dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Обычно, протокол Диффи-Хеллмана (DH) описывают на примере вычетов, то есть, арифметики остатков. Это так называемый классический вариант реализации протокола, который тоже используется на практике. При этом, протокол успешно обобщается на другие математические структуры, лишь бы они обладали некоторыми специальными свойствами. Эти свойства весьма важны для применимости протокола на практике.

Посмотрим на классический вариант DH: s = G^ab == G^ba (mod P), а именно – мы выбрали некоторое большое простое число P, выбрали натуральное G < P (это значение называют генератором), а в рамках операций протокола возводим G в секретную степень a или b по модулю P. Другими словами – вычисляем остаток от деления на P. Из привычного свойства степеней выводится нужное равенство, означающее, что стороны придут к одинаковому значению секрета s. Уже при разборе классического варианта можно обнаружить первое важнейшее общее свойство, о котором нередко забывают.

Действительно, стороны обмениваются значениями G^a и G^b по открытому каналу, соответственно, атакующему нужно вычислить a или b, по известному значению G^a или G^b. Почему же атакующий не может просто последовательно возводить G в натуральные степени, чтобы на каком-то шаге получить G^a (или G^b, но для примера возьмём только a), определив, таким образом, секретное значение? Ответ на этот вопрос такой: будем выбирать значение a достаточно большим, чтобы полный прямой перебор оказался вычислительно недоступным. Например, последовательно перебрать уже 2¹²⁸ значений, для нашей задачи, весьма и весьма затруднительно. (Техническая оговорка: классический протокол DH на практике использует значения гораздо большей разрядности – 4096 бит и больше; это связано с особенностями криптоанализа именно классического DH, и не должно нас смущать: 4096 бит, после применения некоторых оптимизаций, как раз превращаются, примерно, в 196 “честных” битов.) Итак, атакующий не может перебрать все показатели степени последовательно, потому что это очень долго. Но как же тогда быть сторонам, использующим DH, они же тоже возводят G в степень большой разрядности? Это и есть первое арифметическое свойство, необходимое для успешного обобщения DH.

Так как каждая сторона протокола знает своё секретное значение, она может воспользоваться тем, что, например, 16 == (2²)². То есть, вместо трёх умножений – ограничиться всего двумя: (2*2)*(2*2). Очевидно, что один раз вычислив 4 == 2*2, можно использовать 4 дальше. Зная нужное значение показателя, процесс вычисления нетрудно разбить на повторное “удвоение” (здесь – в смысле степени, но это весьма важный и более общий термин) и умножение на основание: 3⁵ == 3²*3²*3 == 243. Существенная экономия вычислительных ресурсов, которая выводится из того, что умножение в целых числах не зависит от расстановки скобок: a×a×a×a×a == (a×a)×(a×a×a) == a×(a×a×a×a). Вместо того, чтобы 128 раз умножать 3 на 3, вычисляя 3¹²⁹, можно поступить проще: 3¹²⁹ == 3¹²⁸*3 == (3⁶⁴)²*3 и т.д., рекурсивно. Всё это может показаться очевидным для целых чисел, особенно, если учесть тот факт, что описанный метод естественным образом отображается на двоичное представление, привычное для компьютерных вычислений. Однако при обобщении протокола DH данное свойство трансформируется: необходимо, чтобы арифметические операции в новой структуре позволяли выполнять “быстрое удвоение”. “Быстрое” – в смысле количества вычислительных операций.

Наличие “операций” подразумевает, что структура, на которую мы пытаемся перенести протокол DH, предполагает некоторую арифметику. Обычно, говорят о коммутативной группе: множестве с бинарной операцией, которая введена таким образом, что является ассоциативной, коммутативной, ей соответствует нейтральный элемент и взятие обратного элемента. Если новая структура – коммутативная (абелева) конечная группа, то протокол DH может на ней заработать без изменений. Именно поэтому DH работает на эллиптических кривых: точки кривой образуют абелеву группу, арифметика которой, очевидно, позволяет быстро вычислять удвоения (см. пример ECDH с числами). В некоммутативном случае – всё сложнее, прежде всего потому, что структурное разнообразие некоммутативных групп гораздо больше абелевых. Мы некоммутативный случай здесь не рассматриваем.

Итак, следующая особенность DH – это протокол достаточно высокого уровня, чтобы его можно было переносить на другие структуры, с подходящей арифметикой. Обычно – на группы. Естественным препятствием здесь является наличие сложности решения обратной задачи. Если у нас есть функция DH с параметром, отображающая элемент новой структуры в другой элемент, задаваемый параметром, то эту функцию должно быть сложно обратить. В случае классического варианта протокола, скажем, что параметр – это показатель степени, а функция может быть представлена как S = G^x. Тогда обратная задача – это задача дискретного логарифмирования: нужно отыскать x, по известным G и S. Для эллиптической кривой обратная задача, обеспечивающая возможность переноса обобщённого DH, это задача вычисления показателя кратности (скаляра) x по двум известным точкам: S = xG. Например, в случае суперсингулярных (не будем вдаваться в технические подробности) эллиптических кривых протокол ECDH может оказаться уязвимым, поскольку существуют практические методы быстрого решения задачи дискретного логарифмирования для некоторых из этих кривых (методы эти позволяют свести задачу к вычетам, то есть, к области классического DH, но это детали). Как ни странно, это совсем не означает, что суперсингулярные эллиптические кривые не годятся для реализации DH.

Примером использования DH в совсем другом математическом окружении является постквантовый протокол CSIDH. С одной стороны, этот протокол работает на весьма экзотических объектах из области теоретической математики, а именно, на кольцах эндоморфизмов (и изогениях) эллиптических кривых (опять же, не обязательно понимать, что это такое), с другой стороны, применяемый алгоритм на уровне логики полностью аналогичен классическому DH, хоть и использует весьма нетривиальные превращения в качестве основной операции.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2021/10/11/9117/