Защита информации: Цифровая подпись

Страница 5

Ключ проверки подписи вычисляется как пара блоков, имеющих размер блоков данных использованного алгоритма по следующим формулам:

kC=(C0,C1) = (R2nT–1(K0), R2nT–1(K1)).

В этих вычислениях также используются несекретные блоки данных X0 и X1, являющиеся параметрами функции «односторонней прокрутки», они обязательно должны быть различными. Таким образом, размер ключа проверки подписи также равен удвоенному размеру блока данных использованного блочного шифра: |kC|=2n.

Вычисление и проверка ЭЦП будут выглядеть следующим образом:

Алгоритм SignT выработки цифровой подписи для nT-битового блока T заключается в выполнении «односторонней прокрутки» обеих половин ключа подписи T и 2nT–1–T раз соответственно:

s=SignT(T)=(s0,s1)=.

Алгоритм VernT проверки подписи состоит в проверке истинности соотношений , которые, очевидно, должны выполняться для подлинного блока данных T:

R2nT–1–T(s0)=R2nT–1–T(RT(k0))=R2nT–1–T+T(k0)=R2nT–1(k0)=C0, RT(s1)=RT(R2nT–1–T(k1))=RT+2nT–1–T(k1)=R2nT–1(k1)=C1.

Таким образом, функция проверки подписи будет следующей:

Покажем, что для данной схемы выполняются необходимые условия работоспособности схемы подписи:

Предположим, что в распоряжении злоумышленника есть nT-битовый блок T, его подпись s=(s0,s1), и ключ проверки kC=(C0,C1). Пользуясь этой информацией, злоумышленник пытается найти правильную подпись s'=(s'0,s'1) для другого nT-битового блока T'. Для этого ему надо решить следующие уравнения относительно s'0 и s'1:

R2nT–1–T'(s'0)=C0, RT'(s'1)=C1.

В распоряжении злоумышленника есть блок данных T с подписью s=(s0,s1), что позволяет ему вычислить одно из значений s'0,s'1, даже не владея ключом подписи:

(a) если T<T', то s'0=RT'(k0)=RT'–T(RT(k0))=RT'–T(s0),

(b) если T>T', то s'1=R2nT–1–T'(k1)=RT–T'(R2nT–1–T(k1))=RT–T'(s1).

Однако для нахождения второй половины подписи (s'1 и s'0 в случаях (a) и (b) соответственно) ему необходимо выполнить прокрутку в обратную сторону, т.е. найти Rk(X), располагая только значением для большего k, что является вычислительно невозможным. Таким образом, злоумышленник не может подделать подпись под сообщением, если не располагает секретным ключом подписи.

Второе требование также выполняется: вероятность подобрать блок данных T', отличный от блока T, но обладающий такой же цифровой подписью, чрезвычайно мала и может не приниматься во внимание. Действительно, пусть цифровая подпись блоков T и T' совпадает. Тогда подписи обоих блоков будут равны соответственно:

s=SnT(T)=(s0,s1)=(RT(k0), R2nT–1–T(k1)), s'=SnT(T')=(s'0,s'1)=(RT'(k0), R2nT–1–T'(k1)),

но s=s', следовательно:

RT(k0)=RT'(k0) и R2nT–1–T(k1)=R2nT–1–T'(k1).

Положим для определенности TЈT', тогда справедливо следующее:

RT'–T(k0*)=k0*,RT'–T(k1*)=k1*,где k0*=RT(k0), k1*=R2nT–1–T'(k1)

Последнее условие означает, что прокручивание двух различных блоков данных одно и то же число раз оставляет их значения неизменными. Вероятность такого события чрезвычайно мала и может не приниматься во внимание.

Таким образом рассмотренная модификация схемы Диффи–Хеллмана делает возможным подпись не одного бита, а целой битовой группы. Это позволяет в несколько раз уменьшить размер подписи и ключей подписи/проверки данной схемы. Однако надо понимать, что увеличение размера подписываемых битовых групп приводит к экспоненциальному росту объема необходимых вычислений и начиная с некоторого значения делает работу схемы также неэффективной. Граница «разумного размера» подписываемой группы находится где-то около десяти бит, и блоки большего размера все равно необходимо подписывать «по частям».

Теперь найдем размеры ключей и подписи, а также объем необходимых для реализации схемы вычислений. Пусть размер хэш–блока и блока используемого шифра одинаковы и равны n, а размер подписываемых битовых групп равен nT. Предположим также, что если последняя группа содержит меньшее число битов, обрабатывается она все равно как полная nT-битовая группа. Тогда размеры ключей подписи/проверки и самой подписи совпадают и равны следующей величине:

бит,

где йxщ обозначает округление числа x до ближайшего целого в сторону возрастания. Число операций шифрования EK(X), требуемое для реализации процедур схемы, определяются нижеследующими соотношениями:

при выработке ключевой информации оно равно:

,

при выработке и проверке подписи оно вдвое меньше:

.

Размер ключа подписи и проверки подписи можно дополнительно уменьшить следующими приемами:

1. Нет необходимости хранить ключи подписи отдельных битовых групп, их можно динамически вырабатывать в нужный момент времени с помощью генератора криптостойкой гаммы. Ключом подписи в этом случае будет являться обычный ключ использованного в схеме подписи блочного шифра. Например, если схема подписи будет построена на алгоритме ГОСТ 28147-89, то размер ключа подписи будет равен 256 битам.

2. Аналогично, нет необходимости хранить массив ключей проверки подписи отдельных битовых групп блока, достаточно хранить его значение хэш-функции этого массива. При этом алгоритм выработки ключа подписи и алгоритм проверки подписи будут дополнены еще одним шагом – вычислением хэш-функции массива проверочных комбинаций отдельных битовых групп.

Таким образом, проблема размера ключей и подписи решена, однако, второй недостаток схемы – одноразовость ключей – не преодолен, поскольку это невозможно в рамках подхода Диффи–Хеллмана.

Для практического использования такой схемы, рассчитанной на подпись N сообщений, отправителю необходимо хранить N ключей подписи, а получателю – N ключей проверки, что достаточно неудобно. Эта проблема может быть решена в точности так же, как была решена проблема ключей для множественных битовых групп – генерацией ключей подписи для всех N сообщений из одного мастер-ключа и свертывание всех проверочных комбинаций в одну контрольную комбинацию с помощью алгоритма вычисления хэш-функции.

Такой подход решил бы проблему размера хранимых ключей, но привел бы к необходимости вместе подписью каждого сообщения высылать недостающие N–1 проверочных комбинаций, необходимых для вычисления хэш-функции массива всех контрольных комбинаций отдельных сообщений. Ясно, что такой вариант не обладает преимуществами по сравнению с исходным.

Упомянутыми выше авторами был предложен механизм, позволяющий значительно снизить остроту проблемы. Его основная идея – вычислять контрольную комбинацию (ключ проверки подписи) не как хэш-функцию от линейного массива проверочных комбинаций всех сообщений, а попарно – с помощью бинарного дерева. На каждом уровне проверочная комбинация вычисляется как хэш-функция от конкатенации двух проверочных комбинаций младшего уровня. Чем выше уровень комбинации, тем больше отдельных ключей проверки "учитывается" в ней.

Предположим, что наша схема рассчитана на 2L сообщений. Обозначим через i-тую комбинацию l-того уровня. Если нумерацию комбинаций и уровней начинать с нуля, то справедливо следующее условие: 0 Ј i < 2L–l, а i-ая проверочная комбинация l-того уровня рассчитана на 2l сообщений с номерами от iЧ2l до (i+1)Ч2l–1 включительно. Число комбинаций нижнего, нулевого уровня равно 2L, а самого верхнего, L-того уровня – одна, она и является контрольной комбинацией всех 2L сообщений, на которые рассчитана схема.

На каждом уровне, начиная с первого, проверочные комбинации рассчитываются по следующей формуле: