Kriptanaliz

Kriptanaliz (Yunanca kryptós, "gizli", ve analýein kelimelerinden gelir.) şifrelenmiş metinlerin çözümünü araştıran kriptoloji dalıdır. Kriptanaliz, bilinmeyen anahtarları bulmak için kullanılır.
İkinci Dünya Savaşı'nda kullanılan Bombe ve Colossus bilgisayarı gibi kriptanaliz makinelerinden, günümüzün bilgisayar destekli modern kriptanaliz cihazlarına dek çok çeşitli yöntemler geliştirilmişse de temel amaç hep aynı kalmıştır.

Genel Bakış

Kriptanalistin amacı, bazı şifreli veriler ("ciphertext") verildiğinde orijinal yani düz veriler ("plaintext") hakkında mümkün olduğunca fazla bilgi edinmektir. Bunu başarmak için iki yönünü göze önüne almak faydalıdır. Birincisi, sistemi kırmak yani yani şifreleme sürecinin nasıl çalıştığını keşfetmektir. İkincisi ise belirli bir şifreli mesaj veya mesaj grubu için benzersiz olan anahtarı çözmektir.

Tarihçe

Kriptanaliz, kriptografi ile birlikte evrim içindedir ve bu evrilme kriptografi tarihi boyunca izlenebilir. Yeni şifreler eski kırılmış tasarımların yerini almak üzere tasarlanır ve iyileştirilmiş programları kırmak için icat edilen yeni kriptanalitik teknikler icat edilir. Uygulamada, aynı madalyonun iki yüzü olarak görünürler: güvenli kriptografi olası kriptanalize karşı tasarım gerektirir.
Başarılı kriptanalizler tarihi etkiledi. Başkalarının gizli düşüncelerini ve planlarını okuma yeteneği belirleyici bir avantaj olarak sayılabilir. Mesela, 1587’de İngiltere’de, İskoç Kraliçesi Mary Stuart , İngiltere’de I. Elizabeth ’e suikast yapmak için üç arsada yer alması sonucu ihanetten yargılandı . Planları, diğer komplocularla kodlanmış yazışmaları Thomas Phelippes tarafından deşifre edildikten sonra ortaya çıktı.
I. Dünya Savaşı'nda , Zimmermann Telegramının bozulması, Amerika Birleşik Devletleri'ni savaşa sokmada etkili oldu. II. Dünya Savaşı'nda , Müttefik Devletler , Enigma makinesi ve Lorenz SZ40/42 şifresi dahil olmak üzere Alman şifrelerinin müşterek başarı kriptanalizinden ve özellikle de 'Purple' ve JN-25 gibi Japon şifrelerinin şifrelemesinden büyük ölçüde yararlandı. “Ultra”, Avrupa savaşının sona ermesini iki yıla kadar kısaltmak ve nihaî sonucu belirlemek için gereken her şeyle ilişkilendirildi. Pasifik'teki savaşa benzer şekilde 'Magic' yardımcı oldu.
Hükümetler, hem diplomatik hem de askerî istihbarat için kriptanalizin potansiyel faydalarını uzun zamandır kabul etmiş ve günümüzde hala aktif olan diğer ülkelerin, GCHQ ve NSA (Ulusal Güvenlik Ajansı)'nın kodlarını ve şifrelerini kırmaya adanmış özel kuruluşlar kurmuştur. 2004 yılında, ABD İran'ın şifrelerini kırdı. (Bununla birlikte, bunun saf kriptanaliz olup olmadığı veya diğer faktörlerin dahil olup olmadığı bilinmemektedir: ).

Klasik Şifrelemeler

Her ne kadar " cryptanalysis " kelimesi nispeten yeni olsa da (1920'de William Friedman tarafından yazılmıştır), kodları ve şifreleri kırma yöntemleri çok daha eskidir. Kriptanalizin bilinen ilk bilinen açıklaması, 9. yüzyılda Arap  hezarfeni , Kindi (Avrupa’da "Alkindus" olarak da bilinir), Kriptografik Mesajların Şifresini Çözmek Üzerine Bir Yazıda verildi . Bu tez, frekans analizi yönteminin bir tanımını içermektedir ( İbrahim Al-Kadi , 1992- ref-3). İtalyan bilgin Giambattista della Porta , "De Furtivis Literarum Notis" adlı kriptanaliz üzerine yazılmış bir çalışmanın yazarıydı.
Frekans analizi , çoğu klasik şifreyi kırmanın temel aracıdır. Doğal dillerde, alfabenin belirli harfleri diğerlerinden daha sık görülür; İngilizce'de , " E " herhangi bir şifresiz metin örneğinde en yaygın harf olabilir. Benzer şekilde, "TH" digrafisi , İngilizce'deki en muhtemel harf çiftidir, vb. Frekans analizi, bu istatistikleri gizleyemeyen bir şifreye dayanır. Örneğin, basit bir değiştirme şifrelemesinde (her harf bir harfle basitçe değiştirilir), şifreli metinde en sık kullanılan harf "E" için muhtemel bir aday olacaktır. Bu nedenle, böyle bir şifrenin frekans analizinin kolay sayılması için, şifrenin içerdiği alfabenin harflerinin sembolik sayısını verecek kadar uzun olması gerekir.
Avrupa'da 15. ve 16. yüzyıl boyunca, Fransız diplomat Blaise de Vigenère (1523-96) tarafından, diğerlerinin yanı sıra, çok harfli yer değiştirme şifrelemesi (Vigenere tablosu) fikri de geliştirilmiştir. Yüzyıllar boyunca, dönüşümlü olarak farklı şifreleme alfabelerini seçmek için yinelenen bir anahtar kullanan Vigenère şifrelemesinin , tamamen güvenli olduğu kabul edildi ( le chiffre çözülemez - "çözülemez şifre"). Bununla birlikte, Charles Babbage (1791-1871) ve daha sonra bağımsız olarak Friedrich Kasiski (1805-81) bu şifreyi kırmayı başardı. I. Dünya Savaşı sırasında, birkaç ülkedeki mucitler, Vigenère sistemini kırmak için sömürülen tekrarları en aza indirgemek amacıyla Arthur Scherbius'un Enigma makinesi gibi bir Rotor makinesi geliştirdiler.

I. Dünya Savaşı ve II. Dünya Savaşı şifreleri

Düşmanların mesajlarının kriptanalizi, II. Dünya Savaşı'nda müttefik zaferinde önemli bir rol oynadı. F. W. Winterbotham, Batı Yüksek Müttefik Komutanı Dwight D. Eisenhower'ı, savaşın sonunda, Ultra istihbaratın Müttefiklerin zaferine "belirleyici" olarak nitelendirdiğini belirtti.  II. Dünya Savaşı’nın İngiliz İstihbarat Tarihçisi olan Sir Harry Hinsley, Ultra’nın benzer bir değerlendirmesini yaptı ve savaşı “iki yıldan az değil muhtemelen dört yıl kısalttı”; dahası, Ultra'nın yokluğunda savaşın nasıl biteceği konusunda belirsiz olduğunu söyledi.
Uygulamada, frekans analizi dilbilimsel bilgilere dayanmaktadır ve istatistiklerde olduğu gibi şifreler daha karmaşık hale geldikçe, matematik kriptanalizde daha önemli hale gelmiştir. Bu değişim, Eksen şifrelerini kırma çabalarının yeni seviyelerde matematiksel karmaşıklığa ihtiyaç duyduğu II. Dünya Savaşı öncesi ve sırasında özellikle belirgindi. Dahası, bir program tarafından kontrol edilen ilk elektronik dijital bilgisayarlarla o dönemde kriptanaliz uygulandı; otomasyon ilk önce Polish Bomb cihazı, British Bombe, delikli kart ekipmanı kullanımı ve Colossus bilgisayarlarında.

Gösterge

Lorenz şifresi ve Nazi Almanya tarafından II. Dünya Savaşı sırasında kullanılan Enigma makinesi gibi karşılıklı makine şifreleri ile her mesajın kendi anahtarı vardı. Genellikle, verici operatör şifrelenmiş mesajdan önce bir miktar düz metin veya şifreli metin ileterek bu mesaj anahtarının alıcı operatörüne bilgi verdi. Bu, alıcı operatöre mesajının şifresini çözecek şekilde nasıl ayarlanacağını belirttiği için gösterge olarak adlandırılır.
Kötü tasarlanmış ve uygulanmış gösterge sistemleri, önce Polonyalı kriptografların  , ardından Bletchley Park'taki  İngiliz kriptografların, Enigma şifreleme sistemini kırmasına izin verdi. Benzer zayıf gösterge sistemleri, İngilizlerin Lorenz SZ40/42 şifreleme sisteminin teşhisine yol açan derinlikleri ve şifreleme makinesini kriptanalistler görmeden iletilerinin kapsamlı olarak kırılmasını sağladı.

Asimetrik şifreleme

Asimetrik şifreleme (veya Açık anahtarlı şifreleme), iki (matematiksel olarak ilişkili) anahtar kullanmaya dayanan şifrelemedir; bir özel ("private") ve bir genel ("public"). Bu tür şifreler her zaman güvenliklerinin temeli olarak "zor" matematiksel problemlere güvenir; bu nedenle bariz bir saldırı noktası, problemi çözmek için yöntemler geliştirmektir. İki anahtarlı şifrelemenin güvenliği, tek anahtarlı şifrelemenin genel olarak yapmadığı bir şekilde matematiksel sorulara dayanır ve bunun tersine şifrelemeyi yeni bir şekilde daha geniş bir matematiksel araştırmaya bağlar.
Asimetrik şemalar, çeşitli matematiksel problemleri çözme (varsayılmış) zorluğu etrafında tasarlanmıştır. Sorunu çözmek için geliştirilmiş bir algoritma bulunursa, sistem zayıflar. Örneğin, Diffie-Hellman anahtar değişimi planının güvenliği ayrık logaritmayı hesaplamanın zorluğuna bağlıdır. 1983 yılında Don Coppersmith, ayrık algoritmaları bulmak için daha hızlı bir yol buldu (bazı gruplarda) ve böylece daha büyük grupları (ya da farklı tür grupları) kullanmalarını sağlamak için kriptograflar talep etti. RSA'nın güvenliği (kısmen) tam sayılı "faktoring" zorluğuna dayanmaktadır. Bulunması RSA'nın güvenliğini etkileyecektir.
1980'de, olan bir faktör 10¹² temel bilgisayar operasyonu pahasına 50 basamaklı zor bir rakamı etkileyebilirdi. 1984'e kadar "faktoring" algoritmalarındaki en son teknoloji, 10¹² operasyonda 75 basamaklı bir sayının faktörü olabileceği bir noktaya ilerlemiştir. Bilgi işlem teknolojisindeki gelişmeler, işlemlerin de çok daha hızlı gerçekleştirilebileceği anlamına geliyordu. Moore Yasası, bilgisayar hızlarının artmaya devam edeceğini öngörmektedir. Faktoring teknikleri de bunu yapmaya devam edebilir, ancak büyük olasılıkla hiçbiri başarılı bir şekilde tahmin edilebilecek olan matematiksel kavrayış ve yaratıcılığa bağlı olacaktır. Bir zamanlar RSA'de kullanılan türdeki 150 basamaklı sayılar hesaba katılmıştır. Çaba yukarıdakinden daha büyüktü, ancak hızlı modern bilgisayarlarda mantıksız değildi. 21. yüzyılın başlarından itibaren, 150 basamaklı sayılar artık RSA için yeterince büyük bir anahtar boyutu olarak düşünülmedi. Birkaç yüz rakamı olan sayılar hala 2005'te faktör için çok zor olarak kabul edildi, ancak yöntemler muhtemelen zaman içinde gelişmeye devam edecek, anahtar boyutunun hızlanmasını ya da kullanılacak Eliptik eğri kriptografisi gibi diğer yöntemleri gerektirecek.
Asimetrik şemaların ayırt edici bir başka özelliği de, simetrik şifreleme sistemlerine yapılan saldırıların aksine, herhangi bir kriptanalizin genel anahtarından ("public key") edinilen bilgileri kullanma fırsatı olmasıdır.

Kriptanaliz için kuantum hesaplama uygulamaları

Kuantum bilgisayarı, hala araştırmanın erken aşamalarında olmasına rağmen kriptanalizde potansiyel kullanımına sahiptir. Örneğin, Shor Algoritması, yaygın olarak kullanılan bazı açık anahtar şifreleme biçimlerini kırma etkisiyle polinom zamanda çok sayıda faktörü etkileyebilir.
Grover'in algoritmasını kuantum bilgisayarlarda kullanarak, kaba kuvvet anahtar araştırması daha hızlı yapılabilir. Bununla birlikte, bu anahtar uzunluğunu iki katına çıkararak giderilebilir.