На сегодняшний день практически все чувствительные данные в мире защищены схемой ассиметричного шифрования RSA (Rivest-Shamir-Adleman), которую практически невозможно взломать с помощью современных компьютеров. Но появление квантовых компьютеров может кардинально изменить ситуацию. Поэтому Национальный институт стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) представил три схемы шифрования постквантовой криптографии.

Источник изображений: unsplash.com

Новые стандарты должны стать важным элементом криптографической защиты данных. Предыдущие стандарты криптографии NIST, разработанные в 1970-х годах, используются практически во всех устройствах, включая интернет-маршрутизаторы, телефоны и ноутбуки. Руководитель группы криптографии NIST Лили Чен (Lily Chen) уверена в необходимости массовой миграции с RSA на новые методы шифрования: «Сегодня криптография с открытым ключом используется везде и во всех устройствах, наша задача — заменить протокол в каждом устройстве, что нелегко».

Хотя большинство экспертов считают, что крупномасштабные квантовые компьютеры не будут построены как минимум ещё десять лет, существуют две веские причины для беспокойства уже сегодня:

• Во-первых, многие устройства, использующие метод RSA, такие как автомобили или компоненты «умного дома», будут использоваться ещё как минимум десятилетие. Поэтому их необходимо оснастить квантово-безопасной криптографией, прежде чем они будут выпущены в эксплуатацию.
• Во-вторых, злоумышленник может сохранить зашифрованные данные сегодня и расшифровать их при появлении достаточно производительных квантовых компьютеров — концепция «собирай сейчас, расшифруй позже».

Поэтому эксперты по безопасности в различных отраслях призывают серьёзно относиться к угрозе, исходящей от квантовых компьютеров. Новые схемы шифрования основаны на понимании сильных и слабых сторон квантовых вычислений, так как квантовые компьютеры превосходят классические лишь в достаточно узком спектре задач. К квантово-устойчивым криптографическим методам относятся:

• Решётчатая криптография основана на геометрической задаче о кратчайшем векторе, которая требует найти точку, ближайшую к началу координат, что невероятно сложно сделать при большом количестве измерений.
• Изогональная криптография использует для шифрования эллиптические кривые, что обещает высокую устойчивость к дешифровке.
• Криптография на основе кода с возможностью исправления ошибок опирается на сложность восстановления структуры кода из сообщений, содержащих случайные ошибки.
• Криптография с открытым ключом на основе хеш-дерева позиционируется как развитие идей RSA.

На сегодняшний день наиболее перспективным методом NIST считает решётчатую криптографию. Институт ещё в 2016 году объявил публичный конкурс на лучший алгоритм постквантового шифрования. Было получено 82 заявки от команд разработчиков из 25 стран. С тех пор конкурс прошёл через четыре отборочных тура и в 2022 году завершился, назвав четыре победивших алгоритма. Были учтены мнения криптографического сообщества, промышленных и учёных кругов, а также заинтересованных государственных служб.

Четыре победивших алгоритма имели звучные названия: CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, Sphincs+ и FALCON, но после стандартизации получили типовое обозначение «Федеральный стандарт обработки информации» (Federal Information Processing Standard, FIPS) с номерами 203–206. Сегодня NIST объявил о стандартизации FIPS 203, 204 и 205. Ожидается, что FIPS 206 будет стандартизирован ближе к концу года. FIPS 203, 204 и 206 основаны на решётчатой криптографии, в то время как FIPS 205 — на хеш-функциях.

Стандарты включают компьютерный код алгоритмов шифрования, инструкции по его реализации и сценарии предполагаемого использования. Для каждого протокола существует три уровня безопасности, разработанные для обеспечения будущих стандартов в случае обнаружения в алгоритмах слабых мест или уязвимостей.

Ранее в этом году внимание криптографического сообщества привлекла публикация Или Чена (Yilei Chen) из Университета Цинхуа, которая утверждала, что решётчатая криптография на самом деле плохо защищена от квантовых атак. Но при дальнейшем рассмотрении силами сообщества в аргументации Чена были найдены ошибки, и авторитет решётчатой криптографии был восстановлен.

Этот инцидент подчеркнул базовую проблему, лежащую в основе всех криптографических схем: нет никаких доказательств того, что какие-либо из математических задач, на которых основаны схемы, на самом деле «сложные». Единственным реальным доказательством стойкости шифрования, даже для стандартных алгоритмов RSA, являются многочисленные неудачные попытки взлома в течение длительного времени.

Поскольку постквантовые стандарты криптографии пока очень «молоды», их стойкость постоянно подвергается сомнениям и попыткам взлома, причём каждая неудачная попытка только повышают доверие к ним. «Люди изо всех сил пытались взломать этот алгоритм. Многие люди пытаются, они очень стараются, и это на самом деле придаёт нам уверенности», — заявила по этому поводу Лили Чен.

Безусловно, представленные NIST новые стандарты постквантового шифрования актуальны, но работа по переводу на них всех устройств только началась. Потребуется длительное время и значительные средства, чтобы полностью защитить данные от дешифровки при помощи будущих квантовых компьютеров. Для примера, компания LGT Financial Services потратила 18 месяцев и около полумиллиона долларов лишь на частичное внедрение новых алгоритмов, а затраты на полный переход оценить затруднилась.

Исследователи в области кибербезопасности обнаружили новый метод хищения криптографических ключей в протоколе Secure Shell (SSH), создающий угрозу для конфиденциальности данных в миллионах SSH-соединений, используемых по всему миру. Это исследование является кульминацией 25-летней работы экспертов в этой области.

Источник изображения: deeznutz1 / Pixabay

Открытие, подробно описанное в научной статье, указывает на потенциальные уязвимости в SSH-соединениях, которые злоумышленники могут использовать для перехвата данных между корпоративными серверами и удалёнными клиентами.

Ключевой момент уязвимости заключается в использовании мелких вычислительных ошибок, возникающих в процессе установления SSH-соединения, известного как «рукопожатие» (handshake). Эта уязвимость ограничена шифрованием RSA, которое, тем не менее, применяется примерно на трети анализируемых веб-сайтов. Из около 3,5 млрд цифровых подписей, проанализированных на публичных веб-сайтах за последние 7 лет, около миллиарда использовали шифрование RSA. В этой группе примерно одна из миллиона реализаций оказалась уязвимой к раскрытию своих SSH-ключей.

«Согласно нашим данным, около одной из миллиона SSH-подписей раскрывает личный ключ хоста SSH. Хотя это и редкое явление, масштабы интернет-трафика показывают, что подобные сбои RSA в SSH происходят регулярно», — отметил Киган Райан (Keegan Ryan), соавтор исследования.

Угроза, связанная с новым методом кражи криптографических ключей, не ограничивается только протоколом SSH. Она также распространяется на соединения IPsec, широко используемые в корпоративных и частных сетях, включая VPN-сервисы. Это представляет существенный риск для компаний и индивидуальных пользователей, полагающихся на VPN для защиты своих данных и обеспечения анонимности в интернете.

В исследовании под названием Passive SSH Key Compromise via Lattices подробно рассматривается, как методы, основанные на криптографии на решётках (lattice-based cryptography), могут использоваться для пассивного извлечения ключей RSA. Это возможно даже при одиночной ошибочной подписи, созданной с использованием стандарта PKCS#1 v1.5. Такой подход, описанный исследователями, обеспечивает проникновение в протоколы SSH и IPsec, что поднимает вопросы о надёжности этих широко распространённых методов защиты передачи данных.

Уязвимость активируется, когда в процессе «рукопожатия» возникает искусственно вызванная или случайно возникшая ошибка. Злоумышленники могут перехватить ошибочную подпись и сравнить её с действительной, используя операцию поиска наибольшего общего делителя для извлечения одного из простых чисел, формирующих ключ. Однако в данной атаке используется метод, основанный на криптографии на основе решёток.

Получив ключ, злоумышленники могут организовать атаку типа «человек посередине» (man-in-the-middle или MITM), где сервер, контролируемый хакером, использует похищенный ключ для имитации скомпрометированного сервера. Таким образом, они перехватывают и отвечают на входящие SSH-запросы, что позволяет легко похищать учётные данные пользователей и другую информацию. Та же угроза существует и для IPsec-трафика в случае компрометации ключа.

Особенно уязвимыми оказались устройства от четырёх производителей: Cisco, Zyxel, Hillstone Networks и Mocana. Исследователи предупредили производителей о недостатках безопасности до публикации результатов исследования. Cisco и Zyxel отреагировали немедленно, тогда как Hillstone Networks ответила уже после публикации.

Недавние улучшения в протоколе защиты транспортного уровня (TLS) повысили его устойчивость к подобным атакам. Райан утверждает, что аналогичные меры должны быть внедрены и в других безопасных протоколах, в частности, в SSH и IPsec, учитывая их широкое распространение. Однако, несмотря на серьёзность угрозы, вероятность подвергнуться таким атакам для каждого отдельного пользователя остаётся относительно мала.

Компания Google анонсировала интеграцию алгоритмов шифрования, устойчивых к атакам с помощь квантовых компьютеров, в свой браузер Chrome. Речь идёт о внедрении гибридного механизма инкапсуляции ключей (KEM) для защиты процесса установки защищённого соединения TLS. Нововведение будет реализовано в Chrome 116, стабильная версия которого станет доступна пользователям 15 августа.

Источник изображения: Pixabay

Браузер получит поддержку шифрования X25519Kyber768, которое объединяет в себе классический алгоритм X25519 и Kyber-768, квантово-устойчивый механизм инкапсуляции ключей, одобренный в прошлом году Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) США для использования в постквантовой криптографии. Google внедряет новый гибридный механизм в Chrome, чтобы крупные интернет-компании, такие как Cloudflare, имели возможность протестировать квантово-устойчивые алгоритмы, сохраняя при этом текущий уровень защиты.

Работа над созданием новых механизмов ведётся из-за опасений по поводу того, что с помощью квантовых компьютеров могут быть взломаны некоторые алгоритмы шифрования, используемые в настоящее время. Эти опасения побудили NIST ещё в 2016 году призвать разработчиков к созданию алгоритмов, устойчивых перед квантовыми компьютерами.

По мнению экспертов, квантовые компьютеры, способные взломать современные криптографические алгоритмы, могут появиться через 5, 10 или даже 50 лет. Несмотря на это, создание устойчивых алгоритмов является важной задачей уже сейчас. Это связано с тем, что некоторые алгоритмы уязвимы для разнесённых во времени атак, когда данные собираются и хранятся до тех пор, пока криптоанализ не станет более совершенным.