Направления развития гомоморфного шифрования в Российской Федерации

В статье представлены результаты исследования направлений развития гомоморфного шифрования в Российской Федерации в настоящее время. Выявлены четыре актуальных направления: разработка симметричного полностью гомоморфного шифрования, где за основу взяты неприводимые матричные полиномы; разработка симметричных полностью гомоморфных линейных криптосистем на основе задачи факторизации чисел; разработка пороговых систем гомоморфного шифрования и защита информации в облачных вычислениях, а также исследование методов обеспечения конфиденциальности вычислений в облачной среде на основе китайской теоремы об остатках.

Ключевые слова: гомоморфное шифрование, полностью гомоморфная криптосистема; пороговая система гомоморфного шифрования.

Цель проведенного исследования состояла в выявлении актуальных направлений развития гомоморфного шифрования российскими учеными.

Под гомоморфным шифрованием понимается криптографический примитив, который представляет собой функцию шифрования, удовлетворяющую дополнительному требованию гомоморфности относительно каких-либо алгебраических операций над открытыми текстами [1, с. 27].

В основе понятия «гомоморфное шифрование» находится понятие «privacy homomorphism», введенное Ривестом (Rivest) в статье «On data banks and privacy homomorphism» [2].

Математически «privacy homomorphism» можно описать следующим образом:

Пусть даны две алгебраические системы:

C =

где S и — множества; , — функции; , — предикаты, определённые на множествах S и соответственно, а {S, {} — известные константы.

а также:

a) функции  и легко вычислимы;

b) операции и предикаты так же эффективно вычислимы;

c) представление «зашифрованного» значения (, где S, занимает не слишком много места по сравнению с ;

d) знания ( для большого количества недостаточно для восстановления φ (атака с известным шифротекстом)

e) знание некоторых пар (,() недостаточно для восстановления  (атака с подобранным открытым текстом)

f) знания алгоритмов вычисления операций и предикатов недостаточно для построения алгоритма вычисления .

Создание наиболее эффективной и полностью гомоморфной криптографической системы смогло бы обеспечить практическую реализацию в аутсорсинге закрытых вычислений, примером могут быть облачные вычисления. Использование гомоморфного шифрования смогло бы объединить вместе различные услуги, при этом не предоставляя данные для каждой конкретной услуге. Например, объединение услуг каких-либо различных компаний позволило бы последовательно рассчитать налог, учитывая последние изменения, применить к нему обменный курс и отправить необходимые документы для совершения сделки, при этом имея возможность не предоставлять фактические данные для каждой из задействованных услуг.

Гомоморфное свойство, используемое в различных криптографических системах, может быть применимо для создания наиболее безопасных систем голосования, всевозможных хеш-функций, которые будут стойки к коллизиям, закрытой информации поисковых систем, и сможет обеспечить гарантированную конфиденциальность обработанных данных в широком использовании публичных облачных вычислений.

Во-первых, для модификации утерянных или удаленных данных необходимо будет передать секретный ключ по сети, иначе говоря, потребуется его раскрытие, что, конечно же, подставит под угрозу безопасность. Во-вторых, коренной недостаток, присущий гомоморфным криптосистемам, состоит в том, что в атаках на них может использоваться их дополнительная структура. К примеру, при использовании исходного варианта RSA для цифровой подписи произведение двух подписей будет давать корректную подпись для произведения двух соответствующих сообщений. Хотя есть много способов избежать такой атаки, к примеру, применяя хэш-функции, или используя избыточность вероятностных криптосистем, есть также более сложные атаки, где показывается нестойкость криптосхем. Для криптосхем с открытым ключом желание повысить криптостойкость приводит к снижению эффективности. Данный недостаток можно преодолеть снижением требований к криптосхеме, а именно позволив ей быть симметричной, но компактной и криптостойкой к атаке на основе известных открытых текстов.

В-третьих, одной из существенных проблем известных полностью гомоморфных криптосистем является их крайне низкая производительность. В настоящее время существует два основных пути её повышения: использование «ограниченного гомоморфизма» (и так называемый «метод упаковки шифротекстов». Первый подразумевает криптосистему, которая может выполнять операции двух видов (сложения и умножение), но в ограниченном количестве. Суть второго в том, что в один шифротекст записывается сразу несколько открытых текстов, и при этом в процессе одиночной операции такого пакетного шифротекста происходит одновременная обработка всех входящих в него шифротекстов.

В-четвертых, если рассматривать свойство гомоморфности функции шифрования с точки зрения криптографических приложений, то оно уже не всегда может расцениваться как достоинство криптосистемы. Существуют примеры, когда данное свойство уже относится к слабостям. Например, преобразование, обратное функции шифрования криптосистемы RSA, задействовано в схеме электронной подписи RSA для генерации подписей. Пусть дано сообщение m, тогда подпись будет вычисляться по формуле s=m*dmodN, где d — секретная экспонента. Легко понять, что и это обратное преобразование будет гомоморфно относительно операции произведения сообщений. В конечном итоге, будет иметься следующий способ фальсификации подписей [1. С. 30].

В настоящее время ведутся активные исследования в области гомоморфного шифрования. В качестве основных направлений его развития можно назвать следующие.

Во-первых, разработка симметричного полностью гомоморфного шифрования с использованием неприводимых матричных полиномов. В Российской Федерации в данной области работает Ф. Б. Буртыка, который предложил проводить шифрование в два раунда: в начале берутся открытые тексты, которые являются элементами кольца вычетов, после чего кодируются в матрицы с использованием секретного вектора, а затем эти матрицы отображаются в матричные полиномы с использованием секретного неприводимого матричного полинома. Дешифрование также происходит в два раунда [3; 4].

Во-вторых, разработка симметричных полностью гомоморфных линейных криптосистем на основе задачи факторизации чисел. В числе российских ученых, работающих в данном направлении, можно назвать А. В. Трепачеву [5], П. К. Бабенко [6].Криптостойкость данных систем обосновывается использованием сложности решения задачи факторизации больших чисел.

В-третьих, разработка пороговых систем гомоморфного шифрования и защита информации в облачных вычислениях. Исследования в данном направлении ведут Варновский Н. П., Мартишин С. А., Храпченко М. В., Шокуров А. В. Ими предложен протокол облачных вычислений над конфиденциальными данными в модели с вспомогательными криптосерверами. В результате получена система, не требующая дополнительного открытого ключа и заменяющая наиболее неэффективную и проблемную процедуру перешифрования (bootstrapping) более эффективным протоколом перешифрования, выполняемым криптосерверами [7].

Четвертое направление развития гомоморфного шифрования в Российской Федерации — исследование методов обеспечения конфиденциальности вычислений в облачной среде на основе китайской теоремы об остатках. В данном направлении работают Червяков Н. И., Кучеров Н. Н., которые исследуют применимость пороговых схем разделения секрета для обеспечения безопасности облачных вычислений, а также неприменимость схемы разделения секрета Шамира. В сфере их научных интересов находятся также пороговые схемы разделения секрета Миньотта, Асмута-Блума и схемы HORNS и их модификаций, которые базируются на китайской теореме об остатках.

Таким образом, можно выделить следующие четыре направления развития гомоморфного шифрования в настоящее время в России: разработка симметричного полностью гомоморфного шифрования с использованием неприводимых матричных полиномов; разработка симметричных полностью гомоморфных линейных криптосистем на основе задачи факторизации чисел; разработка пороговых систем гомоморфного шифрования и защита информации в облачных вычислениях, а также исследование методов обеспечения конфиденциальности вычислений в облачной среде на основе китайской теоремы об остатках.

Литература:

1. Варновский Н. П., Шокуров А. В. Гомоморфное шифрование // Труды Института системного программирования РАН. 2007. № 12. С. 27–36.
2. Rivest, R. L. On data banks and privacy homomorphism / R. L. Rivest, L. Adleman, M. L. Dertouzos // Foundations of secure computation. -1978. –Vol. 32, no. 4. –Pp. 169–178.
3. Буртыка Ф. Б. Симметричное полностью гомоморфное шифрование с использованием неприводимых матричных полиномов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 8. С. 107–122.
4. Буртыка Ф. Б. Пакетное симметричное полностью гомоморфное шифрование на основе матричных полиномов // Труды Института системного программирования РАН. 2014. Т. 26. № -5. С. 99–116.
5. Трепачева А. В. Криптоанализ симметричных полностью гомоморфных линейных криптосистем на основе задачи факторизации чисел // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 5 (166). С. 89–102.
6. Трепачева А. В., Бабенко Л. К. Формальный криптоанализ полностью гомоморфных систем, использующих задачу факторизации чисел // Информационное противодействие угрозам терроризма. 2015. № 24. С. 283–286.
7. Варновский Н. П., Мартишин С. А., Храпченко М. В., Шокуров А. В. Пороговые системы гомоморфного шифрования и защита информации в облачных вычислениях // Программирование. 2015. № 4. С. 47–51.
8. Червяков Н. И., Кучеров Н. Н. Исследование методов обеспечения конфиденциальности вычислений в облачной среде на основе китайской теоремы об остатках // Сборник научных трудов ВНИИ ОиК. 2015. Т. 1. № 8. С. 633–635.