RSA: от простых чисел до электронной подписи / Habr

Выясняем, как и откуда можно получить электронную подпись на примере криптосистемы RSA.

Содержание

Введение
Определения и обозначения
Описание криптосистемы RSA
1. Асимметричные криптографические системы
2. Генерация ключей
3. Шифрование и дешифрование
4. Получение подписи сообщения по RSA
Электронная подпись документов
Заключение

Введение

Наверняка вы сталкивались с таким понятием, как "электронная подпись". Если обратиться к федеральному закону, то можно найти следующее её определение:

«Электронная подпись - информация в электронной форме, которая присоединена к другой информации в электронной форме (подписываемой информации) или иным образом связана с такой информацией и которая используется для определения лица, подписывающего информацию»

Для меня, как для человека, редко работающего с подобного рода документами, определение несколько абстрактное, хоть и отражает суть ЭП - определение лица, подписавшего некоторый документ. Помимо этого, ЭП может быть использована для определения искажений переданного сообщения, в чём мы сможем убедиться позднее.

Задача ЭП ясна, теперь хотелось бы увидеть и прочувствовать, что именно скрывается за этими двумя словами. Копаясь дальше в гугле, можно найти довольно много различных алгоритмов создания цифровой подписи (DSA, ГОСТ Р 34.10-2012, RSA-PSS и т.д.), разбираться в которых неподготовленному пользователю сложно.

Спасти эту ситуацию и помочь разобраться в том, что есть ЭП, может криптосистема RSA, разработанная Ривестом, Шамиром и Адлеманом в 1978 году. Она не загромождена безумным количеством алгоритмов и основывается на относительно простой математике. В связи с этим можно шаг за шагом прийти от модульной арифметики к алгоритму создания электронной подписи, чему я и хочу посвятить данную статью.

Теорминимум

Сформируем небольшой словарик терминов, которые нам пригодятся далее:

Открытый текст – данные, подлежащие шифрованию или полученные в результате расшифрования
Шифртекст – данные, полученные в результате применения шифра к открытому тексту
Шифр – совокупность обратимых преобразований, зависящая от некоторого параметра (ключа)
Ключ – параметр шифра, определяющий выбор одного преобразования из совокупности.
Факторизация – процесс разложения числа на простые множители.
НОД – наибольший общий делитель.
Числа a и b называются взаимно простыми, если НОД этих чисел равен 1.
Функция Эйлера φ(n) – функция, равная количеству натуральных чисел, меньших n и взаимно простых с ним.

Хочу отметить, что на данном этапе подразумевается, что вы знакомы с арифметическими операциями по модулю. Если нет, то здесь можно о них почитать.

Как оно устроено

Прежде, чем ~~окунуться в необъятный мир математики~~ рассмотреть, как именно устроена RSA, обратимся к тому, как работают

Асимметричные криптосистемы

Рассмотрим задачу сохранности содержимого посылки при передаче от отправителя к адресату. Вот картинка с многим полюбившимся Алисой и Бобом:

Алиса хочет передать Бобу посылку. Для начала Боб на своей стороне создает уникальные замок и ключ к нему (открытый и закрытый ключ соответственно). Далее, Боб делится с окружающим миром своим замком, чтобы любой желающий отправить ему посылку смог её закрыть. Поскольку ключ от подобного замка один и находится только у Боба, никто, кроме Боба, просмотреть содержимое после защёлкивания замка не сможет. В конце концов, Алиса с помощью полученного замка закрывает посылку и передаёт Бобу, который открывает её своим ключом. Таким образом устроены асимметричные криптографические системы, которой как раз является RSA.

В схеме передачи посылки все объекты вполне материальны. Однако сообщения, которые мы хотим шифровать, являются ничем иным, как последовательностью бит, которую нельзя "закрыть" на физический замок. Таким образом возникают вопросы: что такое ключ и замок? Как Бобу создать ключи? Каким образом ключи связаны и как с их помощью зашифровать сообщение? Здесь нам поможет математика.

Теперь к математике

Асимметричные криптографические системы основаны на так называемых односторонних функциях с секретом. Под односторонней понимается такая функция я y=f(x), которая легко вычисляется при имеющемся x, но аргумент x при заданном значении функции вычислить сложно. Аналогично, односторонней функцией с секретом называется функция y=f(x, k), которая легко вычисляется при заданном x, причём при заданном секрете k аргумент x по заданному y восстановить просто, а при неизвестном k – сложно.

Подобным свойством обладает операция возведения числа в степень по модулю:

$c\equiv f(m)\equiv m^e\ mod\ n, \\ m \equiv f^{—1}(c) \equiv c^d\ mod\ n, \\ d \equiv e^{-1}\ mod\ \varphi (n).$

Здесь φ(n) – функция Эйлера числа n. Пока условимся, что это работает, далее это будет доказано более строго. Теперь нужно понять, что из это является ключами Боба, а что сообщением. В нашем распоряжении имеются числа c, m, n, e, d.

Давайте посмотрим на первое выражение. Здесь число c получено в результате возведения в степень по модулю числа m. Назовём это действие шифрованием. Тогда становится очевидно, что m выступает в роли открытого текста, а c – шифртекста. Результат c зависит от степени e, в которую мы возводим m, и от модуля n, по которому мы получаем результат шифрования. Эту пару чисел (e, n) мы будем называть открытым ключом. Им Алиса будет шифровать сообщение.

Смотрим на второе действие. Здесь d является параметром, с помощью которого мы получаем исходный текст m из шифртекста c. Этот параметр мы назовём закрытым ключом и выдадим его Бобу, чтобы он смог расшифровать сообщение Алисы.

Что есть что разобрались, теперь перейдём к конкретике, а именно – генерации ключей Боба. Давайте выберем число n такое, что:

где p и q – некоторые разные простые числа. Для такого n функция Эйлера имеет вид:

$\varphi(n) = (p — 1)(q — 1).$

Такой выбор n обусловлен следующим. Как вы могли заметить ранее, закрытый ключ d можно получить, зная открытый e. Зная числа p и q, вычислить функцию Эйлера не является вычислительно сложной задачей, ровно как и нахождение обратного элемента по модулю. Однако в открытом ключе указано именно число n. Таким образом, чтобы вычислить значение функции Эйлера от n (а затем получить закрытый ключ), необходимо решить задачу факторизации, которая является вычислительно сложной задачей для больших n (в современных системах, основанных на RSA, n имеет длину 2048 бит).

Возвращаемся к генерации ключей. Выберем целое число e:

$e ∈ [3, \varphi(n)—1], \\ НОД(e,\varphi(n)) = 1.$

Для него вычислим число d:

$d ≡ e^{−1}\ mod\ \varphi(n).$

Для отыскания числа, обратного по модулю, можно воспользоваться алгоритмом Евклида.

Мы завершили с этапом генерации ключей. Теперь Боб публикует свой открытый ключ (e, n), прячет закрытый d, а мы переходим к Алисе.

Шифруем, дешифруем...

Возьмём в качестве сообщения число m (m ∈ [1, n − 1]). Чтобы Алисе зашифровать его, необходимо возвести его в степень e по модулю n. Эти числа идут вместе с открытым ключом Боба:

$c ≡ m^e\ mod\ n.$

Здесь за с обозначен шифртекст, который Алиса будет должна передать Бобу. Отметим также, что c ∈ [1, n − 1], как и m. Расшифруем шифртекст, возведя его в степень закрытого ключа Боба d:

$m′ ≡ c^d\ mod\ n.$

А теперь ответим на вопрос, почему m ≡ m′ . Ниже я приведу доказательство данного утверждения, но если оно (доказательство) вам не сильно интересно, то можете его пропустить и просто поверить, что это так.

Доказательство

Здесь нам понадобится теорема Эйлера:

Также полезной будет китайская теорема об остатках:

Теперь докажем, что m ≡ m′ :

Получаем подпись сообщения

Ещё раз напишем две ключевые формулы шифрования и расшифрования соответственно:

$c ≡ m^e\ mod\ n, \\ m ≡ c^d\ mod\ n.$

Теперь давайте предположим, что Боб хочет отправить Алисе открытку m от своего имени. У Боба в распоряжении уже имеются два ключа (e, n) и d, которые он сгенерировал по алгоритму, описанному ранее. Поскольку d является закрытым ключом, то можно им воспользоваться как уникальным идентификатором Боба. Давайте "зашифруем" m с помощью d:

$s ≡ m^d\ mod\ n.$

Результат данной операции и есть подпись сообщения Боба. Заметим, что подпись напрямую зависит от подписываемого сообщения, а не только от того, что его подписывает Боб. Далее, Алиса получает сообщение m, подпись s и открытый ключ (e, n). По аналогии с расшифрованием, проверка подписи осуществляется возведением подписи s в степень открытой экспоненты e:

$m′ ≡ s^e\ mod\ n.$

Если Алиса получила, что m ≡ m′, то подпись считается правильной.

Дочитавших до этого места хочу поздравить с получением первой цифровой подписи "на бумаге"!

Подпись документов

Рассмотренный алгоритм получения подписи изящен и прост в осознании, однако операция возведения в степень несколько "мешается". Наша текущая задача – подписать объёмный документ. Чтобы сэкономить время, мы не будем подписывать содержимое документа, а прибегнем к помощи хэш-функций (если вы не знаете, что такое хэш-функция, рекомендую почитать википедию). Скажу лишь то, что выходная последовательность хэш-функции имеет небольшую (по сравнению с размером ключей) длину, а также по имеющемуся хэшу нельзя однозначно восстановить исходные данные.

На картинках наглядно показано, в какой момент мы используем хэширование. Создание подписи:

Проверка подписи:

В качестве хэш-функции можно использовать SHA-256, как это сделано, например, в PGP. По теме практического создания электронной подписи с использованием PGP на хабре уже написана статья, поэтому на этом месте имеет смысл поставить точку и перейти к заключению.

Заключение

Вот мы и прошли все стадии создания электронной подписи, начиная с простой модульной арифметики и заканчивая, собственно, получением подписи. Обладая этими знаниями, вы можете попробовать перевести их на ваш любимый язык программирования и написать свою защищенную аську, например. В том, как именно их применить, вас ог��аничит только ваше воображение.

Отмечу, что другие существующие алгоритмы создания ЭП основаны на схожих принципах, поэтому надеюсь, что после прочтения этой статьи вам будет проще разобраться в них. "Следующей по сложности" я обозначу криптосистему Эль-Гамаля, но о ней уже не в этом посте.

Спасибо за внимание!

Источники

Handbook of Applied Cryptography by A. Menezes, P. van Oorschot and S. Vanstone
Криптографические методы защиты информации: учеб. пособие / С. М. Владимиров, Э. М. Габидулин, А. И. Колыбельников, А. С. Кшевецкий; под ред. А. В. Уривского. – М.: МФТИ, 2016
Маховенко Е. Б. Теоретико-числовые методы в криптографии — М.: Гелиос АРВ, 2006.
NIST Special Publication 800-57 Part 3 Revision 1
Молдовян Н.А. Теоретический минимум и алгоритмы цифровой подписи. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - Учебное пособие