Что такое хэш. Алгоритмы хеширования данных Хэш алгоритм файла и его юридическое значение

В самых различных отраслях информационных технологий находят свое применение хэш-функции. Они предназначены для того, чтобы, с одной стороны, значительно упростить обмен данными между пользователями и обработку файлов, используемых в тех или иных целях, с другой — оптимизировать алгоритмы обеспечения контроля доступа к соответствующим ресурсам. Хэш-функция — один из ключевых инструментов обеспечения парольной защиты данных, а также организации обмена документов, подписанных с помощью ЭЦП. Существует большое количество стандартов, посредством которых может осуществляться кэширование файлов. Многие из них разработаны российскими специалистами. В каких разновидностях могут быть представлены хэш-функции? Каковы основные механизмы их практического применения?

Что это такое?

Для начала исследуем понятие хэш-функции. Под данным термином принято понимать алгоритм преобразования некоторого объема информации в более короткую последовательность символов посредством математических методов. Практическую значимость хэш-функции можно проследить в самых разных областях. Так, их можно задействовать при проверке файлов и программ на предмет целостности. Также криптографические хеш-функции задействуются в алгоритмах шифрования.

Характеристики

Рассмотрим ключевые характеристики исследуемых алгоритмов. В числе таковых:

наличие внутренних алгоритмов преобразования данных исходной длины в более короткую последовательность символов;
открытость для криптографической проверки;
наличие алгоритмов, позволяющих надежно шифровать изначальные данные;
адаптированность к расшифровке при задействовании небольших вычислительных мощностей.

В числе иных важнейших свойств хэш-функции:

способность обрабатывать изначальные массивы данных произвольной длины;
формировать хешированные блоки фиксированной длины;
распределять значения функции на выходе равномерно.

Рассматриваемые алгоритмы также предполагают чувствительность к данным на входе на уровне 1 бита. То есть даже если, условно говоря, в исходном документе изменится хотя бы 1 буква, то хэш-функция будет выглядеть иначе.

Требования к хэш-функциям

Существует ряд требований к хэш-функциям, предназначенным для практического задействования в той или иной области. Во-первых, соответствующий алгоритм должен характеризоваться чувствительностью к изменениям во внутренней структуре хешируемых документов. То есть в хэш-функции должны распознаваться, если речь идет о текстовом файле, перестановки абзацев, переносы. С одной стороны, содержимое документа не меняется, с другой — корректируется его структура, и этот процесс должен распознаваться в ходе хеширования. Во-вторых, рассматриваемый алгоритм должен преобразовывать данные так, чтобы обратная операция (превращение хэша в изначальный документ) была на практике невозможна. В-третьих, хэш-функция должна предполагать задействование таких алгоритмов, которые практически исключают вероятность формирования одинаковой последовательности символов в виде хэш, иными словами — появления так называемых коллизий. Их сущность мы рассмотрим чуть позже.

Отмеченные требования, которым должен соответствовать алгоритм хэш-функции, могут быть обеспечены главным образом за счет задействования сложных математических подходов.

Структура

Изучим то, какой может быть структура рассматриваемых функций. Как мы отметили выше, в числе главных требований к рассматриваемым алгоритмам — обеспечение однонаправленности шифрования. Человек, имеющий в распоряжении только хэш, практически не должен иметь возможности получить на его основе исходный документ.

В какой структуре может быть представлена используемая в подобных целях хеш-функция? Пример ее составления может быть таким: H (hash, то есть, хэш) = f (T (текст), H1), где H1 — алгоритм обработки текста T. Данная функция хеширует T таким образом, что без знания H1 открыть его как полноценный файл будет практически невозможно.

Использование хэш-функций на практике: скачивание файлов

Изучим теперь подробнее варианты использования хэш-функций на практике. Задействование соответствующих алгоритмов может применяться при написании скриптов скачивания файлов с интернет-серверов.

В большинстве случаев для каждого файла определяется некая контрольная сумма — это и есть хэш. Она должна быть одинаковой для объекта, располагающегося на сервере и скачанного на компьютер пользователя. Если это не так, то файл может не открыться либо запуститься не вполне корректно.

Хэш-функция и ЭЦП

Использование хэш-функций распространено при организации обмена документами, содержащими электронно-цифровую подпись. Хэшируется в данном случае подписываемый файл, для того чтобы его получатель мог удостовериться в том, что он подлинный. Хотя формально хэш-функция не входит в структуру электронного ключа, она может фиксироваться во флеш-памяти аппаратных средств, с помощью которых подписываются документы, таких как, например, eToken.

Электронная подпись представляет собой шифрование файла при задействовании открытого и закрытого ключей. То есть к исходному файлу прикрепляется зашифрованное с помощью закрытого ключа сообщение, а проверка ЭЦП осуществляется посредством открытого ключа. Если хэш-функция обоих документов совпадает — файл, находящийся у получателя, признается подлинным, а подпись отправителя распознается как верная.

Хеширование, как мы отметили выше, не является непосредственно компонентом ЭЦП, однако позволяет весьма эффективно оптимизировать алгоритмы задействования электронной подписи. Так, шифроваться может, собственно, только хэш, а не сам документ. В итоге скорость обработки файлов значительно возрастает, одновременно становится возможным обеспечивать более эффективные механизмы защиты ЭЦП, так как акцент в вычислительных операциях в этом случае будет ставиться не на обработке исходных данных, а на обеспечении криптографической стойкости подписи. Хэш-функция к тому же делает возможным подписывать самые разные типы данных, а не только текстовые.

Проверка паролей

Еще одна возможная область применения хеширования — организация алгоритмов проверки паролей, установленных для разграничения доступа к тем или иным файловым ресурсам. Каким образом при решении подобных задач могут быть задействованы те или иные виды хеш-функций? Очень просто.

Дело в том, что на большинстве серверов, доступ к которым подлежит разграничению, пароли хранятся в виде хэшированных значений. Это вполне логично — если бы пароли были представлены в исходном текстовом виде, хакеры, получившие доступ к ним, могли бы запросто читать секретные данные. В свою очередь, на основе хэш вычислить пароль непросто.

Каким образом осуществляется проверка доступа пользователя при задействовании рассматриваемых алгоритмов? Пароль, вводимый пользователем, сверяется с тем, что зафиксирован в хэш-функции, что хранится на сервере. Если значения текстовых блоков совпадают — пользователь получает необходимый доступ к ресурсам.

В качестве инструмента проверки паролей может быть задействована самая простая хэш-функция. Но на практике IT-специалисты чаще всего используют комплексные многоступенчатые криптографические алгоритмы. Как правило, они дополняются применением стандартов передачи данных по защищенному каналу — так, чтобы хакеры не смогли обнаружить либо вычислить пароль, передаваемый с компьютера пользователя на сервера — до того, как он будет сверяться с хешированными текстовыми блоками.

Коллизии хэш-функций

В теории хэш-функций предусмотрено такое явление, как коллизия. В чем его сущность? Коллизия хэш-функции — ситуация, при которой два разных файла имеют одинаковый хэш-код. Это возможно, если длина целевой последовательности символов будет небольшой. В этом случае вероятность совпадения хэша будет выше.

Для того чтобы избежать коллизии, рекомендуется, в частности, задействовать двойной алгоритм под названием "хеширование хеш-функции". Он предполагает формирование открытого и закрытого кода. Многие программисты при решении ответственных задач рекомендуют не применять хэш-функции в тех случаях, когда это необязательно и всегда тестировать соответствующие алгоритмы на предмет наилучшей совместимости с теми или иными ключами.

История появления

Основоположниками теории хэш-функций можно считать исследователей Картера, Вегмана, Симонсона, Биербрауера. В первых версиях соответствующие алгоритмы задействовались в качестве инструментария для формирования уникальных образов последовательностей символов произвольной длины с последующей целью их идентификации и проверки на предмет подлинности. В свою очередь, хэш, в соответствии с заданными критериями, должен был обладать длиной 30-512 бит. В качестве особенно полезного свойства соответствующих функций рассматривалась ее приспособленность для задействования в качестве ресурса быстрого поиска файлов, либо их сортировки.

Особенности алгоритма SHA

Применение хэш-функций, базирующихся на стандарте SHA, чаще всего осуществляется в области разработки средств цифровой подписи документов DSA. Как мы отметили выше, алгоритм SHA поддерживает хэш 160 бит (обеспечивая так называемый «дайджест» последовательности символов). Изначально рассматриваемый стандарт делит массив данных на блоки по 512 бит. При необходимости, если длина последнего блока не дотягивает до указанной цифры, структура файла дополняется 1 и необходимым количеством нулей. Также в конце соответствующего блока вписывается код, фиксирующий длину сообщения. Рассматриваемый алгоритм задействует 80 логических функций, посредством которых обрабатывается 3 слова, представленные в 32 разрядах. Также в стандарте SHA предусмотрено использование 4 констант.

Сравнение алгоритмов хеширования

Изучим то, как соотносятся свойства хэш-функций, относящихся к разным стандартам, на примере сопоставления характеристик российского стандарта ГОСТ Р 34.11-94 и американского SHA, который мы рассмотрели выше. Прежде всего, следует отметить то, что алгоритм, разработанный в РФ, предполагает осуществление 4 операций по шифрованию в расчете на 1 цикл. Это соответствует 128 раундам. В свою очередь, в течение 1 раунда при задействовании SHA предполагается вычисление порядка 20 команд, при том что всего раундов 80. Таким образом, использование SHA позволяет в течение 1 цикла обработать 512 бит исходных данных. В то время как российский стандарт способен осуществить операции за цикл в 256 бит данных.

Специфика новейшего российского алгоритма

Выше мы отметили, что стандарт ГОСТ Р 34.11-94 был заменен более новым — ГОСТ Р 34.11-2012 «Стрибог». Исследуем его специфику подробнее.

Посредством данного стандарта могут быть реализованы, как и в случае с алгоритмами, рассмотренными выше, криптографические хеш-функции. Можно отметить, что новейший российский стандарт поддерживает блок входных данных в объеме 512 бит. Основные преимущества ГОСТ Р 34.11-2012:

высокий уровень защищенности от взлома шифров;
надежность, подкрепленная задействованием проверенных конструкций;
оперативное вычисление хэш-функции, отсутствие в алгоритме преобразований, которые усложняют конструкцию функции и замедляют вычисление.

Отмеченные преимущества нового российского стандарта криптографического шифрования позволяют задействовать его при организации документооборота, соответствующего самым строгим критериям, что прописаны в положениях регулирующего законодательства.

Специфика криптографических хэш-функций

Рассмотрим более подробно, каким образом исследуемые нами типы алгоритмов могут задействоваться в сфере криптографии. Ключевое требование к соответствующим функциям — стойкость к коллизиям, о которых мы сказали выше. То есть не должны формироваться повторяющиеся значения хеш-функции, если значения эти уже присутствуют в структуре соседствующего алгоритма. Прочим отмеченным выше критериям криптографические функции также должны соответствовать. Понятно, что всегда есть некая теоретическая возможность восстановления исходного файла на основе хэша, особенно если в доступе есть мощный вычислительный инструмент. Однако подобный сценарий предполагается свести к минимуму, благодаря надежным алгоритмам шифрования. Так, вычислить хэш-функцию будет очень сложно, если ее вычислительная стойкость соответствует формуле 2^{n/2}.

Другой важнейший критерий криптографического алгоритма — изменение хэша в случае корректировки изначального массива данных. Выше мы отметили, что стандарты шифрования должны обладать чувствительностью на уровне 1 бита. Так, данное свойство — ключевой фактор обеспечения надежной парольной защиты доступа к файлам.

Итеративные схемы

Изучим теперь то, каким образом могут быть выстроены криптографические алгоритмы хеширования. В числе самых распространенных схем решения данной задачи — задействование итеративной последовательной модели. Она основана на использовании так называемой сжимающей функции, при которой количество входных бит существенно больше, чем тех, что фиксируются на выходе.

Разумеется, сжимающая функция обязана соответствовать необходимым критериям криптостойкости. При интеративной схеме первая операция по обработке потока входных данных делится на блоки, размер которых исчисляется в битах. Соответствующий алгоритм также задействует временные переменные величиной в заданном количестве бит. В качестве первого значения задействуется общеизвестное число, в то время как последующие блоки данных объединяются со значением рассматриваемой функции на выходе. Значением хэша становятся выходные показатели бит для последней итерации, в которых учитывается весь входной поток, включая первое значение. Обеспечивается так называемый «лавинный эффект» хеширования.

Основная сложность, характеризующая реализуемое в виде итерационной схемы хеширование, — хэш-функции иногда сложно построить в том случае, если входной поток не является идентичным размеру блока, на который делится изначальный массив данных. Но в этом случае в стандарте хеширования могут быть прописаны алгоритмы, посредством которых исходный поток может быть расширен тем или иным образом.

В некоторых случаях в процессе обработки данных в рамках итерационной схемы могут быть задействованы так называемые многопроходные алгоритмы. Они предполагают формирование еще более интенсивного «лавинного эффекта». Подобный сценарий предполагает формирование повторных массивов данных, и только во вторую очередь идет расширение.

Блочный алгоритм

Сжимающая функция может быть также основана на блочном алгоритме, посредством которого осуществляется шифрование. Так, с целью повышения уровня безопасности можно задействовать блоки данных, что подлежат хешированию на текущей итерации, в качестве ключа, а результат операций, полученный в ходе выполнения сжимающей функции до этого — в качестве входа. В результате последняя итерация обеспечит выход алгоритма. Безопасность хеширования будет коррелировать с устойчивостью задействуемого алгоритма.

Однако, как мы отметили выше, рассматривая различные виды хеш-функций, блочные алгоритмы часто сопровождаются необходимостью задействования больших вычислительных мощностей. Если они недоступны — скорость обработки файлов может быть недостаточной для решения практических задач, связанных с использованием хэш-функций. Вместе с тем требуемую криптостойкость можно реализовать и при небольшом количестве операций с потоками исходных данных, в частности к решению подобных задач приспособлены рассмотренные нами алгоритмы — MD5, SHA, российские стандарты криптографического шифрования.

Приложений.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Для того, чтобы хеш-функция H считалась криптографически стойкой, она должна удовлетворять трём основным требованиям, на которых основано большинство применений хеш-функций в криптографии:

Данные требования не являются независимыми:

Обратимая функция нестойка к коллизиям первого и второго рода.
Функция, нестойкая к коллизиям первого рода, нестойка к коллизиям второго рода; обратное неверно.

Принципы построения

Итеративная последовательная схема

При проектировании хеш-функций на основе итеративной схемы возникает проблема с размером входного потока данных. Размер входного потока данных должен быть кратен (k − n ) . Как правило, перед началом алгоритма данные расширяются неким, заранее известным, способом.

Помимо однопроходных алгоритмов, существуют многопроходные алгоритмы, в которых ещё больше усиливается лавинный эффект. В этом случае данные сначала повторяются, а потом расширяются до необходимых размеров.

Сжимающая функция на основе симметричного блочного алгоритма

В качестве сжимающей функции можно использовать симметричный блочный алгоритм шифрования. Для обеспечения большей безопасности можно использовать в качестве ключа блок данных, предназначенный к хешированию на данной итерации, а результат предыдущей сжимающей функции - в качестве входа. Тогда результатом последней итерации будет выход алгоритма. В таком случае безопасность хеш-функции базируется на безопасности используемого алгоритма.

Обычно при построении хеш-функции используют более сложную систему. Обобщённая схема симметричного блочного алгоритма шифрования изображена на рис. 2.

Таким образом, мы получаем 64 варианта построения сжимающей функции. Большинство из них являются либо тривиальными, либо небезопасными. Ниже изображены четыре наиболее безопасные схемы при всех видах атак.

Применения

Электронная подпись

Пусть некий клиент, с именем name , производит аутентификацию по парольной фразе, pass , на некоем сервере. На сервере хранится значение хеш-функции H (pass , R 2) , где R 2 - псевдослучайное, заранее выбранное число. Клиент посылает запрос (name , R 1 ), где R 1 - псевдослучайное, каждый раз новое число. В ответ сервер посылает значение R 2 . Клиент вычисляет значение хеш-функции H (R 1 , H (pass , R 2)) и посылает его на сервер. Сервер также вычисляет значение H (R 1 , H (pass , R 2)) и сверяет его с полученным. Если значения совпадают - аутентификация верна.

Нередко при скачивании торрентов или непосредственно самих файлов в описании стоит что-то наподобие «ad33e486d0578a892b8vbd8b19e28754» (например, в ex.ua), нередко с припиской «md5». Это хеш-код - результат, который выдает хэш-функция после обработки входящих данных. В переводе с английского хэш обозначает путаницу, марихуану, травку или блюдо из мелко нарезанного мяса и овощей. очень и очень сложно, можно сказать, что практически невозможно. Тогда возникает вопрос: «Зачем вообще нужны все эти они выдают непонятную абракадабру, которая еще и не поддается расшифровке?». Об этом и пойдет речь в данной статье.

Что такое хэш-функция и как она действует?

Данная функция предназначена для преобразования входящих данных сколь угодно большого размера в результат фиксированной длины. Сам процесс такого преобразования называется хешированием, а результат - хэшем или хэш-кодом. Порой еще используют слова «отпечаток» или «дайджест сообщения», но на практике они встречаются намного реже. Существует масса различных алгоритмов того, как можно превратить любой массив данных в некую последовательность символов определенной длины. Наибольшее распространение получил алгоритм под названием md5, который был разработан еще в 1991 году. Несмотря на то, что на сегодняшний день md5 является несколько устаревшим и к использованию не рекомендуется, он до сих пор все еще в ходу и часто вместо слова «хеш-код», на сайтах просто пишут md5 и указывают сам код.

Зачем нужна хеш-функция?

Зная результат, практически невозможно определить исходные данные, но одни и те же входящие данные дают одинаковый итог. Поэтому хэш-функция (ее еще называют функция свертки) часто используется для хранения очень важной информации, такой как пароль, логин, номер удостоверения и другая персональная информация. Вместо сравнивания сведений, вводимых пользователем, с теми, которые хранятся в базе данных, происходит сопоставление их хешей. Это дает гарантию, что при случайной утечке информации никто не сможет воспользоваться важными данными для своих целей. Путем сравнения хеш-кода также удобно проверять правильность загрузки файлов с интернета, особенно если во время скачивания происходили перебои связи.

Хэш-функции: какими они бываю т

В зависимости от своего предназначения хэш-функция может быть одного из трех типов:

1. Функция для проверки целостности информации

Когда происходит по сети, происходит расчет хэша пакета, и этот результат также передается вместе с файлом. При приеме снова вычисляется хэш-код и сравнивается с полученным по сети значением. Если код не совпадает, то это говорит об ошибках, и испорченный пакет снова будет передан. У такой функции быстрая скорость расчета, но малое количество хэш значений и плохая стабильность. Пример такого типа: CRC32, у которой всего лишь 232 отличающихся между собой значения.

2. Криптографическая функция

Используется для защиты от (НД). Они позволяют проверить, не произошло ли искажение данных в результате НД во время передачи файлов по сети. Истинный хэш в этом случае общедоступен, а хэш полученного файла можно вычислить с помощью множества разных программ. У таких функций долгий и стабильный срок работы, а поиск коллизий (возможных совпадений результата от разных исходных данных) очень осложнен. Именно такие функции используют для хранения в БД паролей (SH1, SH2, MD5) и прочей ценной информации.

3. Функция, предназначенная для создания эффективной структуры данных

Ее целью является компактная и довольно упорядоченная организация сведений в специальной структуре, которая носит название хэш-таблицы. Такая таблица позволяет добавлять новую информацию, удалять сведения и выполнять поиск нужных данных с очень высокой скоростью.

При обмене электронными документами по сети связи существенно снижаются затраты на обработку и хранение документов, убыстряется их поиск. Но при этом возникает проблема аутентификации автора документа и самого документа, т.е. установления подлинности автора и отсутствия изменений в полученном документе. В обычной (бумажной) информатике эти проблемы решаются за счет того, что информация в документе и рукописная подпись автора жестко связаны с физическим носителем (бумагой). В электронных документах на машинных носителях такой связи нет.

Целью аутентификации электронных документов является их защита от возможных видов злоумышленных действий, к которым относятся:

активный перехват - нарушитель, подключившийся к сети, перехватывает документы (файлы) и изменяет их;
маскарад - абонент С посылает документ абоненту В от имени абонента А;
ренегатство - абонент А заявляет, что не посылал сообщения абоненту В, хотя на самом деле послал;
подмена - абонент В изменяет или формирует новый документ и заявляет, что получил его от абонента А;
повтор - абонент С повторяет ранее переданный документ, который абонент А посылал абоненту В.

Эти виды злоумышленных действий могут нанести существенный ущерб банковским и коммерческим структурам, государственным предприятиям и организациям, а также частным лицам, применяющим в своей деятельности компьютерные информационные технологии.

При обработке документов в электронной форме совершенно непригодны традиционные способы установления подлинности по рукописной подписи и оттиску печати на бумажном документе. Принципиально новым решением является электронная цифровая подпись (ЭЦП ).

Электронная цифровая подпись используется для аутентификации текстов, передаваемых по телекоммуникационным каналам. Функционально она аналогична обычной рукописной подписи и обладает ее основными достоинствами:

удостоверяет, что подписанный текст исходит от лица, поставившего подпись;
не дает самому этому лицу возможности отказаться от обязательств, связанных с подписанным текстом;
гарантирует целостность подписанного текста.

Цифровая подпись представляет собой относительно небольшое количество дополнительной цифровой информации, передаваемой вместе с подписываемым текстом.

Система ЭЦП включает две процедуры: 1) процедуру постановки подписи; 2) процедуру проверки подписи. В процедуре постановки подписи используется секретный ключ отправителя сообщения, в процедуре проверки подписи - открытый ключ отправителя.

При формировании ЭЦП отправитель прежде всего вычисляет хэш-функцию h(М) подписываемого текста М. Вычисленное значение хэш-функции h(М) представляет собой один короткий блок информации m , характеризующий весь текст М в целом. Затем число m шифруется секретным ключом отправителя. Получаемая при этом пара чисел представляет собой ЭЦП для данного текста М.

При проверке ЭЦП получатель сообщения снова вычисляет хэш-функцию m = h(М) принятого по каналу текста М, после чего при помощи открытого ключа отправителя проверяет, соответствует ли полученная подпись вычисленному значению m хэш-функции.

Принципиальным моментом в системе ЭЦП является невозможность подделки ЭЦП пользователя без знания его секретного ключа подписывания.

В качестве подписываемого документа может быть использован любой файл. Подписанный файл создается из неподписанного путем добавления в него одной или более электронных подписей.

Каждая подпись содержит следующую информацию:

дату подписи;
срок окончания действия ключа данной подписи;
информацию о лице, подписавшем файл (Ф.И.0., должность, краткое наименование фирмы);
идентификатор подписавшего (имя открытого ключа);
собственно цифровую подпись.

2. Однонаправленные хэш-функции

Хэш-функция (англ. hash - мелко измельчать и перемешивать) предназначена для сжатия подписываемого документа до нескольких десятков или сотен бит. Хэш-функция h(·) принимает в качестве аргумента сообщение (документ) М произвольной длины и возвращает хэш-значение h(М)=Н фиксированной длины. Обычно хэшированная информация является сжатым двоичным представлением основного сообщения произвольной длины. Следует отметить, что значение хэш-функции h(М) сложным образом зависит от документа М и не позволяет восстановить сам документ М.

Хэш-функция должна удовлетворять целому ряду условий:

хэш-функция должна быть чувствительна к всевозможным изменениям в тексте М, таким как вставки, выбросы, перестановки и т.п.;
хэш-функция должна обладать свойством необратимости, то есть задача подбора документа М" , который обладал бы требуемым значением хэш-функции, должна быть вычислительно неразрешима;
вероятность того, что значения хэш-функций двух различных документов (вне зависимости от их длин) совпадут, должна быть ничтожно мала.

Большинство хэш-функций строится на основе однонаправленной функции f(·) , которая образует выходное значение длиной n при задании двух входных значений длиной n . Этими входами являются блок исходного текста М, и хэш-значение Н i-1 предыдущего блока текста (рис.1).

Рис.1. Построение однонаправленной хэш-функции

Н i = f(М i , Н i-1) .

Хэш-значение, вычисляемое при вводе последнего блока текста, становится хэш-значением всего сообщения М.

В результате однонаправленная хэш-функция всегда формирует выход фиксированной длины n (независимо от длины входного текста).

Основы построения хэш-функций

Общепринятым принципом построения хэш-функций является итеративная последовательная схема . По этой методики ядром алгоритма является преобразование k бит в n бит. Величина n - разрядность результата хэш-функции, а k - произвольное число, большее n . Базовое преобразование должно обладать всеми свойствами хэш-функции т.е. необратимостью и невозможностью инвариантного изменения входных данных.

Хэширование производится с помощью промежуточной вспомогательной переменной разрядностью в n бит. В качестве ее начального значения выбирается произвольное известное всем сторонам значение, например, 0.

Входные данные разбиваются на блоки по (k-n) бит. На каждой итерации хэширования со значением промежуточной величины, полученной на предыдущей итерации, объединяется очередная (k-n) -битная порция входных данных, и над получившимся k -битным блоком производится базовое преобразование. В результате весь входной текст оказывается "перемешанным" с начальным значением вспомогательной величины. Из-за характера преобразования базовую функцию часто называют сжимающей . Значение вспомогательной величины после финальной итерации поступает на выход хэш-функции (рис.2). Иногда над получившимся значением производят дополнительные преобразования. Но в том случае, если сжимающая функция спроектирована с достаточной степенью стойкости, эти преобразования излишни.

При проектировании хэш-функции по итеративной схеме возникают два взаимосвязанных вопроса: как поступать с данными, не кратными числу (k-n) , и как добавлять в хэш-сумму длину документа, если это требуется. Есть два варианта решения этих вопросов. В первом варианте в начало документа перед хэшированием добавляется поле фиксированной длины (например, 32 бита), в котором в двоичном виде записывается исходная длина текста. Затем объединенный блок данных дополняется нулями до ближайшего кратного (k-n) бит размера. Во втором варианте документ дополняется справа одним битом "1", а затем до кратного (k-n) бит размера битами "0". В этом варианте необходимость в поле длины отпадает - никакие два разных документа после выравнивания по границе порций не станут одинаковыми.

Кроме более популярных однопроходных алгоритмов хэширования существуют и многопроходные алгоритмы. В этом случае входной блок данных на этапе расширения неоднократно повторяется, а уже затем дополняется до ближайшей границы порции.

Рис.2. Итерактивная хэш-функция

Однонаправленные хэш-функции на основе симметричных блочных алгоритмов

Однонаправленную хэш-функцию можно построить, используя симметричный блочный алгоритм. Наиболее очевидный подход состоит в том, чтобы шифровать сообщение М посредством блочного алгоритма в режиме СВС или СFВ с помощью фиксированного ключа и некоторого вектора инициализации IV. Последний блок шифртекста можно рассматривать в качестве хэш-значения сообщения М. При таком подходе не всегда возможно построить безопасную однонаправленную хэш-функцию, но всегда можно получить код аутентификации сообщения МАС (Message Authentication Code).

Более безопасный вариант хэш-функции можно получить, используя блок сообщения в качестве ключа, предыдущее хэш-значение - в качестве входа, а текущее хэш-значение - в качестве выхода. Реальные хэш-функции проектируются еще более сложными. Длина блока обычно определяется длиной ключа, а длина хэш-значения совпадает с длиной блока.

Поскольку большинство блочных алгоритмов являются 64-битовыми, некоторые схемы хэширования проектируют так, чтобы хэш-значение имело длину, равную двойной длине блока.

Если принять, что получаемая хэш-функция корректна, безопасность схемы хэширования базируется на безопасности лежащего в ее основе блочного алгоритма. Схема хэширования, у которой длина хэш-значения равна длине блока, показана на рис.3. Ее работа описывается выражениями:

Н 0 = I н, Н i = Е A (В) Å С, где Å - сложение по модулю 2 (исключающее ИЛИ); I н - некоторое случайное начальное значение; А, В, С могут принимать значения М i , Н i-1 , (М i Å Н i-1) или быть константами.

Рис.3. Обобщенная схема формирования хэш-функции

Сообщение М разбивается на блоки М i принятой длины, которые обрабатываются поочередно.

Три различные переменные А, В, С могут принимать одно из четырех возможных значений, поэтому в принципе можно получить 64 варианта общей схемы этого типа. Из них 52 варианта являются либо тривиально слабыми, либо небезопасными. Остальные 12 схем безопасного хэширования, у которых длина хэш-значения равна длине блока перечислены в табл.1.

Таблица 1

Номер схемы	Функция хэширования
1	Н i = Е H i-1 (М i) Å М i
2	Н i = Е H i-1 (М i Å Н i-1) Å М i Å Н i-1
3	Н i = E H i-1 (М i) Å М i Å Н i-1
4	Н i = Е H i-1 (М i Å Н i-1) Å М i
5	Н i = Е M i (Н i-1) Å Н i-1
6	Н i = Е M i (М i Å Н i-1) Å М i Å Н i-1
7	Н i = Е M i (Н i-1) Å М i Å Н i-1
8	Н i = E M i (М i Å Н i-1) Å Н i-1
9	Н i = Е M i Å H i-1 (М i) Å М i
10	Н i = Е M i Å H i-1 (Н i-1) Å Н i-1
11	Н i = Е M i Å H i-1 (M i) Å Н i-1
12	Н i = Е M i Å H i-1 (Н i-1) Å М i

Первые четыре схемы хэширования, являющиеся безопасными при всех атаках, приведены на рис.4.

Рис.4. Четыре схемы безопасного хэширования

Недостатком хэш-функций, спроектированных на основе блочных алгоритмов, является несколько заниженная скорость работы. Дело в том, что ту же самую стойкость относительно двух основных требований к хэш-функции можно обеспечить за гораздо меньшее количество операций над входными данными. Но для этого алгоритм необходимо изначально проектировать специально, исходя из тандема требований (стойкость, скорость). Далее рассмотрены три самостоятельных алгоритма криптостойкого хэширования, получивших наибольшее распространение на сегодняшний день.

Алгоритм MD5

Алгоритм MD5 (Message Digest №5) разработан Роналдом Риверсом. MD5 использует 4 многократно повторяющиеся преобразования над тремя 32-битными величинами U, V и W:

F(U,V,W)=(U AND V) OR ((NOT U) AND W) g(U,V,W)=(U AND W) OR (V AND (NOT W)) h(U,V,W)=U XOR V XOR W k(U,V,W)=V XOR (U OR (NOT W)).

В алгоритме используются следующие константы:

начальные константы промежуточных величин - H=67452301 16 , H=EFCDAB89 16 , H=98BADCFE 16 , H=10325476 16 ;
константы сложения в раундах - y[j]=HIGHEST_32_BITS(ABS(SIN(j+1))) j=0...63 , где функция HIGHEST_32_BITS(X) отделяет 32 самых старших бита из двоичной записи дробного числа X , а операнд SIN(j+1) считается взятым в радианах;
массив порядка выбора ячеек в раундах - z = (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 1, 6, 11, 0, 5, 10, 15, 4, 9, 14, 3, 8, 13, 2, 7, 12, 5, 8, 11, 4, 1, 4, 7, 10, 13, 0, 3, 6, 9, 12, 15, 2, 0, 7, 14, 5, 12, 3, 10, 1, 8, 15, 6, 13, 4, 11, 2, 9);
массив величины битовых циклических сдвигов влево - s = (7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21).

На первоначальном этапе входной блок данных дополняется одним битом "1". Затем к нему добавляется такое количество битов "0", чтобы остаток от деления блока на 512 составлял 448. Наконец, к блоку добавляется 64-битная величина, хранящая первоначальную длину документа. Получившийся входной поток имеет длину кратную 512 битам.

Каждый 512-битный блок, представленный в виде 16 32-битных значений X...X , проходит через сжимающую функцию, которая перемешивает его со вспомогательным блоком (H,H,H,H) :

(A,B,C,D) = (H,H,H,H) цикл по j от 0 до 15 T = (A + f(B,C,D) + x] + y[j]) ROL s[j] (A,B,C,D) = (D,B+T,B,C) конец_цикла цикл по j от 16 до 31 T = (A + g(B,C,D) + x] + y[j]) ROL s[j] (A,B,C,D) = (D,B+T,B,C) конец_цикла цикл по j от 32 до 47 T = (A + h(B,C,D) + x] + y[j]) ROL s[j] (A,B,C,D) = (D,B+T,B,C) конец_цикла цикл по j от 48 до 63 T = (A + k(B,C,D) + x] + y[j]) ROL s[j] (A,B,C,D) = (D,B+T,B,C) конец_цикла (H,H,H,H) = (H+A,H+B,H+C,H+D)

После того, как все 512-битные блоки прошли через процедуру перемешивания, временные переменные H,H,H,H , а 128-битное значение подается на выход хэш-функции.

Алгоритм MD5, основанный на предыдущей разработке Роналда Риверса MD4, был призван дать еще больший запас прочности к криптоатакам. MD5 очень похож на MD4. Отличие состоит в простейших изменениях в алгоритмах наложения и в том, что в MD4 48 проходов основного преобразования, а в MD5 - 64. Несмотря на большую популярность, MD4 "медленно, но верно" был взломан. Сначала появились публикации об атаках на упрощенный алгоритм. Затем было заявлено о возможности найти два входных блока сжимающей функции MD4, которые порождают одинаковый выход. Наконец, в 1995 году было показано, что найти коллизию, т.е. "хэш-двойник" к произвольному документу, можно менее чем за минуту, а добиться "осмысленности" фальшивого документа (т.е. наличия в нем только ASCII-символов с определенными "разумными" законами расположения) - всего лишь за несколько дней.

Алгоритм безопасного хэширования SНА

Алгоритм безопасного хэширования SНА (Secure Hash Algorithm ) разработан НИСТ и АНБ США в рамках стандарта безопасного хэширования SHS (Secure Hash Standard) в 1992 г. Алгоритм хэширования SНА предназначен для использования совместно с алгоритмом цифровой подписи DSА.

При вводе сообщения М произвольной длины менее 2 64 бит алгоритм SНА вырабатывает 160-битовое выходное сообщение, называемое дайджестом сообщения МD (Message Digest). Затем этот дайджест сообщения используется в качестве входа алгоритма DSА, который вычисляет цифровую подпись сообщения М. Формирование цифровой подписи для дайджеста сообщения, а не для самого сообщения повышает эффективность процесса подписания, поскольку дайджест сообщения обычно намного короче самого сообщения.

Такой же дайджест сообщения должен вычисляться пользователем, проверяющим полученную подпись, при этом в качестве входа в алгоритм SНА используется полученное сообщение М.

Алгоритм хэширования SНА назван безопасным, потому что он спроектирован таким образом, чтобы было вычислительно невозможно восстановить сообщение, соответствующее данному дайджесту, а также найти два различных сообщения, которые дадут одинаковый дайджест. Любое изменение сообщения при передаче с очень большой вероятностью вызовет изменение дайджеста, и принятая цифровая подпись не пройдет проверку.

Рассмотрим подробнее работу алгоритма хэширования SНА. Прежде всего исходное сообщение М дополняют так, чтобы оно стало кратным 512 битам. Дополнительная набивка сообщения выполняется следующим образом: сначала добавляется единица, затем следуют столько нулей, сколько необходимо для получения сообщения, которое на 64 бита короче, чем кратное 512, и наконец добавляют 64-битовое представление длины исходного сообщения.

Инициализируется пять 32-битовых переменных в виде:

А = 0х67452301 В = 0хЕFСDАВ89 С = 0х98ВАDСFЕ D = 0x10325476 Е = 0хС3D2Е1F0

Затем начинается главный цикл алгоритма. В нем обрабатывается по 512 бит сообщения поочередно для всех 512-битовых блоков, имеющихся в сообщении. Первые пять переменных А, В, С, D, Е копируются в другие переменные a, b, с, d, е:

А = А, b = В, с = С, d = D, е = Е

Главный цикл содержит четыре цикла по 20 операций каждый. Каждая операция реализует нелинейную функцию от трех из пяти переменных а, b, с, d, е, а затем производит сдвиг и сложение.

Алгоритм SНА имеет следующий набор нелинейных функций:

F t (Х, Y, Z) = (X Ù Y) Ú ((Ø X) Ù Z) для t = 0...19, f t (Х, Y, Z) =Х Å Y Å Z для t = 20...39, f t (Х, Y, Z) = (X Ù Y) Ú (X Ù Z) Ú (Y Ù Z) для t = 40...59, f t (Х, Y, Z) = Х Å Y Å Z для t = 60...79, где t - номер операции.

В алгоритме используются также четыре константы:

К t = 0х5А827999 для t = 0...19, К t = 0х6ЕD9ЕВА1 для t = 20...39, К t = 0х8F1ВВСDС для t = 40...59, К t = 0хСА62С1D6 для t = 60...79.

Блок сообщения преобразуется из шестнадцати 32-битовых слов (М 0 ...М 15) в восемьдесят 32-битовых слов (W 0 ...W 79) с помощью следующего алгоритма:

W t = М t для t = 0...15, W t = (W t-3 Å W t-8 Å W t-14 Å W t-16) <<< 1 для t = 16...79,
где t - номер операции, W t - t -й субблок расширенного сообщения, <<< S - циклический сдвиг влево на S бит.

С учетом введенных обозначений главный цикл из восьмидесяти операций можно описать так:

Цикл по t от 0 до 79 ТЕМР = (а <<< 5) + f t (b, c, d) + е + W t + К t е = d d = с с = (b <<< 30) b = а а = ТЕМР конец_цикла

Схема выполнения одной операции показана на рис.5.

Рис.5. Схема выполнения одной операции алгоритма SHA

После окончания главного цикла значения а, b, с, d, е складываются с А, В, С, D, Е соответственно, и алгоритм приступает к обработке следующего 512-битового блока данных. Окончательный выход формируется в виде конкатенации значений А, В, С, D, Е.

Отличия SHA от MD5 состоят в следующем:

SНА выдает 160-битовое хэш-значение, поэтому он более устойчив к атакам полного перебора и атакам "дня рождения", чем MD5, формирующий 128-битовые хэш-значения.
Сжимающая функция SHA состоит из 80 шагов, а не из 64 как в MD5.
Расширение входных данных производится не простым их повторение в другом порядке, а рекуррентной формулой.
Усложнен процесс перемешивания

Отечественный стандарт хэш-функции

Российский стандарт ГОСТ Р 34.11-94 определяет алгоритм и процедуру вычисления хэш-функции для любых последовательностей двоичных символов, применяемых в криптографических методах обработки и защиты информации. Этот стандарт базируется на блочном алгоритме шифрования ГОСТ 28147-89, хотя в принципе можно было бы использовать и другои блочный алгоритм шифрования с 64-битовым блоком и 256-битовым ключом.

Данная хэш-функция формирует 256-битовое хэш-значение.

Функция сжатия Н i = f(М i , Н i-1) (оба операнда М i и Н i-1 являются 256-битовыми величинами) определяется следующим образом:

Генерируются 4 ключа шифрования К j , j = 1...4 , путем линейного смешивания М i , Н i-1 и некоторых констант С j .
Каждый ключ К j используют для шифрования 64-битовых подслов h j слова Н i-1 в режиме простой замены:
S i = E Kj (h j) . Результирующая последовательность S 4 , S 3 , S 2 , S 1 длиной 256 бит запоминается во временной переменной S .
Значение Н i является сложной, хотя и линейной функцией смешивания S, М i , Н i-1 .

При вычислении окончательного хэш-значения сообщения М учитываются значения трех связанных между собой переменных:

Н n - хэш-значение последнего блока сообщения;
Z - значение контрольной суммы, получаемой при сложении по модулю 2 всех блоков сообщения;
L - длина сообщения.

Эти три переменные и дополненный последний блок М " сообщения объединяются в окончательное хэш-значение следующим образом:

Н = f (Z Å М", f (L, f(М", Н n))).

Данная хэш-функция определена стандартом ГОСТ Р 34.11-94 для использования совместно с российским стандартом электронной цифровой подписи.

3. Алгоритмы электронной цифровой подписи

Технология применения системы ЭЦП предполагает наличие сети абонентов, посылающих друг другу подписанные электронные документы. Для каждого абонента генерируется пара ключей: секретный и открытый. Секретный ключ хранится абонентом в тайне и используется им для формирования ЭЦП. Открытый ключ известен всем другим пользователям и предназначен для проверки ЭЦП получателем подписанного электронного документа. Иначе говоря, открытый ключ является необходимым инструментом, позволяющим проверить подлинность электронного документа и автора подписи. Открытый ключ не позволяет вычислить секретный ключ.

Для генерации пары ключей (секретного и открытого) в алгоритмах ЭЦП, как и в асимметричных системах шифрования, используются разные математические схемы, основанные на применении однонаправленных функции. Эти схемы разделяются на две группы. В основе такого разделения лежат известные сложные вычислительные задачи:

задача факторизации (разложения на множители) больших целых чисел;
задача дискретного логарифмирования.

Алгоритм цифровой подписи RSА

Первой и наиболее известной во всем мире конкретной системой ЭЦП стала система RSА , математическая схема которой была разработана в 1977 г. в Массачуссетском технологическом институте США.

Сначала необходимо вычислить пару ключей (секретный ключ и открытый ключ). Для этого отправитель (автор) электронных документов вычисляет два больших простых числа Р и Q, затем находит их произведение

N = Р * Q и значение функции j (N) = (Р-1)(Q-1).
Далее отправитель вычисляет число Е из условий: Е £ j (N), НОД (Е, j (N)) = 1
и число D из условий: D < N, Е*D º 1 (mod j (N)).

Пара чисел (Е, N) является открытым ключом. Эту пару чисел автор передает партнерам по переписке для проверки его цифровых подписей. Число D сохраняется автором как секретный ключ для подписывания.

Обобщенная схема формирования и проверки цифровой подписи RSА показана на рис.6.

Рис.6. Обобщённая схема цифровой подписи RSA

Допустим, что отправитель хочет подписать сообщение М перед его отправкой. Сначала сообщение М (блок информации, файл, таблица) сжимают с помощью хэш-функции h(·) в целое число m:

M = h(М).

Затем вычисляют цифровую подпись S под электронным документом М, используя хэш-значение m и секретный ключ D:

S = m D (mod N).

Пара (М,S) передается партнеру-получателю как электронный документ М, подписанный цифровой подписью S , причем подпись S сформирована обладателем секретного ключа D .

После приема пары (М,S) получатель вычисляет хэш-значение сообидения М двумя разными способами. Прежде всего он восстанавливает хэш-значение m" , применяя криптографическое преобразование подписи S с использованием открытого ключа Е:

M" = S E (mod N).

Кроме того, он находит результат хэширования принятого сообщения М с помощью такой же хэш-функции h(·) :

M = h(М).

Если соблюдается равенство вычисленных значений, т.е.

S E (mod N) = h (М),
то получатель признает пару (М,S) подлинной. Доказано, что только обладатель секретного ключа D может сформировать цифровую подпись S по документу М, а определить секретное число D по открытому числу Е не легче, чем разложить модуль N на множители.

Кроме того, можно строго математически доказать, что результат проверки цифровой подписи S будет положительным только в том случае, если при вычислении S был использован секретный ключ D , соответствующий открытому ключу Е. Поэтому открытый ключ Е иногда называют "идентификатором" подписавшего.

Недостатки алгоритма цифровой подписи RSА.

При вычислении модуля N , ключей Е и D для системы цифровой подписи RSА необходимо проверять большое количество дополнительных условий, что сделать практически трудно. Невыполнение любого из этих условий делает возможным фальсификацию цифровой подписи со стороны того, кто обнаружит такое невыполнение. При подписании важных документов нельзя допускать такую возможность даже теоретически.
Для обеспечения криптостойкости цифровой подписи RSА по отношению к попыткам фальсификации на уровне, например, национального стандарта США на шифрование информации (алгоритм DES), т.е. 10 18 , необходимо использовать при вычислениях N , D и Е целые числа не менее 2 512 (или около 10 154) каждое, что требует больших вычислительных затрат, превышающих на 20...30% вычислительные затраты других алгоритмов цифровой подписи при сохранении того же уровня криптостойкости.
Цифровая подпись RSА уязвима к так называемой мультипликативной атаке. Иначе говоря, алгоритм цифровой подписи RSА позволяет злоумышленнику без знания секретного кпюча D сформировать подписи под теми документами, у которых результат хэширования можно вычислить как произведение результатов хэширования уже подписанных документов.

Пример. Допустим, что злоумышленник может сконструировать три сообщения М 1 , М 2 , М 3 , у которых хэш-значения

M 1 = h (М 1), m 2 = h (М 2), m 3 = h (М 3) ,

M 3 = m 1 * m 2 (mod N) .

Допустим также, что для двух сообщений М 1 и М 2 получены законные подписи

S 1 = m 1 D (mod N) S 2 = m 2 D (mod N) .

Тогда злоумышленник может легко вычислить подпись S 3 для документа М 3 , даже не зная секретного ключа D:

S 3 = S 1 * S 2 (mod N).

Действительно,

S 1 * S 2 (mod N) = m 1 D * m 2 D (mod N) = (m 1 m 2) D (mod N) = m 3 D (mod N) = S 3 .

Более надежный и удобный для реализации на персональных компьютерах алгоритм цифровой подписи был разработан в 1984 г. американцем арабского происхождения Тахером Эль Гамалем. В 1991 г. НИСТ США обосновал перед комиссией Конгресса США выбор алгоритма в качестве основы для национального стандарта.

Алгоритм цифровой подписи Эль Гамаля (ЕGSА)

Название ЕGSА происходит от слов Е_ Gаmа_ Signaturе Аlgorithm (алгоритм цифровой подписи Эль Гамаля). Идея ЕGSА основана на том, что для обоснования практической невозможности фальсификации цифровой подписи может быть использована более сложная вычислительная задача, чем разложение на множители большого целого числа,- задача дискретного логарифмирования. Кроме того, Эль Гамалю удалось избежать явной слабости алгоритма цифровой подписи RSА, связанной с возможностью подделки цифровой подписи под некоторыми сообщениями без определения секретного ключа.

Рассмотрим подробнее алгоритм цифровой подписи Эль-Гамаля . Для того чтобы генерировать пару ключей (открытый ключ - секретный ключ), сначала выбирают некоторое большое простое целое число Р и большое целое число G , причем G < Р. Отправитель и получатель подписанного документа используют при вычислениях одинаковые большие целые числа Р (~10 308 или ~2 1024) и G (~10 154 или ~2 512), которые не являются секретными.

Отправитель выбирает случайное целое число X, 1 < Х £ (Р-1) , и вычисляет

Y =G X mod Р.

Число Y является открытым ключом, используемым для проверки подписи отправителя. Число Y открыто передается всем потенциальным получателям документов.

Число Х является секретным ключом отправителя для подписывания документов и должно храниться в секрете.

Для того чтобы подписать сообщение М, сначала отправитель хэширует его с помощью хэш-функции h(·) в целое число m:

M = h(М), 1 < m < (Р-1) , и генерирует случайное целое число К, 1 < К < (Р-1) , такое, что К и (Р-1) являются взаимно простыми. Затем отправитель вычисляет целое число а: а = G K mod Р и, применяя расширенный алгоритм Евклида, вычисляет с помощью секретного ключа Х целое число b из уравнения m = Х * а + К * b (mod (Р-1)) .

Пара чисел (а,b) образует цифровую подпись S:

S=(а,b) , проставляемую под документом М.

Тройка чисел (М,а,b) передается получателю, в то время как пара чисел (Х,К) держится в секрете.

После приема подписанного сообщения (М,а,b) получатель должен проверить, соответствует ли подпись S=(а,b) сообщению М. Для этого получатель сначала вычисляет по принятому сообщению М число

M = h(М) , т.е. хэширует принятое сообщение М.

Затем получатель вычисляет значение

А = Y a a b (mod Р) и признает сообщение М подлинным, только если А = G m (mod Р) .

Иначе говоря, получатель проверяет справедливость соотношения

Y a a b (mod Р) = G m (mod Р) .

Можно строго математически доказать, что последнее равенство будет выполняться тогда, и только тогда, когда подпись S=(а,b) под документом М получена с помощью именно того секретного ключа X , из которого был получен открытый ключ Y . Таким образом, можно надежно удостовериться, что отправителем сообщения М был обладатель именно данного секретного ключа X , не раскрывая при этом сам ключ, и что отправитель подписал именно этот конкретный документ М.

Следует отметить, что выполнение каждой подписи по методу Эль Гамаля требует нового значения К, причем это значение должно выбираться случайным образом. Если нарушитель раскроет когда-либо значение К, повторно используемое отправителем, то он сможет раскрыть секретный ключ Х отправителя.

Пример. Выберем: числа Р = 11, G = 2 и секретный ключ Х = 8 . Вычисляем значение открытого ключа:

Y = G X mod Р = 2 8 mod 11 = 3 .

Предположим, что исходное сообщение М характеризуется хэш-значением m = 5 .

Для того чтобы вычислить цифровую подпись для сообщения М, имеющего хэш-значение m = 5 , сначала выберем случайное целое число К = 9 . Убедимся, что числа К и (Р-1) являются взаимно простыми. Действительно, НОД (9,10) = 1 . Далее вычисляем элементы а и b подписи:

А = G K mod Р = 2 9 mod 11 = 6 , элемент b определяем, используя расширенный алгоритм Евклида: m = Х * а + К * b (mod(Р-1)).

При m = 5, а = 6, Х = 8, К = 9, Р = 11 получаем

5 = 8 * 6 + 9 * b (mod 10) или 9 * b = -43 (mod 10) .

Решение: b = 3 . Цифровая подпись представляет собой пару: а = 6, b = 3 . Далее отправитель передает подписанное сообщение. Приняв подписанное сообщение и открытый ключ Y = 3 , получатель вычисляет хэш-значение для сообщения М: m = 5 , а затем вычисляет два числа:

Y a a b (mod Р) = 3 6 * 6 3 (mod 11) = 10 (mod 11); G m (mod Р) = 2 5 (mod 11) = 10 (mod 11).

Так как эти два целых числа равны, принятое получателем сообщение признается подлинным.

Следует отметить, что схема Эль Гамаля является характерным примером подхода, который допускает пересылку сообщения М в открытой форме вместе с присоединенным аутентификатором (а,b) . В таких случаях процедура установления подлинности принятого сообщения состоит в проверке соответствия аутентификатора сообщению.

Схема цифровой подписи Эль Гамаля имеет ряд преимуществ по сравнению со схемой цифровой подписи RSА:

При заданном уровне стойкости алгоритма цифровой подписи целые числа, участвующие в вычислениях, имеют запись на 25% короче, что уменьшает сложность вычислений почти в два раза и позволяет заметно сократить объем используемой памяти.
При выборе модуля Р достаточно проверить, что это число является простым и что у числа (Р-1) имеется большой простой множитель (т.е. всего два достаточно просто проверяемых условия).
Процедура формирования подписи по схеме Эль Гамаля не позволяет вычислять цифровые подписи под новыми сообщениями без знания секретного ключа (как в RSА).

Однако алгоритм цифровой подписи Эль Гамаля имеет и некоторые недостатки по сравнению со схемой подписи RSА. В частности, длина цифровой подписи получается в 1,5 раза больше, что, в свою очередь, увеличивает время ее вычисления.

Алгоритм цифровой подписи DSА

Алгоритм цифровой подписи DSА (Digital Signature Algorithm ) предложен в 1991 г. в НИСТ США для использования в стандарте цифровой подписи DSS (Digital Signature Standard). Алгоритм DSА является развитием алгоритмов цифровой подписи Эль Гамаля и К.Шнорра.

Отправитель и получатель электронного документа используют при вычислении большие целые числа: G и Р - простые числа, L бит каждое (512 £ L £ 1024); q - простое число длиной 160 бит (делитель числа (Р-1)). Числа G, Р, q являются открытыми и могут быть общими для всех пользователей сети.

Отправитель выбирает случайное целое число X, 1 < Х < q . Число Х является секретным ключом отправителя для формирования электронной цифровой подписи.

Затем отправитель вычисляет значение

Y = G X mod Р.

Число Y является открытым ключом для проверки подписи отправителя и передается всем получателям документов.

Этот алгоритм также предусматривает использование односторонней функции хэширования h(·) . В стандарте DSS определен алгоритм безопасного хэширования SНА (Secure Hash Algorithm).

Для того чтобы подписать документ М, отправитель хэширует его в целое хэш-значение m:

M = h(М), 1

Пара чисел (r,s) образует цифровую подпись

S = (r,s) под документом М.

Таким образом, подписанное сообщение представляет собой тройку чисел (М,r,s) .

Получатель подписанного сообщения (М,r,s) проверяет выполнение условий

0 < r < q, 0 < s < q и отвергает подпись, если хотя бы одно из этих условий не выполнено. Затем получатель вычисляет значение w = (1/s) mod q , хэш-значение m = h(М) и числа u 1 = (m * w) mod q , u 2 = (r * w) mod q .

V = ((G u 1 * Y u 2) mod Р) mod q и проверяет выполнение условия v = r .

Если условие v = r выполняется, тогда подпись S=(r,s) под документом М признается получателем подлинной.

Можно строго математически доказать, что последнее равенство будет выполняться тогда, и только тогда, когда подпись S=(r,s) под документом М получена с помощью именно того секретного ключа X , из которого был получен открытый ключ Y . Таким образом, можно надежно удостовериться, что отправитель сообщения владеет именно данным секретным ключом Х (не раскрывая при этом значения ключа X) и что отправитель подписал именно данный документ М.

По сравнению с алгоритмом цифровой подписи Эль Гамаля алгоритм DSА имеет следующие основные преимущества:

При любом допустимом уровне стойкости, т.е. при любой паре чисел G и Р (от 512 до 1024 бит), числа q, X, r, s имеют длину по 160 бит, сокращая длину подписи до 320 бит.
Большинство операций с числами К, r, s, Х при вычислении подписи производится по модулю числа q длиной 160 бит, что сокращает время вычисления подписи.
При проверке подписи большинство операций с числами u 1 , u 2 , v, w также производится по модулю числа q длиной 160 бит, что сокращает объем памяти и время вычисления.

Недостатком алгоритма DSА является то, что при подписывании и при проверке подписи приходится выполнять сложные операции деления по модулю q:

S = ((m + rX)/K) (mod q), w = (1/s) (mod q) ,

что не позволяет получать максимальное быстродействие.

Следует отметить, что реальное исполнение алгоритма DSА может быть ускорено с помощью выполнения предварительных вычислений. Заметим, что значение r не зависит от сообщения М и его хэш-значения m . Можно заранее создать строку случайных значений К и затем для каждого из этих значений вычислить значения r . Можно также заранее вычислить обратные значения К -1 для каждого из значений К. Затем, при поступлении сообщения М, можно вычислить значение s для данных значений r и К -1 . Эти предварительные вычисления значительно ускоряют работу алгоритма DSА.

Отечественный стандарт цифровой подписи

Отечественный стандарт цифровой подписи обозначается как ГОСТ Р 34.10-94. Алгоритм цифровой подписи, определяемый этим стандартом, концептуально близок к алгоритму DSА. В нем используются следующие параметры:

Р - большое простое число длиной от 509 до 512 бит либо от 1020 до 1024 бит;
q - простой сомножитель числа (р-1) , имеющий длину 254...256 бит;
а - любое число, меньшее (р-1) , причем такое, что а q mod p = 1 ;
х - некоторое число, меньшее q ;
у = а x mod р.

Кроме того, этот алгоритм использует однонаправленную хэш-функцию Н(х) . Стандарт ГОСТ Р 34.11-94 определяет хэш-функцию, основанную на использовании стандартного симметричного алгоритма ГОСТ 28147-89.

Первые три параметра р, q, а являются открытыми и могут быть общими для всех пользователей сети. Число х является секретным ключом. Число у является открытым ключом. Чтобы подписать некоторое сообщение m , а затем проверить подпись, выполняются следующие шаги.

Пользователь А генерирует случайное число k , причем k
Пользователь А вычисляет значения r = (а k mod p) mod p , s = (х * r + k (Н(m))) mod p . Если Н(m) mod q = 0 , то значение Н(m) mod q принимают равным единице. Если r=0 , то выбирают другое значение k и начинают снова.
Цифровая подпись представляет собой два числа: r mod 2 256 и s mod 2 256 . Пользователь А отправляет эти числа пользователю В.
Пользователь В проверяет полученную подпись, вычисляя v = Н(m) q-2 mod q , z 1 = (s * v) mod q , z 2 = ((q-r) * v) mod q , u = ((а z 1 * у z 2) mod р) mod p . Если u = r , то подпись считается верной.

Различие между этим алгоритмом и алгоритмом DSА заключается в том, что в DSА

S = (k -1 (х * r + (Н(m)))) mod q ,

что приводит к другому уравнению верификации.

Следует также отметить, что в отечественном стандарте ЭЦП параметр q имеет длину 256 бит. Западных криптографов вполне устраивает q длиной примерно 160 бит. Различие в значениях параметра q является отражением стремления разработчиков отечественного стандарта к получению более безопасной подписи.

Этот стандарт вступил в действие c начала 1995 г.

Литература

Романец Ю.В., Тимофеев П.А., Шаньгин В.Ф. Защита информации в компьютерных системах и сетях. Под ред. В.Ф. Шаньгина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2001. - 376 с.: ил.
Конеев И.Р., Беляев А.В. Информационная безопасность предприятия. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

хеширования при решении задач на языке C++.

Процесс поиска данных в больших объемах информации сопряжен с временными затратами, которые обусловлены необходимостью просмотра и сравнения с ключом поиска значительного числа элементов. Сокращение поиска возможно осуществить путем локализации области просмотра. Например, отсортировать данные по ключу поиска, разбить на непересекающиеся блоки по некоторому групповому признаку или поставить в соответствие реальным данным некий код, который упростит процедуру поиска.

В настоящее время используется широко распространенный метод обеспечения быстрого доступа к информации, хранящейся во внешней памяти – хеширование .

Хеширование (или хэширование , англ. hashing ) – это преобразование входного массива данных определенного типа и произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свертки , а их результаты называют хешем, хеш-кодом, хеш-таблицей или дайджестом сообщения (англ. message digest ).

Хеш-таблица – это структура данных , реализующая интерфейс ассоциативного массива, то есть она позволяет хранить пары вида " ключ - значение " и выполнять три операции : операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления пары по ключу. Хеш-таблица является массивом, формируемым в определенном порядке хеш-функцией .

функция должна быть простой с вычислительной точки зрения;
функция должна распределять ключи в хеш-таблице наиболее равномерно;
функция не должна отображать какую-либо связь между значениями ключей в связь между значениями адресов;
функция должна минимизировать число коллизий – то есть ситуаций, когда разным ключам соответствует одно значение хеш-функции (ключи в этом случае называются синонимами ).

При этом первое свойство хорошей хеш-функции зависит от характеристик компьютера, а второе – от значений данных.

Если бы все данные были случайными, то хеш-функции были бы очень простые (например, несколько битов ключа). Однако на практике случайные данные встречаются достаточно редко, и приходится создавать функцию, которая зависела бы от всего ключа. Если хеш-функция распределяет совокупность возможных ключей равномерно по множеству индексов, то хеширование эффективно разбивает множество ключей. Наихудший случай – когда все ключи хешируются в один индекс .

При возникновении коллизий необходимо найти новое место для хранения ключей, претендующих на одну и ту же ячейку хеш-таблицы. Причем, если коллизии допускаются, то их количество необходимо минимизировать. В некоторых специальных случаях удается избежать коллизий вообще. Например, если все ключи элементов известны заранее (или очень редко меняются), то для них можно найти некоторую инъективную хеш-функцию, которая распределит их по ячейкам хеш-таблицы без коллизий . Хеш-таблицы, использующие подобные хеш-функции , не нуждаются в механизме разрешения коллизий , и называются хеш-таблицами с прямой адресацией .

Хеш-таблицы должны соответствовать следующим свойствам .

Выполнение операции в хеш-таблице начинается с вычисления хеш-функции от ключа. Получающееся хеш-значение является индексом в исходном массиве.
Количество хранимых элементов массива, деленное на число возможных значений хеш-функции , называется коэффициентом заполнения хеш-таблицы (load factor ) и является важным параметром, от которого зависит среднее время выполнения операций.
Операции поиска, вставки и удаления должны выполняться в среднем за время O(1) . Однако при такой оценке не учитываются возможные аппаратные затраты на перестройку индекса хеш-таблицы, связанную с увеличением значения размера массива и добавлением в хеш-таблицу новой пары.
Механизм разрешения коллизий является важной составляющей любой хеш-таблицы.

Хеширование полезно, когда широкий диапазон возможных значений должен быть сохранен в малом объеме памяти, и нужен способ быстрого, практически произвольного доступа. Хэш-таблицы часто применяются в базах данных, и, особенно, в языковых процессорах типа компиляторов и ассемблеров , где они повышают скорость обработки таблицы идентификаторов. В качестве использования хеширования в повседневной жизни можно привести примеры распределение книг в библиотеке по тематическим каталогам, упорядочивание в словарях по первым буквам слов, шифрование специальностей в вузах и т.д.

Методы разрешения коллизий

Коллизии осложняют использование хеш-таблиц, так как нарушают однозначность соответствия между хеш-кодами и данными. Тем не менее, существуют способы преодоления возникающих сложностей:

метод цепочек (внешнее или открытое хеширование );
метод открытой адресации (закрытое хеширование ).

Метод цепочек . Технология сцепления элементов состоит в том, что элементы множества , которым соответствует одно и то же хеш- значение , связываются в цепочку- список . В позиции номер i хранится указатель на голову списка тех элементов, у которых хеш- значение ключа равно i ; если таких элементов в множестве нет, в позиции i записан NULL . На рис. 38.1 демонстрируется реализация метода цепочек при разрешении коллизий . На ключ 002 претендуют два значения, которые организуются в линейный список .

Рис. 38.1.

Каждая ячейка массива является указателем на связный список (цепочку) пар ключ - значение , соответствующих одному и тому же хеш-значению ключа. Коллизии просто приводят к тому, что появляются цепочки длиной более одного элемента.

Операции поиска или удаления данных требуют просмотра всех элементов соответствующей ему цепочки, чтобы найти в ней элемент с заданным ключом. Для добавления данных нужно добавить элемент в конец или начало соответствующего списка, и, в случае если коэффициент заполнения станет слишком велик, увеличить размер массива и перестроить таблицу.

При предположении, что каждый элемент может попасть в любую позицию таблицы с равной вероятностью и независимо от того, куда попал любой другой элемент,