ebook Nowoczesna kryptografia Jean-Philippe Aumasson

Spis treści ebooka Nowoczesna kryptografia

SŁOWO WSTĘPNE XV
WPROWADZENIE XVII
Stosowane podejście XVIII
Dla kogo jest ta książka XVIII
Układ książki XIX
Podstawy XIX
Szyfry symetryczne XIX
Szyfry asymetryczne XIX
Zastosowania XX
Podziękowania XX
SKRÓTY XXI

1. SZYFROWANIE 1
Podstawy 2
Szyfry klasyczne 2
Szyfr Cezara 2
Szyfr Vigenère’a 3
Jak działają szyfry 4
Permutacja 5
Tryb działania 6
Dlaczego szyfry klasyczne nie są bezpieczne 6
Idealne szyfrowanie – klucz jednorazowy 7
Szyfrowanie za pomocą klucza jednorazowego 8
Dlaczego szyfr z kluczem jednorazowym jest bezpieczny? 9
Bezpieczeństwo szyfrowania 10
Modele ataku 11
Cele bezpieczeństwa 13
Kategoria bezpieczeństwa 14
Szyfrowanie asymetryczne 16
Gdy szyfry robią więcej niż szyfrowanie 17
Szyfrowanie z uwierzytelnianiem 17
Szyfrowanie zachowujące format 18
Szyfrowanie w pełni homomorficzne 18
Szyfrowanie przeszukiwalne 19
Szyfrowanie dostrajalne 19
Co może pójść źle 20
Słaby szyfr 20
Niewłaściwy model 20
Inne źródła 21

2. LOSOWOŚĆ 23
Losowy czy nie losowy? 24
Losowość jako rozkład prawdopodobieństwa 24
Entropia – miara niepewności 25
Generatory liczb losowych (RNG) i generatory liczb pseudolosowych (PRNG) 26
Jak działa generator PRNG 28
Kwestie bezpieczeństwa 28
Fortuna PRNG 29
PRNG kryptograficzne i niekryptograficzne 30
Bezużyteczność testów statystycznych 32
Generatory liczb pseudolosowych w praktyce 32
Generowanie bitów losowych w systemach opartych na Uniksie 33
Funkcja CryptGenRandom() w systemie Windows 36
PRNG oparty na sprzęcie – RDRAND w mikroprocesorach Intel 37
Co może pójść źle 38
Słabe źródła entropii 38
Niewystarczająca entropia przy rozruchu 39
PRNG niekryptograficzne 40
Błąd próbkowania z silną losowością 40
Inne źródła 41

3. BEZPIECZEŃSTWO KRYPTOGRAFICZNE 43
Definiowanie niemożliwego 44
Bezpieczeństwo w teorii – bezpieczeństwo informacyjne 44
Bezpieczeństwo w praktyce – bezpieczeństwo obliczeniowe 44
Szacowanie bezpieczeństwa 46
Mierzenie bezpieczeństwa w bitach 46
Koszt pełnego ataku 47
Wybór i ocena poziomu bezpieczeństwa 49
Uzyskiwanie bezpieczeństwa 50
Bezpieczeństwo możliwe do udowodnienia 50
Bezpieczeństwo heurystyczne 53
Generowanie kluczy 54
Generowanie kluczy symetrycznych 54
Generowanie kluczy asymetrycznych 55
Ochrona kluczy 56
Co może pójść źle 57
Niepoprawny dowód bezpieczeństwa 57
Krótkie klucze do obsługi poprzednich wersji 57
Inne źródła 58

4. SZYFRY BLOKOWE 59
Czym jest szyfr blokowy? 60
Cele bezpieczeństwa 60
Rozmiar bloku 60
Ataki książki kodowej 61
Jak budować szyfry blokowe 62
Rundy szyfru blokowego 62
Atak ślizgowy i klucze rundowe 62
Sieci podstawieniowo-permutacyjne 63
Sieć Feistela 64
Advanced Encryption Standard (AES) 65
Wnętrze AES 65
AES w działaniu 68
Implementacja AES 69
Implementacje oparte na tablicach 69
Instrukcje natywne 70
Czy szyfr AES jest bezpieczny? 71
Tryby działania 72
Tryb elektronicznej książki kodowej (ECB) 72
Tryb CBC (Cipher Block Chaining) 74
Jak szyfrować dowolny komunikat w trybie CBC 76
Tryb licznika (CTR) . 77
Co może pójść źle 79
Ataki typu meet-in-the-middle 80
Ataki typu padding oracle 81
Inne źródła 82

5. SZYFRY STRUMIENIOWE 83
Jak działają szyfry strumieniowe 84
Szyfry strumieniowe stanowe i oparte na liczniku 85
Szyfry strumieniowe zorientowane na sprzęt 86
Rejestry przesuwające ze sprzężeniem zwrotnym 87
Grain-128a 93
A5/1 95
Szyfry strumieniowe zorientowane na oprogramowanie 98
RC4 99
Salsa20 103
Co może pójść źle 108
Ponowne użycie wartości jednorazowej 108
Złamana implementacja RC4 109
Słabe szyfry wbudowane w sprzęt 110
Inne źródła 111

6. FUNKCJE SKRÓTU 113
Bezpieczne funkcje skrótu 114
Ponownie nieprzewidywalność 115
Odporność na przeciwobraz 115
Odporność na kolizje 117
Znajdowanie kolizji 118
Budowa funkcji skrótu 120
Funkcje skrótu oparte na kompresji – struktura Merkle’a–Damgårda 120
Funkcje skrótu oparte na permutacji – funkcje gąbkowe 123
Rodzina funkcji skrótu SHA 125
SHA-1 125
SHA-2 128
Konkurencja ze strony SHA-3 129
Keccak (SHA-3) 130
Funkcja skrótu BLAKE2 132
Co może pójść źle 134
Atak przez zwiększenie długości 134
Oszukiwanie protokołów uwiarygodniania pamięci 135
Inne źródła 135

7. FUNKCJE SKRÓTU Z KLUCZEM 137
MAC (Message Authentication Codes) 138
MAC w bezpiecznej łączności 138
Fałszerstwa i ataki z wybranym tekstem jawnym 138
Ataki powtórzeniowe 139
Funkcje pseudolosowe PRF 139
Bezpieczeństwo PRF 140
Dlaczego funkcje PRF są silniejsze od MAC? 140
Tworzenie skrótów z kluczem na podstawie skrótów bez klucza 141
Konstrukcja z tajnym prefiksem 141
Struktura z tajnym sufiksem 142
Struktura HMAC 142
Ogólny atak na kody MAC oparte na funkcjach skrótu 143
Tworzenie skrótów z kluczem na podstawie szyfrów blokowych – CMAC 144
Łamanie CBC-MAC 145
Naprawa CBC-MAC 145
Dedykowane konstrukcje MAC 146
Poly1305 147
SipHash 150
Co może pójść źle 152
Ataki czasowe na weryfikację MAC 152
Gdy gąbki przeciekają 154
Inne źródła 154

8. SZYFROWANIE UWIERZYTELNIONE 157
Szyfrowanie uwierzytelnione z wykorzystaniem MAC 158
Szyfrowanie i MAC 158
MAC, a potem szyfrowanie 159
Szyfrowanie, a potem MAC 160
Szyfry uwierzytelnione 160
Szyfrowanie uwierzytelnione z powiązanymi danymi 161
Unikanie przewidywalności z wartościami jednorazowymi 162
Co składa się na dobry szyfr uwierzytelniony? 162
AES-GCM – standard szyfru uwierzytelnionego 164
Wnętrze GCM – CTR i GHASH 165
Bezpieczeństwo GCM 166
Skuteczność GCM 167
OCB – uwierzytelniony szyfr szybszy niż GCM 168
Wnętrze OCB 168
Bezpieczeństwo OCB 169
Wydajność OCB 169
SIV – najbezpieczniejszy uwierzytelniany szyfr? 170
AEAD oparty na permutacjach 170
Co może pójść źle 172
AES-GCM i słabe klucze mieszające 172
AES+GCM i małe znaczniki 174
Inne źródła 175

9. TRUDNE PROBLEMY 177
Trudność obliczeniowa 178
Pomiar czasu wykonania 178
Czas wielomianowy a superwielomianowy 180
Klasy złożoności 182
Niedeterministyczny czas wielomianowy 183
Problemy NP-zupełne 183
Problem P kontra NP 185
Problem rozkładu na czynniki 186
Rozkład dużej liczby na czynniki w praktyce 187
Czy rozkład na czynniki jest NP-zupełny? 188
Problem logarytmu dyskretnego 189
Czym jest grupa? 189
Trudność 190
Co może się pójść źle 191
Gdy rozkład na czynniki jest łatwy 191
Małe trudne problemy nie są trudne 192
Inne źródła 194

10. RSA 195
Matematyka kryjąca się za RSA 196
Permutacja z zapadką w RSA 197
Generowanie klucza RSA a bezpieczeństwo 198
Szyfrowanie za pomocą RSA 199
Łamanie złamania podręcznikowego szyfrowania RSA 200
Silne szyfrowanie RSA – OAEP 200
Podpisywanie za pomocą RSA 202
Łamanie podpisów podręcznikowego RSA 203
Standard podpisu PSS 203
Podpisy ze skrótem pełnodomenowym 205
Implementacje RSA 206
Szybki algorytm potęgowania – podnoszenie do kwadratu i mnożenie 206
Małe wykładniki w celu szybszego działania klucza publicznego 208
Chińskie twierdzenie o resztach 210
Co może pójść źle 211
Atak Bellcore na RSA-CRT 212
Współdzielenie prywatnych wykładników lub modulo 212
Inne źródła 214

11. DIFFIE–HELLMAN 217
Funkcja Diffiego–Hellmana 218
Problemy z protokołami Diffiego–Hellmana 220
Problem obliczeniowy Diffiego–Hellmana 220
Problem decyzyjny Diffiego–Hellmana 221
Więcej problemów z Diffiem–Hellmanem 221
Protokoły uzgadniania klucza 222
Przykład uzgadniania kluczy różny od DH 222
Modele ataku dla protokołów uzgadniania klucza 223
Wydajność 225
Protokoły Diffiego–Hellmana 225
Anonimowy Diffie–Hellman 225
Uwierzytelniony Diffie–Hellman 227
Protokół MQV (Menezes–Qu–Vanstone) 229
Co może pójść źle 231
Brak skrótu współdzielonego klucza 231
Przestarzały Diffie–Hellman w TLS 232
Parametry grupy, które nie są bezpieczne 232
Inne źródła 232

12. KRZYWE ELIPTYCZNE 235
Czym jest krzywa eliptyczna? 236
Krzywe eliptyczne na liczbach całkowitych 237
Dodawanie i mnożenie punktów 239
Grupy krzywych eliptycznych 242
Problem ECDLP 243
Uzgadnianie klucza Diffiego–Hellmana na krzywych eliptycznych 244
Generowanie podpisu ECDSA 245
Szyfrowanie z wykorzystaniem krzywych eliptycznych 247
Wybór krzywej 248
Krzywe NIST 249
Curve25519 249
Inne krzywe 250
Co może pójść źle 250
ECDSA z nieodpowiednią losowością 250
Złamanie ECDSA za pomocą innej krzywej 251
Inne źródła 252

13. TLS 253
Docelowe aplikacje i wymagania 254
Zestaw protokołów TLS 255
Rodzina protokołów TLS i SSL – krótka historia 255
TLS w pigułce 256
Certyfikaty i centra certyfikacji 256
Protokół rekordu 259
Protokół TLS Handshake 260
Algorytmy kryptograficzne w TLS 1.3 262
Ulepszenia w TLS 1.3 w porównaniu z TLS 1.2 263
Ochrona przed aktualizacją wsteczną 263
Pojedyncze obustronne uzgadnianie 264
Wznowienie sesji 264
Siła bezpieczeństwa TLS 265
Uwierzytelnienie 265
Poufność w przód 265
Co może pójść źle 266
Naruszenie bezpieczeństwa centrum certyfikacji 266
Naruszenie bezpieczeństwa serwera 267
Naruszenie bezpieczeństwa klienta 267
Błędy w implementacji 268
Inne źródła 268

14. KRYPTOGRAFIA KWANTOWA I POSTKWANTOWA 271
Jak działają komputery kwantowe 272
Bity kwantowe 273
Bramki kwantowe 275
Przyspieszenie kwantowe 278
Przyspieszenie wykładnicze i algorytm Simona 278
Zagrożenie ze strony algorytmu faktoryzacji Shora 279
Algorytm Shora rozwiązuje problem rozkładu na czynniki 280
Algorytm Shora i problem logarytmu dyskretnego 280
Algorytm Grovera 281
Dlaczego tak trudno jest zbudować komputer kwantowy? 282
Postkwantowe algorytmy szyfrowania 283
Kryptografia oparta na kodach korekcyjnych 284
Kryptografia oparta na kratach 285
Kryptografia wielu zmiennych 286
Kryptografia oparta na funkcjach skrótu 287
Co może pójść źle 288
Niejasny poziom bezpieczeństwa 288
Szybko do przodu – co się stanie, jeśli będzie za późno? 289
Problemy implementacji 290
Inne źródła 290
SKOROWIDZ 293