Протокол - это последовательность шагов, которые предпринимают две или большее количество сторон для совместного решения некоторой задачи. Следует обратить внимание на то, что все шаги предпринимаются в порядке строгой очередности и ни один из них не может быть сделан прежде, чем закончится предыдущий.
Кроме того, любой протокол подразумевает участие двух сторон. В одиночку можно смешать и выпить коктейль, но к протоколу эти действия не будут иметь никакого отношения. Поэтому придется угостить кого-нибудь сделанным коктейлем, чтобы его приготовление и дегустация стали настоящим протоколом. И наконец, протокол обязательно предназначен для достижения какой-то цели, иначе это не протокол, а пустое времяпрепровождение.
У протоколов есть также и другие отличительные черты:
• каждый участник протокола должен быть заранее оповещен о шагах, которые ему предстоит предпринять;
• все участники протокола должны следовать его правилам добровольно, без принуждения;
• необходимо, чтобы протокол допускал только однозначное толкование, а его шаги были совершенно четко определены и не допускали возможности их неправильного понимания;
• протокол должен описывать реакцию участников на любые ситуации, которые могут возникнуть в ходе его реализации. Иными словами, недопустимым является положение, при котором для возникшей ситуации протоколом не определено соответствующее действие.
Криптографическим протоколом называется протокол, в основе которого лежит криптографический алгоритм. Однако целью криптографического протокола зачастую является не только сохранение информации в тайне от посторонних. Участники криптографического протокола могут быть близкими друзьями, у которых нет друг от друга секретов, а могут являться и непримиримыми врагами, каждый из которых отказывается сообщить другому, какое сегодня число. Тем не менее им может понадобиться поставить свои подписи под совместным договором или удостоверить свою личность. В этом случае криптография нужна, чтобы предотвратить или обнаружить подслушивание посторонними лицами, а также не допустить мошенничества. Поэтому часто криптографический протокол требуется там, где его участники не должны сделать или узнать больше того, что определено этим протоколом.
Зачем нужны криптографические протоколы
В повседневной жизни нам приходится сталкиваться с протоколами буквально на каждом шагу - играя в любые игры, или делая покупки в магазинах, или голосуя на выборах. Многими протоколами нас научили пользоваться родители, школьные учителя и друзья. Остальные мы сумели узнать самостоятельно.
В настоящее время люди все чаще контактируют друг с другом при помощи компьютеров. Компьютеры же, в отличие от большинства людей, в школу не ходили, у них не было родителей, да и учиться без помощи человека они не в состоянии. Поэтому компьютеры приходится снабжать формализованными протоколами, чтобы они смогли делать то, что люди выполняют не задумываясь. Например, если в магазине не окажется кассового аппарата, вы все равно окажетесь в состоянии купить в нем необходимую для себя вещь. Компьютер же такое кардинальное изменение протокола может поставить в полный тупик.
Большинство протоколов, которые люди используют при общении друг с другом с глазу на глаз, хорошо себя зарекомендовали только потому, что их участники имеют возможность вступить в непосредственный контакт. Взаимодействие с другими людьми через компьютерную сеть, наоборот, подразумевает анонимность. Будете ли вы играть с незнакомцем в преферанс, не видя, как он тасует колоду и раздает карты? Доверите ли вы свои деньги совершенно постороннему человеку, чтобы он купил вам что-нибудь в магазине? Пошлете ли вы свой бюллетень голосования по почте, зная, что с ним сможет ознакомиться кто-то из почтовых работников и потом рассказать всем о ваших нетрадиционных политических пристрастиях? Думаю, что нет.
Глупо считать, что компьютерные пользователи ведут себя более честно, чем абсолютно случайные люди. То же самое касается и сетевых администраторов, и проектировщиков компьютерных сетей. Большинство из них и в самом деле достаточно честны, однако остальные могут причинить вам слишком большие неприятности. Поэтому так нужны криптографические протоколы, использование которых позволяет защититься от непорядочных людей.
Распределение ролей
Чтобы описание протоколов было более наглядным, их участники будут носить имена, которые однозначно определяют роли, им уготованные (см. таблицу). Антон и Борис принимают участие во всех двухсторонних протоколах. Как правило, начинает выполнение шагов, предусмотренных протоколом, Антон, а ответные действия предпринимает Борис. Если протокол является трех- или четырехсторонним, исполнение соответствующих ролей берут на себя Владимир и Георгий.
Об остальных персонажах подробнее будет рассказано несколько позже.
Протоколы с арбитражем
Арбитр является незаинтересованным участником протокола, которому остальные участники полностью доверяют, предпринимая соответствующие действия для завершения очередного шага протокола. Это значит, что у арбитра нет личной заинтересованности в достижении тех или иных целей, преследуемых участниками протокола, и он не может выступить на стороне одного из них. Участники протокола также принимают на веру все, что скажет арбитр, и беспрекословно следуют всем его рекомендациям.
В протоколах, которым мы следуем в повседневной жизни, роль арбитра чаще всего играет адвокат. Однако попытки перенести протоколы с адвокатом в качестве арбитра из повседневной жизни в компьютерные сети наталкиваются на существенные препятствия:
• Легко довериться адвокату, про которого известно, что у него незапятнанная репутация и с которым можно установить личный контакт. Однако если два участника протокола не доверяют друг другу, арбитр, не облаченный в телесную оболочку и существующий где-то в недрах компьютерной сети, вряд ли будет пользоваться у них большим доверием.
• Расценки на услуги, оказываемые адвокатом, известны. Кто и каким образом будет оплачивать аналогичные услуги арбитра в компьютерной сети?
• Введение арбитра в любой протокол увеличивает время, затрачиваемое на реализацию этого протокола.
• Поскольку арбитр контролирует каждый шаг протокола, его участие в очень сложных протоколах может стать узким местом при реализации таких протоколов. Соответствующее увеличение числа арбитров позволяет избавиться от данного узкого места, однако одновременно увеличиваются и расходы на реализацию протокола.
• В силу того, что все участники протокола должны пользоваться услугами одного и того же арбитра, действия злоумышленника, который решит нанести им ущерб, будут направлены, в первую очередь, против этого арбитра. Следовательно, арбитр представляет собой слабое звено в цепи участников любого протокола с арбитражем.
Несмотря на отмеченные препятствия, протоколы с арбитражем находят широкое применение на практике.
Протокол с судейством
Чтобы снизить накладные расходы на арбитраж, протокол, в котором участвует арбитр, часто делится на две части. Первая полностью совпадает с обычным протоколом без арбитража, а ко второй прибегают только в случае возникновения разногласий между участниками. Для разрешения конфликтов между ними используется особый тип арбитра - судья.
Подобно арбитру, судья является незаинтересованным участником протокола, которому остальные его участники доверяют при принятии решений. Однако в отличие от арбитра, судья участвует отнюдь не в каждом шаге протокола. Услугами судьи пользуются, только если требуется разрешить сомнения относительно правильности действий участников протокола. Если таких сомнений ни у кого не возникает, судейство не понадобится.
В компьютерных протоколах с судейством предусматривается наличие данных, проверив которые доверенное третье лицо может решить, не смошенничал ли кто-либо из участников этого протокола. Хороший протокол с судейством также позволяет выяснить, кто именно ведет себя нечестно. Это служит прекрасным превентивным средством против мошенничества со стороны участников такого протокола.
Самоутверждающийся протокол
Самоутверждающийся протокол не требует присутствия арбитра для завершения каждого шага протокола. Он также не предусматривает наличие судьи для разрешения конфликтных ситуаций. Самоутверждающийся протокол устроен так, что если один из его участников мошенничает, другие смогут моментально распознать нечестность, проявленную этим участником, и прекратить выполнение последующих шагов протокола.
Конечно же, хочется, чтобы существовал универсальный самоутверждающийся протокол на все случаи жизни. Однако на практике в каждом конкретном случае приходится конструировать свой специальный самоутверждающийся протокол.
Разновидности атак на протоколы
Атаки на протоколы бывают направлены против криптографических алгоритмов, которые в них задействованы, против криптографических методов, применяемых для их реализации, а также против самих протоколов. Для начала предположим, что используемые криптографические алгоритмы и методы являются достаточно стойкими, и рассмотрим атаки собственно на протоколы.
Лицо, не являющееся участником протокола, может попытаться подслушать информацию, которой обмениваются его участники. Это пассивная атака на протокол, которая названа так потому, что атакующий (будем именовать его Петром) может только накапливать данные и наблюдать за ходом событий, но не в состоянии влиять на него. Пассивная атака подобна криптоаналитической атаке со знанием только шифртекста. Поскольку участники протокола не обладают надежными средствами, позволяющими им определить, что они стали объектом пассивной атаки, для защиты от нее используются протоколы, дающие возможность предотвращать возможные неблагоприятные последствия пассивной атаки, а не распознавать ее.