andmeturve, iii lühiülevaade krüptograafiast
DESCRIPTION
Andmeturve, III Lühiülevaade krüptograafiast. 8. mai 2006 Valdo mois @ mois .ee Sisekoolitus AKIs AD 2006 vt http://www.mois.ee/sk/. Krüptograafia ajalooline olemus. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Andmeturve, IIIAndmeturve, III
Lühiülevaade krüptograafiastLühiülevaade krüptograafiast
8. mai 2006
Valdo
Sisekoolitus AKIs AD 2006 vt http://www.mois.ee/sk/
Krüptograafia ajalooline Krüptograafia ajalooline olemusolemus
Krüptograafia (cryptography) oli ajaloolises plaanis teadus, mis tegeles teabe (andmete sisu) peitmisega võõraste pilkude eest selle ”kentsaka” üleskirjutamise teel
Distsipliini nimetus pärineb kreeka keelest (nagu enamik klassikaliste teaduste nimetusi):• κρνπτος (kryptos) – peidetud• γραπηο (graphō) – kirjutan
Krüptograafia tähendab kreeka keeles peidetud sõna
Krüptograafia lättedKrüptograafia lätted Krüptograafias pärineb arvatavasti antiikajast, kui hakati pruukima teadete ülesmärkimist ja tekkis kiri – vahel oli vaja märkida üles teavet nii, et kõik sellest aru ei saaks. (Veel vanema ajaloo – esiajaloo – kohta pärinevad autentsed allikad)
Kui vana siis ikkagi?• Tähestik on mitu tuhat aastat vana
(foiniiklased), hieroglüüfkiri veel palju vanem (vähemalt 5000 aastat)
• Sama vana on arvatavasti ka krüptograafia
Ajaloolise (arvutieelse) Ajaloolise (arvutieelse) krüptograafia põhivõttedkrüptograafia põhivõtted, I, I
Kaks põhivõtet:
• substitutsioon (substitution) – olemasolevate märkide asendamine teiste märkidega
• transpositsioon ehk permutatsioon (transposition, permutation) – olemasolevate märkide järjekorra muutmine
Pärineb ajajärgust
ca 200 a. e.Kr.
Kreeka krüptograafia: Kreeka krüptograafia: Polybiose ruutPolybiose ruut
Iga täht asendati kahekohalise numbriga, nt EESTI asendus järjendiga 5151344442
Võimalik oli tähestikku ka ümber järjestada
•
Kreeka transpositsiooniKreeka transpositsiooniššifferiffer
Tuntud nime Skytale all
• esmamainitud ca 500 a. e.Kr.• sisaldab linti (rihma), millele on kantud tähed
ja õige jämedusega pulka• linti pulgale kerides saab teksti lugeda ja
kirjutada
Näide: sõna KRYPTO teisendub nt sõnaks CIOHKG
Caesari Caesari ššifferiffer
Oli lihtne substitutsioonišiffer: tähestiku iga täht asendati temast teatud arv positsioone edasi oleva tähega
Kasutusele võttis Rooma keiser Julius (Gaius) CaesarKasutusaeg: 50 a. e.Kr.
Krüpteerimismasin ENIGMAKrüpteerimismasin ENIGMA Läbi ajaloo on šifreerimisel püütud kasutada abivahendeid
Sakslased konstrueerisid 1930tel aastatel elektromehaanilise krüpteerimismasina ENIGMA, mille šifrid pidid olema murdmatud
ENIGMA murdmise luguENIGMA murdmise lugu • ENIGMA koodi murdis Poola
krüptograaf Rejewski 1930tel aastatel, aga seda käsitsi teha oli mahukas
• 1943 konstrueeris Inglise matemaatik Alan Turing spetsiaalse elektronarvuti (maailma esimese!) COLOSSUS, mille eesmärgiks oli ENIGMA šifrite murdmine
• Kaua aega (1980te lõpuni) hoiti seda fakti salajas (luure!)
Üleminek käsitsi krüpteerimiselt arvutipõhisele ei muutnud esialgu krüptograafia kasutusvaldkonda
Diplomaatide ja sõjardite Diplomaatide ja sõjardite käsutuseskäsutuses
Traditsioonlise krüptograafia (kuni 1940ndad) ajastul oli sellel väga kitsas kasutusvaldkond: diplomaatia ja sõjandus
Paljudes riikides olid kuni 1970-80teni krüptoalgoritmid ja –seadmed oma käitumisreeglitelt võrdsustatud relvadega
Krüptograafia levik sõjardite ja diplomaatide mängumaast masspruukimisse algas seoses teabe liikumisega ülemaailmses arvutivõrgus – Internetis – ja selle kaitse vajadustega. See sai alguse 1980te lõpul ja 1990te algul
1980ndad 1980ndad –– sõjardite sõjardite pärusmaalt masskasutusse pärusmaalt masskasutusse
Täiendava tõuke andsid siin krüptoalgoritmid ja võtted, mida ei kasutatus enam teabe konfidentsiaalsuse, vaid tervikluse kaitseks
Krüptograafia olemus Krüptograafia olemus ja roll ja roll kaasajalkaasajal
Kaasajal ei tegele krüptograafia küll enam pelgalt teabe salastuse tagamisega, vaid lisaks volitamata muutmise ärahoidmisega (tervikluse tagamisega), mida võib lugeda isegi tema põhifunktsiooniks
Nimetus krüptograafia (peidetud sõna) on traditsioonide tõttu jäänud küll alles ja kasutusse, kuigi tihti pole salastusega selle rakendamisel mingit tegemist
Kaasaja krüptograafiaKaasaja krüptograafia —— ametlik definitsioonametlik definitsioon
(Kaasaja) krüptograafia (cryptography) on distsipliin, mis hõlmab põhimõtteid, vahendeid ja meetodeid andmete teisendamiseks nende semantilise sisu peitmise, nende volitamata kasutamise või nende märkamata muutumise vältimise eesmärgil (ISO 7498-2)
Seoses Interneti masspruukimisega (1990te algul ja keskel) krüptograafia kasutamine liberaliseerus
1990ndad: krüptograafia 1990ndad: krüptograafia liberaliseerumine liberaliseerumine
Viimased vanade tavade kantsid olid:
• Prantsusmaa (oli veel 1990te keskel võrdsustatud relvadega)
• USA (kuni 1999. aastani kehtis praktikas murdmatute krüptograafiatoodete ekspordikeeld)
Kaasaja krüptograafia teabe Kaasaja krüptograafia teabe teisenduse tüüpvõttena teisenduse tüüpvõttena
Kaasajal on krüptograafial põhinevad võtted muutunud (Internetis) teabe kaitsmise tüüpvõteteks, ilma milleta ei ole teavet võimalik töödelda
Selle vaatlemine erivahendina on lõplikult ja jäädavalt ajalugu
Konfidentsiaalsuse lisandub Konfidentsiaalsuse lisandub terviklusterviklus
Kaasajal ei tegele krüptograafia küll enam pelgalt teabe salastuse tagamisega, vaid lisaks tervikluse tagamisega, mida võib lugeda tema põhifunktsiooniks
Nimetus krüptograafia (peidetud sõna) on traditsioonide tõttu jäänud küll alles ja kasutusse, kuigi tihti pole salastusega selle rakendamisel mingit tegemist
Krüptograafia põhimõisteidKrüptograafia põhimõisteid• Krüpteeritavat (loetamatule või muutmatule
kujule teisendatavat) teksti nimetatakse avatekstiks (plaintext)
• Krüpteeritud ehk loetamatule kujule viidud teksti nimetatakse krüptogrammiks (ciphertext)
• Avateksti teisendamist loetamatul kujul olevaks krüptogrammiks nimetatakse krüpteerimiseks ehk šifreerimiseks (encryption, enciphering)
• Krüptogrammi teisendamist avatekstiks normaalolukorras nimetatakse dešifreerimiseks (deciphering, decryption)
Krüptograafia põhimõisteid (järg)Krüptograafia põhimõisteid (järg) • Nii šifreerimise kui ka dešifreerimise
juures kasutatakse salajast võtit ((secret) key), ilma milleta on need tegevused praktikas võimatud
• Dešifreerimine on krüptogrammi teisendamine avatekstiks võtme kaasabil
• Krüptogrammist avateksti leidmist ilma salajast võtit teadmata nimetatakse krüptosüsteemi (krüptoalgoritmi) murdmiseks, millega tegeleb krüptoanalüüs
Krüptograafia Krüptograafia erijooni, Ierijooni, I
Säärane võte lubab sõltumatutel ekspertidel süsteemide turvalisust abstraktselt hinnata, pääsemata ligi kaitsmist vajavatele andmetele
Praktikas tegelevad sellega küll kitsa eriharidusega inimesed – krüptoloogid –, kes on reeglina eriteadmistega matemaatikud
Tänapäeval on krüpteerimisalgoritmid (andmete teisendusreeglid) reeglina avalikud, kogu salastus põhineb turvalisus kasutataval salajasel võtmel (mis on lühike digitaalteabekogum)
Krüptograafia Krüptograafia erijooni, IIerijooni, II
Nende algoritmide koostamine krüptograafia (matemaatika) alaseid eriteadmisi
Mida kauem on krüptoalgoritm avalikus kasutuses olnud, seda väiksem on tõenäosus, et tal leidub efektiivseid murdrmisvõtteid
Kaasaja krüptograafia kasutab eranditult matemaatikute (krüptograafide) poolt koostatud tüüpalgoritme, ise oma kasutamiseks välja töötatatavad unikaalsed algoritmid on ajalugu
Krüptograafia Krüptograafia erijooni, IIIerijooni, III
Krüptoanalüüsil on oluline tehete kiirus: arvuti taktsagedus on GHZ-des, käsitsi arvutamisel heal juhul mõni Hz
Krüptograafia (tegelikult kogu krüptoloogia) on praktilise poole pealt informaatika üks rakendusi
Kaasaja krüptograafia kasutab eranditult arvutustehnikat, käsitsi paberil arvutamine on jäädavalt ajalugu
Krüptograafia Krüptograafia erijooni, IVerijooni, IV
Standardid on nagu ikka vabatahtlikud, kuid sünergeetilisel efektil põhinevas koostoimivas maailmas on mõistlik neid järgida
Ilma ühtsete standarditeta ei teki ühtset infrastruktuuri, mille eri osad saaksid koos toimida
Kaasaja krüptograafia kasutab suurt hulka standardeid, mida järgib kogu (virtuaal)maailm
Krüptoalgoritmide peamised Krüptoalgoritmide peamised liigidliigid
1. Sümmeetrilised ehk salajase võtmega krüptoalgoritmid (on traditsioonilised e ajaloolised)
2. Asümmeetrilised ehk avaliku võtmega krüptoalgoritmid (levinud viimase 20 aasta jooksul)
3. Krüptograafilised sõnumilühendid jms sellesarnased funktsioonid
4. Eriotstarbega algoritmid tõestusteks, autentimisteks, ajatempli jaoks jm
Salajase võtmega krüptoSalajase võtmega krüptoalgoritmalgoritm
Tuntuimad esindajad: • AES ehk Rjindael (128, 192 või 256
bitine võti)• IDEA (128 bitine võti) • Skipjack (80 bitine võti) • DES (56 bitine võti)
Salajase võtmega krüptoalgoritm (secret key cryptoalgorithm) ehk sümmeetriline krüptoalgoritm (symmetric cryptoalgorithm), on selline, kus nii šifreerimisel kui ka dešifreerimisel kasutatakse sama (salajast) võtit
Krüpteerimine ehk šifreerimine (encryption, encipherment) nõuab teatud salajase võtme (key) kasutamist.
Vastupidine tegevus on dešifreerimine (decryption, decipherment), mille käigus taastatakse sama salajase võtme kaasabil algsed andmed
Ilma ühte sama võtit teadmata on mõlemad tegevused võimatud
Võtme osa Võtme osa ššifreerimises ja ifreerimises ja dedeššifreerimisesifreerimises
Salajase võtmega kSalajase võtmega krüptorüptoalgoritmalgoritm
Salajase võtmega Salajase võtmega krüptokrüptoalgoritm: turvalisusalgoritm: turvalisus
Kaasajal loetakse piisavalt tugevaks vähemalt 80 biti pikkuse salajase võtmega algoritme
DES on seega kaasajal nõrguke, kuna ei vasta sellele tingimusele. Lahendus on 3kordse DESi kasutamine
Lisaks võtmepikkusele ei tohi algoritmil olla tuntavaid efekte andvaid krüptoanalüütilisi ehk murdmisvõtteid
Salajase võtmega Salajase võtmega krüptokrüptoalgoritm: kasutusaladalgoritm: kasutusalad
Neid on kaks:
• konfidentsiaalse teabe edastamiseks üle (mitte pealtkuulamiskindlate) võrkude
• konfidentsiaalsete teabekogumite salvestamine avalikus keskkonnas sooviga teabe saajate hulka piirata
Teoreetiline ja praktiline Teoreetiline ja praktiline turvalisusturvalisus
Teoreetiline turvalisus – krüptoalgoritmi ei ole võimalik teoreetiliselt murda, st ka siis, kui meie käsutuses oleks lõpmatult võimsaid arvutusressursse ja/või lõpmatult palju aega
Praktiline turvalisus – krüptoalgoritmi ei ole võimalik murda mõistliku aja jooksul (päevade, kuude, aastate, aastatuhandete vms jooksul). Reeglina siiski ei ole murdmisaeg väiksem kui aastatuhanded
Teooriast on teada: teoreetilise turvalisuse korral peab võti olema sama pikk kui avatekst
Näide: ühekordne šifriplokk (one-time pad)
Kaasaja praktikas pruugitavate krüptoalgoritmite korral pruugitakse reeglina vaid praktilist turvalisust
Teoreetiliselt on kõik need murtavad tuhandete, miljonite ja/või miljardite aastate jooksul
Teoreetiline vs praktiline Teoreetiline vs praktiline turvalisusturvalisus
Krüptoalgoritmide murdmine, IKrüptoalgoritmide murdmine, IKrüptoanalüüsi (cryptanalysis) eesmärgiks on krüptoalgoritmi murdmine
Triviaalseim võte on kõikide võimalike võtmete (bitikombinatsioonide) proovimine: seda nimetatakse ammendavaks otsinguks (exhaustive search)
N biti pikkuse võtme korral eeldab ammendav otsing 2N variandi läbivaatamist – see on suure N korra väga suur arv, mistõttu ei ole teatud N väärtusest alates ammendav otsing võte praktikas teostatav
Järeldus: suurendades võtmepikkust mõne biti võrra, kasvab krüptoalgoritmi turvalisus üldkujul sama arv korda
Krüptoalgoritmide murdmine, IIKrüptoalgoritmide murdmine, IIKõiki selliseid võtteid, mis võimaldavad N biti pikkuse võtmega krüptoalgoritmi murda vähema kui 2N operatsiooni jooksul, nimetatakse krüptoanalüütilisteks võteteks ehk murdmisvõteteks
Praktikas selliseid murdmisvõtteid reeglina algoritmidelt ei lubata. Erandiks on võtted, mis vähgendavad tööd tööd 2, 4 või 8 korda – need ei anna ammendava otsinguga võrreldes olulist võitu
Praktiliselt turvaline on selline krüptoalgoritm, mille korral ei ole teada efektiivseid krüptoanalüütilisi võtteid ühegi eelnimetatud viie ründetüübi puhul ega praktikas mõistliku ajaga realiseeritava ammendava otsingu võimalust
Algoritmide praktiline turvalisusAlgoritmide praktiline turvalisus
Mida rohkem on krüptoalgoritmid kasutusel olnud, seda väiksemaks muutub efektiivse krüptoanalüütilise võtte konstrueerimise tõenäosus – kogu maailma krüptograafid püüavad neid pidevalt leida
Praktilise turvalisuse Praktilise turvalisuse saavutamise teedsaavutamise teed
Põhitõde: suurendades võtmepikkust mõne biti võrra, kasvab krüptoalgoritmi turvalisus üldkujul sama arv korda
Põhjus: eksponentfunktsiooni y = 2x hea omadus
See võimaldab lineaarse kulutuste (algoritmi lahendusaja, protsessori maksumuse vm) kasvuga saavutada turvalisuse (murdmiseks kuluva aja) eksponentsiaalset kasvu
Sel põhjusel on küllalt tugev praktiline turvalisus krüptograafias saavutatav
Salajase võtmega Salajase võtmega krüptokrüptoalgoritm: tekkiv probleemalgoritm: tekkiv probleem
Probleem: enne teabe edastamist üle võrgu on vaja kuidagi tagada, et mõlemas otspunktis (mõlemal osapoolel) oleks olemas vaid neile teadaolev salajane võti
Võtme säärane edastamine vajab turvalist (pealtkuulamiskindlat) kanalit, mida salajase võtmega krüptosüsteem ei paku
Võtme kohaletoimetamine nt kulleriga on esiteks kohmakas ja teiseks ei pruugi olla turvaline
Avaliku võtmega krüptoAvaliku võtmega krüptoalgoritmalgoritm
Ühest võtmest teist ei ole võimalik praktikas leida
Avaliku võtmega krüptoalgoritm (public key cryptoalgorithm) ehk asümmeetriline krüptoalgoritm (asymmetric cryptoalgorithm) kasutab kahte võtit – esimese võtmega šifreeritud teave on dešifreeritav vaid teise võtmega ja vastupidi
Avaliku võtmega krüptoAvaliku võtmega krüptoalgoritm: algoritm: võtmedvõtmed
Avaliku võtmega krüptoalgoritmi võtmeid nimetatakse reeglina avalikuks võtmeks ja privaatvõtmeks (public and private key)
• Avalik võti on tavaliselt kõigile soovijaile teada
• Privaatvõti on reeglina aga subjekti (inimese, tehnilise süsteemi, programmi vms) ainuvalduses
Avaliku võtmega Avaliku võtmega krüptokrüptoalgoritm: RSAalgoritm: RSA
RSA korral on tingimused veidi pehmemad: privaatvõtmest avalikku võtit saab leida, kuid avalikust võtmest privaatvõtit mitte
Nad on omavahel matemaatiliselt seotud, kuid avalikust võtmest privaatvõtme leidmine võtab aega miljoneid aastaid
Tuntuim avaliku võtmega krüptoalgoritm on RSASeda loetakse turvaliseks alates 1024 biti pikkusest võtmest
Avaliku võtmega krüptoAvaliku võtmega krüptoalgoritmialgoritmikasutaminekasutamine
• Avaliku võtmega krüptoalgoritme saab kasutada salajaste võtmete turvalisel edastamisel üle liinide ilma füüsilise kokkusaamiseta. Ainus tingimus on siin avaliku võtme avalikkus
• Avaliku võtmega krüptoalgoritme saab lisaks andmete konfidentsiaalsuse tagamisele kasutada ka nende tervikluse tagamisel. See ongi nende peamine kasutusvaldkond
• Avaliku võtmega krüptoalgoritmidel põhineb digitaalallkirja (digitaalsignatuuri) idee
Avaliku võtmega krüptoAvaliku võtmega krüptoalgoritmialgoritmikasutamine kasutamine ššifreerimiselifreerimisel
Avaliku võtmega krüptoalgoritmi Avaliku võtmega krüptoalgoritmi kasutaminekasutamine signeerimisel signeerimisel
Krüptograafiline sõnumilühend ehk Krüptograafiline sõnumilühend ehk krüptoräsikrüptoräsi
Krüprograafiline sõnumilühendnehk krüptoräsi (cryptographic message digest, hash, fingerprint) on ükskõik kui pikast sõnumist (failist) teatud matemaatiliste eeskirjade järgi arvutatav lühike (paarsada bitti) teabekogum
See seos on ühesuunaline (one-way): etteantud sõnumilühendi korral ei ole võimalik tuletada faili, millele see sõnuimilühend vastab
Krüptograafiline sõnumilühend: Krüptograafiline sõnumilühend: kasutusalakasutusala
Kui meil on olemas sõnum/sõnumilühend paar, kus sõnumilühend vastab failile, võime olla igal juhul kindlad, et lühend on arvutatud kindlasti sellest failist ega mitte millestki muust
Sõnumilühendite peamine kasutusala on autentimisel ja tervikluse tagamisel digitaalallkirja juures ja mujal
Krüptograafiline sõnumilühend: Krüptograafiline sõnumilühend: toimimisskeemtoimimisskeem
Turvalise krüptoräsi sõnumipikkusTurvalise krüptoräsi sõnumipikkusKui võrrelda räsifunktsioonide turvet sümmetriliste krüptoalgoritmide turbega, peab sama turbetaseme saavutamiseks olema räsi vähemalt kaks korda sama pikk kui sümmeetrilise krüptoalgoritmi võti Seda nõuavad keerulised matemaatilised seosed
Järeldus. Krüptograafilisi räsifunktsioone võib lugeda praktikas turvaliseks alates 160 biti (20 baidi) pikkusest räsist. Siia lisandub veel krüptoanalüütiliste võtete puudumise nõue
Praktikas kasutatavaid Praktikas kasutatavaid räsifunktsiooneräsifunktsioone
• MD5 – välja töötatud Ron Rivesti poolt. Leiab 128-bitise räsi ehk sõnumilühendi
• SHA-1 – konstrueeriti 1996. aastal MD4-l põhineva ideoloogia põhjal turvalisust tugevdades. Räsi pikkus on 160 bitti (20 baiti)
• SHA-2 – SHA-1 modifikatsioonid
• RIPEMD-160 – konstrueeriti 1990te algul, leiab 160-bitise räsi
• (MD2, MD4 – MD5 eellased, 128-bitise räsi. NB! Ei ole kaasajal enam turvalised,on leitud kollisioone.)
Krüptograafia ei ole imevahendKrüptograafia ei ole imevahendPõhitõde: krüptograafia ei ole imevahend, vaid ta võimaldab lükata turvaprobleemi ühest kohast teise. Aitab ta seal, kus algses kohas ei ole probleem lahendatav, aga uues kohas on
Krüptograafiaga kaasnevad täiendavad probleemid:
• kaitsvaid andmeid läheb rohkemaks (krüptovõtmed)
• kuidas kaitsta võtmete konfidentsiaalsust, kuidas luua võtmeid, kuidas säilitada võtmeid...