Криптология и криптография

   Следующий этап развития криптоанализа связан с изобретением роторных шифровальных машин таких как, например, изобретённая Артуром Шербиусом Энигма. Целью таких устройств было минимизировать количество повторяющихся отрезков шифротекста, статистика появления которых использовалась при взломе шифра Виженера. Польским криптоналитикам удалось построить прототип дешифровальной машины для версии Энигмы, используемой Нацистской Германией. Машина получила название "Бомба" за то, что при работе издавала звуки похожие на тиканье часов. Позже она была доработана и взята на вооружение английскими криптоаналитиками.

   Современный криптоанализ

   По  мере развития новых методов шифрования математика становилась всё более и более значимой. Так, например, при частотном анализе криптоаналитик должен обладать знаниями и в лингвистике, и в статистике. В то время как теоретические работы по криптоанализу Энигмы выполнялись преимущественно математиками, например, Аланом Матисоном Тьюрингом. Тем не менее благодаря всё той же математике криптография достигла такого развития, что количество необходимых для взлома элементарных математических операций стало достигать астрономических значений. Современная криптография стала гораздо более устойчивой к криптоанализу, чем некогда используемые, устаревшие методики, для взлома которых было достаточно ручки и листа бумаги. Может показаться, что чистый теоретический криптоанализ не способен более эффективно взламывать современные шифры. Тем не менее историк Дэвид Кан в своей заметке к 50-ой годовщине Агентства национальной безопасности пишет:

   "В  наши дни сотни фирм предлагают  множество различных криптосистем, которые невозможно взломать  ни одним из известных методов  криптоанализа. Действительно, такие  системы устойчивы даже к атаке по подобранному открытому тексту, т.е. сравнение открытого текста и соответствующего ему шифротекста не позволяет узнать ключ шифрования, который бы позволил дешифровать другие сообщения. Таким образом, в некотором смысле криптоанализ мёртв. Но это ещё не конец. Криптоанализ может быть и мёртв, но, выражаясь метафорически, с кошки можно снять шкурку несколькими способами."

   Далее в своих заметке описывает  возросшее значение перехвата данных, закладки жучков, атак по сторонним  каналам и квантовых компьютеров как методик, идущих на смену традиционным методам криптоанализа. В 2010 бывший технический директор Управления национальной безопасности Брайан Сноу отметил, что коммерческая криптография уже почти достигла уровня развития технологий, используемых разведывательными службами, и теперь они вместе «очень медленно продвигаются в уже полностью исследованной области».

   Тем не менее, криптоанализ пока ещё рано списывать со счетов. Во-первых, неизвестно, насколько эффективны применяемых  спецслужбами методы криптоанализа, а во-вторых за годы становления и совершенствования современной компьютерной криптографии было проведено много серьёзных атак и на теоретические, и на практические криптографические примитивы:

• В 1998 было обнаружена уязвимость к атакам на основе шифротекста у блочный шифр MADRYGA, предложенный ещё в 1984, но не получивший широкого распространения.
• Целая серия атак со стороны научного сообщества, многие из которых были целиком практическими, буквально уничтожила блочный шифр FEAL, предложенный как замена DES в качестве стандартного алгоритма шифрования, но также не получивший широкого распространения
• Также было установлено, что при помощи широко доступных вычислительных средств поточные шифры A5/1, A5/2, блочный шифр CMEA, и стандарт шифрования DECT, используемые для защиты мобильной и беспроводной телефонной связи, могут быть взломаны за считанные часы или минуты, а порою и в режиме реального времени.
• Атака методом грубой силы помогла взломать некоторые из прикладных систем защиты, например, CSS— систему защиты цифрового медиаконтента на DVD-носителях.

   Таким образом, хотя наиболее надёжные из современных шифров являются гораздо более устойчивыми к криптоанализу, чем Энигма, тем не менее криптоанализ по-прежнему играет важную роль в обширной области защиты информации.

   Методы криптоанализа

   Брюс Шнайер выделяет 4 основных и 3 дополнительных метода криптоанализа, предполагая знание криптоаналитиком алгоритма шифра:

   Основные  методы криптоанализа:

1. Атака на основе шифротекста
2. Атака на основе открытых текстов и соответствующих шифротекстов
3. Атака на основе подобранного открытого текста (возможность выбрать текст для шифрования)
4. Атака на основе адаптивно подобранного открытого текста

   Дополнительные  методы криптоанализа:

1. Атака на основе подобранного шифротекста
2. Атака на основе подобранного ключа
3. Бандитский криптоанализ

   Основные методы криптоанализа

   Атаки на основе шифротекста

   Допустим, криптоаналитик обладает некоторым числом шифротекстов, полученных в результате использования одного и того же алгоритма шифрования. В этом случае криптоаналитик может совершить только атаку на основе шифротекста. Целью криптографической атаки в этом случае является нахождение как можно большего числа открытых текстов, соответствующих имеющимся шифротекстам, или, что ещё лучше, нахождение используемого при шифровании ключа.

   Входные данные для подобного типа атак криптоаналитик может получить в результате простого перехвата зашифрованных сообщений. Если передача осуществляется по открытому каналу, то реализация задачи по сбору данных сравнительно легка и тривиальна. Атаки на основе шифротекста являются самыми слабыми и неудобными.

   Атака на основе открытых текстов и соответствующих шифротекстов

   Пусть в распоряжении криптоаналитика  есть не только шифротексты, но и соответствующие  им открытые тексты.

   Тогда существуют два варианта постановки задачи:

1. Найти ключ, использованный для преобразования открытого текста в шифротекст
2. Создать алгоритм, способный дешифровать любое сообщение, закодированное с помощью этого ключа

   Получение открытых текстов играет решающую роль в осуществлении этой атаки. Открытые тексты извлекают из самых различных  источников. Так, например, можно догадаться о содержимом файла по его расширению.

   В случае взлома переписки можно сделать  предположение, что письмо имеет  структуру типа:

• «Приветствие»
• «Основной текст»
• «Заключительная форма вежливости»
• «Подпись»

   Следовательно, атака может быть организована путём подбора различных видов «Приветствия» (например, «Здравствуйте!», «Добрый день» и т. д.) и/или «Заключительной формы вежливости» (таких как «С уважением», «Искренне Ваш» и т. п.). Легко заметить, что данная атака сильнее атаки на основе одного лишь шифротекста.

   Атака на основе подобранного открытого текста

   Для осуществления такого типа атаки  криптоаналитику необходимо иметь  не только какое-то количество открытых текстов и полученных на их основе шифротекстов. Помимо прочего в данном случае криптоаналитик должен обладать возможностью подобрать несколько открытых текстов и получить результат их шифрования.

   Задачи  криптоаналитика повторяют задачи для атаки на основе открытого  текста, то есть получить ключ шифрования, либо создать дешифрующий алгоритм для данного ключа.

   Получить  входные данные для такого вида атаки  можно, например, следующим образом:

1. Создать и отправить поддельное не зашифрованное сообщение якобы от одного из пользователей, которые обычно пользуются шифрованием.
2. В некоторых случаях можно получить ответ, в котором будет содержится зашифрованный текст, цитирующий содержание поддельного сообщения.

   При осуществлении атаки подобного  типа криптоаналитик имеет возможность  подбирать блоки открытого текста, что при определённых условиях может позволить получить больше информации о ключе шифрования.

   Атаки на основе адаптивно подобранного открытого текста

   Атака такого типа является более удобным  частным случаем атаки на основе подобранного открытого текста. Удобство атаки на основе адаптивно подобранного открытого текста состоит в том, что помимо возможности выбирать шифруемый текст, криптоаналитик может принять решение о шифровании того или иного открытого текста на основе уже полученных результатов операций шифрования. Другими словами, при осуществлении атаки на основе подобранного открытого текста криптоаналитик выбирает всего один большой блок открытого текста для последующего шифрования, а потом на основе этих данных начинает взламывать систему. В случае организации адаптивной атаки криптоаналитик может получать результаты шифрования любых блоков открытого текста, чтобы собрать интересующие его данные, которые будут учтены при выборе следующих отправляемых на шифрование блоков открытого текста и так далее. Наличие обратной связи даёт атаке на основе адаптивно подобранного шифротекста преимущество перед всеми вышеперечисленными типами атак.

   Атака на основе подобранного шифротекста

   Допустим, что у криптоаналитика имеется  временный доступ к дешифрующему средству или устройству. В таком  случае за ограниченный промежуток времени криптоаналитик может получить из известных ему шифротекстов соответствующие им открытые тексты, после чего криптоаналитику нужно будет приступать к взлому системы. При осуществлении подобного типа атаки цель взлома — получить ключ шифрования.

   Сжато сформулировать эту задачу можно  таким образом:

   Дано: С₁, P₁=D_k(С₁), С₂, P₂=D_k(С₂), С₃, P₃=D_k(С₃), …, С_n, P_n=D_k(С_n),

   где С_n — n-ый имеющийся шифротекст, P_n — соответствующий С_n открытый текст, а D_k — функция дешифрования при помощи ключа k.

   Найти: используемый ключ шифрования k.

   Интересным  может быть тот факт, что атака  на основе подобранного шифротекста  также может носить название «Атаки в обеденное время» (lunchtime attack) или  «Ночной атаки» (midnight attack). Скажем, в  названии «Атаки в обеденное время» отражается тот факт, что легитимный пользователь может оставит свой компьютер с функцией дешифрования без присмотра на время обеда, а криптоаналитик может этим воспользоваться.

   Атака на основе подобранного ключа

   Вопреки своему названию атака на основе подобранного ключа не подразумевает под собой того, что криптоаналитик занимается простым перебором ключей в надежде найти нужный. Атака такого типа строится на том, что криптоаналитик может наблюдать за работой алгоритма шифрования, в котором используются несколько ключей. Криптоаналитик изначально ничего не знает о точном значении ключей, зато ему известно некоторое математическое отношение, связывающее между собой ключи. Примером тому может служить ситуация, когда криптоаналитик выяснил, что последние 80 битов у всех ключей одинаковы, хотя сами значения битов могут быть неизвестными.

   Бандитский криптоанализ

   Криптоаналитик  может использовать так называемый «человеческий фактор», т.е. пытаться с помощью шантажа, подкупа, пыток  или иных способов получить информацию о системе шифрования или даже сам ключ шифрования. Например, дача взятки, как одна из разновидностей бандитского криптоанализа, может носить название «Вскрытие с покупкой ключа». Таким образом методика вскрытия построена на слабости людей как составной части системы защиты информации.