Схема Шнорра

Схема Шнорра — это криптографический протокол, разработанный немецким учёным Клаусом Шнорром в 1989 году. Она широко используется для создания цифровых подписей, обеспечения аутентификации и защиты данных.

Схема Шнорра лежит в основе стандарта Республики Беларусь СТБ 1176.2-99 и южнокорейских стандартов KCDSA и EC-KCDSA. Основное преимущество схемы заключается в её эффективности и относительно низких вычислительных затратах по сравнению с другими алгоритмами цифровой подписи, такими как RSA или DSA.

Основные принципы схемы Шнорра:

  1. Асимметричное шифрование: схема основана на использовании пары ключей: открытого (public key) и закрытого (private key). Открытый ключ доступен всем, а закрытый ключ хранится в секрете владельцем.
  2. Математическая база: протокол использует математические свойства дискретного логарифмирования и модульной арифметики. Безопасность схемы обеспечивается сложностью задачи нахождения дискретного логарифма в конечном поле.
  3. Цифровая подпись: схема Шнорра позволяет создавать уникальные подписи, которые можно проверить с помощью открытого ключа. Подписи обеспечивают:
  • Целостность данных: Убедиться, что сообщение не было изменено;
  • Аутентификацию: Подтвердить, что сообщение действительно отправлено владельцем закрытого ключа;
  • Неподделываемость: Гарантировать, что подпись невозможно подделать без знания закрытого ключа.

Как работает схема Шнорра?

1. Генерация ключей:

  • Выбирается большое простое число $ p $ и его делитель $ q $ (обычно $ q $ — простое число);
  • Выбирается генератор $ g $ мультипликативной группы по модулю $ p $, такой что $ g^q \equiv 1 \mod p $;
  • Владелец создаёт случайный закрытый ключ $ x $ ($ 1 < x < q $);
  • Открытый ключ $ y $ вычисляется как $ y = g^x \mod p $.

2. Создание подписи:

Для подписи сообщения $ m $ выполняются следующие шаги:

  1. Вычисляется хеш сообщения $ H(m) $;
  2. Генерируется случайное число $ k $ ($ 1 < k < q $);
  3. Вычисляется значение $ r = g^k \mod p $;
  4. Вычисляется $ e = H(m || r) $ (хеш от объединения сообщения и $ r $);
  5. Вычисляется подпись $ s = k — x \cdot e \mod q $;
  6. Подпись представляет собой пару $ (e, s) $.

3. Проверка подписи:

Чтобы проверить подпись $ (e, s) $ для сообщения $ m $:

  1. Вычисляется $ r’ = g^s \cdot y^e \mod p $;
  2. Вычисляется $ e’ = H(m || r’) $;
  3. Если $ e’ = e $, подпись считается действительной.

Преимущества схемы Шнорра:

  1. Эффективность: алгоритм имеет меньшие вычислительные затраты по сравнению с другими схемами, такими как DSA или ECDSA, особенно при использовании эллиптических кривых;
  2. Компактность подписи: подпись состоит всего из двух значений ($ e $ и $ s $), что делает её короче и удобнее для хранения и передачи;
  3. Безопасность: схема Шнорра обеспечивает высокий уровень безопасности благодаря сложности задачи дискретного логарифмирования;
  4. Линейность подписей: одной из уникальных особенностей схемы является возможность объединять несколько подписей в одну (мультиподпись), что снижает объём данных и упрощает проверку.

Пример применения:

  1. Криптовалюты: схема Шнорра активно используется в блокчейне Bitcoin (начиная с обновления Taproot в 2021 году). Благодаря своей эффективности и возможности создания мультиподписей, она помогает повысить приватность и масштабируемость сети;
  2. Аутентификация пользователей: схема может применяться для безопасной аутентификации пользователей в системах, где требуется защита от подделки данных;
  3. Защита документов: используется для создания цифровых подписей в электронных документах, контрактах и транзакциях.

Недостатки схемы Шнорра:

  1. Зависимость от случайных чисел: Безопасность подписи зависит от качественного генератора случайных чисел. Если случайное число $ k $ будет скомпрометировано, злоумышленник сможет вычислить закрытый ключ;
  2. Ограниченная совместимость: хотя схема Шнорра стандартизирована, её внедрение в существующие системы может потребовать значительных изменений;
  3. Уязвимости реализации: плохая реализация алгоритма может привести к уязвимостям, таким как атаки на сторонние каналы.

Схема Шнорра является одним из наиболее эффективных и безопасных алгоритмов цифровой подписи. Её компактность, линейность и возможность создания мультиподписей делают её особенно привлекательной для современных технологий, таких как блокчейн. Однако успешное использование схемы требует строгого соблюдения стандартов безопасности и аккуратной реализации.

Другие новости ЭЦП и ЭДО