Hvað er dulritun?

Í þessum kafla ætlum við að kynnast dulritun (e. cryptography) og spyrja einfaldra en mikilvægra spurninga: Hvernig getum við sent leynileg skilaboð? Hvernig getum við séð hvort einhver hafi breytt gögnum? Og hvernig getum við vitað hver sendi okkur skilaboð?

Við byrjum á stóru myndinni. Við þurfum ekki að kunna þungar formúlur eða skrifa heilt dulritunarsafn til að skilja grundvallaratriðin. Það kemur síðar. Fyrst ætlum við að byggja upp orðaforða og innsæi.

Leynileg skilaboð í gegnum ótraust umhverfi

Ímyndum okkur að Anna vilji senda Bjarna skilaboð yfir internetið. Skilaboðin geta farið í gegnum marga netþjóna og netbúnað áður en þau komast til Bjarna. Flestir þeirra eru líklega traustir, en við getum ekki gengið út frá því að allir séu það.

Ef Anna sendir skilaboðin sem venjulegan texta gæti einhver sem kemst yfir gögnin lesið þau:

Anna → „Hittumst klukkan fjögur“ → Bjarni
                 ↑
              Hlerari

Við skulum kalla óboðna lesandann Marta. Hún þarf ekki endilega að vera einhver ákveðin manneskja; hún getur verið forrit, netþjónn eða hver sá sem fær aðgang að gögnunum.

Ein lausn væri að setja skilaboðin í læstan kassa. Anna læsir kassanum, sendir hann til Bjarna og Bjarni opnar hann með lykli. Í tölvuheiminum er þetta ekki bókstaflegur kassi, heldur ferli sem breytir gögnum samkvæmt ákveðnum reglum.

Sýnidæmi: ferðalag skilaboða

Við skulum gefa hlutunum nöfn:

• Textinn sem Anna vill senda kallast ódulritaður texti (e. plaintext eða cleartext).
• Aðferðin sem breytir textanum kallast dulritunaralgrím (e. encryption algorithm).
• Leyndarmálið sem stýrir aðferðinni kallast dulritunarlykill (e. encryption key).
• Útkoman kallast dulritaður texti (e. ciphertext).
• Að breyta dulritaða textanum aftur kallast dulráðning (e. decryption).

Ferlið lítur þá svona út:

Ódulritaður texti
        │
        │  dulritunaralgrím + dulritunarlykill
        ▼
Dulritaður texti  ──────► í gegnum internetið
        │
        │  dulráðningarlykill
        ▼
Ódulritaður texti

Í einfaldasta tilvikinu nota Anna og Bjarni sama leyndarmálið til að læsa og opna kassann. Síðar sjáum við að hægt er að nota tvö tengd lykilpör, en við þurfum ekki að hafa áhyggjur af því strax.

Þrjú mismunandi markmið

Þegar við segjum að við viljum „tryggja gögn“ er það ekki alltaf sama verkefnið. Oft er talað um þrjú ólík markmið.

Trúnaðarstig: hver má lesa?

Trúnaðarstig (e. confidentiality) snýst um að gögn séu aðeins aðgengileg þeim sem eiga að fá að sjá þau.

Dæmi:

• Anna sendir Bjarna persónulegt skilaboð.
• Nemandi sendir umsókn sem á ekki að vera sýnileg öllum.
• Vafri sendir aðgangsorð til vefþjóns.

Dulritun er oft notuð til að vernda trúnaðarstig gagna. Hún kemur þó ekki í veg fyrir að einhver sjái að skilaboð hafi verið send eða hversu stór þau eru. Hún felur fyrst og fremst innihaldið.

Heilleiki gagna: hefur einhver breytt þeim?

Heilleiki gagna (e. data integrity) snýst um að gögn haldist rétt og óbreytt.

Ímyndum okkur að Anna sendi Bjarna skilaboðin:

Fundurinn er klukkan 16:00.

Ef Marta breytir þeim í:

Fundurinn er klukkan 18:00.

þá hafa skilaboðin misst heilleika sinn, jafnvel þótt enginn óviðkomandi hafi lesið þau.

Auðkenning: hver sendi þetta?

Auðkenning (e. authentication) snýst um að ganga úr skugga um hver eða hvað stendur að baki skilaboðum.

Ef Bjarni fær skilaboð frá „Önnu“ vill hann ekki aðeins vita hvort einhver hafi lesið þau. Hann vill líka vita hvort skilaboðin komu í raun frá Önnu eða hvort Marta er að þykjast vera hún.

Við getum því spurt þrjár ólíkar spurningar:

Æfing: hvaða markmið er þetta?

Kóðun er ekki dulritun

Þegar texti lítur ólæsilega út er freistandi að kalla hann „dulkóðaðan“. Það er þó ekki alltaf rétt. Stundum er textinn aðeins kóðaður (e. encoded).

Kóðun breytir gögnum í annað form svo hægt sé að geyma þau eða senda þau í kerfi sem gerir ákveðnar kröfur. Kóðunin á ekki að fela gögnin og þarf yfirleitt ekkert leyndarmál.

Sýnidæmi: Base64

Strengurinn:

U2VjcmV0

lítur dálítið leyndardómsfullur út. En þetta er Base64-kóðun á textanum Secret.

Til að sjá muninn skulum við fylgja ferlinu:

1. Sendandinn breytir Secret í Base64.
2. Viðtakandinn afkóðar Base64 með sömu opinberu reglunum.
3. Enginn lykill þarf að vera leyndur.
4. Hver sem er getur gert sömu umbreytingu til baka.

Þess vegna gefur Base64 enga leynd. Það er gagnlegt þegar gögn þurfa að komast í gegnum textakerfi, en það verndar ekki leynileg skilaboð.

Æfing: kóðað eða dulritað?

Tætifall er ekki dulritun

Tætifall (e. hash function) tekur gögn af hvaða stærð sem er og býr til stutt tætigildi (e. hash value) sem virkar eins konar fingrafar gagnanna. Ef við breytum jafnvel einum staf á frumtextanum ætti tætigildið að breytast verulega.

„halló“       ──►  tætigildi A
„halló!“      ──►  tætigildi B

Tætigildið er ekki ætlað til að geyma skilaboð sem við getum svo „afkóðað“. Það er gagnlegt til dæmis til að:

• athuga hvort skrá hafi breyst,
• bera saman gögn án þess að geyma frumgögnin beint,
• geyma lykilorð á öruggari hátt þegar notuð er viðeigandi aðferð.

Sýnidæmi: skrá og fingrafar

Ímyndum okkur að við sækjum skrá og fáum líka tætigildi frá þeim sem gaf hana út.

1. Við reiknum tætigildi af skránni sem við sóttum.
2. Við berum okkar niðurstöðu saman við uppgefna niðurstöðu.
3. Ef þær eru ólíkar hefur skráin annaðhvort skemmst eða einhver breytt henni.
4. Ef þær eru eins höfum við sterka vísbendingu um að gögnin séu þau sömu.

Þetta segir okkur þó ekki sjálfkrafa hver gaf skrána út. Til þess þarf einnig auðkenningu, til dæmis stafræna undirskrift.

Lykillinn skiptir máli

Dulritunaralgrím er reglurnar sem breyta gögnunum. Dulritunarlykillinn er leyndarmálið sem velur tiltekna niðurstöðu innan þessara reglna.

Við getum líkt þessu við hengilás:

• hengilásinn er dulritunaralgrímið,
• lykillinn sem opnar hann er dulritunarlykillinn,
• læsti kassinn er dulritaði textinn.

Í raunverulegri dulritun eiga reglurnar sjálfar yfirleitt að vera þekktar. Ef kerfi er aðeins öruggt vegna þess að enginn veit hvernig það virkar, þá er það viðkvæmt um leið og einhver skoðar forritið.

Sýnidæmi: hvað þarf að vera leyndarmál?

Segjum að Anna og Bjarni noti sama dulritunaralgrím. Marta veit:

• hvaða algrím þau nota,
• hvernig skilaboðin eru send,
• hvaða útgáfu af forritinu þau nota.

Ef dulritunarlykillinn er enn leyndur ætti Marta ekki að geta lesið skilaboðin. Ef lykillinn lekur skiptir litlu máli hversu vel algrímið er hannað: Marta getur notað lykilinn til að dulráða gögnin.

Þetta er ástæðan fyrir því að við tölum mikið um lykilstjórnun í dulritun. Að velja gott algrím er aðeins hluti af verkefninu; við þurfum líka að búa til, geyma, senda og skipta um lykla á öruggan hátt.

Æfing: hvað myndir þú verja?

Hvað dulritun leysir ekki

Dulritun er öflugt verkfæri, en hún er ekki töfrasproti.

• Hún verndar ekki lykil sem notandi skrifar á miða við hliðina á tölvunni.
• Hún auðkennir ekki sjálfkrafa hverjum skilaboðin eiga að berast.
• Hún tryggir ekki að forritið sem notar dulritun sé laust við villur.
• Hún kemur ekki í veg fyrir að notandi sé blekktur til að gefa upp lykilinn.
• Hún leysir ekki öll vandamál um aðgengi, afritun eða tiltækileika.

Góð dulritun er því hluti af stærra kerfi. Við þurfum líka örugg forrit, trausta uppsetningu, góða lykilstjórnun og notendur sem vita hvað þeir eru að samþykkja.

Samantekt

Í þessum kafla lærðum við að:

• dulritun notar reglur og lykla til að vernda gögn,
• ódulritaður texti er gögnin áður en þau eru dulrituð,
• dulritaður texti er útkoman sem á að vera ólæsileg án réttra upplýsinga,
• dulráðning breytir dulrituðum gögnum aftur í fyrra form,
• kóðun er ekki það sama og dulritun,
• tætifall er ekki það sama og dulritun,
• við getum hugsað um þrjú markmið: trúnaðarstig, heilleika gagna og auðkenningu,
• vel hönnuð dulritun byggir á leynd lykilsins, ekki á því að leyna algríminu,
• dulritun er aðeins einn hluti af stærra öryggiskerfi.

Í næsta kafla ætlum við að nota þessi hugtök á einfaldar klassískar dulritunaraðferðir. Þar fáum við að prófa okkur áfram með stafi, mynstur og skilaboð áður en stærðfræðin kemur inn í myndina.