dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

В этой заметке, в качестве практического примера того, чем может быть полезен открытый исходный код, рассматривается реализация проверки (теоретико-числовых) свойств параметра DH в приложении Telegram, ну или в одной из версий этого приложения – детали тут не важны, а ссылки есть ниже по тексту. (На всякий случай, сразу отмечу – каких-то дефектов, что называется, “выявить не удалось”, да и цели такой не ставилось – это просто достаточно краткий разбор небольшой функции с комментариями из области прикладной криптографии, а не подробный анализ кода.)

DH обозначает протокол Диффи-Хеллмана. В мессенджере Telegram протокол Диффи-Хеллмана используется при создании “секретных чатов”, где он служит для получения общего секрета клиентами (то есть, ключа для зашифрования сообщений). Рассматривается самый простой вариант – обмен сообщениями между двумя пользователями в защищённом режиме.

Telegram использует “классический” (или “мультипликативный”) вариант DH, работающий в мультипликативной группе конечного поля (сейчас такой вариант принято обозначать FFDH – от Finite Field). Если обойтись без строгих научных терминов, то этот вариант DH не “эллиптический” (например), а “обычный”, работающий в арифметике остатков. Про “эллиптический” вариант многие слышали применительно к TLS – там он называется ECDH(E). То, что в Telegram не используется современный вариант на эллиптической кривой – всегда выглядело несколько странно. Скорее всего, этому есть очень простое объяснение, связанное с историей появления протокола MTProto, но, так или иначе, эти детали остаются за рамками данной заметки, которая посвящена свойствам модулей DH и небольшому фрагменту исходного кода приложения, связанному с проверкой этих свойств.

Чтобы определить конкретные параметры протокола DH (FFDH, но не только) – требуется задать достаточно большое простое число. В случае “классического” варианта битовая разрядность этого числа, по современным представлениям, должна быть хотя бы 2048 бит. Telegram требует строго 2048 бит (см. ниже). Данное простое число задаёт базовую структуру для арифметики протокола и называется модулем. От свойств модуля зависит надёжность реализации. Так, слишком маленькая разрядность, – например, 256 бит, – позволяет очень быстро решать обратную задачу (находить дискретный логарифм) и вычислять по открытой информации секретное значение, которым обмениваются стороны. (Дежурное замечание: пример про 256 бит – не относится к разрядности ECDH, там другие алгоритмы и структуры.)

В Telegram, модуль, используемый сторонами, передаётся им сервером. Плохая это практика или хорошая? Для точного ответа информации маловато: с одной стороны, самостоятельное генерирование модуля сторонами может приводить к использованию нестойких модулей (как преднамеренному, так и нет), а кроме того – добавляется вычислительная нагрузка; с другой стороны – использование неопределённого серверного модуля требует доверия серверу или, как минимум, доверия процессу выбора модуля. Так, FFDH всё ещё используется в TLS современной версии 1.3, а значения модулей там, в общем-то, зафиксированы спецификациями, однако для выбора параметров предписан опубликованный процесс. Другими словами: если модуль вам присылает сервер, то, в теории, сервер может прислать заранее тщательно подготовленный модуль, припрятав в рукаве нужные для быстрых вычислений структуры. Telegram присылает модуль с сервера и может присылать разным пользователям и разным “секретным чатам” разные значения модулей, вряд ли за этим кто-то следит. В качестве мер повышения доверия документация (в которой иногда встречаются опечатки) предлагает проводить хорошо известные проверки свойств присланного числа, эти проверки – присутствуют в коде приложения.

Перейдём к особенностям кода. Telegram – среди тех немногих приложений, разработчики которых заявляют так называемую “воспроизводимую сборку“: действительно, публикация исходного кода, сама по себе, не гарантирует, что исполняемое приложение, распространяемое в собранном виде, соответствует опубликованным исходникам. Telegram предлагает описание того, как можно самостоятельно проверить соответствие сборки исходникам. Это хорошо (если работает – я не проверял). Я рассматриваю некоторый исходный код, доступный на GitHub-е по опубликованной ссылке.

Простое число P, представляющее собой модуль DH, поступает с сервера в ответе на запрос getDhConfig, в виде массива байтов. Свойства проверяются в telegram/messenger/SecretChatHelper.java вызовом функции Utilities.isGoodPrime(P, G); (G – это генератор, второй параметр протокола.)

if (!Utilities.isGoodPrime(res.p, res.g)) {
 acceptingChats.remove(encryptedChat.id);
 declineSecretChat(encryptedChat.id, false);
 return;
}

Вся содержательная проверка – внутри isGoodPrime() (telegram/messenger/Utilities.java). Эта функция начинается следующим фрагментом:

if (!(g >= 2 && g <= 7)) {
 return false;
}

if (prime.length != 256 || prime[0] >= 0) {
 return false;
}

BigInteger dhBI = new BigInteger(1, prime);

Первый if проверяет интервал значений генератора.
Следующий if – контролирует разрядность переданного модуля. 256 байтов – это 2048 бит. prime[0] >= 0 – тут проверяется, что старший бит установлен в единицу. Этот оборот может показаться не самым очевидным: тип byte в Java определён со знаком, соответственно, если значение больше либо равно нулю, это означает, что старший бит – нулевой (знак записи числа “плюс”); представление целых чисел большой разрядности (BigInteger – см. следующие строки) здесь использует запись, в которой старший байт – байт с нулевым индексом. Таким образом, prime[0] >= 0 проверяет, что получающееся число будет не меньше, чем 2^2047. new BigInteger(1, prime) – создаёт объект BigInteger и загружает в него значение модуля из массива prime. Единица в левом параметре конструктора – обозначает, что число положительное. Зачем нужен выше фрагмент с if, проверяющий длину и значение старшего бита? Например, сервер мог бы передать 256 байтов, в которых старшие значения были бы нулевыми, тогда длина массива соответствовала бы заданному требованию, но реальная разрядность получившегося в BigInteger числа оказалось бы меньше, так как нулевые байты слева не учитывались бы.

Дальше следует блок (здесь пропущен) из нескольких if..else if, которые, в соответствии со значением генератора, проверяют остатки по простым 3, 5, 7 и некоторым степеням 2. Этот фрагмент, наверное, можно рассмотреть в отдельной заметке из области занимательной математики. Цель проверки – контроль свойств полученного модуля (этим фрагментом вся проверка “доверия серверу” исчерпывается).

А следующая пара строк в telegram/messenger/Utilities.java довольно занимательная (приведено с сокращениями, см. детали ниже):

String hex = bytesToHex(prime);
if(hex.equals("C71CA...")) {
 return true;
}

Полученное с сервера представление модуля (prime) преобразуется в hextext – то есть, в текстовую строку с записью шестнадцатеричными цифрами, – а получившаяся строка сравнивается с константой. Если значение совпало, то модуль считается “хорошим” (обратите внимание, что выше, тем не менее, уже были необходимые проверки по малым простым для того же числа).

Непосредственно в коде зашит вот такой модуль (переносы строк добавлены для удобства – это одно число):

C71CAEB9C6B1C9048E6C522F70F13F73980D40238E3E21C14934D037563D930F
48198A0AA7C14058229493D22530F4DBFA336F6E0AC925139543AED44CCE7C37
20FD51F69458705AC68CD4FE6B6B13ABDC9746512969328454F18FAF8C595F64
2477FE96BB2A941D5BCD1D4AC8CC49880708FA9B378E3C4F3A9060BEE67CF9A4
A4A695811051907E162753B56B0F6B410DBA74D8A84B2A14B3144E0EF1284754
FD17ED950D5965B4B9DD46582DB1178D169C6BC465B0D6FF9CA3928FEF5B9AE4
E418FC15E83EBEA0F87FA9FF5EED70050DED2849F47BF959D956850CE929851F
0D8115F635B105EE2E4E15D04B2454BF6F4FADF034B10403119CD8E3B92FCC5B

Это простое число (ну, с точностью до детерминированной проверки в SAGE и вероятностной проверки в Mathematica, конечно; но это означает, что простое). То есть, в этом фрагменте – код строго верит в один конкретный модуль. Для других модулей предусмотрена проверка простоты (и статуса safe prime):

BigInteger dhBI2 = dhBI.subtract(BigInteger.valueOf(1)).divide(BigInteger.valueOf(2));
return !(!dhBI.isProbablePrime(30) || !dhBI2.isProbablePrime(30));

Здесь, с помощью вероятностного теста (это единственный способ – известные детерминированные алгоритмы слишком ресурсоёмкие), проверяется, что модуль P простое число и что (P-1)/2 – тоже простое. Обычная практика. На этом проверки заканчиваются (естественно, здесь не может быть никакой аутентификации и тому подобных дополнительных шагов).

Нужно отметить, что сравнение получившихся ключей в Telegram должны проводить сами пользователи, по отпечаткам, которые им выводит приложение. Это тоже важный момент.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2023/02/08/9543/