Криптосистема шифрования данных RSA

Алгоритм RSA предложили в 1978 г. три автора: Р.Райвест (Rivest), А.Шамир (Shamir) и А.Адлеман (Adleman). Алгоритм получил свое название по первым буквам фамилий его авторов. Алгоритм RSA стал первым полноценным алгоритмом с открытым ключом, который может работать как в режиме шифрования данных, так и в режиме электронной цифровой подписи.

Надежность алгоритма основывается на трудности факторизации больших чисел и трудности вычисления дискретных логарифмов.

Предположим, что пользователь А хочет передать пользователю В сообщение в зашифрованном виде, используя криптосистему RSA. В таком случае пользователь А выступает в роли отправителя сообщения, а пользователь В – в роли получателя. Как отмечалось выше, криптосистему RSA должен сформировать получатель сообщения, т.е. пользователь В. Рассмотрим последовательность действий пользователя В и пользователя А.

1. Пользователь В выбирает два произвольных больших простых числа P и Q.

2. Пользователь В вычисляет значение модуля N = P * Q.

3. Пользователь В вычисляет функцию Эйлера

j (N) = (P –1) (Q –1)

и выбирает случайным образом значение открытого ключа Кв с учетом выполнения условий:

1< Кв £ j (N), НОД (Кв, j (N)) =1.

4. Пользователь В вычисляет значение секретного ключа kв, используя расширенный алгоритм Евклида при решении сравнения

k_в º К_в–1 (mod j (N)).

5. Пользователь В пересылает пользователю А пару чисел (N, К_в) по незащищенному каналу.

Если пользователь А хочет передать пользователю в сообщение М, он выполняет следующие шаги.

6. Пользователь А разбивает исходный открытый текст М на блоки, каждый из которых может быть представлен в виде числа

М_i = 0, 1, 2,..., N –1.

7. Пользователь А шифрует текст, представленный в виде последовательности чисел М_i по формуле

C_i = (mod N)

и отправляет криптограмму

С₁, С₂, С₃,..., C_i,...

пользователю B.

8. Пользователь В расшифровывает принятую криптограмму

С₁, С₂, С₃,..., C_i,...,

используя секретный ключ k_в, по формуле

М_i = (mod N).

В результате будет получена последовательность чисел М_i, которые представляют собой исходное сообщение М. Чтобы алгоритм RSA имел практическую ценность, необходимо иметь возможность без существенных затрат генерировать большие простые числа, уметь оперативно вычислять значения ключей К_в и k_в.

6.3.1 Безопасность и быстродействие криптосистемы RSA

Безопасность алгоритма RSA базируется на трудности решения задачи факторизации больших чисел, являющихся произведениями двух больших простых чисел. Действительно, криптостойкость алгоритма RSA определяется тем, что после формирования секретного ключа kв и открытого ключа Кв "стираются" значения простых чисел Р и Q, и тогда исключительно трудно определить секретный ключ k_в по открытому ключу К_в, поскольку для этого необходимо решить задачу нахождения делителей Р и Q модуля N.

Разложение величины N на простые множители Р и Q позволяет вычислить функцию j (N) = (P –1)(Q –1) и затем определить секретное значение kв, используя уравнение К_в * k_в º1 (mod j (N)).

Другим возможным способом криптоанализа алгоритма RSA является непосредственное вычисление или подбор значения функции

j (N) = (P –1)(Q –1). Если установлено значение j (n), то сомножители P и Q вычисляются достаточно просто. В самом деле, пусть

x = P + Q = N +1 – j (N),

y = (P – Q)2 = (Р + Q)2 – 4*N.

Зная j (N), можно определить x и затем y; зная x и y, можно определить числа Р и Q из следующих соотношений:

P = 1/2 (x + ), Q = 1/2 (x – ).

Однако эта атака не проще задачи факторизации модуля N.

Задача факторизации является трудно разрешимой задачей для больших значений модуля N.

Сначала авторы алгоритма RSA предлагали для вычисления модуля N выбирать простые числа P и Q случайным образом, по 50 десятичных разрядов каждое. Считалось, что такие большие числа N очень трудно разложить на простые множители. Один из авторов алгоритма RSA, P. Pайвест, полагал, что разложение на простые множители числа из почти 130 десятичных цифр, приведенного в их публикации, потребует более 40 квадриллионов лет машинного времени. Однако этот прогноз не оправдался из-за сравнительно быстрого прогресса компьютеров и их вычислительной мощности, а также улучшения алгоритмов факторизации.

Один из наиболее быстрых алгоритмов, известных в настоящее время, алгоритм NFS (Number Field Sieve) может выполнить факторизацию большого числа N (с числом десятичных разрядов больше 120) за число шагов, оцениваемых величиной

.

В 1994 г. было факторизовано число со 129 десятичными цифрами. Это удалось осуществить математикам А.Ленстра и М.Манасси посредством организации распределенных вычислений на 1600 компьютерах, объединенных сетью, в течение восьми месяцев. По мнению А.Ленстра и М.Манасси, их работа компрометирует криптосистемы RSA и создает большую угрозу их дальнейшим применениям. Теперь разработчикам криптоалгоритмов с открытым ключом на базе RSA приходится избегать применения чисел длиной менее 200 десятичных разрядов. Самые последние публикации предлагают применять для этого числа длиной не менее 250 – 300 десятичных разрядов.

Была сделана попытка расчета оценок безопасных длин ключей асимметричных криптосистем на ближайшие 20 лет исходя из прогноза развития компьютеров и их вычислительной мощности, а также возможного совершенствования алгоритмов факторизации. Эти оценки (табл.4.1.) даны для трех групп пользователей (индивидуальных пользователей, корпораций и государственных организаций), в соответствии с различием требований к их информационной безопасности. Конечно, данные оценки следует рассматривать как сугубо приблизительные, как возможную тенденцию изменений безопасных длин ключей асимметричных криптосистем со временем.

Таблица 6.1 Оценки длин ключей для асимметричных криптосистем, бит

Криптосистемы RSA реализуются как аппаратным, так и программным путем.

Для аппаратной реализации операций зашифрования и расшифрования RSA разработаны специальные процессоры. Эти процессоры, реализованные на сверхбольших интегральных схемах (СБИС), позволяют выполнять операции RSA, связанные с возведением больших чисел в колоссально большую степень по модулю N, за относительно короткое время. И все же аппаратная реализация RSA примерно в 1000 раз медленнее аппаратной реализации симметричного криптоалгоритма DES.

Одна из самых быстрых аппаратных реализаций RSA с модулем 512 бит на сверхбольшой интегральной схеме имеет быстродействие 64 Кбит/с. Лучшими из серийно выпускаемых СБИС являются процессоры фирмы CYLINK, выполняющие 1024-битовое шифрование RSA.

Программная реализация RSA примерно в 100 раз медленнее программной реализации DES. С развитием технологии эти оценки могут несколько изменяться, но асимметричная криптосистема RSA никогда не достигнет быстродействия симметричных криптосистем.

Следует отметить, что малое быстродействие криптосистем RSA ограничивает область их применения, но не перечеркивает их ценность.

Иные асимметричные криптосистемы будут рассмотрены позже при изучении других дисциплин.

Поиск по сайту: