Продолжим тему защиты информации. Ранее (см. «Мир ПК», № 2/02, c. 70) уже было рассмотрено шифрование как один из способов защиты данных, передающихся через Интернет. Теперь поговорим об электронной цифровой подписи (ЭЦП).

Что такое электронная подпись

Шифрование берет начало в глубокой древности. Так, еще Цезарь создал классический шифр, который носит его имя. А вот об истории электронной подписи сказать особо нечего, что, впрочем, и неудивительно, ведь людям издавна хватало печати и росчерка пером, так что на ум приходит лишь папирус с сургучной печатью, и потому ограничимся современностью.

В алгоритмах электронной подписи и асимметричного шифрования используются секретный и открытый ключи. Причем секретный должен браться абсолютно случайно, например с датчика случайных чисел, а открытый — вычисляться из секретного таким образом, чтобы получить второй из первого было невозможно. Итак, предположим, вы с другом решили ставить электронную подпись под всеми своими сообщениями. Теоретически нужно проделать следующее.

  1. Сначала создайте ключи электронной подписи. Как и в случае шифрования, они обычно хранятся в файлах, в частности на дискетах. Каждый из вас должен иметь свои секретный и открытый ключи.
  2. Секретные ключи оставьте у себя, а открытыми обменяйтесь.
  3. Секретным ключом подпишите письмо другу и отправьте свое послание вместе с подписью. Электронная подпись представляет собой последовательность нескольких цифр. На первый взгляд она выглядит хаотично, на самом же деле вычисляется по следующей упрощенной формуле:

    f(M,ks),

    M - текст письма; а ks - секретный ключ.
  4. Получив письмо, снабженное электронной подписью, адресат с помощью вашего открытого ключа проверяет ее подлинность. Результат проверки - один из ответов: "верна - неверна". Электронная подпись подтверждает достоверность сообщения. Если в него в процессе пересылки были внесены какие-либо изменения, пусть даже совсем незначительные, то подмена обнаружится.

Секретный ключ вы должны тщательно хранить в тайне, ведь любой, кто узнает его, сумеет подделать вашу подпись. Если вы все же потеряете свой ключ, то обязательно предпримите определенные меры и, главное, сообщите всем своим потенциальным адресатам о том, что вашу подпись, которую они считали верной, отныне следует считать неверной. А до тех пор, пока вы этого не сделаете, считайте, будто только что подписали пачку пустых листов бумаги.

Еще одно, не менее важное назначение электронной подписи — подтверждение авторства сообщения. Обычно в файлы ключей ЭЦП помимо собственно ключа записываются разные дополнительные сведения вроде ФИО и места работы его владельца, срока действия подписи и т. п. А в подпись, стоящую под сообщением или документом, копируются данные из секретного ключа, и прежде всего сведения о его хозяине, что позволяет установить авторство. Значит, не потребуется запоминать, кто именно прислал открытый ключ, при проверке показавший, что ЭЦП верна, и это очень важно, ведь реально может быть не одна сотня открытых ключей. Кстати, «правильные» программы при расчете собственно электронной подписи сообщения включают и информацию об авторе, чтобы никому не пришло в голову изменить ее. Результат проверки ЭЦП обычно выводится на экран в таком, например, виде:

Подпись файла compromat.bmp верна
(Автор: Иванов Василий Семенович).

Как и любые криптографические алгоритмы с открытым ключом, ЭЦП удобны для распределения ключей «на лету», что особенно хорошо в Интернете — вы можете послать свой открытый ключ любому адресату непосредственно перед отправкой ему подписанного вами сообщения или, что еще проще, разместить его на каком-либо ресурсе в Интернете. Однако позволю себе процитировать классиков защиты информации: «Принципы доступности, удобства, быстродействия и функциональности вычислительной системы антагонистичны принципам ее безопасности» (И. Д. Медведовский, П. В. Семьянов, Д. Г. Леонов. «Атака на Internet»). В общем, за удобство придется заплатить существенным ослаблением безопасности. Здесь, как и при асимметричном шифровании, возможна подмена открытых ключей, правда приводящая к иным последствиям.

Вот как это бывает: вы с другом создали по паре ключей и обменялись открытыми. Все было бы хорошо, но тут вмешался злобный хакер. Он перехватил отправленный правильный открытый ключ, причем таким образом, что до вашего друга ключ так и не дошел, прочитал ваши ФИО, а затем создал новую пару ключей (секретный плюс открытый), записав туда сведения о вас. Секретный ключ злоумышленник оставил у себя, а открытый отправил другу от вашего имени. Теперь хакер сможет посылать ему любые письма, а вашу подпись под его ложными сообщениями друг будет считать верной до тех пор, пока обман не выплывет наружу, но у вас с вашим товарищем могут возникнуть серьезные проблемы.

К счастью, есть способ борьбы с подменой открытых ключей — это их сертификация.

Сейчас существует множество алгоритмов ЭЦП, в том числе:

  • отечественный стандарт электронной подписи ГОСТ Р34.10-94, который, как и стандарт симметричного шифрования ГОСТ 28147-89, обязателен для применения в государственных организациях России и обменивающихся с ними конфиденциальной информацией коммерческих организациях;
  • новый отечественный стандарт ГОСТ Р34.10-2001, который должен заменить предыдущий с 1 июля 2002 г.
  • различные общеизвестные алгоритмы ЭЦП, например RSA (Rivest - Shamir - Adleman), Эль-Гамаля, DSA (Digital Signature Algorithm).

Хэш-функция, или Немного математики

Приведенная выше формула для электронной подписи дана несколько упрощенно; в более полном виде она выглядит так:

S = f(h(M),ks),

где h(M) — хэш-функция.

Дело в том, что текстовое письмо может иметь самый разный размер — от пустого сообщения (непонятно, правда, зачем нужно его подписывать) до объемного файла, к тому же включающего графику, а алгоритмы ЭЦП предназначены для подписи сообщений определенной длины, в частности, ГОСТ Р34.10—94 для 32 байт. Поэтому задача хэш-функции заключается в том, чтобы из письма произвольного объема вычислить цифровую последовательность стандартного размера, скажем, те же 32 байта, равных 256 бит. Хэш-функция обладает или, по крайней мере, должна обладать следующими свойствами.

  1. сообщения (хэш - результат работы хэш-функции) должен однозначно соответствовать ему и изменяться при его модификации.
  2. Хэш-функция должна быть однонаправленной. Тогда, во-первых, даже зная хэш h(M), невозможно вычислить само сообщение M и, во-вторых, для каждого сообщения M нельзя подобрать такое сообщение M', для которого выполнялось бы условие: 
h(M) = h(M?).

Невыполнение второго условия позволило бы злоумышленнику подменять письма, оставляя подпись в них верной. Кроме того, у многих сообщений хэш одинаковый, поскольку, как говорят математики, множество допустимых писем (их количество практически безгранично) существенно больше множества хэш-значений, максимально возможное число которых всего-навсего 2256. А теперь, выражаясь языком криптографии, иначе сформулируем приведенные выше условия: «Трудоемкость успешного вычисления сообщения M? по уже известному хэшу h(M), удовлетворяющему условию h(M?) = h(M), не должна быть меньше трудоемкости прямого перебора сообщений».

Заметим, что хэш-функции также широко используются для аутентификации пользователей и появилась масса криптографических протоколов, основанных на их применении.

Отечественный стандарт для хэш-функций — ГОСТ Р34.11—94; он используется совместно со стандартами ГОСТ Р34.10 — 94/2001 для ЭЦП. Из западных алгоритмов для хэш-функций стоит упомянуть, например, ряд MD (Message Digest).

Комплексная защита сообщений

Поскольку шифрование защищает сообщения от ознакомления, а ЭЦП — от подмены (это две основные угрозы информации в Интернете), то было бы логично для обеспечения более полной безопасности совместно применять ЭЦП и комбинированное шифрование. Для этого нужно выполнить следующее.

  1. На подготовительном этапе двое друзей, например, создают две пары ключей: секретный и открытый для асимметричного шифрования, а также секретный и открытый ключи ЭЦП. Открытыми ключами они обмениваются, а затем один посылает другому сообщение, подписанное своим секретным ключом.
  2. Затем первый друг генерирует случайный ключ симметричного шифрования K, которым шифрует отправляемое письмо, причем только это.
  3. Далее, чтобы можно было сообщение расшифровать, он зашифровывает ключ K (а в открытом виде посылать ключ симметричного шифрования ни в коем случае недопустимо) на открытом ключе асимметричного шифрования своего друга и добавляет его к зашифрованному письму.
  4. Второй друг, получив зашифрованное сообщение, расшифровывает своим секретным ключом асимметричного шифрования ключ K, которым затем расшифровывает и само письмо.
  5. И наконец, он проверяет с помощью открытого ключа друга его ЭЦП в данном письме и убеждается, что оно пришло именно от его друга и в неизмененном виде.

Здесь придраться практически не к чему — при грамотном использовании подобная система не оставит хакеру никаких шансов на успех. Правда, может показаться неудобным то, что приходится делать слишком много ключей. Для решения этой задачи предусмотрен алгоритм Диффи—Хеллмана (названный так от имен его авторов Diffie и Hellman), позволяющий, в частности, применять одну и ту же пару ключей ЭЦП как для собственно ЭЦП, так и для симметричного шифрования. Смысл данного алгоритма заключается в следующем. В стандарте ГОСТ Р34.10—94 для ЭЦП открытый ключ вычисляется из секретного:

Kp = aKs mod p,

где a и p — некоторые общеизвестные большие числа (могут принимать значения до 21024, и это ужасающе большое значение). Предположим, что есть пользователи 1 и 2, сгенерировавшие свои секретные ключи и вычислившие из них открытые:

Kp1 = aKs1 mod p;
Kp2 = aKs2 mod p.

После обмена открытыми ключами у каждого из них появилась пара ключей: свой секретный и чужой открытый, т. е. абонент 1 имеет ключи Ks1 и Kp2, а абонент 2 — Ks2 и Kp1. Теперь вспомним математику (радуйтесь школьники и студенты, знающие математику наизусть!) и представим, что будет, если абоненту 2 вдруг вздумается возвести в степень своего секретного ключа открытый ключ абонента 1:

(Kp1)Ks2 = (aKs1)Ks2 mod p = (aKs2)Ks1 mod p =
 (Kp2)Ks1 = Kc.

Впечатляет ли вас подобный результат? Ведь получилось то же самое, что вышло бы, если бы абонент 1 захотел проделать аналогичное с имеющимися у него открытым ключом абонента 2 и своим секретным ключом! Значит, существует ключ Kc, обычно называемый «ключом парной связи», который могут вычислить только абоненты 1 и 2 с использованием имеющихся у них ключей, поскольку у злоумышленников нет Ks1 или Ks2, и поэтому они не сумеют определить Kc. Затем с помощью общего ключа Kc можно быстро симметрично зашифровать сообщения по стандарту ГОСТ 28147—89. Красота! И не пугайтесь всех этих сложных формул, еще раз напомню, что все вычисления производятся автоматически, стоит лишь дать указания программе, что и для кого шифровать и подписывать.

* * *

И еще одно: наконец-то и у нас появился собственный Закон об ЭЦП, уже утвержденный Госдумой и подписанный президентом. И это очень хорошо, поскольку теперь законодательно электронная подпись приравнена к собственноручной, а это означает, что мы скоро увидим развитие электронной коммерции и прочих связанных с этим благ современности, которых были лишены наши предки.

ОБ АВТОРЕ

Сергей Петрович Панасенко — начальник отдела разработки программного обеспечения фирмы «АНКАД», e -mail: develop@ancud.ru.