Однонаправленные функции

Концепция асимметричных криптографических систем с открытым ключом основана на применении однонаправленных функций. Неформально однонаправленную функцию можно определить следующим образом. Пусть X и Y – некоторые произвольные множества. Функция

f: X ® Y

является однонаправленной, если для всех xÎX можно легко вычислить функцию

y = f (x), где yÎY.

И в то же время для большинства yÎY достаточно сложно получить значение xÎX, такое, что f (x)=y (при этом полагают, что существует по крайней мере одно такое значение x).

Основным критерием отнесения функции f к классу однонаправленных функций является отсутствие эффективных алгоритмов обратного преобразования Y ® X.

В качестве первого примера однонаправленной функции рассмотрим целочисленное умножение. Прямая задача – вычисление произведения двух очень больших целых чисел P и Q, т.е. нахождение значения

N = P*Q, (4.3)

является относительно несложной задачей для ЭВМ.

Обратная задача – разложение на множители большого целого числа, т.е. нахождение делителей P и Q большого целого числа N = P*Q, является практически неразрешимой задачей при достаточно больших значениях N. По современным оценкам теории чисел при целом N»2⁶⁶⁴ и P»Q для разложения числа N потребуется около 10²³ операций, т.е. задача практически неразрешима на современных ЭВМ.

Следующий характерный пример однонаправленной функции – это модульная экспонента с фиксированными основанием и модулем. Пусть A и N – целые числа, такие, что 1£ А < N. Определим множество Z_N:

Z_N = {0, 1, 2,..., N –1}.

Тогда модульная экспонента с основанием А по модулю N представляет собой функцию

f_A,N : Z_N ® Z_N,

f_A,N (x) = A^x (mod N), (4.4)

где X – целое число, 1£ x £ N –1.

Существуют эффективные алгоритмы, позволяющие достаточно быстро вычислить значения функции f_A,N (x).

Если y = A^x, то естественно записать x = log_A (у).

Поэтому задачу обращения функции f_A,N(x) называют задачей нахождения дискретного логарифма или задачей дискретного логарифмирования.

Задача дискретного логарифмирования формулируется следующим образом. Для известных целых A, N, Y найти целое число X, такое, что

A^x mod N = y.

Алгоритм вычисления дискретного логарифма за приемлемое время пока не найден. Поэтому модульная экспонента считается однонаправленной функцией.

По современным оценкам теории чисел при целых числах A» 2⁶⁶⁴ и N» 2⁶⁶⁴ решение задачи дискретного логарифмирования (нахождение показателя степени x для известного y) потребует около 10²⁶ операций, т.е. эта задача имеет в 10³ раз большую вычислительную сложность, чем задача разложения на множители. При увеличении длины чисел разница в оценках сложности задач возрастает.

Следует отметить, что пока не удалось доказать, что не существует эффективного алгоритма вычисления дискретного логарифма за приемлемое время. Исходя из этого, модульная экспонента отнесена к однонаправленным функциям условно, что, однако, не мешает с успехом применять ее на практике.

Вторым важным классом функций, используемых при построении криптосистем с открытым ключом, являются так называемые однонаправленные функции с "потайным ходом" (с лазейкой). Дадим неформальное определение такой функции. Функция

f: X ® Y

относится к классу однонаправленных функций с "потайным ходом" в том случае, если она является однонаправленной и, кроме того, возможно эффективное вычисление обратной функции, если известен "потайной ход" (секретное число, строка или другая информация, ассоциирующаяся с данной функцией).

В качестве примера однонаправленной функции с "потайным ходом" можно указать используемую в криптосистеме RSA модульную экспоненту с фиксированными модулем и показателем степени. Переменное основание модульной экспоненты используется для указания числового значения сообщения M либо криптограммы C