Реальная криптография

Предисловие
Книга, которая создавалась много лет
Реальный учебный план для криптографов
Где находится большинство ошибок
Нужно ли было писать еще одну книгу?
Благодарности
О книге
Кому следует прочитать книгу
Студенты
Практикующие специалисты
Разработчики, прямо или косвенно использующие
криптографию . . .
Криптографы, интересующиеся другими областями
Инженеры и менеджеры по продуктам, желающие
лучше разобраться
в теме
Люди, которые хотят узнать о криптографии,
применяемой
в реальной жизни
Уровень подготовки читателя
Как организована книга
Примеры исходного кода
От издательства
Об авторе
Иллюстрация на обложке
Часть I. Примитивы: криптографические
ингредиенты
Глава 1. Введение
1.1. Криптография как защита протоколов
1.2 . Симметричная криптография . Что такое
симметричное шифрование . .
1 .3 . Принцип Керкгоффса: секретом
является только ключ
1 .4 . Асимметричная криптография: два
ключа лучше одного
1. 4.1. Обмен ключами, или Как получить общий
секрет
1.4.2 . Асимметричное шифрование, не похожее
на симметричное
1. 4 . 3 . Цифровые подписи, прямо как подписи на
бумаге
1.5 . Классификация и обобщение в области
криптографии
1.6 . Криптография в теории и криптография
реального мира
1.7 . От теории к практике: выбери себе
приключение
1 . 8 . Предупреждение
Резюме
Глава 2. Хеш-функции
2 1 Что такое хеш-функция
2 2 Свойства безопасности хеш-функции
2 .3 . Методы обеспечения безопасности
для хеш-функций
2 .4 . Хеш-функции на практике
2 .4.1. Обязательства
2 .4.2 . Целостность субресурсов
2 . 4 . 3 . BitTorrent
2 .4 .4 . Tor
2.5 . Стандартизированные хеш-функции
2.5.1. Хеш-функция SHA-2
2.5.2 . Хеш-функция SHA-3
2.5 .3 . SHAKE и cSHAKE - две функции
расширенного выхода (XOF) .
2.5 .4 . Избегание неоднозначного
хеширования
с помощью TupleHash
2 6 Хеширование паролей Резюме
Глава 3. Имитовставки
3 .1. Файлы cookie без сохранения
состояния: поясняющий пример
имитовставок
3 2 Пример с кодом
3 3 Свойства безопасности имитовставки
3 . 3.1. Подделка аутентификационного
тега
3 .3.2 . Длина аутентификационного тега
3 .3 .3 . Атаки повторного воспроизведения
3 .3 .4 . Проверка аутентификационных тегов за
постоянное время
3 4 Имитовставка в реальном мире 3 4 1
Аутентификация сообщения
3 .4.2 . Получение ключей
3 .4 .3 . Целостность файлов cookie
3 . 4 . 4 . Хеш-таблицы
3.5 . Практическое использование
имитовставок
3.5.1. HMAC - имитовставка с использованием
хеш-функции
3.5.2 . KMAC - имитовставка с использованием
cSHAKE
3.6 . SHA-2 и атаки удлинением сообщения
Резюме
Глава 4. Аутентифицированное шифрование
4 . 1. Что такое шифр
4.2 . Блочный шифр Advanced Encryption
Standard
4.2.1. Какой уровень криптостойкости
обеспечивает AES
4.2.2 . Интерфейс AES
4.2 .3 . Внутренняя структура AES
4.3 . Зашифрованный пингвин и режим
сцепления блоков шифротекста . .
4.4 . Отсутствие подлинности и решение
проблемы
в виде AES-CBC-HMAC
4 5 Комплексные конструкции
Аутентифицированное шифрование
4.5.1. Что такое аутентифицированное
шифрование с присоединенными данными
4.5.2 . AEAD-алгоритм AES-GCM
4.5 .3 . ChaCha20Poly1305
4.6 . Другие виды симметричного шифрования
4.6 .1. Обертка ключа
4.6.2 . Аутентифицированное шифрование,
устойчивое к некорректному применению nonce
4.6.3 . Шифрование диска
4 6 4 Шифрование базы данных Резюме
Глава 5. Обмен ключами
5 1 Что такое обмен ключами
5 2 Алгоритм обмена ключами Диффи -
Хеллмана
5.2.1. Теория групп
5.2.2 . Задача дискретного логарифма - основа
алгоритма Диффи - Хеллмана
5.2 .3 . Стандарты, описывающие алгоритм
Диффи - Хеллмана
5.3 . Алгоритм обмена ключами Диффи -
Хеллмана
на эллиптических кривых
5 . 3.1. Что такое эллиптические кривые
5 3 2 Как работает протокол обмена ключами
Диффи - Хеллмана
на эллиптических кривых
5 .3 .3 . Стандарты, описывающие алгоритм
Диффи - Хеллмана на эллиптических кривых
5 4 Атаки через малые подгруппы и другие
аспекты безопасности Резюме
Глава 6. Асимметричный и гибридный виды
шифрования
6 .1. Что такое асимметричное шифрование
6.2 . Практическое применение
асимметричного шифрования
и гибридное шифрование
6.2.1. Обмен ключами и инкапсуляция ключа
6.2.2 . Гибридное шифрование
6.3 . Асимметричное шифрование посредством
алгоритма RSA:
большее и меньшее зло
6.3.1. Классический алгоритм RSA
6.3.2 . Почему не стоит использовать RSA
PKCS#1 v1. 5
6.3 .3 . Асимметричное шифрование с
помощью RSA-OAEP
6.4 . Гибридное шифрование с помощью
алгоритма ECIES
Резюме
Глава 7. Подписи и доказательства с нулевым
разглашением
7 .1. Что такое подпись
7.1.1. Как на практике происходит добавление
и проверка подписи . . . .
7.1. 2 . Основной пример применения подписей
- аутентифицированный обмен ключами
7.1. 3 . Использование подписей в реальном
мире . Инфраструктура открытых ключей
7.2 . Доказательства с нулевым
разглашением . Происхождение подписей. . .
7.2.1. Протокол идентификации Шнорра -
интерактивное доказательство с нулевым
разглашением
7.2.2 . Подписи как неинтерактивные
доказательства с нулевым разглашением
7.3 . Алгоритмы подписи, которые следует
(или не стоит) использовать. . . .
7 .3.1. Плохой стандарт RSA PKCS#1 v1. 5
7 .3.2 . Лучший стандарт RSA-PSS
7 .3 .3 . Алгоритм цифровой подписи на
эллиптических кривых
7 .3 .4 . Алгоритм цифровой подписи на кривой
Эдвардса
7.4 . Тонкости схем подписи
7 4 1 Атаки на подписи через подмену 7 4 2
Деформируемость подписи Резюме
Глава 8. Случайность и секреты
8 .1. Что такое случайность
8.2 . Медленная генерация случайности? На
помощь придет генератор
псевдослучайных чисел 8 3 Генерация случайности
на практике
8 4 Генерация случайности и требования
обеспечения безопасности 8 5 Открытая
случайность
8.6 . Формирование ключей с помощью HKDF
8.7 . Управление ключами и секретами
8 8 Децентрализация доверия с помощью
пороговой криптографии Резюме
Часть II. Протоколы: рецепты применения
криптографии
Глава 9. Безопасная передача данных
9 .1. Протоколы SSL и TLS
9.1.1. От SSL к TLS
9 1 2 Практическое применение протокола
TLS
9.2 . Принцип работы протокола TLS
9.2.1. TLS-рукопожатие
9.2.2 . Шифрование данных приложения с
помощью протокола TLS 1 3
9.3 . Современное состояние зашифрованного
веба
9.4 . Другие безопасные транспортные
протоколы
9.5 . Протокольный фреймворк Noise -
современная альтернатива TLS . . . .
9.5.1. Схемы рукопожатия фреймворка Noise
9.5.2 . Процесс рукопожатия при использовании
фреймворка Noise . . . .
Резюме
Глава 10. Сквозное шифрование
10.1. Зачем нужно сквозное шифрование
10.2 . Корня доверия нигде не найти
10 .3 . Провалы в сфере шифрования
электронной почты
10 .3.1 . PGP или GPG? И как все это работает
10 .3.2 . Масштабирование доверия между
пользователями
с помощью сети доверия
10 .3 .3 . Обнаружение ключей - это
настоящая проблема
10 .3 .4 . Если не PGP, то что?
10 .4 . Безопасный обмен сообщениями .
Современный взгляд на сквозное
шифрование на примере протокола Signal
10 .4.1 . Большее удобство для пользователя по
сравнению с WOT: доверяй, но проверяй
10 .4.2 . X3DH - рукопожатие в рамках протокола
Signal
10 .4 .3 . Двойной храповик - протокол
Signal, используемый после рукопожатия
10.5 . Текущее состояние области сквозного
шифрования
Резюме
Глава 11. Аутентификация пользователей
11 1 Краткий обзор темы аутентификации
11. 2 . Аутентификация пользователей, или
Попытка избавиться от паролей
11 2 1 Один пароль для всего Технология
единого входа и менеджеры паролей
11 2 2 Не хотите видеть их пароли?
Используйте асимметричный
обмен ключами с парольной аутентификацией
11 2 3 Одноразовые пароли - это не совсем
пароли: беспарольная
аутентификация с симметричными ключами
11 2 4 Замена паролей асимметричными
ключами
11. 3 . Аутентификация, управляемая
пользователем, - сопряжение
устройств при участии человека
11.3.1 . Предварительно распределенные ключи
11. 3.2 . Симметричный обмен ключами с парольной
аутентификацией
с протоколом CPace
11. 3 . 3 . Чтобы проверить, не подвергся ли ваш
обмен ключами атаке посредника, используйте
короткую аутентификационную строку
Резюме
Глава 12. Криптография и криптовалюты
12.1. Знакомство с византийскими
отказоустойчивыми алгоритмами консенсуса
12 1 1 Проблема устойчивости и
распределенные протоколы
12.1. 2 . Децентрализация помогает решить
проблему доверия
12.1. 3 . Проблема масштаба . Общедоступные
и устойчивые к цензуре сети
12.2 . Принцип работы системы Bitcoin
12.2.1 . Обработка пользовательских балансов и
транзакций
в системе Bitcoin
12.2.2 . Добыча BTC в эпоху цифрового золота
12.2 . 3 . Форки . Разрешение конфликтов при
добыче криптовалюты . . .
12.2 .4 . Уменьшение размера блока с помощью
деревьев Меркла
12 . 3 . Экскурсия по миру криптовалют
12 .3.1 . Волатильность
12 .3.2 . Время ожидания
12 .3 .3 . Размер блокчейна
12 . 3 . 4 . Конфиденциальность
12 .3.5 . Энергоэффективность
12 .4 . DiemBFT - византийский
отказоустойчивый протокол консенсуса . .
12 .4.1 . Безопасность и живость - два свойства
протокола консенсуса BFT
12 .4.2 . Раунд в протоколе DiemBFT
12 .4 .3 . Какое количество нечестных участников
допускает протокол . .
12 .4 .4 . Правила голосования в DiemBFT
12 .4.5 . Когда транзакции считаются
завершенными
12 .4.6. Интуитивное понимание безопасности
протокола DiemBFT. . . Резюме
Глава 13. Аппаратная криптография
13 1 Модель злоумышленника в современной
криптографии
13.2 . Недоверенные среды - аппаратное
обеспечение спешит на помощь . .
13.2.1 . Криптография белого ящика - это
плохая идея
13.2.2 . Они в вашем бумажнике: смарт-карты и
защищенные элементы
13.2 .3 . Излюбленные банками аппаратные
модули безопасности
13.2 .4 . Доверенные платформенные модули -
полезная
стандартизация защищенных элементов
13.2.5 . Конфиденциальные вычисления с
помощью доверенной среды выполнения
13 .3 . Какое решение подходит именно мне?
13 .4 . Криптография, устойчивая к утечкам,
или Как смягчить атаки
по сторонним каналам в программном обеспечении
13 .4.1 . Программирование операций,
выполняемых за постоянное время
13 . 4.2 . Не используйте секрет! Маскировка
и ослепление
13 . 4 . 3 . А как насчет атак по ошибкам
вычислений?
Резюме
Глава 14. Постквантовая криптография
14.1 . Что такое квантовые компьютеры и
почему они пугают криптографов .
14.1.1 . Квантовая механика, изучение
мельчайших частиц
14.1. 2 . От создания квантовых компьютеров
до квантового превосходства
14.1.3 . Влияние алгоритмов Гровера и Шора на
криптографию
14.1. 4 . Постквантовая криптография, защита
от квантовых компьютеров
14.2 . Подписи на основе хеша: не нужно
ничего, кроме хеш-функции
14.2.1 . Одноразовые подписи с подписями
Лэмпорта
14.2.2 . Ключи меньшего размера с
одноразовыми подписями Винтерница
14.2 .3 . Многоразовые подписи с XMSS и
SPHINCS+
14 .3 . Сокращение длины ключей и
подписей с помощью криптографии
на решетках
14 .3.1 . Что такое решетка
14.3.2 . Обучение с ошибками - основа для
криптографических систем?
14 . 3 . 3 . Kyber - обмен ключами на основе
решеток
14 .3 .4 . Dilithium - схема цифровой подписи
на основе решетки
14 4 Стоит ли паниковать
Резюме
Глава 15. Криптография следующего поколения
15.1. Чем больше народу, тем веселее:
защищенные многосторонние вычисления
15 1 1 Пересечение закрытых множеств
15.1. 2 . MPC общего назначения
15.1.3 . Текущее состояние дел в сфере MPC
15.2 . Полностью гомоморфное шифрование и
обещание
зашифрованного облака
15.2.1 . Пример гомоморфного шифрования с
помощью алгоритма RSA. 15 2 2 Различные типы
гомоморфного шифрования
15.2 .3 . Перешифрование - ключ к полностью
гомоморфному шифрованию
15.2 .4 . Схема полностью гомоморфного
шифрования, основанная
на задаче обучения с ошибками
15.2.5 . Сфера применения полностью
гомоморфного шифрования . .
15 .3 . Многоцелевые доказательства с
нулевым разглашением
15 .3.1 . Принцип работы схем zk-SNARK
15 .3.2 . Гомоморфные обязательства для
сокрытия частей доказательства
15 .3 .3 . Билинейные спаривания для
улучшения гомоморфных обязательств
15 .3 .4 . Откуда берется лаконичность
15 .3.5 . От программ к многочленам
15 .3.6. Программы предназначены для
компьютеров, а нам нужны арифметические схемы
15 .3.7 . От арифметической схемы к системе
ограничений ранга 1 . . .
15 .3 .8 . От системы ограничений ранга 1 к
многочлену
15 .3 .9 . Для вычисления значения многочлена,
скрытого
в экспоненте, нужны двое
Резюме
Глава 16. Условия, в которых криптография может
не сработать
16 .1. Поиск подходящего
криптографического примитива
или протокола - скучное занятие
16.2 . Как использовать криптографический
примитив или протокол .
Вежливые стандарты и формальная верификация
16 3 Где искать хорошие библиотеки
16.4 . Злоупотребление криптографией .
Разработчики -
главные враги
16.5 . Вы делаете это неправильно: удобная
безопасность
16 6 Криптография - это не изолированный
остров
16 7 Ваша обязанность как практикующего
криптографа состоит в том, чтобы не
развертывать собственную криптографию Резюме
Приложение. Ответы к упражнениям