Электронная цифровая подпись

Пример создания и проверки подписи по стандарту ГОСТ Р34.10-94

Пусть p = 23, q = 11, a =6 (проверяем: 6¹¹ mod 23 = 1 )

Создание подписи.

Предположим, пользователь А выбрал в качестве закрытого ключа число х=8. После этого он вычисляет открытый ключ по формуле y = а^x mod p. То есть y = 6⁸ mod 23 = 18.

Для создания подписи пользователь А выбирает случайное число k = 5.

Пусть результат вычисления хеш-функции для сообщения H(m) = 9.

Подпись сообщения состоит из двух чисел (r, s):

r = (аkmod p) mod q = (65 mod 23) mod 11 = 2,
s = (k*  H(m) + x * r) mod q = (5 * 9 + 8 * 2) mod 11 = 6,

Таким образом, подпись сообщения состоит из пары чисел (2, 6).

Проверка подписи.

Получив сообщение вместе с подписью (2, 6), получатель вычисляет

w = H(m)-1mod q = H(m)-1mod q = 9-1mod 11 = 5,
u1 = w * s mod q = 5 * 6 mod 11 = 8,
u2 = (q-r) * w mod q = (11-2) * 5 mod 11 = 1,
v = [(аu1 * yu2) mod p] mod q =[(68 * 181) mod 23] mod 11 = 2

Так как v = r, то подпись считается верной.

Подписи, созданные с использованием стандартов ГОСТ Р34.10 или DSS, так же, как и подписи, полученные по алгоритму Эль-Гамаля, являются рандомизированными, так как для одинаковых сообщений с использованием одного и того же закрытого ключа х каждый раз будут создаваться разные подписи (r,s) благодаря использованию разных случайных значений k.

Новый отечественный стандарт ЭЦП

В 2001 г. был принят новый отечественный стандарт на алгоритм формирования и проверки ЭЦП. Его полное название следующее: "ГОСТ Р34.10-2001. Информационная технология. Криптографическая защита информации. Процессы формирования и проверки электронной цифровой подписи".

Данный алгоритм был разработан главным управлением безопасности связи Федерального агентства правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации при участии Всероссийского научно-исследовательского института стандартизации. Новый стандарт разрабатывался с целью обеспечения большей стойкости алгоритма генерации ЭЦП.

В основе ГОСТ Р34.10-2001 лежат алгоритмы с использованием операций на эллиптических кривых. Стойкость ГОСТ Р34.10-2001 основывается на сложности взятия дискретного логарифма в группе точек эллиптической кривой, а также на стойкости хэш-функции по ГОСТ Р34.11-94. Размер формируемой цифровой подписи – 512 бит.

В целом алгоритм вычислений по алгоритму ГОСТ Р34.10-2001 аналогичен применяемому в предыдущем стандарте ГОСТ Р34.10-94. Сначала генерируется случайное число k, с его помощью вычисляется компонента r подписи. Затем на основе компоненты r, числа k, значения секретного ключа и хэш-значения подписываемых данных формируется s-компонента ЭЦП. При проверке же подписи аналогичным образом проверяется соответствие определенным соотношениям r, s, открытого ключа и хэш-значения информации, подпись которой проверяется. Подпись считается неверной, если соотношения неверны.

Старый ГОСТ Р34.10-94 не отменен, и в настоящее время параллельно действуют два отечественных стандарта на ЭЦП. Однако необходимо отметить, что для прежнего ГОСТа принято ограничение: при реализации ЭЦП по стандарту ГОСТ Р34.10-94 разрешено использовать только 1024-битные значения параметра p.

Использование математического аппарата группы точек эллиптической кривой в новом ГОСТ Р34.10-2001 позволяет существенно сократить порядок модуля p без потери криптостойкости. Так, в стандарте указано, что длина числа р может быть 256 или больше бит.

Симметричная или асимметричная криптография?

Однозначного ответа на вопрос о том, какие алгоритмы - симметричные или асимметричные - предпочтительнее, конечно же, нет. Основным достоинством симметричной криптографии является высокая скорость обработки данных. Проблемы криптосистем с закрытым ключом обсуждались подробно в лекции 8. Попробуем теперь оценить особенности алгоритмов шифрования с открытым ключом.

Главным достоинством асимметричной криптографии является отсутствие необходимости в предварительном доверенном обмене ключевыми элементами при организации секретного обмена сообщениями. К основным недостаткам асимметричных криптосистем, мешающим им вытеснить симметричные методы шифрования, относят следующие.

1. Алгоритмы с открытым ключом работают намного (в сотни раз) медленнее классических алгоритмов с закрытым ключом. Это их самый главный недостаток. Связан он с тем, что основной операцией в системах с открытым ключом является возведение в степень по большому модулю 500-1000 битовых чисел, что при программной реализации производится намного медленнее, чем шифрование того же объема данных классическими способами.
2. Алгоритмы с открытым ключом требуют обеспечения достоверности открытых ключей, что порой превращается в довольно сложную задачу. То же самое относится и к протоколам цифровой подписи. Для управления открытыми ключами используют специальную инфраструктуру открытых ключей, обеспечивающую функции управления открытыми ключами.
3. Алгоритмы с открытым ключом чувствительны к атакам по выбранному открытому тексту.

Таким образом, с практической точки зрения системы с открытым ключом и асимметричным шифрованием целесообразно использовать лишь для распределения секретных ключей и организации цифровых подписей, так как для решения этих задач не требуется шифрования больших блоков данных.

Использование асимметричных алгоритмов позволяет создавать сеансовые ключи шифрования, которые удаляются после окончания сеанса связи. Это значительно снижает риск вскрытия зашифрованных сообщений, так как, если каждое передаваемое сообщение шифруется уникальным сеансовым ключом, задача взломщика существенно усложняется. Причем пользователям совсем необязательно выполнять протокол обмена ключом перед симметричным шифрованием. Вот возможный вариант протокола передачи зашифрованных данных одновременно с передачей ключа.

1. Пользователь А генерирует случайный сеансовый ключ К и зашифровывает им с помощью симметричного алгоритма F_сим свое сообщение M:

   Cт = Fсим(M, K)
2. Пользователь А получает из базы данных открытый ключ U пользователя Б и зашифровывает им сеансовый ключ К:

   Ck = Fасим(К, U)
3. Пользователь А посылает своему абоненту зашифрованное сообщение Cт и зашифрованный сеансовый ключ Ck. Для защиты от вскрытия "человек-в-середине" передаваемые данные могут быть дополнены цифровой подписью.
4. Пользователь Б расшифровывает полученный сеансовый ключ Ck с помощью своего закрытого ключа R:

   K = Fасим-1(Ck, R)
5. Пользователь Б расшифровывает сообщение с помощью сеансового ключа К:

   M = Fсим-1 (Cт, K)

Такая криптографическая система называется смешанной, так как в ней используется и асимметричное, и симметричное шифрование. Смешанные криптосистемы широко применяются на практике: в банковских и платежных сетях передачи данных, в мобильной связи, в системах электронной почты и др. Для лучшего обеспечения безопасности они могут быть дополнены цифровыми подписями пользователей и удостоверяющего центра, метками времени. Цифровая подпись в сочетании с открытым распределением ключей позволяют организовывать защищенный обмен электронными документами.