Алгоритмы шифрования с открытым ключом

Назначение их то же, что и у блочных шифров – сделать информацию непонятной всякому постороннему. Основное отличие состоит в использовании для операций шифрования двух разных, но взаимосвязанных ключей однонаправленного действия, один из которых может зашифровать информацию, но расшифровать её может только другой.

Благодаря этой особенности некоторые алгоритмы с открытым ключом совместно с хэш-функцией могут применяться и для другой цели: для выработки имитовставки (электронной цифровой подписи), подтверждающей авторство информации. Асимметричные алгоритмы основаны на ряде математических проблем (т.н. NP-полных задач), на которых и базируется их стойкость. Пока учёные-математики не найдут решение этих проблем, данные алгоритмы будут стойки. В этом заключается ещё одно отличие симметричного и асимметричного шифрования: стойкость первого является непосредственной и научно доказуемой, стойкость второго – феноменальной, т.е. основанной на некоем явлении, и научно не доказана (так же, как не доказана их нестойкость).

RSA

Это криптографическая система с открытым ключом, обеспечивающая оба механизма защиты: шифрование и цифровую подпись. Криптосистема RSA была разработана в 1977 году и названа в честь авторов: Рональда Ривеста, Ади Шамира и Леонарда Адельмана.

Принцип действия RSA состоит в следующем. Для начала сгенерируем пару ключей:

1. Возьмём два больших случайных простых числа p и q (т.е. числа делящихся только на себя и на 1) приблизительно равной разрядности, и вычислим их произведение

 

n = p∙q                                                                                       (1.7)

 

2. Выберем число e, взаимно простое с произведением (p–1)*(q–1). Взаимно простыми называют числа, у которых нет общих множителей кроме 1 (например, 15 и 28 – являются, 15 и 27 – нет: кроме 1 их общий множитель – 3).

3. Вычисляется число d, взаимно простое с n.

d = e^-1mod((p–1)∙(q–1))                                                                      (1.8)

 

Числа e и n становятся открытым ключом. Число d – закрытым. Чтобы создать шифротекст c из сообщения m, необходимо выполнить:

c = m^e mod n                                                                             (1.9)

 

Чтобы расшифровать полученный шифротекст, необходимо выполнить:

m = c^d mod n                                                                             (1.10)

 

Пока не найдены эффективные методы разложения чисел на множители, невозможно факторизовав n получить p и q, а, следовательно, и показатель закрытого ключа d. Таким образом, надежность криптосистемы RSA базируется на трудноразрешимой задаче разложения n на множители. Несмотря на фактическую сложность разложения больших чисел на множители, научно не доказано, что факторизация является трудной, или NP-полной, задачей. Доказательств обратного тоже никто не представил.

 

Выбор алгоритма шифрования

Выбирая алгоритм шифрования, который будет использоваться в создаваемой криптосистеме, прежде всего, необходимо обратить внимание на следующие характеристики алгоритмов:

· Криптостойкость. Алгоритм должен быть тщательно проанализирован мировым криптографическим сообществом в течение длительного времени (не менее пяти лет лет) [1] и признан криптостойким к различным видам атак;

· Длина ключа. Ключ, используемый в алгоритме шифрования, должен быть не короче 256 бит для алгоритмов симметричного шифрования и 2048 бит для алгоритмов с открытым ключом. Это сделано для того, чтобы шифр невозможно было вскрыть методом прямого перебора (грубой силой) в ХХI веке;

· Скорость шифрования. Предполагается взаимодействие устройства с компьютером через полноскоростной интерфейс USB2.0.(12 Мбит/сек). Поэтому скорость шифрования данных по выбранному алгоритму должна быть настолько высокой, чтобы не возникало простоев при передаче данных на максимальной скорости.

· Ресурсоемкость. Алгоритм должен быть оптимизирован для аппаратной реализации. Количество оперативной памяти и необходимая производительность микропроцессора, должны находиться в рамках, которые ограничивают микроконтроллеры общего применения.

Выбор осуществлялся из следующего набора алгоритмов: RC6, Rijndael(Рэндал), Serpent и Twofish, потоковые шифры RC4 и WAKE, алгоритм Blowfish, разработанный известным криптоаналитиком Брюсом Шнайером, а также алгоритм с открытым ключом – RSA.

Все вышеперечисленные алгоритмы в различной степени отвечают предъявляемым к ним требованиям. Для реализации RSA, необходимы операции (возведение в степень) над большими числами, для быстрого выполнения которых в проекте придется применять специализированные микросхемы. Алгоритмы с открытым ключом не применимы из-за низкой скорости. Потоковые шифры лучше не использовать. Они лучше подходят для шифрования потока информации. Например, пакетов информации в компьютерных сетях, либо разговоров по телефонной линии.

Поскольку разрабатываемое устройство предназначено для шифрования файлов, необходимо использовать блочный шифр, а не потоковый. Два кандидата на эту роль – Rijndael и Blowfish. Создатель Blowfish, Брюс Шнайер рекомендует этот шифр для использования в системах, построенных на основе микроконтроллера. Длина ключа используемого в Blowfish переменная, с верхним пределом 448 бит (в Rijndael максимум – 256 бит). К тому же на алгоритм Blowfish отсутствует лицензия и его можно свободно использовать. Поэтому в устройстве будет реализован алгоритм Blowfish.