קריפטוגרפיה

קריפטוגרפיה (תּוֹרַת כְּתִיבַת הַסֵּתֶר בעברית), היא ענף במתמטיקה ומדעי מחשב העוסק במחקר ופיתוח שיטות אבטחת מידע ותקשורת נתונים על רובדיהם השונים, בסביבה פתוחה הנגישה לצד שלישי המכונה "אויב", או "יריב" פוטנציאלי. התחום מאגד תחתיו פיתוח ואנליזה של פרוטוקולים המתמודדים בהיבטים שונים של אבטחת מידע בנוכחות צד שלישי. מהם בנוסף לסודיות, הרשאת גישה, סיסמה, הוכחת ידיעה, פרוטוקול אתגר-מענה, מנגנוני חתימה דיגיטלית, חלוקת סוד, חישוב רב משתתפים בטוח, אימות זהויות, מניעת הכחשה ועוד.
מערכת הצפנה משתמשת באבני בניין קריפטולוגיות כצופן סימטרי, צופן זרם, מפתח פומבי, פונקציות גיבוב, קוד אימות מסרים, מחולל פסבדו אקראי וכדומה.
קריפטוגרפיה מודרנית משתלבת בתחומי מחקר אחרים כמו מתמטיקה, סטטיסטיקה והסתברות, תורת האינפורמציה, מדעי מחשב והנדסת אלקטרוניקה. יישומיה רבים ומגוונים וכוללים בין היתר, אבטחת רשתות תקשורת, תקשורת סלולרית, חומת אש, מסופי משיכה, כרטיסי אשראי, דואר אלקטרוני, מסחר אלקטרוני, הצבעה ממוחשבת ועוד.
השם "קריפטוגרפיה" מקורו במילה היוונית "קריפטו" (κρυπτός) שמשמעותה נסתר או אמנות ההסתרה, ו"גרפיה" (γράφω) שמשמעותה "כתיבה". בתרגום חופשי נעשה שימוש בשם באופן חליפי למונח קריפטולוגיה שפירושו תורת ההסתרה (Crypto-logia, κρυπτός-λογία), אם כי משמעותו רחבה יותר מתחום ההצפנה בלבד.

אורך מומלץ של מפתחות הצפנה

אורך מפתח ההצפנה משפיע ישירות על סיבוכיות כל התקפה גנרית נגד אלגוריתם הצפנה, בהנחה שלא קיימת דרך מתוחכמת לשבירת האלגוריתם. באופן כללי כמעט כל אלגוריתם הצפנה ניתן לשבירה פשוט על ידי ניסוי כל המפתחות האפשריים עד שמוצאים את המפתח הנכון, שיטה זו נקראת כוח גס. מהיבט תאורטי ככל שמפתח ההצפנה גדול יותר סיבוכיות התקפת כוח גס עולה באופן מעריכי, אך בד בבד נפגעת יעילות האלגוריתם כי נדרש זמן ארוך יותר לביצוע ההצפנה. על כן חשוב למצוא את האיזון המושלם בין יעילות לבין ביטחון במונחים של אורך המפתח. לשאלה מה אורך המפתחות המומלץ אין תשובה חד משמעית כיוון שהדבר תלוי בגורמים רבים, ביניהם; בסיס תאורטי, פריצות דרך מתמטיות, איכות יישום האלגוריתם, יכולת טכנולוגית נוכחית או עוצמת המחשוב של היריב או האויב וכדומה. ככלל, נכון לשנת 2017 השאיפה היא להגיע לרמת ביטחון מינימלית של , כלומר שיכולת היריב לשבור את המערכת עם מיטב האלגוריתמים הקיימים תהיה בסיבוכיות של  פעולות בסיסיות בקרוב, או לחלופין, סיכוייו לשבור את האלגוריתם הם בהסתברות של . שזה נחשב בעיני רבים למרווח ביטחון מספק מהיבט מעשי בהתאם ליכולת הטכנולוגית הנוכחית. במקרה של הצפנת מפתח ציבורי כיוון שקיימים אלגוריתמים הטובים בהרבה מכוח גס הדברים שונים. עד שנת 2003 בערך, מקובל היה להשתמש במספרים באורך 1024 סיביות. מעבדות RSA פרסמו ב-2003 הצהרה לפיה מפתח אסימטרי בגודל 1024 סיביות מספק רמת הגנה מקבילה למפתח סימטרי בגודל 80 סיביות. 2048 סיביות מקבילות לאלגוריתם סימטרי עם מפתח 112 סיביות ו-3072 מקביל ל-128. המלצה שלהם להשתמש במפתח 2048 סיביות לשימוש רגיל ו-3072 סיביות לשימוש מיוחד במקרים קיצוניים, זאת עד לשנת 2030. ארגון התקינה האמריקאי נוקט בגישה מחמירה יותר, לפי תקן NIST SP 800-57 נכון ליולי 2012 מפתח אסימטרי בגודל 3072 סיביות מקביל למפתח סימטרי בגודל 128 סיביות (מהסוג הנפוץ כיום באלגוריתם AES) ואילו לרמת בטיחות גבוהה, מפתח בגודל 15,360 סיביות יתאים ברמתו למפתח סימטרי בגודל 256 סיביות.
הדברים אמורים לגבי כל סוגי ההצפנה האסימטרית כולל חתימה דיגיטלית כגון DSA המבוססת על בעיית הלוגריתם הבדיד, זאת בשל ההערכה כי בעיית לוגריתם בדיד דומה בקושיה לבעיית פירוק לגורמים. יוצא מן הכלל הוא מערכת ההצפנה בעקום אליפטי (ECC). תקן FIPS PUB 186-4 שנכלל ב-Suite B של NSA, ממליץ על מפתח בגודל 256–384 סיביות שמקביל ברמתו למפתח סימטרי 128 סיביות, להצפנת מסמכים עבור הממשל האמריקאי ברמה של SECRET. לרמה של TOP SECRET ממליץ על 512 סיביות ומעלה. באופן כללי ההנחיה של NIST היא שמפתח ECC יהיה בערך כפול בגודלו ממפתח סימטרי. הערכה זו מניחה כי לא ידועה פריצת דרך משמעותית לפתרון הבעיה המתמטית עליה מבוססת ECC זאת כיוון שהאלגוריתמים הידועים אינם ישימים במערכת כזו.

פרימיטיבים קריפטוגרפיים

פרימיטיב קריפטוגרפי הוא הגדרה לאלגוריתם קריפטוגרפי שייעודו ספציפי למטרה או יעד מוגדר. אלגוריתם AES הוא פרימיטיב קריפטוגרפי שתפקידו להצפין מידע בשיטה סימטרית. פרימיטיבים אחרים הם RSA, פונקציית גיבוב SHA-1 וכן DSA. מהות הרעיון הוא שבהקמת מערכת אבטחת מידע שלמה, אין די באלגוריתם אחד דהיינו בפרימיטיב קריפטוגרפי אחד, אלא משלבים מספר אלגוריתמים שלכל אחד מהם תפקיד אחר. יחדיו הם משלימים זה את זה למערכת שלמה. על כן נודעת חשיבות רבה לבדיקת המאפיינים והיחסים שבין הפרימיטיבים השונים, על מנת לוודא כי השילוב ביניהם בטוח ואינו מכיל פרצות. לעיתים אי-הבנה באשר למהות פרימיטיב מסוים והניסיון לשלבו במערכת או להשתמש בו באופן שלא יועד לו, עשוי לפגוע בבטיחות המערכת כולה. לדוגמה פונקציית גיבוב טובה ליצירת ערכים ייחודיים, אולם אינה טובה כשלעצמה לצורך הצפנה. יתרונה הברור בא לידי ביטוי במערכת הצפנה דוגמת PGP בה יש צורך בערך חד-כיווני של המידע המשמש תווית לצורך החתימה על המסר באמצעות חתימה דיגיטלית.

קריפטוגרפיה ותורת הקוונטים

במהלך המאה ה-20 החל להתפתח בקצב מהיר ענף החישוביות הקוונטית, שעלולות להיות לו השלכות קריטיות על הקריפטוגרפיה המודרנית. אם ניתן יהיה לבנות מחשב קוונטי בעל יכולת גידול (סקאלבילי), אזי למעשה מרבית האלגוריתמים האסימטריים כגון RSA ודומיו יצאו מכלל שימוש. יהיה צורך בשדרוג מקיף של כל מערכות ההצפנה. זאת בשל קיומם של אלגוריתמים קוונטיים שמאפשרים פיצוח צפנים אילו בזמן פולינומי, לאור היכולת לבצע חישובים בצורה מהירה יותר מאשר במחשב "רגיל".
הרעיון שבבסיס החישוביות הקוונטית הועלה לראשונה על ידי הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, שמסתמך על עקרון השזירה הקוונטית: אם מספר גדול מאוד של קיוביטים שזורים זה בזה, אזי חישובים על ביטים אלו מקבילים לביצוע חישובים רבים בו זמנית. רעיון זה קרם עור וגידים כאשר פותחו מספר אלגוריתמים קוונטיים שדורשים זמן ריצה קטן יותר מאשר מקבילם הקלסי.
שני האלגוריתמים הבולטים בנושא זה הם אלגוריתם שור לפירוק לגורמים של מספר שלם שעל מחשב קוונטי מתבצע בזמן פולינומי ולא מעריכי, ואלגוריתם גרובר לחיפוש במערך לא ממוין, המתבצע בסיבוכיות זמן שהיא שורש ריבועי של הזמן הנדרש בחישוב קלאסי. אלגוריתם שור פירושו שאם אכן ייבנה מחשב קוונטי אזי ביכולתו לפרוץ מערכות הצפנה פומביות (בהן הסוד הוא פירוק לגורמים של מספר גדול). משמעות אלגוריתם גרובר היא שניתן לקצר באופן משמעותי את זמן מציאת המפתח בשיטת כוח גס.
מכאן החל העיסוק בניסיון למצוא פרימיטיבים קריפטוגרפים שנקראים פוסט קוונטיים כלומר שיהיו עמידים גם בפני מערכות חישוב קוונטיות, דוגמת הצפנה מבוססת סריג.
טרם נמצאה דרך מעשית לבניית מחשבים בעלי מספר רב מאוד של ביטים קוונטיים (מחשבים סקאלאבילים), ולכן שימוש במחשבים קוונטים לפריצת מערכות הצפנה מודרניות הוא בגדר בלתי אפשרי בטכנולוגיה הקוונטית הנוכחית.

חוקיות וזכויות שימוש

מטבע הדברים, סגולותיה של הקריפטוגרפיה, ככלי לשמירה על פרטיות, מנוצלות לרעה על ידי גורמים זדוניים כמו ארגוני פשע, טרור וריגול. מאז ומתמיד ממשלות וגורמי ביטחון במדינות שונות גילו עניין רב בהתפתחויות בתחום זה. בכל מדינה כמעט קיים גוף האחראי על השימוש בהצפנה, מחקר ופיתוח וכן ניטור וניתוח של חומרים מוצפנים שקיים חשש שהם מסכנים את ביטחונה הלאומי. גם ארגוני זכויות אדם ברחבי העולם מגלים עניין בתחום זה בשל תרומתו לשמירת הפרטיות. בשל כך היו בעבר בארצות הברית מספר אירועים שערורייתיים, הקשורים בנושאים חוקתיים בתחום זה. ישנן מדינות (בהן ישראל) שבהן עד היום קיימות מגבלות חוקיות לעיסוק בקריפטוגרפיה ובכל מה שקשור אליה. בישראל קיים החל מ-1974 "צו צופן" המחייב כל גורם המעוניין לעסוק בהצפנה בקבלת רישיון עיסוק בהצפנה ממנכ"ל משרד הביטחון (בעבר מקצין קשר ראשי בצה"ל). במדינות אחרות (כמו ארצות הברית), העיסוק בקריפטוגרפיה לא מוגבל מקומית אך קיימות מגבלות ייצוא של חומרים קריפטוגרפיים מחוץ לתחומי המדינה. למעשה בארצות הברית קריפטוגרפיה סווגה כסוג של "תחמושת" בדומה לטנק או טיל בליסטי, ובעבר אף נאסר שימוש בהצפנה חזקה בארצות הברית, כאשר הפיקוח על ההצפנה היה באחריות הסוכנות לביטחון לאומי (NSA) של ארצות הברית. NSA הוא הארגון הממשלתי הגדול והמצויד ביותר בעולם שעוסק בקריפטוגרפיה ומעסיק עשרות אלפי עובדים. מטרתו העיקרית ניטור, פענוח וחשיפת תשדורות או מידע דיגיטלי אחר ברחבי העולם, שלהם זיקה לביטחונה הלאומי של ארצות הברית. מדינות אחרות (בעיקר מדינות ארופיות) נוקטות בגישה יותר ליברלית בכל הקשור להצפנה.
על אלגוריתמים קריפטוגרפיים אפשר להגן (במדינות מסוימות, כגון ארצות הברית) בפטנטים. על המימוש שלהם אפשר להגן בזכויות יוצרים (אולם אם המפרט מפורסם, כל אחד יכול לממש אותם מחדש). אפשר לנסות גם לשמור אותם כסוד מסחרי. בארצות הברית, בקנדה ובמדינות רבות אחרות רשומים מאות פטנטים על סוגים שונים של אלגוריתמים קריפטוגרפיים. לדוגמה אלגוריתם RSA נרשם כפטנט שתוקפו פג בשנת 2000. בשל המגבלה שנוצרה מהפטנט נאלצה ממשלת ארצות הברית ליצור תקן חתימה אלקטרונית חלופי בשם DSA שלא מוגן בפטנטים. אי הבהירות סביב הפטנטים שעל ההצפנה בעקומים אליפטיים (ר' בהמשך) היא אחת הסיבות לחוסר הפופולריות שלהם].
בארצות הברית (וגם בישראל) רשומים מספר פטנטים על אלגוריתמים שונים להצפנה. החברה האמריקאית RSA מחזיקה כיום במספר פטנטים הקשורים לאלגוריתמי הצפנה שונים]. אף ששם החברה הוא "RSA", הפטנטים שבבעלותה כיום אינם בהכרח קשורים לאלגוריתם המקורי. החברה הקנדית Certicom מחזיקה בכמאה ועשרים פטנטים בהיבטים שונים של ECC (הצפנת עקום אליפטי) בארצות הברית ובקנדה בלבד.
החל מאמצע שנות ה-90 של המאה העשרים היו כמה תחרויות של ממשלות לבחירת פרימיטיבים קריפטוגרפיים חדשים: תחרות AES של מכון התקנים האמריקאי, ‏NESSIE של האיחוד האירופי,‏ CRYPTEC ביפן. בכל המקרים הללו אחד מהתנאים היה שהזוכים ישיקו את התוכנה ללא מגבלות שימוש כלשהן.