Moderní použití kryptologie

„Kryptologie je matematický vědní obor, který se zabývá šifrovacími a kódovacími algoritmy.”

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

Z hlediska historického dělíme kryptologii na dvě skupiny:

• Klasická kryptologie
• Moderní kryptologie

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.

Módy činnosti blokových šifer

• ECB (Electronic Cipher Book)

- základní mód, každému bloku otevřeného textu přiřadí jeden blok šifrovaného textu

- velice snadno prolomitelný

• CBC (Cipher Block Chaining)

- mód, který se snaží zavést nějakou závislost mezi šifrovanými bloky => využívá k tomu nonekvivalenci (XOR)

- nevýhodou je stále stejné šifrování prvního bloku a to v módu ECB

Další dva módy přepínají blokovací šifru do proudového režimu. Data jsou u těchto módů šifrována pomocí posloupnosti pseudonáhodných čísel, která jsou generována zpětnou vazbou.

• CFB (Cipher Feedback Mode)

- „generátor pseudonáhodných čísel je řízen symboly šifrovaného textu”

- zpětná vazba až v úplném výstupu šifrovacího zařízení

• OFB (Output Feedback Mode)

- „generátor pseudonáhodných čísel je řízen výstupem samotného generátoru”

- zde je zpětná vazba již z výstupu generátoru

Pátý mód se používá ke zvýšení délky klíče.

• EDE (Encryption-Decryption-Encryption)

- tři šifrovací bloky zapojené do série

- první a poslední blok je šifrován stejným klíčem K1, prostřední blok pak šifrovaná data dešifruje druhým klíčem K2

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

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 kryptografie, Šifrování, Digitální podpis