Журнал «Компьютерра» N 31 от 29 августа 2006 года - Журнал Компьютерра

«Стойкость криптосистем, основанных на эллиптических кривых, недостаточно изучена, во многом из-за переусложненного взгляда на природу самих эллиптических кривых. Очень немногие криптографы понимают, что такое эллиптические кривые, поэтому, в отличие от RSA, нет широкого понимания и консенсуса относительно стойкости, обеспечиваемой их использованием при шифровании. Со временем ситуация может измениться, но сейчас получить оценку стойкости криптосистемы, основанной на эллиптических кривых, - все равно что получить оценку недавно обнаруженной древневавилонской поэзии»

Рональд Ривест, создатель RSA, комментарии к предлагаемому стандарту FIPS, 1997

Когда я впервые услышал о криптосистемах, основанных на эллиптических кривых, они показались мне чем-то безумно сложным: жуткая криптография, в которой совершенно ничего понять невозможно. Дальше - больше: я немного узнал об алгебраической геометрии и о самих эллиптических кривых. Это, разумеется, тоже мгновенно отправилось в категорию «очень сложная наука» (алгебраическая геометрия действительно дело непростое), а соответствующие криптографические протоколы заняли еще более высокое место в моей личной иерархии.

Как вы уже, наверное, догадались, все изменилось в одночасье, когда мне довелось познакомиться с этими протоколами поближе. Оказалось, что идеи, лежащие в их основе, немногим сложнее классических схем RSA и Диффи-Хеллмана. Во всяком случае, суть «эллиптического шифрования» (будем иногда для краткости использовать этот не вполне корректный термин) я намереваюсь рассказать прямо сейчас, фактически с нуля.

Криптография с открытым ключом

Начать, наверное, следует с основ, на которых стоит современная криптография. Всевозможные хитроумные шифры, которые придумывали криптографы прошлого (от Цезаря до «Энигмы») по сути представляли собой системы с секретным ключом: существовало некое тайное знание (способ шифрования или ключ к нему), и тот, у кого был доступ к этому знанию, мог зашифровать и дешифровать любое сообщение.

Среди систем с секретным ключом есть очень стойкие: пока вы не узнаете или не подберете ключ, расшифровать сообщение невозможно. Более того, дешифровщику придется решать, является ли то, что у него получилось, валидным (проще говоря, «правильным») сообщением. Конечно, если был зашифрован текст на естественном языке, распознавание труда не составит. Кроме того, на помощь в случае естественного языка приходит еще и частотный анализ (вспомните Холмса, с помощью частотно-лингвистического анализа разгадавшего записки, написанные «пляшущими человечками»). Но если сообщение - набор цифр (координаты военной базы или количество самолетов на ней), то дешифровальщику может быть практически невозможно установить, правильно ли оно расшифровано.

Кстати, можно создать даже абсолютно стойкую криптосистему с секретным ключом. В такой системе каждое новое сообщение шифруется своим индивидуальным, никогда не повторяющимся ключом, который представляет собой случайную последовательность из нулей и единиц той же длины, что и само послание. Шифрование и дешифрование сводятся к побитовому сложению ключа и текста. Однако надо предварительно снабдить обе стороны комплектом идентичных ключей такого вида, а это очень непросто сделать.

Подобные трудности привели к тому, что с развитием компьютерных сетей криптография с секретным ключом перестала справляться со своими обязанностями. Действительно, предположим, что вы хотите шифровать свою переписку. Значит, сначала нужно договориться о секретном ключе. Как это сделать? Пересылать ключ в открытом виде, мягко говоря, не лучшее решение. Сперва его надо зашифровать. Но как? Получается замкнутый круг.

Криптография с открытым ключом разрывает этот круг. В криптосистеме уже не один ключ, а два - открытый и секретный. Алиса публикует свой открытый ключ - он доступен для всех. Боб (эти имена в криптографии используются с незапамятных времен) берет свое сообщение и шифрует его при помощи ключа Алисы (алгоритм шифрования известен). Однако ни Боб, ни кто-либо другой не может расшифровать это сообщение. Для этого нужно знать секретный ключ Алисы. Преимущество в том, что Алисе не нужно ни с кем делиться своим ключом. Только она одна должна иметь возможность расшифровать сообщение Боба, а чтобы зашифровать его, секретный ключ не нужен.

Криптография с открытым ключом уязвима по отношению к некоторым очевидным атакам. Вот алгоритм, который гарантированно взломает любую такую криптосистему: перебирать всевозможные сообщения, шифруя их при помощи открытого ключа, до тех пор пока результат не совпадет с шифром, который мы хотим разгадать. Это на первый взгляд может показаться обескураживающим, но на самом деле ничего страшного нет: никто никогда не переберет даже все возможные комбинации ста битов входа; что уж говорить о ключах длиной 512 или 1024 бит. Главное - чтобы у противника не было возможности сделать что-нибудь поумнее. Это и есть главная задача построения стойких криптосистем.

RSA и криптосистема Диффи-Хеллмана

Как строить криптосистемы с открытым ключом? Мы уже знаем, что Боб должен суметь зашифровать сообщение, но потом никто не должен иметь возможности расшифровать его - кроме Алисы, конечно. Говоря математическим языком, функция шифрования должна легко вычисляться, а вот вычисление обратной к ней должно быть «практически неосуществимым» [Объем вычислений должен расти быстрее полинома любой степени от длины ключа или аналогичного «параметра безопасности» системы]. Одной из первых криптосистем с открытым ключом была система RSA, названная так по именам создателей: Ривеста (Rivest), Шамира (Shamir) и Адлемана (Adleman) [Примечательно, что на самом деле приоритет принадлежит британскому математику Клиффорду Коксу (Clifford Cocks), который придумал эту криптосистему в 1973 году. Однако его работа оставалась неизвестной до 1997 года, так как относилась к разряду top secret (не только в Советском Союзе ученые работали на ВПК)]. Система, созданная в 1977 году, оказалась на редкость жизнеспособной и по сей день успешно применяется в огромном количестве приложений. Успех не в последнюю очередь объясняется простотой и глубиной математической идеи, лежащей в основе RSA. Поскольку для понимания сути эллиптических шифров лучше сначала «потренироваться на кошках», изложим эту идею и мы (это потребует некоторых знаний по элементарной теории чисел, см. врезку внизу справа). В ее основе - предположение о «практической неосуществимости» разложения на множители больших целых чисел.

С другой сложной для решения проблемой - дискретным логарифмированием - связана так называемая криптосистема Диффи-Хеллмана (Diffie-Hellman), которая появилась даже раньше, чем RSA, - в 1976 году [Кстати, сам Мартин Хеллман утверждает, что по справедливости ее нужно было бы называть криптосистемой Диффи-Хеллмана-Меркле; Ральф Меркле (Ralph Merkle) фактически был автором идеи криптографии с открытым ключом. К сожалению, криптосистема, которая все-таки была названа его именем - основанная на «задаче о рюкзаке» система Меркле-Хеллмана, - оказалась криптографически нестойкой и, как следствие, не приобрела популярности]. Ее краткое математическое описание см. во врезке на следующей странице.

Здесь стоит немного порассуждать о том, что значит «вычислительно трудно». В применении к только что перечисленным задачам математически это не значит ровным счетом ничего - никаких доказательных утверждений о вычислительной трудности разложения простых чисел или дискретного логарифмирования не существует. Однако много лет подряд криптографы всего мира пытались найти эффективные алгоритмы для решения этих задач - и не преуспели. Криптографы стараются использовать как можно больше задач, для которых еще не найдены эффективные алгоритмы [В этом смысле примечательно, что до сих пор неизвестны криптографические протоколы, основанные на NP-трудных задачах. Разумеется, такие протоколы были бы надежнее любых других - разложение чисел на простые множители или дискретный логарифм отлично укладываются в NP, и более того - дешифровка любой криптосистемы должна укладываться в NP, ведь при наличии секретного ключа, играющего роль подсказки, расшифровать сообщение должно быть возможно. Поиск связанных с NP-трудными задачами протоколов или обоснование (не путать с доказательством) того, что построить их невозможно, - одна из самых интересных задач современной криптографии, заслуживающая отдельного разговора]. В рамках этой концепции и были разработаны криптосистемы, основанные на эллиптических кривых.

Эллиптические кривые

Начнем сразу с определения. Эллиптические кривые - это кривые вида y^2 =x^3 +ax+b . [В полях размера 2m («полях характеристики 2»; к ним относится и привычное программистам поле из двух элементов) определения становятся чуть более сложными, а стандартные доказательства и рассуждения перестают работать; в алгебре и алгебраической геометрии случай характеристики 2 всегда стоит особняком и требует более изощренной техники, нежели все остальные. Поэтому в дальнейшем мы не будем его рассматривать]