Moderní použití kryptologie

Kryptologie je matematický vědní obor, který se zabývá utajováním a odkrýváním obsahu tajných zpráv. K tomu využívá šifrovací a dešifrovací algoritmy.

Slovo kryptologie pochází z řečtiny => kryptós = skrytý a logia = studovat

Moderní kryptologie pracuje na pomezí matematiky, výpočetní techniky a elektrotechniky. Nejčastěji je využívána k ochraně dat ve formě, počítačového hesla, digitálního podpisu a také je využívána k autentizaci dat, viz níže.

Kryptologie se dále dělí na tři skupiny:

• Kryptografie - zabývá se šifrovacími algoritmy a konstrukcí šifrovacích klíčů
• Kryptoanalýza - snaží se zajistit dešifrovací kód a prolomit šifrovací algoritmy
• Steganografie - snaží se zakrýt existenci tajné zprávy

Základní pojmy moderní kryptologie

Šifrovací algoritmus

Algoritmus, který se snaží zašifrovat důležitá data. K šifrování a dešifrování těchto dat může být použit různý šifrovací klíč.

Kódovací algoritmus

Algoritmus, který také chrání data, ale nevyužívá k tomu žádný šifrovací klíč. Data jsou utajena samotným algoritmem. Může se jednat např. o data v jiném jazyce, která budou rozluštěna pouze těmi, kteří daným jazykem hovoří.

Prolomení algoritmu

K prolomení dochází, pokud je možno chráněná data přečíst, aniž by byl znám šifrovací klíč nebo kódovací algoritmus.

Další důležité pojmy z oblasti kryptologie viz Základní pojmy v kryptologii

Dělení moderní kryptografie

Symetrická kryptografie

Symetrická kryptografie využívá pro šifrování i dešifrování zprávy jeden klíč. Využívá se ve všech tradičních formách šifrování, které byly objeveny do 70. let 20. století. Výhodou je nízká výpočetní náročnost při vytváření a rychlost. Naopak nevýhodou je, že obě strany musí spolu sdílet tajný klíč, na kterém se musí předem dohodnout nebo jej předem náhodně vygenerovat. Na správu a počet klíčů je symetrická kryptografie velice náročná. Aby se předešlo vyzrazení, často se symetrické šifry používají v kombinaci se šifrou asymetrickou. Symetrické šifry dále dělíme na šifry blokové a proudové.

Obr. 1 Symetrická šifra

Blokové a proudové šifry

Blokové šifry používají algoritmy, které otevřený text šifrují po blocích.
Proudové šifry otevřený text šifrují po jednotlivých bitech.

Oba typy šifrování se dost prolínají, dochází k přepínání mezi jednotlivými šiframi, v krajním případě může také délka bloku degradovat na velikost jednoho znaku.

Blokové šifrování je snadno prolomitelné, proto bylo vyvinuto pět módů činnosti.

Algoritmy symetrické kryptografie

Při tvorbě těchto algoritmů se používají dvě techniky, substituce a transpozice.

• Substituční šifry

- písmena ve zprávě zachovávají svou pozici, ale během šifrování jsou nahrazena jinými znaky

• Transpoziční šifry

- písmena si zachovávají svou totožnost, ale během šifrování se každé písmeno ve zprávě přemístí na jinou pozici

V moderní kryptologii se využívají šifrovací algoritmy, které tyto dvě techniky kombinují.

• DES (Data Encryption Standard)

- symetrická bloková šifra, která má 2⁵⁶ klíčů

- nejširší využití našla ve finančním sektoru

- je však snadno prolomitelná, klíč se v dnešní době dá vyhledat během jediného dne

- v současnosti se proto DES používá ve verzi zvané trojitý DES => klíč se skládá ze dvou až tří DES klíčů (112 nebo 168 bitů)

• AES (Advanced Encryption Standard)

- šifrovací algoritmus pro ochranu elektronických dat, který s původním názvem Rijndael zvítězil v soutěži pořádané Národním institutem pro standardy a technologie (NIST)

- jedná se o symetrickou blokovou šifru, která k šifrování a dešifrování využívá jeden klíč

- délka klíče je může nabývat hodnoty 128, 192 a 256 bitů, měl by tak být odolný proti útokům hrubou silou

• IDEA (International Data Encryption Algorithm)

- bloková šifra, která používá 128-bitový klíč a šifruje bloky o délce 64 bitů

- byla používána v Pretty Good Privacy (PGP) = počítačový program sloužící k šifrování a podepisování

• RC2 (zkratka autorova pseudonymu Rivest Cipher)

- bloková šifra, která pracuje s 64-bitovými bloky dat, autorem je Ronald Rivest

- délka klíče se může měnit

• RC4 (zkratka autorova pseudonymu Rivest Cipher)

- proudová šifra, používá se např. pro šifrovaný přenos webových stránek

- patent patří stejně jako u RC2 firmě RSA

- až do roku 1994 byl tento algoritmus tajen

Asymetrická kryptografie

Asymetrická kryptografie využívá pro šifrování a dešifrování zprávy dva rozdílné klíče. Každý uživatel si tak nastaví veřejný šifrovací klíč a dešifrovací klíč soukromý. Soukromý klíč musí zůstat v tajnosti.

Obr. 2 Asymetrická šifra

Tyto veřejné a soukromé klíče tvoří tzv. klíčový pár. Proto text, který je zašifrován jedním klíčem z páru, může být dešifrován pouze druhým klíčem ze stejného páru.

Algoritmy asymetrické kryptografie

Tyto algoritmy se využívají nejen při šifrování, ale také při vytváření elektronických podpisů.

• RSA (podle počátečních písmen autorů)

- roku 1978 tento algoritmus vytvořili Ron Rivest, Adi Shamir a Len Adleman

- velikost bloků se pohybuje od velikosti 640 bitů, výjimkou nebývají ani velikosti 1024 nebo 2048 bitů

- proces je pomalejší než u symetrických šifer, protože šifrovací i dešifrovací procesy zahrnují hodně výpočtů s velkými čísly

- největší uplatnění nachází při tvorbě digitálních podpisů, příležitostně se používá také k šifrování symetrických algoritmů

• El Gamal

- základ amerického standardu pro digitální podpisy (DSS)

- klíče obdobných velikostí jako u RSA

- ne moc vhodný algoritmus pro klasické šifrování

Využití moderní kryptologie

Autentizace

Autentizace má dva různé významy

1. Autentizace původu dat - ověřuje odkud data skutečně pocházejí
2. Autentizace entit (párová) - jedna entita ověřuje entitu druhou

Většinou probíhá právě výměnou zpráv mezi dvěma entitami = autentizační protokol.
V tomto kontextu nemusí být entitou pouze člověk, ale může se jednat i o počítač. Aby uživatel mohl prokázat svou totožnost, nejen jinému uživateli, ale i počítači, využívají se k tomu tři prvky:

• něco známého - heslo, PIN, atd.
• něco vlastněného - plastiková kartička, autentizační kalkulačka, atd.
• něco charakteristického pro uživatele - otisky prstů, sken sítnice, podpisy, rozpoznání hladu

Autentizace lze docílit také symetrickou kryptografií. Pak rozlišujeme dva druhy autentizace:

1. Jednostranná - jeden uživatel se prokazuje druhému (ověřování pravosti v bankomatu, přihlašování do počítače,...)
2. Oboustranná - oba uživatelé se prokazují navzájem (viz výše autentizační protokol)

Nejrozšířenějším autentizátorem, hlavně ve finančním sektoru je kód pro ověření zprávy (MAC = Message Authentication Code)

Digitální podpis

Obr. 3 Digitální podpis

Pro vytváření elktronických podpisů se využívají asymetrické algoritmy. Úkolem takového podpisu je zajistit, aby po podepsání nebyl obsah otevřeného textu pozměněn. Pracuje se s dvojicí klíčů, veřejným a soukromým.
Určitá osoba zaeviduje veřejný klíč u nezávislé autority a obdrží elektronické potvrzení o jeho vlastnictví = certifikát.
Vlastník soukromého klíče použije na otevřený text tranformaci = elektronický podpis.
K veřejnému klíči má přístup kdokoliv, není důvod jej utajovat. Pomocí tohoto klíče lze pouze ověřit, že byl podepsán a že po podepsání nebyl text pozměněn.
Zpracování asymetrické kryptografie je z výpočetního hlediska velice náročné, proto se využívají tzv. hashovací funkce.

Hashovací funkce

Hash = digitální otisk zprávy.
Základním principem je to, že výslednou hashovací funkcí je zhuštěný otisk => ten zastupuje původní zprávu. Hashovací funkce přijímají vstupní data libovolné délky, ale výstupní data jsou vždy řetězce o stejné délce.

Certifikační autority

Hlavním úkolem certifikační autority je poskytování digitálně podepsaných certifikátů, které propojí entitu s hodnotou jeho veřejného klíče. Aby mohl být certifikát udělen, musí být veřejný klíč všeobecně známý a přístupný.
Certifikát je podepsaná zpráva, na které najdeme totožnost entity, hodnotu jejího veřejnéh klíče a někdy také datum platnosti.

Zdroje

Použitá literatura

• Cryptography. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. Wikimedia Foundation, 2001-. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/cryptography
• DOSEDĚL, Tomáš. Počítačová bezpečnost a ochrana dat. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2004, 190 s. ISBN 80-251-0106-1.
  
• PIPER, Fred a MURPHY, Sean. Kryptografie. 1. vyd. Praha: Dokořán, 2006, 157 s. ISBN 80-736-3074-5.
  
• SINGH, Simon. Kniha kódů a šifer: tajná komunikace od starého Egypta po kvantovou kryptografii. 2. vyd. Praha: Dokořán, 2009, 382 s. ISBN 978-80-7363-268-7.
  
• ADAMS, Simon. Šifry a kódy: od hieroglyfů po hackery. 1. vyd. Praha: Slovart, 2003, 96 s. ISBN 80-7209-503-X.
  
• VONDRUŠKA, Pavel. Kryptologie, šifrování a tajná písma. 1. vyd. Praha: Albatros, 2006, 340 s. ISBN 80-00-01888-8.

Doporučená literatura

• DOSEDĚL, Tomáš. Počítačová bezpečnost a ochrana dat. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2004, 190 s. ISBN 80-251-0106-1.
  
• PIPER, Fred a MURPHY, Sean. Kryptografie. 1. vyd. Praha: Dokořán, 2006, 157 s. ISBN 80-736-3074-5.
  

Zdroje obrázků

Obr. 1 Wikimedia commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Symetrick%C3%A1_%C5%A1ifra.png?uselang=cs
Obr. 2 Wikimedia commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Asymetrick%C3%A1_kryptografie.svg
Obr. 3 Wikimedia commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital_Signature_diagram_cs.svg

Související články

Základní pojmy v kryptologii
Základní rozdělení kryptologie
Historie kryptologie
Vládou ovládaná kryptologie

Klíčová slova

Módy činnosti, Algoritmy kryptologie, Šifrování, Digitální podpis