Саймон Сингх - Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки
(2) Алисе, однако, необходимо расшифровывать присланные ей сообщения. Поэтому у нее должен иметься секретный ключ — некоторое количество специальной информации, которая позволит ей обратить действие открытого ключа. Тем самым Алиса (и лишь она одна) сумеет расшифровать все присланные ей сообщения.
Рис. 65 Рональд Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман.
Душой асимметричного шифра Ривеста является односторонняя функция, основанная на модулярной функции, описанной ранее в этой главе. Односторонняя функция Ривеста может применяться для зашифровывания сообщения; к сообщению, которое в нашем случает является числом, применяется функция, и в результате получается шифртекст — другое число. Я не буду подробно описывать одностороннюю функцию Ривеста (для этого см. Приложение J) один особый аспект, известный просто как N, поскольку именно N делает при определенных обстоятельствах одностороннюю функцию обратимой и, тем самым, идеальной для применения в качестве асимметричного шифра.
N важно, поскольку оно представляет собой изменяющийся элемент односторонней функции, благодаря чему каждый человек может выбирать различные значения N, образуя всякий раз различные односторонние функции. Чтобы выбрать свое собственное значение N, Алиса берет два простых числа, р и q перемножает их. Простое число — это число, у которого нет других делителей, кроме самого себя и 1. Например, 7 — это простое число, т. к. оно не делится без остатка ни на какое другое число, кроме 1 и 7. Точно так же и 13 — простое число, т. к. оно тоже не делится без остатка ни на какое другое число, кроме 1 и 13. А вот 8 уже является не простым, а составным числом, поскольку может делиться на 2 и на 4.
Итак, Алиса может выбрать свои простые числа, например, р = 17 159 и q = 10 247. Перемножая эти два числа, она получает 17 159 х 10 247 = 175 828 273. Полученное Алисой N фактически будет ее открытым ключом для зашифровывания, и она может напечатать его на своей визитной карточке, разместить в Интернете или опубликовать в справочнике открытых ключей вместе со значениями N других людей. Если Боб захочет зашифровать сообщение для Алисы, он отыскивает ее значение N (175 828 273), а затем вставляет его в одностороннюю функцию общего вида, которая также известна всем. Теперь у Боба есть односторонняя функция, сшитая с открытым ключом Алисы, поэтому ее можно назвать односторонней функцией Алисы. Чтобы зашифровать сообщение для Алисы, он берет одностороннюю функцию Алисы, вставляет сообщение, выписывает результат и отправляет его Алисе.
В этот момент зашифрованное сообщение становится секретным, поскольку никто не сможет расшифровать его. Сообщение было зашифровано с помощью односторонней функции, поэтому обращение односторонней функции и расшифровка сообщения по определению является исключительно трудным делом. Однако остается вопрос, как же Алиса сумеет его расшифровать? Чтобы прочитать присланные ей сообщения, у Алисы должен быть способ обращения односторонней функции. Ей необходимо иметь доступ к некоторой специальной порции информации, которая и даст ей возможность расшифровать сообщение. К счастью для Алисы, Ривест задумал и создал одностороннюю функцию таким образом, что она является обратимой для каждого, кто знает значения p и q — два простых числа, которые были перемножены для получения N. Хотя Алиса сообщила всем, что у нее N равняется 175 828 273, она не раскрыла значений р и q, поэтому только у нее есть специальная информация, необходимая для расшифровки своих сообщений.
Мы можем рассматривать N как открытый ключ — информация, которая доступна всем и каждому и необходимая для того, чтобы зашифровывать сообщения для Алисы. Тогда как р и q являются секретным ключом, доступным только Алисе, — информация, необходимая для расшифровывания этих сообщений.
Подробности того, как можно использовать р и q для обращения односторонней функции приведены в Приложении J. Имеется, однако, один вопрос, который следует решить не откладывая. Если все знают открытый ключ N, то разве нельзя найти р и q — секретный ключ — и прочесть сообщения Алисы? Как-никак, Nбыло образовано из р и q. В действительности же оказывается, что если N достаточно велико, то из него практически невозможно вычислить р и q, и это, пожалуй, самый превосходный и элегантный аспект в асимметричном шифре RSA.
Алиса образовала N, выбрав pиqзатем перемножив их вместе. Основной момент здесь заключается в том, что это по своей сути односторонняя функция. Чтобы продемонстрировать односторонний характер умножения простых чисел, мы можем взять два простых числа, например, 9419 и 1933, и перемножить их. Используя калькулятор, нам понадобится всего лишь несколько секунд, чтобы получить ответ 18 206 927. Однако, если вместо этого нам дадут число 18 206 927 и попросят найти простые множители (два числа, которые перемножили, чтобы получить 18 206 927), это займет у нас гораздо больше времени. Если вы сомневаетесь в том, насколько трудно находить простые множители, то примите во внимание следующее. Мне понадобилось лишь десять секунд, чтобы образовать число 1 709 023, но у вас с калькулятором в руках, чтобы найти простые множители, это займет добрую часть дня.
Считается, что данная система асимметричной криптографии, известная как RSA, является одним из видов шифрования с открытым ключом. Чтобы понять, насколько надежна RSA, мы можем проверить ее с точки зрения Евы и попробовать прочесть сообщение, посланное Алисой Бобу. Для того чтобы зашифровать сообщение для Боба, Алиса должна отыскать его открытый ключ. Для создания своего открытого ключа Боб берет выбранные им самим простые числа, рB и qB, и перемножает их, получая NB. Он хранит рB и qB в секрете, ибо они составляют его секретный ключ для дешифровывания, но при этом публикует NV, которое равно 408 508 091. Так что Алиса подставляет открытый ключ Боба NB в общую одностороннюю функцию шифрования, а затем зашифровывает свое сообщение ему. Когда приходит зашифрованное сообщение, Боб может обратить функцию и расшифровать его, используя значения рв и qB, которые составляют его секретный ключ. Между тем Ева сумела во время передачи сообщения перехватить его. Ее единственная надежда расшифровать сообщение — обратить одностороннюю функцию, а это возможно только в том случае, если она знает рB и qB. Боб держит рv и qv в секрете, но, как и всем остальным, Еве известно NB, равное 408 508 091. Далее Ева пытается найти значения рB и qB путем подбора чисел, которые при перемножении дают 408 508 091 — процесс, известный как разложение на множители.
Операция разложения на множители отнимает очень много времени, но сколько же на самом деле понадобится Еве времени, чтобы найти сомножители числа 408 508 091? Существуют различные способы разложения на множители числа NB. Хотя одни из них быстрее, а другие — медленнее, но, по сути, во всех них проверяется, делится ли NB без остатка на каждое из простых чисел. Например, 3 — это простое число, но оно не является множителем числа 408 508 091, так как 408 508 091 нацело на 3 не делится. Поэтому Ева берет следующее простое число — 5. 5 точно так же не является множителем, поэтому Ева переходит к следующему простому числу и так далее. В конце концов, Ева добирается до числа 18 313, 2000-го простого числа, которое является множителем числа 408 508 091. Найдя один из сомножителей, легко найти и другой — 22 307. Если у Евы есть калькулятор и она способна проверять четыре простых числа в минуту, то ей, чтобы отыскать рB и qB, потребуется 500 минут, или свыше 8 часов. Другими словами, Ева сможет раскрыть секретный ключ Боба и, тем самым, расшифровать перехваченное сообщение менее, чем за день.
Это не слишком-то высокий уровень стойкости, но Боб мог бы выбрать гораздо большие простые числа и повысить стойкость своего секретного ключа. Например, он мог бы выбрать простые числа, состоящие из 1065 цифр (это означает 1 с 65 нулями, или сто тысяч миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов). В результате величина N будет приблизительно составлять 1065 х 1065, то есть 10130 цифр. Компьютер смог бы перемножить оба простых числа и вычислить N всего лишь за секунду, но если Ева захочет выполнить обратную операцию и определить р и q, на это потребуется не в пример больше времени. Насколько больше, зависит от быстродействия компьютера Евы. По оценке эксперта по безопасности Симеона Гарфинкеля, 100-MHz компьютеру Intel Pentium с 8 MB RAM, чтобы разложить на множители число, состоящее из 10130 цифр потребуется около 50 лет. Криптографы проявляют тенденцию к параноидальности и учитывают при определении стойкости своих шифров наихудшие ситуации, как, например, глобальная секретность. Поэтому Гарфинкель рассматривал, что произойдет, если объединить вместе сотню миллионов персональных компьютеров (количество компьютеров, проданных в 1995 году). В результате он получил, что число, состоящее из 10130 цифр, может быть разложено на множители примерно за 15 секунд. Так что в настоящее время общепринято, что для обеспечения подлинной стойкости необходимо использовать еще большие простые числа. Для ответственных банковских операций N стремятся сделать как минимум 10308, которое в десять миллионов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз больше, чем 10130. Объединенными усилиями сотне миллионов персональных компьютеров потребуется затратить более тысячи лет, чтобы раскрыть такой шифр. При достаточно больших значениях р и q, RSA является неуязвимой.
