Kryptografia to starożytna metoda szyfrowania informacji przy użyciu serii kodów. Ogólnie rzecz biorąc, do zabezpieczenia danych stosuje się szereg złożonych formuł matematycznych, a klucze są dostępne tylko dla zamierzonych stron.
Istnieją jednak różne rodzaje technik kryptograficznych, które są obecnie stosowane. Jedną z nich jest kryptografia sieciowa, która opiera się na koncepcjach sieci matematycznych, często w konstrukcji szyfru lub jego dowodzie.
Omówmy więc, czym jest kryptografia oparta na sieciach, jej znaczenie i główne zalety.
Co to jest kryptografia oparta na sieci?
Kryptografia oparta na kratach staje się coraz bardziej popularna, ponieważ świat przygotowuje się na pojawienie się komputerów kwantowych. Kryptografia postkwantowa nabiera rozpędu, zwłaszcza że w dziedzinie komputerów kwantowych dokonano kilku przełomów.
Kryptografia oparta na sieci jest rodzajem systemu kryptograficznego opartego na matematycznej koncepcji sieci. W siatce linie łączą punkty, tworząc strukturę geometryczną. W kryptografii sieciowej ta geometryczna struktura koduje i dekoduje wiadomości.
Ze względu na naturę sieci trudno jest włamać się do systemu kryptograficznego opartego na sieci, ponieważ niektóre wzorce rozciągają się w nieskończoność. To sprawia, że kryptografia sieciowa jest atrakcyjną alternatywą popularne typy szyfrowania jak RSA, który okazał się podatny na ataki.
Kryptografia oparta na kratach pozwala na kodowanie wiadomości w taki sposób, że może je odszyfrować tylko ktoś, kto zna właściwy klucz. Na przykład wyobraź sobie, że masz dwie kraty, jedną z 10 punktami, a drugą ze 100 punktami.
Jeśli miałbyś wybrać losowo dwa punkty z każdej sieci, ustalenie, który punkt na 10-punktowej siatce odpowiada któremu punktowi na 100-punktowej siatce, byłoby skomplikowane. Gdybyś jednak znał właściwy klucz, mógłbyś z łatwością dopasować punkty i rozszyfrować wiadomość.
Co ciekawe, szyfry sieciowe, takie jak Dilithium i Kyber, wykazały ogromny potencjał odporności na ataki obliczenia kwantowe źródła i są powszechnie uważane za przykłady szyfrowanie kwantowe.
Algorytmy kryptograficzne oparte na sieciach można podzielić na dwie szerokie kategorie: algorytmy z kluczem i algorytmy bez klucza. Algorytmy z kluczem, takie jak algorytm NTRUEncrypt, wymagają użycia tajnego klucza do szyfrowania i odszyfrowywania wiadomości. Algorytmy bez klucza, takie jak algorytm Dual EC_DRBG, nie wymagają klucza prywatnego.
Zrozumienie krat
Aby właściwie zrozumieć konstrukcję szyfru sieciowego, niezwykle ważna jest znajomość sieci i związanych z nimi problemów matematycznych.
Kraty były szeroko badane przez matematyków i mają wiele interesujących właściwości. Na przykład każda dwuwymiarowa siatka ma podstawę, zbiór wektorów definiujących siatkę. Liczba wektorów w bazie nazywana jest rzędem sieci.
Podstawą takiej sieci byłyby wektory (2, 0) i (0, 2). Ranga tej kraty wynosiłaby 2. Inną interesującą właściwością sieci krystalicznych jest to, że można je podzielić na jedną z trzech kategorii: okresowe, aperiodyczne lub chaotyczne.
Sieć okresowa to taka, w której wzór powtarza się w kółko bez przerw lub nakładania się. Sieć aperiodyczna to taka, w której wzór nie powtarza się dokładnie, ale nie ma luk ani nakładek. Sieć chaotyczna to taka, w której występują luki lub zakładki we wzorze, wprowadzające losowość do równania.
Bezpieczeństwo algorytmów opartych na sieci często zależy od tego, jak można rozwiązać pewne plany matematyczne na sieciach. Na przykład dwa typowe problemy obejmują problem z najbliższym wektorem (CVP) i problem z najkrótszym wektorem (SVP). Pierwszy to problem matematyczny, w którym należy znaleźć najkrótszy „niezerowy” wektor w danej sieci.
Problem najbliższego wektora to problem, w którym należy znaleźć wektor w danej sieci, który jest najbliższy danemu wektorowi. Uważa się, że zarówno SVP, jak i CVP są problemami złożonymi obliczeniowo. Dzięki temu algorytmy oparte na tych problemach są odporne na ataki klasycznych komputerów.
Cztery korzyści płynące z używania kryptografii opartej na sieciach
Kryptografia oparta na kratach oferuje wiele korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi szyframi. Niektóre z nich są następujące:
1. Ulepszone zabezpieczenia
Jedną z największych zalet kryptografii opartej na sieci jest to, że oferuje ona większe bezpieczeństwo. Dzieje się tak dlatego, że kraty są trudniejsze do złamania niż inne struktury matematyczne powszechnie stosowane w kryptografii, takie jak krzywe eliptyczne.
2. Szybsze czasy obliczeń
Kolejną zaletą kryptografii opartej na sieci jest to, że można ją obliczać znacznie szybciej niż inne algorytmy kryptograficzne. Jest to ważne, ponieważ krótsze czasy obliczeń mogą poprawić wydajność, zwłaszcza w aplikacjach wymagających odpowiedzi w czasie rzeczywistym, takich jak media strumieniowe lub gry online.
3. Niższe zużycie energii
Algorytmy kryptograficzne oparte na sieci są nie tylko szybsze, ale także zużywają mniej energii niż inne typy algorytmów kryptograficznych. Dzieje się tak, ponieważ można je zaimplementować w sprzęcie, który wymaga mniejszej mocy.
Na przykład niektóre typy procesorów przeznaczone do wydobywania kryptowalut są nawet wielokrotnie bardziej energooszczędne niż tradycyjne procesory, gdy działają algorytmy kryptograficzne oparte na sieciach.
4. Elastyczny i łatwy do wdrożenia
Kolejną zaletą korzystania z kryptografii opartej na sieci jest to, że jest stosunkowo łatwa do wdrożenia. Inne metody, takie jak kryptografia krzywych eliptycznych, mogą być dość złożone i wymagać dużej ilości zasobów komputerowych.
Kryptografię opartą na sieci można wdrożyć na gotowym sprzęcie, co czyni ją bardziej dostępną i tańszą. Ponadto nie ma specjalnych wymagań dotyczących implementacji kryptografii opartej na sieciach.
Co ważniejsze, szyfry sieciowe mogą być używane do wielu różnych zastosowań. Na przykład może być używany do podpisów cyfrowych, szyfrowania opartego na hasłach i wymiany kluczy. Ponadto istnieje kilka różnych sposobów konstruowania siatki, co oznacza, że istnieje duża elastyczność w sposobie jej wykorzystania.
Oczekuje się wzrostu popularności nowych standardów kryptograficznych
Gdy globalni eksperci ds. bezpieczeństwa przyglądają się standardom kryptograficznym odpornym na kwant, możemy spodziewać się wzrostu popularności innych standardów, takich jak kryptografia oparta na sieciach. Ponieważ komputery kwantowe mogą szybko rozwiązywać problemy w ciągu kilku sekund, których ukończenie zwykłym komputerom zajmie ponad 100 000 lat, ich moc może z łatwością pokonać protokoły szyfrowania, których używamy dzisiaj.
Komputery kwantowe stanowią poważne zagrożenie dla wielu standardów szyfrowania, które do tej pory były w stanie wytrzymać próbę czasu. Mimo to można oczekiwać, że kryptografia będzie się zmieniać i ewoluować, zwłaszcza że maszyny kwantowe, które mają potencjał prześcignięcia superkomputerów, w końcu staną się głównym nurtem.
