Прямой обмен ключами между пользователями

При использовании для информационного обмена криптосистемы с симметричным секретным ключом два пользователя, желающие обменяться криптографически защищенной информацией, должны обладать общим секретным ключом. Пользователи должны обменяться общим ключом по каналу связи безопасным образом. Если пользователи меняют ключ достаточно часто, то доставка ключа превращается в серьезную проблему.

Для решения этой проблемы можно применить два способа:

1) использование криптосистемы с открытым ключом для шифрования и передачи секретного ключа симметричной криптосистемы;

2) использование системы открытого распределения ключей Диффи–Хеллмана.

Первый способ был подробно изложен в § 4.6. Второй способ основан на применении системы открытого распределения ключей. Эта система позволяет пользователям обмениваться ключами по незащищенным каналам связи. Интересно отметить, что система открытого распределения ключей базируется на тех же принципах, что и система шифрования с открытыми клю-чами [24].

Алгоритм открытого распределения ключей Диффи–Хеллмана. Алгоритм Диффи–Хеллмана был первым алгоритмом с открытыми ключами (предложен в 1976 г.). Его безопасность обусловлена трудностью вычисления дискретных логарифмов в конечном поле, в отличие от легкости дискретного возведения в степень в том же конечном поле.

Предположим, что два пользователя А и В хотят организовать защищенный коммуникационный канал.

1. Обе стороны заранее уславливаются о модуле N (N должен быть простым числом) и примитивном элементе g Î Z_N,

(1 £ g £ N –1), который образует все ненулевые элементы множества Z_N, т.е.

{g, g²,..., g^N–1 =1} = Z_N – {0}.

Эти два целых числа N и g могут не храниться в секрете. Как правило, эти значения являются общими для всех пользователей системы.

2. Затем пользователи А и В независимо друг от друга выбирают собственные секретные ключи k_А и k_В (k_А и k_В – случайные большие целые числа, которые хранятся пользователями А и В в секрете).

3. Далее пользователь А вычисляет открытый ключ

y_A = (mod N),

а пользователь В – открытый ключ

y_В = (mod N).

4. Затем стороны А и В обмениваются вычисленными значениями открытых ключей y_A и y_В по незащищенному каналу. (Мы считаем, что все данные, передаваемые по незащищенному каналу связи, могут быть перехвачены злоумышленником.)

5. Далее пользователи А и В вычисляют общий секретный ключ, используя следующие сравнения:

пользователь А: К = = (mod N);

пользователь В: К´ = = (mod N).

При этом К = К´, так как = (mod N).

Схема реализации алгоритма Диффи–Хеллмана показана на рис. 7.5.

Ключ К может использоваться в качестве общего секретного ключа (ключа шифрования ключей) в симметричной криптосистеме.

Кроме того, обе стороны А и В могут шифровать сообщения, используя следующее преобразование шифрования (типа RSA): С = Е_K (М) = М^К (mod N).

Для выполнения расшифрования получатель сначала находит ключ расшифрования К* с помощью сравнения

К * К* º 1 (mod N –1),

а затем восстанавливает сообщение

М = D_K (C) = C^K*(mod N).

Злоумышленник, перехватив значения N, g, y_А и y_В, тоже хотел бы определить значение ключа К. Очевидный путь для решения этой задачи состоит в вычислении такого значения k_А по N, g, y_А, что mod N = y_А (поскольку в этом случае, вычислив k_А, можно найти К= mod N). Однако нахождение k_А по N, g и y_А – задача нахождения дискретного логарифма в конечном поле, которая считается неразрешимой.

Выбор значений N и g может иметь существенное влияние на безопасность этой системы. Модуль N должен быть большим и простым числом. Число (N –1)/2 также должно быть простым числом. Число g желательно выбирать таким, чтобы оно было примитивным элементом множества Z_N. (В принципе достаточно, чтобы число g генерировало большую подгруппу мультипликативной группы по mod N.)

Алгоритм открытого распределения ключей Диффи– Хеллмана позволяет обойтись без защищенного канала для передачи ключей. Однако, работая с этим алгоритмом, необходимо иметь гарантию того, что пользователь А получил открытый ключ именно от пользователя В, и наоборот. Эта проблема решается с помощью электронной подписи, которой подписываются сообщения об открытом ключе.

Метод Диффи–Хеллмана дает возможность шифровать данные при каждом сеансе связи на новых ключах. Это позволяет не хранить секреты на дискетах или других носителях. Не следует забывать, что любое хранение секретов повышает вероятность попадания их в руки конкурентов или противника.

Преимущество метода Диффи–Хеллмана по сравнению с методом RSA заключается в том, что формирование общего секретного ключа происходит в сотни раз быстрее. В системе RSA генерация новых секретных и открытых ключей основана на генерации новых простых чисел, что занимает много времени.

Протокол SKIP управления криптоключами. Протокол SKIP (Simple Key management for Internet Protocol) может использоваться в качестве интегрирующей среды и системы управления криптоключами.

Протокол SKIP базируется на криптографии открытых ключей Диффи–Хеллмана и обладает рядом достоинств:

· обеспечивает высокую степень защиты информации;

· обеспечивает быструю смену ключей;

· поддерживает групповые рассылки защищенных сообщений;

· допускает модульную замену систем шифрования;

· вносит минимальную избыточность.

Концепция SKIP-протокола основана на организации множества двухточечных обменов (по алгоритму Диффи–Хеллмана) в компьютерной сети.

· Узел I имеет секретный ключ i(i= k_I) и сертифицированный открытый ключ gⁱ mod N.

· Подпись сертификата открытого ключа производится при помощи надежного алгоритма (ГОСТ, DSA и др.). Открытые ключи свободно распространяются центром распределения ключей из общей базы данных.

· Для каждой пары узлов I, J вычисляется совместно используемый секрет (типичная длина 1024 бита): g^ij mod N.

· Разделяемый ключ К_ij вычисляется из этого секрета путем уменьшения его до согласованной в рамках протокола длины 64…128 бит.

· Узел вычисляет ключ К_ij (используемый как ключ шифрования ключей) для относительно длительного применения и размещает его в защищенной памяти.

Следует отметить, что если сеть содержит n узлов, то в каждом узле должно храниться (n –1) ключей, используемых исключительно для организации связи с соответствующими узлами. Поэтому всего в сети с n узлами должно храниться 1/2 * n * (n –1) различных ключей и они должны меняться время от времени (срок службы таких ключей составляет недели). Например, при n = 6 число обменов ключей составляет 1/2 * 6 * (6–1)=15; при n=1000 число обменов ключей составит 1/2 * 1000 * (1000 –1)» 500000. Поэтому существует практическое ограничение на значение n.