Цифровий підпис на основі алгоритму rsa. С истема rsa також може застосовуватися для формування цифрового підпису. При цьому ключі використовуються трохи інакше, чому у випадку шифрування.

Рис. 5 пояснює, принципи формування ЕЦП за допомогою алгоритму RSA. Для підпису повідомлення і його перевірки використовуються параметри адресанта: модуль n і ступені експонент e і d. Щоб підписати повідомлення, відправник створює його хеш-образ z з використанням деякої хеш-функції (наприклад, MD5).

Підпис формується шляхом піднесення образа в ступінь особистого ключа адресанта d (mod n). Отриманий підпис разом з повідомленням відправляється адресатові. На прийомному кінці розшифроване при необхідності повідомлення хешується, потім отримувач перевіряє правильність підпису, зводячи його в ступінь відкритої експоненти e(mod n) і порівнюючи отриманий результат з обчисленим хеш-образом повідомлення.

Стандарти цифрового підпису. В 1991 році nist запропонував стандарт цифровому підпису (dss) для урядових систем. Dss використовує алгоритм sha для хешування повідомлень перед підписом.

В 1995 році ФАУЗІ РФ запропонувало стандарт ГОСТ Р34.10 ( в Україні має індекс 34.310) цифрового підпису разом з функцією хешування за ГОСТ Р34.11 (34.311).

Ці стандарти використовують так звану схему К.Шнорра засновану на протоколі Ель-Гамаля.

І DSS, і ГОСТ Р34.10 реалізують піднесення в ступінь більших чисел у модульній арифметиці. Розмір ключа - 512 або 1024 біта, стійкість визначається складністю розв'язку задачі дискретного логарифмування, що приблизно відповідає складності розв'язку задачі факторизації (розкладання на множники), тому стійкість DSS порівнянна з RSA.

Усі асиметричні криптосистеми є об'єктом атак шляхом оптимізованого перебору ключів, що приводить до необхідності використання набагато більш довгих ключів, чому ті, які використовуються в симетричних криптосистемах, для забезпечення еквівалентного рівня захисту.

Це відразу ж позначається на обчислювальних ресурсах, необхідних для шифрування. Останнім часом активно розвивається напрямок, що пов'язаний з побудовою криптографічних алгоритмів, що використовують апарат еліптичних кривих (ECC). Саме застосування еліптичних кривих може пом'якшити проблему складності обчислень із багато розрядними числами.

Зокрема, в Україні прийнятий встановленим порядком державний стандарт ДСТУ 4145-2002, якій визначає алгоритм формування та перевірки ЕЦП на базі математичних перетворень із застосуванням еліптичних кривих.

У ряді видань наводяться дані про еквівалентні довжини ключів. З метою наочної демонстрації викладеного такі дані (умовно еквівалентні довжини ключів) наведено в таблиці 2.

Таблиця 2

Еквівалентні довжини ключів

Довжина ключа симетричної системи (біт)	Кількість варіантів ключів	Довжина ключа RSA систем (біт)	Довжина ключа ЕСС систем (біт)
56-64	1017 -1019	384-512	112
80	1024	768	132
112	1034	1792	160
128	1038	2304	240

Стандарти функцій хешування. Хеш-функції є одним з важливих елементів криптосистем на основі ключів. Їх відносно легко обчислити, але майже неможливо розшифрувати. Вихідні дані хеш-функції мають змінну довжину, результат - рядок фіксованого розміру (іноді називану дайджестом повідомлення - MD), звичайно 128-160 біт.

Найважливіша властивість хеш-функцій, використовуваних у системі цифрового підпису, - практична неможливість добору другого повідомлення, що має той же самий хеш-образ. Ця властивість виключає можливість підміни повідомлення несправжнім з більш пізньою датою відправлення.

Крім того, повинне бути практично неможливо знайти два різні повідомлення, що хешуються у спільний образ. Це охороняє проти погрози генерації двох повідомлень, одне з яких підписується, а інше пред'являється як підписане.

У таблиці 3 наведені загальні характеристики відомих функцій хешування. Слід зауважити, що алгоритми хешування ГОСТ Р34.11 і SHA, що стискають повідомлення до рядка біт фіксованої довжини, задовольняють обом вище наведеним умовам.

Таблиця 3

Характеристика хеш-функцій

Назва	Характеристика функції
MD2	Сама повільна, розрахована для 8-бітових машин
MD4	Найшвидша, оптимізована для 32-бітних машин Є повідомлення про її розкриття
MD5	Найпоширеніша з хеш-функцій. Схожа на MD4, але засоби підвищення безпеки роблять її на третину повільніше, чим MD4 Забезпечує цілісність даних. Вважається безпечною
SHA (Secure Hash Algorithm)	Створює 160-бітне значення хеш-функції з вихідних даних змінного розміру. Запропонована NIST і прийнята урядом США як стандарт, призначена для використання в стандарті DSS

5. Інфраструктура відкритих ключів

Сертифікати відкритих ключів. Криптосистеми з відкритими ключами (у т.ч. що реалізують ЕЦП) привабливі для користувачів у силу можливості забезпечення досить високого рівня безпеки за умови обміну тільки несекретною інформацією.

Однак, у цьому випадку, серйозним ризиком для безпеки системи, є можливість підміни відкритих ключів. Як варіант, шахрай може зайняти місце легального користувача або підмінити його відкритий ключ своїм власним. У цьому випадку він може обдурити інших користувачів системи.

Для захисту від цієї погрози, відкриті ключі можуть розміщатися в підписаних (завірених) сертифікатах, використовуваних для перевірки дійсності ключів. Сертифікат за суттю деяке інформаційне поле, що містить необхідні дані для ідентифікації користувача системи ЕЦП.

Перед використанням відкритого ключа перевіряється його сертифікат (у т.ч. шляхом перевірки його підпису). Сертифікат звичайно містить ідентифікатор користувача, відкритий ключ і позначку часу його формування і терміну придатності.

Сертифікат підписується центром сертифікації ключів, чиї власні ключі можуть бути завірені повноваженнями органа сертифікації вищого рівня. Сертифікати передаються від центру сертифікації електронним шляхом.

При цьому ключі для зашифрування (відкритий) й розшифрування (секретний) різні, хоча й створюються разом. Один ключ стає відомим зацікавленим учасникам системи зв'язку, а інший зберігається в таємниці. Хоча можна шифрувати й розшифровувати обома ключами, дані, зашифровані одним ключем, можуть бути розшифровані тільки іншим ключем.

Для того щоб уникнути низької швидкості алгоритмів асиметричного шифрування, генерується тимчасовий симетричний ключ для кожного повідомлення й тільки він шифрується асиметричними алгоритмами. Саме повідомлення шифрується з використанням цього тимчасового сеансового ключа й симетричного криптоалгоритму.

Потім цей сеансовий ключ шифрується за допомогою відкритого асиметричного ключа адресата й асиметричного алгоритму шифрування. Після чого зашифрований сеансовий ключ разом із зашифрованим повідомленням передається адресатові. Адресант, використовуючи той же самий асиметричний алгоритм шифрування й свій секретний ключ, розшифровує сеансовий ключ, а з його допомогою розшифровується власне повідомлення.

В комбінованих криптосистемах важливо, щоб ключі симетричних і асиметричних алгоритмів були порівнянні відносно рівня безпеки, який вони забезпечують. Якщо використовується короткий сеансовий ключ (наприклад, 40-бітовий DES), то практично не має значення, наскільки великі асиметричні ключі. Атаці будуть піддані не вони, а сеансові ключі DES.

Потрібно мати на увазі, що в комбінованій системі якщо атакуючій стороні стане відомий секретний асиметричний ключ, то буде скомпрометовано не тільки поточне, але й усі наступні повідомлення, відправлені адресатові.

Для організації захищеного інформаційного обміну в системі з відкритим розподілом ключів має бути створена певна система управління ключами, що отримала назву Інфраструктура відкритих ключів

Сутність Інфраструктури відкритих ключів полягає в наступному. Безпечно створюються й поширюються відкриті й секретні ключі асиметричних алгоритмів. Секретний ключ передається його власникові. Відкритий ключ зберігається в базі даних у стандарті X.500 і адміністрирується центром сертифікації ключів (ЦСК, Certification Authority).

Вважається, що користувачі довіряють адміністрації системи в плані забезпечення безпеки створення, розподілу й адміністрування ключами. Більше того, якщо центр генерації ключів і особа (орган) їх, що адмініструють, не те саме, те кінцевий користувач повинен вірити, що творець ключів дійсно знищив їхню копію.

Для кожного повідомлення обчислюється його хеш-функція. Отримане значення з допомогу алгоритму ЕЦП і секретного ключа адресанта перетворюється в ЕЦП тексту, а потім отриманий рядок символів додається до переданого тексту (тільки відправник може створити ЕЦП).

Генерується секретний ключ симетричного криптоалгоритма, який буде використовуватися для шифрування тільки цього повідомлення або сеансу взаємодії (сеансовий ключ). Після чого вихідний текст шифрується разом з доданої до нього електронним підписом за допомогою симетричного криптоалгоритма й разового (сеансового) ключа - утворюється шифротекст.

Тепер потрібно розв'язати проблему з передачею сеансового ключа одержувачеві повідомлення.

Відправник повинен одержати для асиметричного криптоалгоритму відкритий ключ адресата від центру сертифікації ключів ЦСК. Перехоплення незашифрованих запитів на одержання цього відкритого ключа є розповсюдженою формою атаки.

Може існувати ціла система сертифікатів, що підтверджують дійсність відкритого ключа ЦСК. Стандарт X509 описує ряд методів для одержання користувачами від відкритих ключів ЦCК, однак практично жоден з них не може з 100% гарантією захистити від підміни відкритого ключа, що є певним обмеженням для застосування систем з відкритим розподілом.

Отже, адресат запитує в ЦСК відкритий ключ одержувача повідомлення. Цей процес уразливий до атаки, у ході якої атакуючий втручається у взаємодію між відправником і одержувачем і може модифікувати трафік, переданий між ними. Тому відкритий ключ одержувача "підписується" ЦСК. Це означає, що ЦCК використовував свій секретний ключ для шифрування відкритого ключа адресата. Оскільки тільки ЦCК знає свій секретний ключ, тобто певна гарантія того, що відкритий ключ адресата отриманий саме від ЦCК.

Після одержання відкритий ключ адресата розшифровується за допомогою асиметричного відкритого ключа ЦСК і асиметричного криптоалгоритму. При цьому, природно, припускається, що ЦCК не був скомпрометований. Якщо ж він виявляється скомпрометованим, то це виводить із ладу всю мережу його користувачів.

Далі сеансовий ключ шифрується з використанням асиметричного криптоалгоритму й відкритого ключа одержувача (отриманого від ЦCК і розшифрованого).

Зашифрований сеансовий ключ поєднується із шифротекстом, який включає додану раніше ЕЦП.

Увесь отриманий пакет даних (зашифрований сеансовий ключ і шифротекст, у який крім вихідного тексту входить його ЕЦП) передається одержувачеві. Тому що зашифрований сеансовий ключ передається по незахищеній мережі, він є очевидним об'єктом різних атак.

Адресат виділяє з отриманого пакета зашифрований сеансовий ключ, який розшифровує, використовуючи свій секретний асиметричний ключ і той же самий асиметричний криптоалгоритм шифрування.

Потім, адресат, застосовуючи той же самий симетричний криптоалгоритм і розшифрований сеансовий ключ, відновлює із шифротекста вихідний текст разом з ЕЦП. Електронний підпис видаляється від вихідного тексту.

Адресат запитує в ЦСК відкритий ключ ЕЦП адресанта. Після одержання цього ключа, адресат розшифровує його за допомогою відкритого ключа ЦСК і відповідного асиметричного криптоалгоритма.

Потім розшифровується хеш-функція тексту з використанням відкритого ключа адресанта й алгоритму ЕЦП і обчислюється хеш-функція отриманого розшифрованого тексту. Дві ці хеш-функції рівняються для перевірки того, що текст не був змінений. У випадку їх збігу підтверджується справжність повідомлення.