О криптографии всерьез. Практическое введение в современное шифрование
Год издания: 2021
Автор: Омассон Жан-Филипп
Переводчик: Слинкин А. А.
Издательство: ДМК Пресс
ISBN: 978-5-97060-975-0
Язык: Русский
Формат: PDF
Качество: Издательский макет или текст (eBook)
Интерактивное оглавление: Да
Количество страниц: 328
Описание: В этом практическом руководстве по современному шифрованию
анализируются фундаментальные математические идеи, лежащие в основе криптографии.
Рассказывается о шифровании с аутентификацией, безопасной случайности,
функциях хеширования, блочных шифрах и методах криптографии с открытым
ключом, в частности RSA и криптографии на эллиптических кривых. Вы узнаете
о том, как выбирать наилучший алгоритм или протокол, как избежать типичных
ошибок безопасности и как задавать правильные вопросы поставщику. В заключительной
части книги рассматриваются темы повышенной сложности, например
TLS, а также обсуждается будущее криптографии в эпоху квантовых компьютеров.
В каждой главе приводятся примеры работы алгоритмов и материалы для
дополнительного изучения.
Издание будет полезно как профессиональным разработчикам, так и тем, кто
хочет разобраться в основах современной криптографии и успешно применять
методы шифрования.
Оглавление
От издательства.............................................................................................................. 12
Вступительное слово....................................................................................................... 13
Предисловие........................................................................................................................ 15
Список аббревиатур......................................................................................................... 19
Глава 1. Шифрование.............................................................................................. 22
Основы................................................................................................................................ 23
Классические шифры...................................................................................................... 23
Шифр Цезаря............................................................................................................... 23
Шифр Виженера.......................................................................................................... 24
Как работают шифры...................................................................................................... 25
Перестановка............................................................................................................... 26
Режим работы.............................................................................................................. 27
Почему классические шифры небезопасны........................................................ 28
Идеальное шифрование: одноразовый блокнот...................................................... 29
Шифрование с помощью одноразового блокнота.............................................. 29
Почему одноразовый блокнот безопасен?........................................................... 30
Безопасность шифрования............................................................................................ 32
Модели атак................................................................................................................. 32
Цели безопасности..................................................................................................... 35
Аспекты безопасности............................................................................................... 36
Асимметричное шифрование....................................................................................... 38
Дополнительные функции шифров............................................................................. 39
Шифрование с аутентификацией........................................................................... 39
Шифрование с сохранением формата................................................................... 40
Полностью гомоморфное шифрование................................................................ 41
Шифрование, допускающее поиск......................................................................... 41
Настраиваемое шифрование................................................................................... 41
Какие возможны проблемы........................................................................................... 42
Слабый шифр............................................................................................................... 42
Неправильная модель................................................................................................ 43
Для дополнительного чтения........................................................................................ 44
Глава 2. Случайность................................................................................................ 45
Случайное или неслучайное?........................................................................................ 45
Случайность как распределение вероятностей........................................................ 46
Энтропия: мера неопределенности............................................................................. 47
Генераторы случайных и псевдослучайных чисел................................................... 48
Как работает PRNG..................................................................................................... 49
Вопросы безопасности.............................................................................................. 50
PRNG Fortuna............................................................................................................... 51
Криптографически стойкие и нестойкие PRNG.................................................. 52
Полезность статистических тестов........................................................................ 54
PRNG на практике............................................................................................................ 55
Генерирование случайных битов в системах на базе Unix............................... 55
Функция CryptGenRandom() в Windows................................................................ 59
Аппаратный PRNG: RDRAND в микропроцессорах Intel.................................. 60
Какие возможны проблемы........................................................................................... 61
Плохие источники энтропии................................................................................... 61
Недостаточная энтропия на этапе начальной загрузки................................... 61
Криптографически нестойкие PRNG..................................................................... 62
Дефектная выборка при стойком PRNG................................................................ 63
Для дополнительного чтения........................................................................................ 64
Глава 3. Криптографическая безопасность............................................... 65
Определение невозможного.......................................................................................... 66
Безопасность в теории: информационная безопасность................................. 66
Безопасность на практике: вычислительная безопасность............................. 66
Количественное измерение безопасности................................................................ 68
Измерение безопасности в битах........................................................................... 68
Полная стоимость атаки........................................................................................... 70
Выбор и вычисление уровней безопасности....................................................... 71
Достижение безопасности............................................................................................. 73
Доказуемая безопасность......................................................................................... 73
Эвристическая безопасность................................................................................... 76
Генерирование ключей................................................................................................... 77
Генерирование симметричных ключей................................................................ 77
Генерирование асимметричных ключей.............................................................. 78
Защита ключей............................................................................................................ 79
Какие возможны проблемы........................................................................................... 80
Ложное чувство безопасности................................................................................. 80
Короткие ключи для поддержки унаследованных приложений..................... 80
Для дополнительного чтения........................................................................................ 81
Глава 4. Блочные шифры...................................................................................... 82
Что такое блочный шифр?.............................................................................................. 83
Цели безопасности..................................................................................................... 83
Размер блока................................................................................................................ 84
Атака по кодовой книге............................................................................................ 84
Как устроены блочные шифры..................................................................................... 85
Раунды блочного шифра........................................................................................... 85
Сдвиговая атака и ключи раунда............................................................................ 86
Подстановочно-перестановочные сети................................................................ 86
Схемы Фейстеля.......................................................................................................... 87
Шифр Advanced Encryption Standard (AES)................................................................. 88
Внутреннее устройство AES..................................................................................... 89
AES в действии............................................................................................................ 92
Реализация AES................................................................................................................. 92
Табличные реализации............................................................................................. 93
Машинные команды.................................................................................................. 94
Безопасен ли AES?...................................................................................................... 95
Режимы работы................................................................................................................. 96
Режим электронной кодовой книги (ECB)............................................................ 96
Режим сцепления блоков шифртекста (CBC)....................................................... 98
Как зашифровать любое сообщение в режиме CBC..........................................100
Режим счетчика (CTR)..............................................................................................102
Какие возможны проблемы..........................................................................................104
Атаки типа встречи посередине.............................................................................104
Атаки на оракул дополнения..................................................................................106
Для дополнительного чтения.......................................................................................107
Глава 5. Потоковые шифры................................................................................108
Как работают потоковые шифры................................................................................109
Потоковые шифры с хранимым состоянием и на основе счетчика.............110
Аппаратные потоковые шифры..................................................................................111
Регистры сдвига с обратной связью......................................................................112
Grain-128a....................................................................................................................119
A5/1................................................................................................................................120
Программные потоковые шифры...............................................................................123
RC4.................................................................................................................................124
Salsa20...........................................................................................................................129
Какие возможны проблемы..........................................................................................134
Повторное использование одноразового числа................................................134
Дефектная реализация RC4.....................................................................................135
Слабые аппаратно реализованные шифры.........................................................136
Для дополнительного чтения.......................................................................................137
Глава 6. Функции хеширования......................................................................138
Безопасные хеш-функции.............................................................................................139
И снова непредсказуемость....................................................................................140
Стойкость к восстановлению прообраза..............................................................141
Стойкость к коллизиям............................................................................................142
Нахождение коллизий..............................................................................................143
Построение функций хеширования...........................................................................145
Хеш-функции на основе сжатия: построение Меркла–Дамгора...................145
Хеш-функции на основе перестановок: функции губки.................................149
Семейство хеш-функций SHA......................................................................................150
SHA-1............................................................................................................................151
SHA-2............................................................................................................................153
Конкурс на звание SHA-3.........................................................................................155
Keccak (SHA-3).............................................................................................................156
Функция хеширования BLAKE 2..................................................................................158
Какие возможны проблемы..........................................................................................160
Атака удлинением сообщения...............................................................................160
Обман протоколов доказательства хранения.....................................................161
Для дополнительного чтения.......................................................................................162
Глава 7. Хеширование с секретным ключом...........................................163
Имитовставки (MAC)......................................................................................................164
MAC как часть безопасной системы связи..........................................................164
Атаки с подделкой и подобранным сообщением..............................................164
Атаки повторным воспроизведением..................................................................165
Псевдослучайные функции (PRF)................................................................................165
Безопасность PRF............................................................................................................166
Почему PRF более стойкие, чем MAC....................................................................166
Создание хешей с секретным ключом по хешам без ключа.................................167
Построение секретного префикса.........................................................................167
Построение секретного суффикса.........................................................................168
Построение HMAC.....................................................................................................168
Обобщенная атака против MAC на основе функций хеширования..............170
Создание функций хеширования на основе блочных шифров: CMAC..............171
Взлом CBC-MAC..........................................................................................................171
Исправление CBC-MAC.............................................................................................171
Проектирование специализированных имитовставок.........................................173
Poly1305........................................................................................................................173
SipHash.........................................................................................................................176
Какие возможны проблемы..........................................................................................178
Атаки с хронометражем на верификацию MAC.................................................178
Когда губки протекают.............................................................................................180
Для дополнительного чтения.......................................................................................181
Глава 8. Шифрование с аутентификацией................................................182
Шифрование с аутентификацией с использованием MAC...................................183
Шифрование-и-MAC.................................................................................................183
MAC-затем-шифрование.........................................................................................184
Шифрование-затем-MAC.........................................................................................185
Шифры с аутентификацией..........................................................................................185
Шифрование с аутентификацией и ассоциированными данными..............186
Предотвращение предсказуемости с помощью одноразовых чисел............187
Какой шифр с аутентификацией считать хорошим?........................................187
AES-GCM: стандартный шифр с аутентификацией................................................190
Внутреннее устройство GCM: CTR и GHASH.......................................................190
Безопасность GCM.....................................................................................................192
Эффективность GCM.................................................................................................193
OCB: шифр с аутентификацией, более быстрый, чем GCM..................................193
Внутреннее устройство OCB...................................................................................194
Безопасность OCB......................................................................................................194
Эффективность OCB..................................................................................................195
SIV: самый безопасный шифр с аутентификацией?..............................................195
AEAD на основе перестановки.....................................................................................196
Какие возможны проблемы..........................................................................................198
AES-GCM и слабые хеш-ключи...............................................................................198
AES-GCM и короткие жетоны.................................................................................200
Для дополнительного чтения.......................................................................................201
Глава 9. Трудные задачи.......................................................................................202
Вычислительная трудность...........................................................................................203
Измерение времени работы...................................................................................203
Полиномиальное и суперполиномиальное время............................................206
Классы сложности...........................................................................................................207
Недетерминированное полиномиальное время...............................................208
NP-полные задачи.....................................................................................................209
Задача о равенстве P и NP.......................................................................................210
Задача факторизации.....................................................................................................212
Факторизация больших чисел на практике........................................................212
Является ли задача факторизации NP-полной?................................................214
Задача о дискретном логарифме.................................................................................215
Что такое группа?......................................................................................................215
Трудная задача...........................................................................................................216
Какие возможны проблемы..........................................................................................217
Когда разложить на множители легко..................................................................217
Небольшие трудные задачи трудными не являются........................................218
Для дополнительного чтения.......................................................................................219
Глава 10. RSA...............................................................................................................221
Математические основания RSA.................................................................................222
Перестановка с потайным входом в RSA...................................................................223
Генерирование ключей и безопасность RSA............................................................224
Шифрование с помощью RSA.......................................................................................226
Взлом RSA-шифрования по учебнику и податливость....................................226
Стойкое RSA-шифрование: OAEP..........................................................................226
Подписание с помощью RSA........................................................................................228
Взлом RSA-подписей по учебнику........................................................................229
Стандарт цифровой подписи PSS..........................................................................230
Подписи на основе полного хеша домена...........................................................231
Реализации RSA...............................................................................................................232
Алгоритм быстрого возведения в степень..........................................................233
Выбор малых показателей степени для ускорения операций
с открытым ключом..................................................................................................235
Китайская теорема об остатках..............................................................................236
Какие возможны проблемы..........................................................................................238
Атака Bellcore на RSA-CRT.......................................................................................238
Разделение закрытых показателей степени
или модулей................................................................................................................239
Для дополнительного чтения.......................................................................................240
Глава 11. Протокол Диффи–Хеллмана.......................................................242
Функция Диффи–Хеллмана..........................................................................................243
Проблемы протоколов Диффи–Хеллмана.................................................................245
Вычислительная задача Диффи–Хеллмана.........................................................245
Задача Диффи–Хеллмана о распознавании........................................................246
Другие задачи Диффи–Хеллмана..........................................................................246
Протоколы совместной выработки ключей..............................................................247
Пример протокола выработки ключа, не опирающегося на DH....................247
Модели атак на протоколы совместной выработки ключей...........................248
Производительность.................................................................................................250
Протоколы Диффи–Хеллмана......................................................................................251
Анонимный протокол Диффи–Хеллмана............................................................251
Протокол Диффи–Хеллмана с аутентификацией..............................................253
Протокол Менезеса–Кью–Вэнстоуна....................................................................255
Какие возможны проблемы..........................................................................................257
Пренебрежение хешированием разделяемого секрета...................................257
Унаследованный протокол Диффи–Хеллмана в TLS........................................258
Небезопасные параметры группы........................................................................258
Для дополнительного чтения.......................................................................................258
Глава 12. Эллиптические кривые...................................................................260
Что такое эллиптическая кривая?...............................................................................261
Эллиптические кривые над множеством целых чисел....................................262
Сложение и умножение точек................................................................................264
Группы эллиптических кривых..............................................................................267
Задача ECDLP....................................................................................................................268
Протокол совместной выработки ключа Диффи–Хеллмана
над эллиптическими кривыми....................................................................................269
Подписание с помощью эллиптических кривых...............................................270
Шифрование с помощью эллиптических кривых.............................................272
Выбор кривой...................................................................................................................273
Кривые, рекомендованные NIST...........................................................................274
Кривая Curve25519....................................................................................................275
Другие кривые............................................................................................................275
Какие возможны проблемы..........................................................................................276
ECDSA с недостаточной случайностью................................................................276
Взлом ECDH с помощью другой кривой..............................................................276
Для дополнительного чтения.......................................................................................277
Глава 13. Протокол TLS.........................................................................................278
Целевые приложения и требования...........................................................................279
Набор протоколов TLS....................................................................................................280
Семейство протоколов TLS и SSL: краткая история..........................................280
TLS в двух словах.......................................................................................................281
Сертификаты и удостоверяющие центры...........................................................281
Протокол записи........................................................................................................284
Протокол подтверждения связи............................................................................285
Криптографические алгоритмы TLS 1.3..............................................................287
Улучшения TLS 1.3 по сравнению с TLS 1.2..............................................................288
Защита от понижения версии.................................................................................289
Квитирование с одним периодом кругового обращения................................289
Возобновление сеанса..............................................................................................289
Стойкость TLS...................................................................................................................290
Аутентификация........................................................................................................290
Секретность прошлого.............................................................................................291
Какие возможны проблемы..........................................................................................292
Скомпрометированный удостоверяющий центр..............................................292
Скомпрометированный сервер..............................................................................292
Скомпрометированный клиент.............................................................................293
Дефекты реализации................................................................................................293
Для дополнительного чтения.......................................................................................294
Глава 14. Квантовая и постквантовая криптография........................295
Как работают квантовые компьютеры......................................................................296
Квантовые биты.........................................................................................................297
Квантовые вентили...................................................................................................299
Квантовое ускорение......................................................................................................302
Экспоненциальное ускорение и задача Саймона..............................................302
Угроза со стороны алгоритма Шора......................................................................303
Решение задачи факторизации с помощью алгоритма Шора........................304
Алгоритм Шора и задача о дискретном логарифме.........................................305
Алгоритм Гровера......................................................................................................305
Почему так трудно построить квантовый компьютер?.........................................306
Постквантовые криптографические алгоритмы.....................................................308
Криптография на основе кодов..............................................................................308
Криптография на основе решеток.........................................................................309
Криптография на основе многомерных систем................................................310
Криптография на основе функций хеширования.............................................312
Какие возможны проблемы..........................................................................................313
Непонятный уровень безопасности......................................................................313
Забегая вперед: что, если уже слишком поздно?...............................................314
Проблемы реализации.............................................................................................315
Для дополнительного чтения.......................................................................................315
Предметный указатель.........................................................................................317
