Недостатки симметричных криптосистем и принципы асимметричного шифрования

Наряду с вычислительной простотой и интуитивной понятностью симметричных криптосистем, они обладают рядом серьезных недостатков. К основным недостаткам симметричных криптосистем относят проблему распространения симметричных ключей и проблему их хранения.

При использовании симметричных криптосистем для шифрования информации между пользователями криптографической сети необходимо обеспечить безопасную передачу ключей шифрования между всеми доверенными пользователями (участниками криптографического обмена). При этом передача ключа шифрования обязательно должна осуществляться по закрытому каналу, так как перехват злоумышленником данного ключа ведет к компрометации всей криптографической сети, и дальнейшее шифрование информации теряет смысл. Однако наличие закрытого канала связи позволяет передавать и сам открытый текст по данному каналу. Таким образом, необходимость шифрования как бы отпадает. Аргументы вида «ключ шифрования необходимо передавать достаточно редко по сравнению с передачей закрытых сообщений» хотя и приемлемы, но оставляют данную проблему нерешенной.

Проблема хранения симметричных ключей шифрования заключается в том, что все участники криптографической сети должны обладать ключом шифрования, то есть иметь к нему доступ. При большом количестве участников криптографического обмена данный факт значительно повышает вероятность компрометации ключей шифрования. В связи с этим, использование симметричных алгоритмов предполагает наличие взаимного доверия сторон. Недобросовестность отношения одного из тысячи участников криптографического обмена к вопросу хранения ключей может привести к утечке ключевой информации, из-за чего пострадают все участники, в том числе и добросовестно относящиеся к своим обязанностям по хранению ключей. Вероятность компрометации ключей тем выше, чем большее количество пользователей входит в криптографическую сеть. Это является большим недостатком симметричных криптосистем.

В отличие от симметричных криптосистем, асимметричные криптосистемы используют различные ключи для шифрования и дешифрования сообщений.

Ключи в асимметричных криптосистемах всегда генерируются парами и состоят из двух частей – открытого ключа (ОК) и секретного ключа (СК).

Открытый ключ используется для шифрования информации, является доступным для всех пользователей и может быть опубликован в общедоступном месте для использования всеми пользователями криптографической сети. Дешифрование информации с помощью открытого ключа невозможно.

Секретный ключ является закрытым и не может быть восстановлен злоумышленником из открытого ключа. Этот ключ используется для дешифрования информации и хранится только у одного пользователя – сгенерировавшего ключевую пару.

Функциональная схема взаимодействия участников асимметричного криптографического обмена представлена на рис. 6.11.

В данной схеме участвует получатель секретного сообщения А и отправитель секретного сообщения B. ОК_А – открытый ключ пользователя А, СК_А – секретный ключ пользователя А. Ключевая пара (ОК_А, СК_А) сгенерирована на стороне получателя А, после чего открытый ключ данной пары ОК_А отправляется по открытому каналу пользователю B. Предполагается, что злоумышленнику также известен открытый ключ ОК_А.

Рис. 6.11. Функциональная схема асимметричной криптосистемы

Отправитель B, зная открытый ключ получателя А, может зашифровать на данном ключе открытый текст и переслать его пользователю А. Пользователь А с помощью своего секретного ключа, соответствующего ОК_А, может дешифровать присланное пользователем B сообщение. Злоумышленник, зная ОК_А и закрытый текст, не может получить доступ не к СК_А, не к открытому тексту.

Рис 6.11. отражает только одностороннюю схему взаимодействия в рамках асимметричных криптосистем. Для реализации двустороннего обмена необходима реализация следующих шагов:

1. Пользователь A генерирует ключевую пару (ОК_А,СК_А).

2. Пользователь B генерирует ключевую пару (ОК_B,СК_B).

3. Пользователи A и B должны обменяться своими открытыми ключами. Пользователь А передает свой открытый ключ ОК_А пользователю B, пользователь B передает свой открытый ключ ОК_B пользователю A.

4. Пользователь А шифрует информацию для пользователя B на ключе ОК_B, пользователь B шифрует информацию для пользователя A на ключе ОК_A.

5. Пользователь А дешифрует информацию, присланную ему от пользователя B, на ключе СК_А, пользователь B дешифрует информацию, присланную ему от пользователя A, на ключе СК_B.

Обмен открытыми ключами в современных криптографических сетях, насчитывающих десятки и даже сотни тысяч пользователей более удобно реализовывать, используя специально выделенные для этого центры распределения ключей. Пользователь A может выложить на центр распределения ключей свой открытый ключ и любой другой пользователь, желающий шифровать информацию для A, может обратиться в данный центр и забрать его открытый ключ. Схема распределения ключей в данном случае может выглядеть следующим образом (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Схема распределения ОК с использованием центра распределения ключей

В настоящее время все более распространенным подходом к распределению ключей становится подход, основанный на реализации инфраструктуры открытых ключей PKI и удостоверяющих центров (УЦ).

У. Диффи и М. Хеллман сформулировали требования, выполнение которых обеспечивает безопасность асимметричной криптосистемы [8]:

1. Вычисление ключевой пары (ОК, СК) должно быть достаточно простым.

2. Отправитель, зная открытый ключ получателя, может легко получить шифротекст.

3. Получатель, используя свой секретный ключ, может легко из шифротекста восстановить исходное сообщение.

4. Знание открытого ключа злоумышленником не должно влиять на криптостойкость системы. При попытке вычислить злоумышленником закрытый ключ по открытому, он должен наталкиваться на непреодолимую вычислительную проблему.

5. Злоумышленник, зная шифротекст и открытый ключ, на котором осуществлялось шифрование, при попытке восстановить исходный текст должен наталкиваться на непреодолимую вычислительную проблему.