опия предпочтений одного из «Битлз» на собрании фан-клуба Джона Леннона существенно меньше двух битов, поскольку наиболее вероятно, что выбранный наугад человек предпочитает Джона. Чем больше определенность переменной, тем меньше энтропия.
То же самое верно для криптографических ключей. То, что алгоритм использует 128-битовый ключ, не означает, что у него 128 бит энтропии для ключа. Или точнее, лучший способ сломать данную реализацию 128-битового алгоритма шифрования может состоять не в том, чтобы перебрать все ключи. «128 бит» – это просто мера максимального количества работы, которая потребуется, чтобы восстановить ключ; но про минимум ничего не сказано.
Во-первых, следует позаботиться о происхождении ключа. Все вычисления, касающиеся длины ключа, я производил, предполагая, что каждый ключ имеет при создании максимальную энтропию. Другими словами, я рассчитывал, что все варианты ключа равновероятны, что генератор случайных чисел, создавший ключ, работает идеально. Это допущение не совсем верно.
Многие ключи создаются на основе паролей и ключевых фраз. Система, принимающая пароль из 10 ASCII-символов, предоставляет для него 80 бит, но ее энтропия будет значительно меньше 80 бит. Некоторые символы ASCII никогда не появляются, а пароли, которые представляют собой реальные слова (или что-то похожее на слова), гораздо вероятнее, чем произвольные строки символов. Я видел оценки энтропии для английского языка, меньшие 1,3 бит на символ; у пароля энтропия меньше, чем 4 бит на символ. Это значит, что пароль из 8 символов будет приблизительно соответствовать 32-битовому ключу, а если вы захотите 128-битовый ключ, вам нужен пароль из 98 символов (на базе английского алфавита).
Видите ли, разумный взломщик не будет перебирать все возможные пароли по порядку. Он сначала испробует наиболее вероятные, а затем проверит остальные – в порядке убывания вероятности. Он проверит тривиальные пароли (типа «пароль» или «1234»), после этого – весь английский словарь, а затем различные заглавные буквы, цифры и т. п. Это называют словарной атакой. Программа для взлома пароля, реализующая такую атаку, называется L0phtcrack; на 400-мегагерцовом Quad Pentium II она может протестировать зашифрованный пароль по 8-мегабайтовому словарю распространенных паролей за считанные секунды.
Вот почему смешно, когда компании вроде Microsoft рекламируют 128-битовое шифрование, а затем берут за основу ключа пароль. (Это в высшей степени характерно для всей системы безопасности Windows NT[22].) Используемые алгоритмы могут допускать 128-битовый ключ, но энтропия пароля гораздо меньше. Фактически, качество криптографии и длина ключа не важны; причиной выхода системы из строя послужит слабый пароль. (Очевидное решение – не допустить, чтобы люди перебирали множество паролей, – не срабатывает. Я подробнее остановлюсь на этой проблеме в главе 9.)
Это очень важно. Я знаю сложные системы, секретный ключ которых защищен паролем. В основе безопасности практически любого зашифрованного продукта на жестком диске компьютера лежит ключ, запоминаемый пользователем. Почти вся система безопасности Windows NT приходит в негодность из-за того, что она построена на основе пароля, запоминаемого пользователем. Даже система PGP (Pretty Good Privacy) распадется, если пользователь выберет плохой пароль.
Не важно, какие алгоритмы и насколько длинные ключи используются; секреты, которые хранятся в памяти пользователя, беззащитны сами по себе.
Ключ, сгенерированный случайным образом, намного лучше, но проблемы остаются. Генератор случайных чисел должен создавать ключи с максимальной энтропией. Недостатки генератора случайных чисел – те же, что привели к сбоям системы шифрования в Netscape Navigator 1.1. Хотя генератор случайных чисел применяли для создания 128-битовых ключей, максимальная энтропия достигала примерно 20 бит. То есть алгоритм был не лучше, чем если бы использовался 20-битовый ключ[23].
Второй предмет заботы – это качество алгоритма шифрования. Все предыдущие расчеты предполагали, что алгоритм получал ключи при помощи вычислений и использовал их совершенным образом. Если в алгоритме есть слабые места, доступные для атаки, это существенно снижает энтропию ключей. Например, алгоритм А5/1, используемый европейской сетью сотовых телефонов GSM, имеет 64-битовый ключ, но может быть взломан за время, требующееся для взлома 30-битового ключа при помощи атаки «в лоб». Это значит, что хотя у алгоритма имеется ключ с 64-битовой энтропией, он задействует для ключа только 30 бит энтропии. Вы можете с тем же успехом использовать хороший алгоритм с 30-битовым ключом.
По этой причине проходит довольно много времени, прежде чем шифровальщики начинают доверять новому алгоритму. Когда кто-то предлагает новый алгоритм, у него есть определенная длина ключа. Но обеспечивает ли алгоритм реально ту энтропию, которая заявлена? Может потребоваться несколько лет анализа, прежде чем мы поверим, что он это делает. И даже тогда мы можем легко ошибиться: возможно, кто-то придумает новые математические подходы, которые понизят энтропию алгоритма и сломают его. Поэтому рекламу программ, в которых обещаются тысячебитовые ключи, трудно воспринимать серьезно – ее создатели не имеют понятия, как работают ключи и энтропия.
Похожая проблема существует и для физических ключей и замков. Принято думать, что слесарь возит в своем грузовике огромное кольцо с ключами от машин. Может потребоваться 10 000 ключей, чтобы открыть все замки, но в реальности несколько дюжин ключей откроют любой из них. Иногда слесарю достаточно просто взять другой ключ, отличающийся от предыдущего на 1-2 «бита», – отметим, что это комбинация анализа и лобовой атаки – и этого уже достаточно. Да, процесс долгий, но совсем не такой, как проверка всех 10 000 возможных ключей (старые замки – четырехштырьковые). Действительная надежность дверного замка существенно отличается от теоретической.
То же самое с комбинациями замков. Вы можете перебрать все возможные комбинации – и существуют машины для взлома сейфов, которые так и делают, – или поступить хитрее. Современные машины для взлома сейфов применяют микрофон, чтобы слушать звук, производимый дисками, когда их поворачивают, и они могут открыть сейф намного быстрее, чем старые, действующие «в лоб».
Сказанное здесь заставляет очень внимательно подходить к выбору алгоритма. Мы еще обсудим это более детально в конце этой главы.
Кодирование одноразового использования – это самый простой из всех алгоритмов, его изобрели незадолго до XX века. Основная идея его состоит в том, что у вас есть набор символов ключа. Вы прибавляете один символ ключа к каждому символу открытого текста и никогда не повторяете символы ключа. (Это «одноразовая» часть.) Например, вы прибавляете В (2) к С (3), чтобы получить Е (5), или Т (20) к L (12), чтобы получить F (6). ((20 + 12) mod 26 = 6.) Такая система подходит для любого алфавита, в том числе и бинарного. И это единственный имеющийся у нас алгоритм, безопасность которого может быть доказана[24].
Вспомним понятие расстояния уникальности. Оно возрастает при увеличении длины ключа. Когда длина ключа приближается к длине сообщения, расстояние уникальности стремится к бесконечности. Это означает, что невозможно восстановить открытый текст, и это доказывает безопасность одноразового кодирования.
Но, с другой стороны, это практически бесполезно. Поскольку ключ должен при этом быть такой же длины, как и сообщение, то проблема не решена. Единственный здравый подход к шифрованию должен предполагать, что очень длинная секретная информация – сообщение – превращается с его помощью в очень короткую секретную информацию – ключ. При помощи одноразового кодирования вы нисколько не сокращаете секретную информацию. Так же сложно доставить шифр получателю, как и доставить само сообщение. Современная криптография зашифровывает большие объекты, например цифровые фильмы, соединения через Интернет или телефонные разговоры, и такое шифрование практически невозможно осуществить, работая с одноразовым кодированием.
Одноразовое кодирование практически использовалось в особых случаях. Русские шпионы применяли для общения алгоритм одноразового кодирования, используя карандаш и бумагу. Агентство национальной безопасности (NSA) раскрыло эту систему, поскольку русские использовали ее повторно. Горячая линия телетайпа между Вашингтоном и Москвой была зашифрована именно таким образом.
Если утверждают, что некая программа использует этот алгоритм, то здесь почти наверняка обман. А если и нет, то программа наверняка непригодна для использования или небезопасна.
Шесть инструментов, о которых я говорил в предыдущей главе, – симметричное шифрование, коды аутентификации сообщений, шифрование с открытым ключом, односторонние хэш-функции, схемы цифровых подписей и генераторы случайных чисел – составляют набор инструментов шифровальщика. С его помощью мы выстраиваем криптографические решения реальных задач: «Как мне послать секретное письмо по электронной почте? Как можно предотвратить мошенничества с телефонными звонками? Как мне обеспечить безопасность системы голосования через Интернет?» Эти задачи безопасности мы решаем, компонуя простейшие элементы в так называемые протоколы. Приходится использовать и другие второстепенные элементы, но, по существу, шесть перечисленных выше элементов составляют ядро любого криптографического протокола.
Например, предположим, что Алиса хочет сохранить в тайне некоторые файлы данных. Вот протокол, который это делает. Алиса выбирает пароль или даже лучше – ключевую фразу. Криптографические программы хэшируют этот пароль, чтобы получить секретный ключ, а затем, применяя симметричный алгоритм, зашифровывают файл данных. В результате получится файл, доступ к которому есть только у Алисы или у того, кто знает пароль.