Однонаправленные функции

Понятие однонаправленной функции является основным в криптографии с открытым ключом. К однонаправленным относят такие функции, которые достаточно легко вычислить, но значительно труднее обратить. То есть, при наличии х нетрудно определить f(x), однако, при условии знания только f(x) на нахождение соответствующего значения х уйдут миллионы лет вычислений.

(Аналог - разбитая стеклянная бутылка. Расколотить ее на мелкие осколки очень легко, однако попробуйте снова собрать целую бутылку из осколков).

Существует множество функций, которые все считают однонаправленными: их значения довольно эффективно вычисляются, однако обратить эти функции каким-либо простым методом не удается.

В криптографии спросом пользуются однонаправленные функции с лазейкой, которые представляют собой особую разновидность однонаправленных функций. Однонаправленную функцию с лазейкой по-прежнему трудно обратить, но только не зная секрета вычисления обратной к ней функции. То есть, при данном х легко найти f(x) и наоборот - трудно отыскать х, зная одно лишь значение f(x). Однако существует такая секретная информация (у), что если известны у и f(x), то вычислить х будет значительно проще.

Особый интерес представляют однонаправленные хеш-функции. Алгоритмы хеширования, реализуемые с помощью хеш-функций, позволяют преобразовывать строки переменной длины, называемые образами, в строки фиксированной длины, которые принято именовать хеш-значениями. Хеш-значение гораздо меньше любого из образов (контрольная сумма). Однако такая хеш-функция не является однонаправленной: нетрудно подобрать строку символов, суммирование которых по модулю 2 даст заранее заданное значение.

Коллизией хеш-функции H называется два различных входных блока данных x и y таких, что:

H(x) = H(y).

Коллизии существуют для большинства хеш-функций, но для «хороших» хеш-функций частота их возникновения близка к теоретическому минимуму. В некоторых частных случаях, когда множество различных входных данных конечно, можно задать инъективную хеш-функцию, по определению не имеющую коллизий. Однако, для хеш-функций, принимающих вход переменной длины и возвращающих хеш постоянной длины (MD5), коллизии обязаны существовать, поскольку хотя бы для одного значения хеш-функции соответствующее ему множество входных данных (полный прообраз) будет бесконечно - и любые два набора данных из этого множества образуют коллизию.

Пример: хеш-функция H(x) = xmod 19, определенную на множестве целых чисел. Её область значений состоит из 19 элементов (кольца вычетов по модулю 19), а область определения - бесконечна. Так как множество прообразов заведомо больше множества значений, коллизии обязаны существовать.

Построим коллизию для этой хеш-функции для входного значения 38, хеш-сумма которого равна нулю. Так как функция H(x) - периодическая с периодом 19, то для любого входного значения y, значение y+19 будет иметь ту же хеш-сумму, что и y. В частности, для входного значения 38 той же хеш-суммой будут обладать входные значения 57, 76, и т. д. Таким образом, пары входных значений (38,57), (38,76) образуют коллизии хеш-функции H(x).

Так как криптографические хеш-функции используются для подтверждения неизменности исходной информации, то возможность быстрого отыскания коллизии для них обычно равносильна дискредитации. Мерой криптостойкости хеш-функции считается вычислительная сложность нахождения коллизии. В идеале не должно существовать способа отыскания коллизий более быстрого, чем полный перебор. Если для некоторой хеш-функции находится способ получения коллизий существенно более быстрый, чем полный перебор, то эта хеш-функция перестает считаться криптостойкой и использоваться для передачи и хранения секретной информации.

Однонаправленная хеш-функция позволяет легко сгенерировать хеш-значение. Однако, зная только его, будет очень трудно подобрать соответствующий ему образ. Качественная однонаправленная хэш-функция чаше всего является непротиворечивой: весьма сложно получить два различных образа, для которых хеш-значение будет одним и тем же. По выходу такой хеш-функции невозможно сказать, что было подано на ее вход, а изменение даже одного бита образа приводит к смене в среднем половины бит соответствующего хеш-значения (лавинный эффект).

Многие современные алгоритмы шифрования с открытым ключом основаны на однонаправленности функции разложения на множители числа, являющегося произведением двух больших простых чисел. Эти алгоритмы также могут быть подвергнуты атаке, подобной методу тотального перебора, с одним лишь отличием: опробовать каждый ключ не потребуется, достаточно суметь разложить на множители большое число.

Разложение большого числа на множители - задача трудная. В середине 70-х годов считалось, что для разложения на множители числа из 125 цифр потребуются десятки квадрильонов лет. А всего два десятилетия спустя с помощью компьютеров, подключенных к сети Internet удалось разложить на множители число из 129 цифр. Этот прорыв стал возможен благодаря тому, что за прошедшие 20 лет были не только предложены новые методы разложения на множители больших чисел, но и возросла производительность используемых компьютеров.

Поэтому квалифицированный криптограф должен проявлять большую осторожность и осмотрительность, когда речь заходит о длине открытою ключа. Необходимо учитывать, насколько ценна засекречиваемая с его помощью информация и как долго она должна оставаться в тайне для посторонних.

Таблица 10.3. Рекомендуемая длина открытого ключа (в битах)

Год	Хакер	Крупная корпорация	Правительство

А почему, спрашивается, не взять 10000-битный ключ. Ведь тогда отпадут все вопросы, связанные со стойкостью асимметричного алгоритма шифрования с открытым ключом, основанном на разложении большого числа па множители. Но дело в том, что обеспечение достаточной стойкости шифра не является единственной заботой криптографа. Имеются дополнительные соображения, влияющие на выбор длины ключа, и среди них вопросы, связанные с практической реализуемостью алгоритма шифрования при выбранной длине ключа.

Для организации шифрованной связи часто используются криптографические алгоритмы с секретным и с открытым ключом. Такая криптосистема называется гибридной. Стойкость каждого из алгоритмов, входящих в состав гибридной криптосистемы, должна быть достаточной, чтобы успешно противостоять вскрытию.

В табл. 10.4 перечисляются пары длин ключей для симметричного и асимметричного криптографического алгоритма, при которых стойкость обоих алгоритмов против криптоаналитической атаки методом тотального перебора приблизительно одинакова.

Таблица 10.4. Длины ключей для симметричного и асимметричного алгоритмов шифрования с одинаковой стойкостью против криптоаналитической атаки методом тотального перебора.

Длина ключа для симметричного алгоритма	Длина ключа для асимметричного алгоритма

Дата добавления: 2014-01-20