Category: cryptography

ハッシュはあらゆるデータに対して、相違なる識別子を割り振る仕組み
認証や署名などに必須の要素技術

指紋認証などは、その特徴量は容易に複製されないことを前提としている

ハッシュ関数とは、任意のデータから、予め決められた範囲内の値を計算する関数
同じデータを入力すると常に同じ値が得られる
L 出力サイズが一定: SHA256は出力ハッシュ値はいつも256ビット。サイズの大きなデータはデータが欠損している
L 一方向性、衝突困難性: データが一致しているかを調べるにはハッシュ値の値が同一かを確認すれば良い

MD5, SHA-1は衝突する。SHA256, SHA3は今の所安全とされている
予めよく使われる単語を用意したり、パスワードとしてよく使われるパスワードはすぐにバレてしまう。携帯電話も同様。文字数が長くなると計算時間がかかる 8文字の場合は高性能GPUだと8時間で解明されてしまう

### SHA-2(256)とSHA-3
SHA-256が広く使われている
入力データを512ビットごとのブロックに分割する
あまりにデータの収量を示す1ビットの1を追加
0をあまりのサイズが448ビットになるように追加する
最後に64ビット整数の形式で追加して全体が512ビットの倍数になるように調整
↑
paddingと書く

8個の32ビット整数からなる256ビットの内部状態Sを準備する
内部状態SとブロックBを入力して新しい内部状態Sを出力する圧縮関数fを準備する
内部状態Sを初期化IVで初期化し、各ブロックを入力して順次内部状態を更新する
SHA-256の方が高速に処理される

### SHA-3
マークルダンガード構造ではなくスポンジ構造を採用している。吸収フェーズと搾取フェーズがある

RSA暗号は冪乗の余りが持つ性質を利用した暗号

二つの素数pとqを選び、その二つをかけてn = pxqとする
整数2を選ぶ e.g. e=65537
e x d = (p-1)x(q-1)で割ったあまりとなるような整数dを探す
dが秘密鍵で nとeのペア(n, e)が公開鍵

nの素因数分解ができような大きなnを選ぶ必要がある
落としどつき一方向関数という
RSA暗号の基本方式は安全ではないとされ、RSA-OAEPが推奨されている

### OpenSSLによるRSA暗号の鍵の作り方
$ openssl version
OpenSSL 1.1.1f 31 Mar 2020

秘密鍵ファイルの作成
$ openssl genrsa 2048 > sec-test-key.txt
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus (2 primes)
…………+++++
………………………………………..+++++
e is 65537 (0x010001)

公開鍵の作成
$ openssl rsa -pubout < sec-test-key.txt > pub-test-key.txt
writing RSA key

確認方法
$ openssl rsa -text -pubin -noout < pub-test-key.txt RSA Public-Key: (2048 bit) Modulus: 00:ac:d4:b1:05:d5:86:6d:83:4a:34:65:62:b9:b9: d3:08:eb:23:ec:8f:11:4b:5d:f1:90:59:cd:b0:0f: 83:15:a5:90:09:f2:d6:13:9f:89:b4:98:cb:7c:1d: // 省略 df:5b:ce:c4:03:55:14:b8:d2:30:7d:f3:99:03:96: df:eb:cb:69:79:e3:b8:12:e4:80:b3:b3:7a:71:e9: 09:b9 Exponent: 65537 (0x10001) $ openssl rsa -text -noout < sec-test-key.txt RSA Private-Key: (2048 bit, 2 primes) ※privateExponentが秘密鍵を示す Pythonによる動作確認 def convert_to_int(s): return int("".join(s.split()).replace(":",""),16) n=convert_to_int(""" 00:ac:d4:b1:05:d5:86:6d:83:4a:34:65:62:b9:b9: d3:08:eb:23:ec:8f:11:4b:5d:f1:90:59:cd:b0:0f: 83:15:a5:90:09:f2:d6:13:9f:89:b4:98:cb:7c:1d: 81:13:d6:f8:f2:b7:b0:ac:03:3d:d5:00:f6:10:0f: 　　　　　　　　// 省略 14:0a:71:96:e1:0d:48:ee:8b:b1:74:ed:3b:c2:15: 3e:47:d9:1b:8c:5a:d3:a3:89:7a:20:37:6d:42:23: 3b:d2:3f:7a:5b:e4:75:c2:b7:89:d7:6b:48:8e:bd: df:5b:ce:c4:03:55:14:b8:d2:30:7d:f3:99:03:96: df:eb:cb:69:79:e3:b8:12:e4:80:b3:b3:7a:71:e9: 09:b9 """) d=convert_to_int(""" 00:8d:04:d6:94:2e:0f:8b:97:ce:9a:46:07:72:07: 7f:7c:0d:70:b8:7a:5b:e0:24:fd:0f:8d:56:d9:4b: 2e:e8:20:b9:10:85:05:cb:e9:26:d1:26:c3:11:b8: 79:33:98:fa:74:01:11:b4:a8:c8:70:de:61:e7:e4: // 省略 b1:a2:ae:51:87:38:48:4b:70:ce:90:9b:3c:10:d0: 37:8b:84:73:56:c7:25:e2:f7:7e:ca:9a:eb:09:47: 42:52:6a:3b:d4:c3:04:87:27:8e:54:93:af:4b:04: 4e:02:23:1b:24:0a:49:63:ce:b8:5d:fd:7b:5d:c6: 13:26:3a:00:75:9c:51:bd:1d:cb:f2:40:c3:a2:6c: ad:01 """) e=65537 m=123456789 c=pow(m,e,n) c x=pow(c,d,n) x

有限体と拡大体はAESや楕円曲線暗号など様々な暗号技術を実装しようとしたときに必要となる知識
加減乗除の四則演算ができる集合を体という
実数の集合や分数の集合は体なので実数体や有理数体という　　有限個の集合からなる体は有限体という

### 拡大体
共通鍵暗号AES、ディスク暗号化XTS-AES、認証付き暗号で紹介するAES-GCMなどではF2の拡大体の演算が使われる

素数p未満の集合{0, 1, …, p-1}に四則演算の規則を入れたものを有限体Fpという
有限体F2をk個まとめて新たな四則演算を入れたものをF2の拡大体F2kという
有限体や拡大体は様々な暗号技術で利用されている

鍵共有とは秘匿されていない通信経路を用いて安全に秘密情報を共有するための仕組み
L 1976年に鍵共有方法、公開鍵暗号、署名の概念を発表

### 冪乗
(g^a)^b = g^ab = g^ba = (g^b)^a

xをnで割った余りがrの時、r = x mod nと書く　。プログラミング言語では x % n と表記する

冪乗の性質を使ってアリスとボブは鍵共有をする(DH鍵交換という)
1. アリスとボブでgとnを決めて固定する
2. アリスは秘密の値aを決めて A = g^a mod n を求めてボブに渡す
3. ボブも秘密の値bを決めて B = g^b mod n を求めてアリスに渡す
4. アリスはボブからもらったBから s = B^a mod n を求める
5. ボブもアリスからもらったAから s’ = A^b mod n を求める
冪乗の性質から s = s’ = g^ab(mod n)となる　これがアリスとボブで共有した値で、共通鍵暗号の秘密鍵など二人だけしか知らない秘密の情報として利用する

DH鍵共有の安全性… DHP(DH Problem)はスーパーコンピュータでも解けないだろうとされている
ある向きの計算は簡単だが、その逆向きの計算が難しい関数を一方向性関数という
DH鍵共有はDHPやDLPといった数学的な問題の困難さを安全性の根拠にしている

TMP(Trusted Platform Module)はパソコンやスマートフォンに組み込まれているセキュリティ専用チップ
TMPはTCGが定めていて、TMP2.0は標準規格になっている
XTS-AESはブロック暗号AESを使った暗号方法の一つで、WindowsのBitLocker, macOSのFileVault2, Linuzのdm-cryptなどディスク暗号化ソフトウェアで利用される

安全に暗号通信するには平文の情報を漏らさないだけでなく暗号文の改竄攻撃も想定しなければならない

確率的アルゴリズムは安全な暗号文を作るために必要
暗号を繰り返し使って安全であるためには、同じ平文を暗号化して毎回異なる暗号文にならないといけない
EBCモードで暗号化すると、16バイトずつ暗号化しているので同じパターンが現れると同じ暗号データになってしまう
-> CBCモードでの暗号化が開発された
-> 同じ値を出力するのを決定的アルゴリズムという。一方、毎回異なる出力をするアルゴリズムを確率的アルゴリズム(CBCモード)という

### ECB(Electronic CodeBook)モード
平文をブロックに分割し、それぞれを暗号化して暗号文を作る方式

### CBC(Cipher Block Chaining)モード
CBCモードは平文をそのまま暗号化するのではなく、一つ前の暗号文ブロックと排他的論理和をとってから暗号化する
先頭の平文ブロックには一つ前の暗号文が無いので初期化ベクトルを用いる

### CTR(CounTeR)モード
ブロック暗号を使って擬似乱数を生成し、ストリーム暗号として利用するモード

CBCモードは大きな平文があった時にそれを分割して複数CPUを使って暗号化を並列処理することはできない
CTRモードは各暗号文が独立なので複数CPUを使って並列処理できる

CBCモードは以前はよく使われていたが最近は避けられる傾向にある
サーバは暗号に関するエラー情報を不用意に返さないようにする

include("chilkat_9_5_0.php");

$crypt = new CkCrypt2();

$crypt->put_CryptAlgorithm('chacha20');
$crypt->put_KeyLength(256);

$crypt->put_EncodingMode('hex');

$ivHex = '000000000000000000000002';
$crypt->SetEncodedIV($ivHex, 'hex');

$crypt->put_InitialCount(42);
$keyHex = '1c9240a5eb55d38af333888604f6b5f0473917c1402b80099dca5cbc207075c0';
$crypt->SetEncodedKey($keyHex, 'hex');

$plainText = ''Twas brillig, and the slithy toves\nDid gyre and gimble in the wabe:\nAll mimsy were the borogoves,\nAnd the mome raths outgrabe.'';

$encStr = $crypt->ecnryptStringENC($plainText);
print $encStr . "\n";

$decStr = $crypt->decryptStringENC($encStr);
print $decStr . "\n";

$data = 'あいうえおかきくけこさしすせそ';

$ciphers = openssl_get_cipher_methods();
print_r($ciphers);

$method = 'AES-256-CBC';

$iv_length = openssl_cipher_iv_length($method);
$iv = openssl_random_pseudo_bytes($iv_length);

$option = 0;

$encrypted = openssl_encrypt($data, $method, $password, $options, $iv);
echo "暗号文": .$encrypted . "\n";

$decrypted = openssl_decrypt($ecnrypted, $method, $password, $options, $iv);
echo "平文" . $decrypted . "\n";

ストリーム暗号は擬似乱数生成器を使うことでワンタイムパッドの問題を解決した共通鍵暗号
事前に共有すべき秘密鍵はシードだけで済む。そのような共通鍵暗号をストリーム暗号という
ただし、擬似乱数生成器では生成できない値が存在する
計算量的安全性を持つ
1987年にRC4が設計されたが平文解読攻撃が提案された。2008年にバーンスタインがChaCha20と呼ばれるストリーム暗号を開発
Intel CPUやARMの一部CPUでAES専用のハードウェア支援機構があり高速に処理されるがモバイルや組み込み環境ではChaCha20のほうがAESより高速
秘密鍵と一緒にnonceと呼ばれる値を擬似ランダム関数に入力することで繰り返し利用できる

ChaCha20
ChaCha20は256ビットの秘密鍵と96ビットのナンスを元に512ビットずつの擬似乱数を生成する
　　生成した乱数と平文の排他的論理和をとって暗号文にするストリーム暗号
　　k, n, b, c(初期定数) 8×10回繰り返す