Введение
Безопасность криптосистемы, основанная исключительно на теории информации. Криптосистема считается обладающей информационной теоретической безопасностью (также называемой безусловной безопасностью), если она устойчива к противникам, располагающим неограниченными вычислительными ресурсами и временем. В отличие от этого, система, безопасность которой зависит от вычислительной сложности криптоанализа (и, следовательно, может быть взломана при неограниченных вычислительных мощностях), называется вычислительно или условно безопасной.
A cryptosystem is considered to have information theoretic security (also called unconditional security) if the system is secure against adversaries with unlimited computing resources and time. In contrast, a system which depends on the computational cost of cryptanalysis to be secure (and thus can be broken by an attack with unlimited computation) is called computationally, or conditionally, secure.
Обзор
Протокол шифрования с информационной теоретической безопасностью невозможно взломать даже при неограниченных вычислительных ресурсах. Протоколы, доказавшие свою информационную теоретическую безопасность, устойчивы к будущим достижениям в области вычислений. Концепция информационно-теоретически безопасной связи была введена в 1949 году американским математиком Клодом Шенноном, одним из основоположников классической теории информации, который использовал её для доказательства безопасности системы одноразового шифра. Информационно-теоретически безопасные криптосистемы применялись для наиболее конфиденциальной правительственной связи, такой как дипломатическая переписка и военная связь высшего уровня. Существует множество криптографических задач, для которых информационная теоретическая безопасность является важным и полезным требованием. Некоторые из них: схемы разделения секрета, такие как схема Шамира, являются информационно-теоретически (и абсолютно) безопасными, поскольку обладание меньшим, чем необходимое количество долей секрета, не предоставляет никакой информации о самом секрете. В более общем смысле, протоколы безопасных многосторонних вычислений часто обладают информационной теоретической безопасностью. Конфиденциальный поиск информации в нескольких базах данных может быть реализован с информационной теоретической конфиденциальностью запроса пользователя. Сокращения между криптографическими примитивами или задачами часто могут быть достигнуты информационно-теоретически. Такие сокращения важны с теоретической точки зрения, поскольку они устанавливают, что примитив можно реализовать, если примитив можно реализовать. Симметричное шифрование может быть построено на основе информационно-теоретического понятия безопасности, называемого энтропийной безопасностью, которое предполагает, что противник практически ничего не знает об отправляемом сообщении. Цель здесь – скрыть все функции открытого текста, а не всю информацию о нём. Информационно-теоретическая криптография устойчива к квантовым вычислениям.
Secret sharing schemes such as Shamir's are information theoretically secure (and also perfectly secure) in that having less than the requisite number of shares of the secret provides no information about the secret. More generally, secure multiparty computation protocols often have information theoretic security. Private information retrieval with multiple databases can be achieved with information theoretic privacy for the user's query. Reductions between cryptographic primitives or tasks can often be achieved information theoretically. Such reductions are important from a theoretical perspective because they establish that primitive can be realized if primitive can be realized. Symmetric encryption can be constructed under an information theoretic notion of security called entropic security, which assumes that the adversary knows almost nothing about the message being sent. The goal here is to hide all functions of the plaintext rather than all information about it. Information theoretic cryptography is quantum safe.
Технические ограничения
Алгоритмы, которые являются вычислительно или условно безопасными (т.е. они не являются информационно-теоретически безопасными), зависят от ограничений ресурсов. Например, RSA опирается на утверждение, что факторизация больших чисел является сложной задачей. Более слабое понятие безопасности, определенное Аароном Д. Вайнером, положило начало активно развивающейся области исследований, известной как шифрование физического уровня. Оно использует физический беспроводной канал для обеспечения безопасности посредством коммуникаций, обработки сигналов и методов кодирования. Безопасность доказуема, неразрушима и может быть количественно оценена (в битах/секунду/герц). Первоначальная работа Вайнера по шифрованию физического уровня в 1970-х годах сформулировала проблему Алисы, Боба и Евы, в которой Алиса хочет отправить сообщение Бобу, не допустив его расшифровки Евой. Было показано, что безопасная связь возможна, если канал от Алисы к Бобу статистически лучше, чем канал от Алисы к Еве. Это интуитивно понятно, но Вайнер измерил секретность в информационно-теоретических терминах, определив пропускную способность секретности, которая, по сути, представляет собой скорость, с которой Алиса может передавать секретную информацию Бобу. Вскоре после этого Имре Чисарь и Кёрнер показали, что секретная связь возможна даже в том случае, если у Евы статистически лучший канал связи с Алисой, чем у Боба. Основная идея информационно-теоретического подхода к безопасной передаче конфиденциальных сообщений (без использования ключа шифрования) законному получателю заключается в использовании присущей случайности физической среды (включая шумы и колебания каналов из-за затухания) и использовании разницы между каналом к законному получателю и каналом к перехватчику в интересах законного получателя. Более поздние теоретические результаты посвящены определению пропускной способности секретности и оптимальному распределению мощности в каналах с затуханием. Существуют оговорки, поскольку многие пропускные способности не могут быть вычислены, если не предположить, что Алиса знает канал Евы. Если бы это было известно, Алиса могла бы просто направить нулевой сигнал в направлении Евы. Пропускная способность секретности для MIMO и множественных сговаривающихся перехватчиков – более новая и продолжающаяся работа, и такие результаты все еще делают непрактичное предположение о знании информации о состоянии канала перехватчиков. Другие работы менее теоретичны и направлены на сравнение реализуемых схем. Одна из схем шифрования физического уровня заключается в трансляции искусственного шума во всех направлениях, кроме направления канала Боба, что по сути глушит Еву. В одной статье Неги и Гоэля подробно описана ее реализация, а Хисти и Ворнелл вычислили пропускную способность секретности, когда известны только статистические данные о канале Евы. Параллельно с этой работой в сообществе теории информации проводится работа в сообществе антенн, которая получила название модуляции направленной антенны ближнего поля или направленная модуляция. Было показано, что с помощью паразитного массива передаваемая модуляция в разных направлениях может контролироваться независимо. Секретность может быть реализована путем затруднения декодирования модуляций в нежелательных направлениях. Передача данных с использованием направленной модуляции была экспериментально продемонстрирована с использованием фазированной антенной решетки. Другие продемонстрировали направленную модуляцию с использованием переключаемых массивов и фазоконъюгирующих линз. Этот тип направленной модуляции на самом деле является подмножеством аддитивной схемы шифрования искусственным шумом Неги и Гоэля. Другая схема, использующая перенастраиваемые передающие антенны для Алисы, называемая перенастраиваемым мультипликативным шумом (RMN), дополняет аддитивный искусственный шум. Эти два метода хорошо работают вместе в симуляциях каналов, в которых ничего не предполагается известным Алисе или Бобу о перехватчиках.
Соглашение о секретном ключе
Различные работы, упомянутые в предыдущей части, тем или иным образом используют случайность, присутствующую в беспроводном канале, для передачи информации в виде теоретически безопасных сообщений. Обратно, мы могли бы проанализировать, сколько секретности можно извлечь из самой случайности в форме секретного ключа. Это и является целью соглашения об установке секретного ключа. В этом направлении исследований, начатом Maurer, Ahlswede и Csiszár, базовая модель системы не накладывает никаких ограничений на схемы связи и предполагает, что легитимные пользователи могут общаться по двустороннему, открытому, безошибочному и аутентифицированному каналу без затрат. Эта модель впоследствии была расширена для учета множества пользователей и зашумленного канала, среди прочего.