 128 бит. Они и составляют блок AES целиком.

Вторая операция — побайтовый сдвиг.

Устроен он несложно, примитивно. Мы берем матрицу 4 на 4. Первый ряд остается без изменений, второй ряд сдвигается на 1 байт влево, третий — на 2 байта, четвертый — на 3, циклично.

Далее мы производим перемешивание внутри колонок. Это тоже очень несложная операция. Она фактически переставляет биты внутри каждой колонки, больше ничего не происходит. Можно считать ее умножением на специальную функцию.

Четвертая, вновь очень простая операция — XOR каждого байта в каждой колонке с соответствующим байтом ключа. Получается результат.

В первом раунде лишь складываются ключи, а три других операции не используются. В последнем раунде не происходит подобного перемешивания столбцов:

Дело в том, что это не добавило бы никакой криптографической стойкости и мы всегда можем обратить последний раунд. Решили не тормозить конструкцию лишней операцией.

Мы повторяем 4 описанных шага 10 раз, и на выходе из 128-битного блока снова получаем 128-битный блок.

Какие достоинства у AES? Он оперирует байтами, а не битами, как DES. AES намного быстрее в софтовых реализациях. Если сравнить скорость выполнения AES и DES на современной машине, AES окажется в разы быстрее, даже если говорить о реализации исключительно в программном коде.

Производители современных процессоров, Intel и AMD, уже разработали ассемблерные инструкции для реализации AES внутри чипа, потому что стандарт довольно несложный. Как итог — AES еще быстрее. Если через DES на современной машинке мы можем зашифровать, например, 1-2 гигабита, то 10-гигабитный AES-шифратор находится рядом и коммерчески доступен обычным компаниям.

Блочный алгоритм шифрует блок в блок. Он берет блок на 128 или 64 бита и превращает его в блок на 128 или 64 бита.

А что мы будем делать, если потребуется больше, чем 16 байт?

Первое, что приходит в голову, — попытаться разбить исходное сообщение на блоки, а блок, который останется неполным, дополнить стандартной, известной и фиксированной последовательностью данных.

Да, очевидно, побьем всё на блоки по 16 байт и зашифруем. Такое шифрование называется ECB — electronic code boot, когда каждый из блоков по 16 байт в случае AES или по 8 байт в случае DES шифруется независимо.

Шифруем каждый блок, получаем шифротекст, складываем шифротексты и получаем полный результат.

Примерно так выглядит картинка, зашифрованная в режиме ECB. Даже если мы представим себе, что шифр полностью надежен, кажется, что результат менее чем удовлетворительный. В чем проблема? В том, что это биективное отображение. Для одинакового входа всегда получится одинаковый выход, и наоборот — для одинакового шифротекста всегда получится одинаковый открытый текст.

Надо бы как-нибудь исхитриться и сделать так, чтобы результат на выходе все время получался разным, в зависимости от местонахождения блока — несмотря на то, что на вход подаются одинаковые блоки шифротекста. Первым способом решения стал режим CBC.

Мы не только берем ключ и открытый текст, но и генерируем случайное число, которое не является секретным. Оно размером с блок. Называется оно инициализационным вектором.

При шифровании первого блока мы берем инициализационный вектор, складываем его по модулю 2 с открытым текстом и шифруем. На выходе — шифротекст. Дальше складываем полученный шифротекст по модулю 2 со вторым блоком и шифруем. На выходе — второй блок шифротекста. Складываем его по модулю 2 с третьим блоком открытого текста и шифруем. На выходе получаем третий блок шифротекста. Здесь видно сцепление: мы каждый следующий блок сцепляем с предыдущим.

В результате получится картинка, где всё, начиная со второго блока, равномерно размазано, а первый блок каждый раз зависит от инициализационного вектора. И она будет абсолютно перемешана. Здесь все неплохо.

Однако у CBC есть несколько проблем.

О размере блока. Представьте: мы начали шифровать и, допустим, у нас DES. Если бы DES был идеальным алгоритмом шифрования, выход DES выглядел бы как равномерно распределенные случайные числа длиной 64 бита. Какова вероятность, что в выборке из равномерно распределенных случайных чисел длиной 64 бита два числа совпадут для одной операции? 1/(2 64 ). А если мы сравниваем три числа? Давайте пока прервемся.

• Блог компании Яндекс
• Алгоритмы
• Информационная безопасность
• Криптография

Сюжет

Давайте мысленно перенесемся во вселенную Звездных войн до событий Эпизода 6, когда силам сопротивления становится известно о начале строительства новой Звезды смерти. Командование планирует внедрить разведывательную группу под видом строителей. Операция очень опасна, связь со штабом будет затруднена. В случае экстренной стиуации каждый член группы может отправлять и получать сообщения из штаба на незащищенной частоте.

Целью разведгруппы являются любые данные, которые могут пролить свет на конфигурацию, вооружение и назначение будущей станции. Для хранения данных планируется разработать специальное оборудование и ПО.

Штаб утвердил два варианта этой операции:

План А — возвращение агентов с данными повстанческим силам;
План Б — дистанционная передача планов с самой Звезды смерти, используя оборудование станции. Передача информации при этом будет быстрой, но после передачи агент вероятнее всего будет вычислен и пойман.

Схема

Вы являетесь программистом в команде, которая отвечает за разработку ПО.

При планировании операции рассматриваются несколько возможных негативных сценариев:

• Противник перехватит сигнал, поймет по его содержимому о планировании атаки и уведет объект ближе к лояльным Империи силам. В этом случае потери среди сопротивления будут выше;
• Один из шпионов будет пойман и на допросе раскроет план операции, что может привести к компрометации ключей шифрования (про них будет сказано ниже);
• Шпион с загружеными данными может быть перехвачен имперскими силами, которые внесут изменения в содержимое, дезинформируя сопротивление о слабых местах станции. В этом случае, при атаке флот повстанцев будет направлен в ложном направлении и постепенно уничтожен;

1. Содержимое должно быть надежно зашифровано и защищено от изменений;
2. В случае утери ключей шифрования или их компрометации, должна быть возможность получения новых ключей шифрования дистанционно на частоте, которая может прослушиваться противником.

Шифрование информации

Давайте решим проблему шифрования информации:

Для шифрования и дешифрования информации используется ключ шифрования. Именно ключ делает шифрование обратимым. Каждый агент будет снабжен ключом шифрования. После загрузки данных агент произведет их шифрацию и отправку в штаб сопротивления.

Описание принципа шифрования

Метод, при котором шифрование и дешифрация сообщения производится при помощи одного ключа называется симметричное шифрование.

Слабым местом симметричного шифрования является ключ шифрования, точнее его доставка до адресата. Если во время доставки ключ будет скомпрометирован, стороннее лицо легко раскодирует сообщение. Сильной стороной симметричного шифрования является его скорость, что дает возможность кодировать большие объемы данных.

Асимметричное шифрование для кодирования данных использует два связанных друг с другом ключа: открытый и закрытый.

Механизм действия такой:

1. адресат отправляет ОТКРЫТЫЙ ключ отправителю;
2. отправитель кодирует сообщение при помощи полученного открытого ключа. При этом, раскодировать сообщение можно теперь только закрытым ключом;
3. при получении зашифрованного сообщения адресат раскодирует его ЗАКРЫТЫМ ключом (который был сгенерирован в паре с открытым).

Давайте приступим в программированию! Для разработки необходимого ПО мы будем использовать библиотеку Python под названием pycrypto. У нее отличная документация и в ней представлены все распространенные алгоритмы шифрования.

Для начала разработаем функционал для симметричного шифрования по названием Advanced Encryption Standard (AES). Он является одним из самых распространённых алгоритмов симметричного шифрования.

from Crypto.Cipher import AES # алгоритм шифрования from Crypto.Hash import SHA256 # Для хеширования данных используем также популярный алгоритм SHA. from Crypto.Hash import MD5 # Этот алгоритм хеширования будет использован для приведения произвольной строки пароля к 32 битной from Crypto import Random def transform_password(password_str): """Transform the password string into 32 bit MD5 hash :param password_str: password in plain text; :return: Transformed password fixed length """ h = MD5.new() h.update(key.encode()) return h.hexdigest() def symmetric_encrypt(message, key, verbose = True): """Encripts the message using symmetric AES algorythm. :param message: Message for encryption; :param key: symmetric key; :return: Message encrypted with key """ key_MD5 = transform_password(key) # Приводим произвольный пароль к длине 32 бита message_hash = SHA256.new(message.encode()) message_with_hash = message.encode() + message_hash.hexdigest().encode() #Добавим в конец сообщения его хеш. он понадобится нам при расшифровки iv = Random.new().read(AES.block_size) cipher = AES.new(key_MD5, AES.MODE_CFB, iv) # Создаем объект с заданными параметрами. AES.MODE_CFB - надежный режим шифрования, который предполагает наличие вектора инициализации iv. https://www.dlitz.net/software/pycrypto/api/current/Crypto.Cipher.blockalgo-module.html#MODE_CFB encrypted_message = iv + cipher.encrypt(message_with_hash) # Включаем случайную последовательность в начало шифруемого сообщения. Это необходимо, чтобы в случае кодирования нескольких блоков текста, аналогичные блоки не давали одинаковые кодированные сообщения. if verbose: print(f'Message was encrypted into: ') return encrypted_message def symmetric_decrypt(encr_message, key): """Decripts the message using private_key and check it's hash :param encrypted_message: Encrypted message :param key: symmetric key; :return: Message decripted with key """ key_MD5 = transform_password(key) # Размеры боков нужны, для извлечения их из текста bsize = AES.block_size dsize = SHA256.digest_size*2 iv = Random.new().read(bsize) cipher = AES.new(key_MD5, AES.MODE_CFB, iv) decrypted_message_with_hesh = cipher.decrypt(encr_message)[bsize:] # Извлекаем из блока случайные символу, которые мы добавляли при шифровании decrypted_message = decrypted_message_with_hesh[:-dsize] # Извлекаем хеш сообщения, который мы присоединяли при шифровании digest = SHA256.new(decrypted_message).hexdigest() # хеш расшифрованной части сообщения. Он будет сравниваться с хешем, который мы присоединили при шифровании. if digest==decrypted_message_with_hesh[-dsize:].decode(): # Если хеш расшифровааного сообщения и хеш, который мы добавили при шифровании равны, расшифровка правильная print(f"Success!nEncrypted hash is nDecrypted hash is ") return decrypted_message.decode() else: print(f"Encryption was not correct: the hash of decripted message doesn't match with encrypted hashnEncrypted hash is nDecrypted hash is ") 

Проверим работоспособность кода на примере

message = """ Длина 120 км Ширина 120 км Высота/глубина 120 км МгС 10 МгС Двигатель Субсветовой двигатель 30-5 (2) Класс гиперпривода Класс 4.0 """ key = 'Traveling through hyperspace ain’t like dusting crops, farm boy.' encr_message = symmetric_encrypt(message, key, verbose = True) print('n') print('DECRIPTION') decr_message = symmetric_decrypt(encr_message, key) print(decr_message) 

Message was encrypted into: 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 DECRIPTION Success! Encrypted hash is b0dbb35b28fbff258350a50c39282b73e31f408c9da937c81d8d48115b491026 Decrypted hash is b0dbb35b28fbff258350a50c39282b73e31f408c9da937c81d8d48115b491026 Длина 120 км Ширина 120 км Высота/глубина 120 км МгС 10 МгС Двигатель Субсветовой двигатель 30-5 (2) Класс гиперпривода Класс 4.0 

Как видим, мы успешно зашифровали сообщение при помощи открытого ключа.
Запустите код несколько раз. Вы увидите, что каждый раз зашифрованная часть меняется. Это происходит потому что при шифровании мы применили режим Cipher FeedBack (AES.MODECFB), при котором блоки открытого текста смешиваются с блоками шифротекста. iv — вектор инициализации (подробнее про режим читайте здесь). При расшифровке сообщения мы видим, что хеш расшифрованного сообщения совпадает с хешем, который мы добавляли при шифровании. Это значит, что дешифрация прошла корректно.

Что такое хеш

Хеш документа — это просто строка из символов, которая уникальна для какого-либо набора данных. При любом изменении данных хеш очень сильно меняется. Другими словами, хеш — это своеобразный «отпечаток пальца» для какого-либо набора данных.

Но что делать, если ключи шифрования будут по каким-то причинам скомпрометированы? Тогда расшифровать информацию может кто угодно.

В этом случае нам нужно как-то сменить ключи шифрования дистанционно по частоте, которая может прослушиваться противником. Будем считать, что ее уже слушают. Так каким же образом нам это сделать? Тут на помощь приходит другой метод под названием асимметричное шифрование (или криптографическая система с открытым ключом). В отличие от симметричного шифрования, при ней используется два ключа: открытый и закрытый. Сообщение шифруется открытым ключом, после этого расшифровать его можно только закрытым ключом. Открытый ключ при расшифровке будет бесполезен. Однако есть важный момент: закрытый ключ непременно должен быть из сгенерированной пары с открытым. Наличие открытого ключа одно из нескольких важных и интересных свойство асимметричного шифрования. То есть, мы можем передавать открытый ключ любым каналом и не бояться, что он будет применен для расшифровки сообщения.

Вместе с тем, применительно к нашей задаче есть один ньюанс — асимметричное шифрование подходит для небольших данных, например коротких сообщений. Мы можем только гадать об объеме данных, полученных разведкой. Мы, конечно, можем разбить все полученные данные на небольшие фрагменты и закодировать каждый из них закрытым ключом, но есть более оптимальный вариант решения. (Проблема разобрана здесь).

Пользователь Akela_wolf справедливо заметил, сгенерировать и отправить открытый ключ может кто угодно. Я внес некоторые коррективы в план.

Будет правильно, если до отправки агентов штаб сгенерирует несколько пар ключей и назначит каждому агенту закрытый ключ. Лучше сгенерировать именно несколько пар, чтобы у каждого агента был индивидуальный ключ. Это необходимо, чтобы точно персонифицировать владельца ключа.
Тогда в случае компрометации ключей центр создаст новый СИММЕТРИЧНЫЙ ключ, закодирует его каждому агенту открытыми ключами и отправит по открытому каналу.

Общая схема решения
Старое решение

1. Агент сгенерирует пару ключей (открытый и закрытый) на месте, затем отправит открытый ключ повстанческим силам;
2. В штабе сопротивления создадут новый ключ для СИММЕТРИЧНОГО шифрования;
3. Симметричный ключ закодируют при помощи открытого ключа, который прислал агент;
4. Зашифрованный симметричный ключ отправят агенту, который раскодирует его с помощью закрытого ключа.

1. Агент отправляет ОТКРЫТЫЙ ключ из пары, ЗАКРЫТЫЙ ключ находится у него;
2. Штаб сопротивления отправляет ключ симметричного шифрования, зашифрованный присланным агентом открытым ключом.

# Для генерации ключей мы будем использовать распространенный криптографический алгоритм RSA. # Для хеширования данных используем также популярный алгоритм SHA256 from Crypto.PublicKey import RSA # Напишем функцию для генерации ключей def generate_keys(bits = 2048): """Generates the pair of private and public keys. :param bits: Key length, or size (in bits) of the RSA modulus (default 2048) :return: private_key, public_key """ private_key = RSA.generate(bits) public_key = private_key.publickey() return private_key, public_key private_key, public_key = generate_keys(bits = 2048) 

Давайте посмотрим, как выглядят ключи

print(private_key.exportKey(format='PEM').decode()) print('n') print('#'*65) print('n') print(public_key.exportKey(format='PEM').decode())

——BEGIN RSA PRIVATE KEY——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——END RSA PRIVATE KEY——

——BEGIN PUBLIC KEY——
MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEA4JDLu7Vtvg2yqbH6Y0eJ
PfoEsOlKzgmOodqhA1CqkEG4OpKisGW7ciGP4v37GE6edHBCEy4UNkVQtnpPBjzT
HvKd1pO70B84vD5OSrS7uNw2EYkjd/ZwhrJMrcQKRwPkkM4OiewaaAaK0vPWJIKw
lW61DY9X7LfNz7aOKMTbKnm1vdR0919AV98FUmNoQBgka6nXFGmNbi7D43MtLwxB
ZIXfFupEiANSvOs+57hgaCho7OWMGUOjLkG6HBscPhJ2W1H5DU9GjwL24ynTvKif
go1/2ue61MV1Pzh5CVaicJKNaRtgPd99gFhBGINsXV2X6Jh/W5nNsCddU4EI0AlO
8wIDAQAB
——END PUBLIC KEY——

Как видите, ключи асимметричного шифрования представляют из себя длинные математически сгенерированные последовательности символов.

Итак, мы сгенерировали ключи. Теперь давайте напишем функцию для кодирования данных:

from Crypto.PublicKey import RSA # для асимметричного шифрования будем использовать распространенный алгоритм RSA. from Crypto.Hash import SHA256 # Для хеширования данных используем также популярный алгоритм SHA256. Хеширование в данном #случае нам нужно для проверки правильности раскодирования from Crypto.Cipher import PKCS1_OAEP # протокол шифрования def encrypt_message(message, public_key, verbose = True): """Encripts the message using public_key. :param message: Message for encryption :param public_key: public_key :param verbose: Print description; :return: Message encrypted with public_key """ message_hash = SHA256.new(message.encode()) # находим хеш сообщения. cipher = PKCS1_OAEP.new(public_key) message_with_hash = message.encode() + message_hash.hexdigest().encode() # мы добавляем хеш сообщения в сообщение, чтобы при раскодировке сравнить его с хешем раскодированного сообщения encrypted_message = cipher.encrypt(message_with_hash) if verbose: print(f'Message: was encrypted ton') return encrypted_message def decrypt_message(encrypted_message, private_key): """Decripts the message using private_key and check it's hash :param encrypted_message: Encrypted message :param private_key: private_key :return: Message decripted with private_key """ dsize = SHA256.digest_size*2 cipher = PKCS1_OAEP.new(private_key) decrypted_message_with_hesh = cipher.decrypt(encrypted_message) # все сообщение (вместе с хешем) decrypted_message = decrypted_message_with_hesh[:-dsize] # текстовая часть сообщения без хеша digest = SHA256.new(decrypted_message).hexdigest() # хеш расшифрованной части сообщения if digest==decrypted_message_with_hesh[-dsize:].decode(): # Если хеш расшифрованного сообщения и хеш, который мы добавили при шифровании равны, расшифровка правильная print(f"Success!nEncrypted hash is nDecrypted hash is ") return decrypted_message.decode() else: print(f"Encryption was not correct: the hash of decripted message doesn't match with encrypted hashnEncrypted hash is nDecrypted hash is ") 

Схема работы по шагам

1. Агент генерирует пару ключей:

private_key, public_key = generate_keys()

new_symmetric_key = 'SOME_KEY_asdfasdfasdfasdfsdfgrtwhetynt' encr_msg = encrypt_message(new_symmetric_key, public_key)

Вывод

Message: SOME_KEY_asdfasdfasdfasdfsdfgrtwhetynt was encrypted to
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

recieved_symmetric_key = decrypt_message(encr_msg, private_key) print('n') print(f"New symmetric key is: ")

Вывод

Success! Encrypted hash is 42ad66445a05ac09e684bb21f9b487d95b9cfa11d02e0b459931321ee02f7c1c Decrypted hash is 42ad66445a05ac09e684bb21f9b487d95b9cfa11d02e0b459931321ee02f7c1c New symmetric key is: SOME_KEY_asdfasdfasdfasdfsdfgrtwhetynt

message = """ Длина 120 км Ширина 120 км Высота/глубина 120 км МгС 10 МгС Двигатель Субсветовой двигатель 30-5 (2) Класс гиперпривода Класс 4.0 """ encr_message = symmetric_encrypt(message, recieved_symmetric_key, verbose = True) 

Вывод

Message was encrypted into: 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 

print('DECRIPTION') decr_message = symmetric_decrypt(encr_message, new_symmetric_key) print(decr_message) 

Вывод

DECRIPTION Success! Encrypted hash is b0dbb35b28fbff258350a50c39282b73e31f408c9da937c81d8d48115b491026 Decrypted hash is b0dbb35b28fbff258350a50c39282b73e31f408c9da937c81d8d48115b491026 Длина 120 км Ширина 120 км Высота/глубина 120 км МгС 10 МгС Двигатель Субсветовой двигатель 30-5 (2) Класс гиперпривода Класс 4.0 

На данном абстрактном примере мы увидели работу распространенных алгоритмов шифрования. Симметричное и асимметричное шифрование, а также хеширование применяются в работе веба, электронной подписи, блокчейне и криптовалютах. Надеюсь, материал был полезен для понимания работы этих технологий.

Explore more ways to learn

Videos

Elevate your understanding with our expert-led educational videos and YouTube playlists on the biggest topics and trends in tech. Master the basics, enhance your skill set or acquire real-world strategies for leveraging technology.

Watch the videos Podcasts

Explore our diverse podcast series, featuring expert discussions on top tech topics, real-world application of our products and a look at our culture of diversity, learning and agility.

Всё! (парам-парам-пам)

Это была только часть базового набора для тех, кто пытается разобраться с криптографией. Очень надеемся, что при прочтении у вас не возникло ощущение закипающих мозгов 🙂

Напишите в комментариях, с какими сложностями в этой области сталкивались вы!

Если после нашего текста вы поняли только то, что надо обратиться к учебникам, то вот наша подборка полезной литературы:

1. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. “Основы криптографии”
2. Шнайер Б. “Прикладная криптография”
3. Смарт Н. “Криптография”

НОВОЕ

Just Enough Administration (JEA) — это функция безопасности, которую можно использовать, начиная с Windows Server 2016 и Windows 10…

• Адрес: 119 Букит Баток Вест Авеню 6, Блок 119, Сингапур 650119
• Телефон: 8906 7707

© 2024 Информационная безопасность Азии
Напишите нам в чат или Email
Наш веб-сайт участвует в программе Amazon Services LLC Associates, партнерской рекламной программе, предназначенной для предоставления сайтам возможности зарабатывать рекламные сборы за счет рекламы и ссылок на Amazon.com. В рамках этой программы мы можем получать комиссию, когда вы совершаете покупку по нашим партнерским ссылкам.

Источники:

https://trends.rbc.ru/trends/innovation/63120ea49a7947ccdd023670&rut=65df79e1b44a50d255eb154fe015fab88d38a6a1c7d55b482f81864c83ccf774
https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptography&rut=ca7cd03c1e3356ec9b9ace9c61648fffed317b2d7398e0116fc793e6c572048b
https://habr.com/ru/companies/yandex/articles/324866/&rut=4f2228b5b2f49bc11431013c78644fabad4db0963691b4eadfc7dbde49271ae1
https://habr.com/ru/articles/452042/&rut=0dcbc7da8c2d665c302d26cd17605c4f14ce4b734ffecb1c3d9815028bce29ca
https://www.ibm.com/topics/cryptography&rut=600d2ca56c14cb5ac58e93919b6aa4dbd078fe45dcd5626b9213f0c5cece163d
https://habr.com/ru/companies/infotecs_official/articles/761008/&rut=0b7f87ec847700e4cfecdb7d742941122e493feaa91945fa9506d023cee3b1ce
https://informationsecurityasia.com/ru/what-is-cryptography/&rut=e71b1f669ba770399fa0b7b4a2e696ab56809dd3d53409bddc37c1860a8f31c2