Jakie są ograniczenia jednorazowej podkładki i dlaczego uważa się ją za niepraktyczną w większości rzeczywistych zastosowań?

/ / Opublikowano w Bezpieczeństwo cybernetyczne, Podstawy klasycznej kryptografii EITC/IS/CCF, Szyfruj strumienie, Szyfry strumieniowe i rejestry przesuwne z liniowym sprzężeniem zwrotnym, Przegląd egzaminów

Podkładka jednorazowa (OTP) jest szyfrem teoretycznie nie do złamania, pod warunkiem spełnienia określonych warunków. Został on po raz pierwszy opisany przez Franka Millera w 1882 r., a później niezależnie wynaleziony na nowo przez Gilberta Vernama w 1917 r. Podstawową zasadą OTP jest użycie losowego klucza o długości samej wiadomości, który jest następnie łączony z wiadomością w postaci zwykłego tekstu za pomocą operację XOR (wyłączne OR). Pomimo swojej teoretycznej doskonałości, OTP ma znaczące ograniczenia, które czynią go niepraktycznym w większości zastosowań w świecie rzeczywistym.

Po pierwsze, istotnym ograniczeniem jest wymóg posiadania prawdziwie losowego klucza o długości wiadomości. Bezpieczne generowanie i dystrybucja takich kluczy stanowi ogromne wyzwanie. W praktyce wygenerowanie prawdziwej losowości jest trudne. Większość generatorów liczb losowych tworzy sekwencje pseudolosowe, które są deterministyczne i można je potencjalnie przewidzieć, jeśli znany jest algorytm lub materiał siewny. Prawdziwa losowość zazwyczaj wymaga procesów fizycznych, takich jak rozpad radioaktywny lub szum termiczny, które nie są łatwo dostępne lub praktyczne w przypadku zastosowań na dużą skalę.

Po drugie, bezpieczna dystrybucja klucza jest problematyczna. Aby hasło OTP pozostało bezpieczne, klucz musi być współdzielony pomiędzy nadawcą i odbiorcą za pośrednictwem bezpiecznego kanału, którego nie można przechwycić ani złamać. Wymóg ten zasadniczo neguje zaletę kryptografii, która polega na zapewnieniu bezpiecznej komunikacji za pośrednictwem niezabezpieczonego kanału. Jeśli dostępny jest bezpieczny kanał do dystrybucji klucza, można go również wykorzystać do przesłania samej wiadomości, dzięki czemu hasło OTP będzie zbędne.

Dodatkowo każdego klawisza można użyć tylko raz (stąd nazwa pad „jednorazowy”). Ponowne użycie klucza w szyfrowaniu OTP ma katastrofalne skutki dla bezpieczeństwa. Jeśli do szyfrowania wielu wiadomości używany jest ten sam klucz, osoba atakująca może przeprowadzić atak ze znanym tekstem jawnym w celu wydedukowania klucza, a następnie odszyfrowania wszystkich wiadomości zaszyfrowanych tym kluczem. To wymaganie dotyczące unikalnych kluczy dla każdej wiadomości dodatkowo komplikuje zarządzanie kluczami, przez co jest niepraktyczne w środowiskach, w których konieczne jest szyfrowanie dużych ilości danych.

Przechowywanie kluczy i zarządzanie nimi również stwarzają poważne wyzwania. Ponieważ klucz musi być tak długi jak wiadomość, bezpieczne przechowywanie tych kluczy wymaga znacznych zasobów. Na przykład, jeśli ktoś chce zaszyfrować plik o rozmiarze 1 GB, należy bezpiecznie wygenerować, przechowywać i rozpowszechniać klucz o rozmiarze 1 GB. Nie jest to wykonalne w przypadku większości rzeczywistych aplikacji, szczególnie w scenariuszach, w których regularnie szyfrowane i przesyłane są duże ilości danych.

Kolejnym ograniczeniem jest podatność na błędy ludzkie. Prawidłowe wdrożenie OTP jest istotne dla jego bezpieczeństwa. Wszelkie odstępstwa od zalecanej metody, takie jak niewłaściwe generowanie klucza, niepewne przechowywanie kluczy lub ponowne użycie klucza, mogą zagrozić całemu systemowi szyfrowania. Biorąc pod uwagę złożoność i rygorystyczne wymagania OTP, zapewnienie bezbłędnego wdrożenia jest wyzwaniem i podatnym na błędy ludzkie.

Ponadto OTP nie zapewnia żadnej formy uwierzytelniania. Zapewnia wprawdzie poufność wiadomości, ale nie weryfikuje tożsamości nadawcy ani integralności wiadomości. We współczesnych systemach kryptograficznych uwierzytelnianie jest elementem krytycznym, a jego brak w OTP powoduje konieczność stosowania dodatkowych mechanizmów kryptograficznych w celu pełnego zabezpieczenia komunikacji.

Pomimo tych ograniczeń OTP jest nadal używany w określonych niszowych zastosowaniach, w których można spełnić jego wymagania. Na przykład był on w przeszłości używany w komunikacji dyplomatycznej i wojskowej, gdzie można rygorystycznie kontrolować bezpieczną dystrybucję kluczy i zarządzanie nimi. W takich kontekstach całkowite bezpieczeństwo OTP przewyższa praktyczne wyzwania.

Aby zilustrować niepraktyczność OTP, rozważmy prosty przykład. Załóżmy, że Alicja chce wysłać Bobowi plik o rozmiarze 100 MB za pomocą hasła jednorazowego. Najpierw musi wygenerować losowy klucz o rozmiarze 100 MB, którego następnie używa do XOR z plikiem o rozmiarze 100 MB w celu wygenerowania tekstu zaszyfrowanego. Ten klucz o rozmiarze 100 MB musi zostać bezpiecznie przesłany Bobowi, zanim będzie mógł odszyfrować tekst zaszyfrowany. Jeśli Alicja i Bob chcą się regularnie komunikować, potrzebowaliby nowego klucza o wielkości 100 MB dla każdej wiadomości, co skutkuje ogromną ilością kluczowych danych, które muszą być bezpiecznie generowane, przechowywane i przesyłane.

W przeciwieństwie do tego, nowoczesne systemy kryptograficzne, takie jak te wykorzystujące algorytmy klucza symetrycznego (np. AES) lub algorytmy klucza asymetrycznego (np. RSA), wykorzystują znacznie krótsze klucze, którymi można bezpiecznie zarządzać i dystrybuować je przy mniejszym nakładzie pracy. Systemy te zapewniają również dodatkowe funkcje, takie jak uwierzytelnianie, weryfikacja integralności i niezaprzeczalność, które są niezbędne dla bezpiecznej komunikacji w rzeczywistych aplikacjach.

Chociaż jednorazowa podkładka pozostaje intrygującą i teoretycznie doskonałą metodą szyfrowania, jej praktyczne ograniczenia, w tym potrzeba naprawdę losowych kluczy, bezpieczna dystrybucja kluczy, unikalne klucze dla każdej wiadomości i brak uwierzytelnienia, sprawiają, że nie nadaje się ona do większości prawdziwych światowe zastosowania. Nowoczesne systemy kryptograficzne oferują bardziej praktyczne i kompleksowe rozwiązanie w zakresie zabezpieczania komunikacji.

Inne niedawne pytania i odpowiedzi dotyczące Podstawy klasycznej kryptografii EITC/IS/CCF:

Zobacz więcej pytań i odpowiedzi w artykule Podstawy klasycznej kryptografii EITC/IS/CCF

Więcej pytań i odpowiedzi:

Tagged under: , , , , ,