3.8 Криптографическая защита баз данных

База данных членов организации - это весьма важная вещь. С одной стороны вы хотите предоставить доступ к ней всем членам, желая, чтобы они общались друг с другом, обменивались идеями и делились друг с другом бутербродами. С другой стороны, если вы пустите в вашу базу данных кого угодно, сведения обязательно попадут в руки надоедливых страховых агентов и докучливых поставщиков всякого хлама по почте.

Криптография может облегчить эту проблему. Можно зашифровать базу данных так, чтобы получить адрес одного человека было легко, а извлечь список почтовых адресов всех членов - трудно.

Схема, предложенная в [550, 549], прямолинейна. Выберите однонаправленную хэш-функцию и симметричный алгоритм шифрования. У каждой записи в базе данных два поля. Индексным полем является фамилия члена, и именно оно обрабатывается однонаправленной хэш-функцией. Поле данных, в котором хранится полное имя и адрес члена, шифруется с помощью используемой в качестве ключа фамилии. Если вы не знаете фамилии, вы никогда не сможете расшифровать поле данных.

Поиск по конкретной фамилии прост. Сначала хэшируется фамилия, и выполняется поиск значения хэш-функции в базе данных. Наличие нескольких совпадений означает, что база данных содержит информацию о нескольких людях с такой фамилией.

В [550] авторы используют эту систему для защиты словаря из 6000 испанских слов. Они сообщают о том, что потеря производительности, вызванная шифрованием, минимальна. В более сложной схеме [549] используется поиск по нескольким индексам, но идея остается той же. Основная проблема, связанная с этой системой, состоит в том, что вы не сможете найти человека, не зная, как пишется его фамилия. Можно попробовать несколько вариантов, пока не будет найден правильный, но неудобно перебирать всех, чьи фамилии начинаются на "Sch" при поиске "Schneier."

Эта защита несовершенна. Очень назойливый страховой агент восстановит базу данных членов организации с помощью грубого взлома, перебирая все возможные фамилии. Если у него есть телефонная база данных, он может использовать имеющийся в ней список фамилий. Это пережевывание номеров может занять несколько недель, но дело будет сделано. Тем не менее такая схема усложнит работу взломщика ( в мире продажи всякой чепухи по почте "усложнит" быстро превращается в "сделает слишком дорогой"). Другой подход, предложенный в [185], предлагает набирать статистику по шифрованным данным.

4 Промежуточные протоколы

4.1 Службы меток времени

Во многих ситуациях людям нужно убедиться, что определенный документ уже существовал в определенный момент времени. Примером является спор об авторских правах или патенте. Дело выигрывает сторона, которая представит более раннюю копию спорной работы. Бумажные документы заверяются нотариусами и хранятся у юристов. Если возникает спор, нотариус или юрист свидетельствует, что письмо существовало в определенный момент времени.

В цифровом мире все гораздо сложнее. Нет способов обнаружить признаки подделки электронного документа. Его можно бесконечно копировать и изменять, не оставляя никаких следов. Несложно и изменить время создания компьютерного файла. Никто не может взглянуть на документ и с полной уверенностью сказать: "Да, этот документ был создан раньше 4 ноября 1952 года"

Этой проблемой задались Стюарт Хабер (Stuart Haber) и В. Скотт Сторнетта (W. Scott Stornetta) из Bellcore [682, 683, 92]. Им потребовался протокол цифровых меток времени со следующими свойствами:

• Метка времени должна существовать сама по себе, независя от физической среды, используемой для ее хранения.

• Должно быть невозможно тайно изменить ни единого бита документа.

• Должно быть невозможно задать для документа метку времени, отличного от текущего.

Решение с посредником

В этом протоколе участвуют Трент, обладающий надежной службой меток времени, и Алиса, которая хочет задать метку времени для документа.

1. Алиса передает копию документа Тренту.

2. Трент записывает время и дату получения документа, оставляя у себя копию для безопасного хранения.

Теперь, если кто-нибудь усомнится в заявленном Алисой времени создания документа, то Алисе просто нужно обратиться к Тренту. Он предоставит свою копию документа и подтвердит, что он получил документ в указанный день и час.

Этот протокол работает, но есть ряд очевидных проблем. Во первых, невозможно сохранить тайну - Алиса должна предоставить копию документа Тренту. Кто-то, подслушивающий линию связи, сможет прочесть документ. Она может зашифровать документ при передаче, но ведь он должен будет храниться в базе данных Трента. Насколько эта база безопасна?

Во вторых, самой базе данных придется быть очень большой. Велики будут требования и к пропускной способности линии связи.

Третья проблема связана с возможными ошибками. Ошибки при передаче или электромагнитная бомба, взорванная где-то в центральном компьютере Трента могут полностью свести на нет заявление Алисы о метке времени.

И в четвертых, может оказаться невозможным найти такого честного Трента для ведения службы меток времени. Может быть, Алиса использует метку времени Боба. Ничто не остановит Алису и Боба от сговора и пометки документа тем временем, которое им нужно.

Улучшенное решение с посредником

Большинство этих проблем легко снимаются при использовании однонаправленной хэш-функции и цифровых подписей:

1. Алиса вычисляет значение однонаправленной хэш-функции для документа.

2. Алиса передает это значение Тренту.

3. Трент добавляет время и дату получения этого значения и затем подписывает результат цифровой подписью.

4. Трент отправляет подписанное значение хэш-функции вместе с меткой времени Алисе.

Это решает все проблемы, кроме последней. Алисе больше не нужно беспокоиться о раскрытии содержания документа, использование значения хэш-функции вполне достаточно. Тренту больше не нужно хранить копии документов (и даже значения хэш-функции), поэтому снимаются проблемы безопасности и объема сохраняемых данных (помните, у однонаправленных хэш-функций нет ключа). Алиса может немедленно проверить подписанную метку времени, полученную на этапе (4), и немедленно обнаружить любые ошибки передачи. Единственной оставшейся проблемой остается сговор Алисы и Трента с целью создания поддельной метки времени.

Протокол связи

Одним из путей решения этой проблемы является установление связи между меткой времени Алисы и метками времени, ранее созданными Трентом. Весьма вероятно, что эти метки были созданы не для Алисы, а для других людей. Так как порядок, в котором Трент получает различные запросы о метках времени не может быть известен заранее, перед меткой времени для Алисы должна была появиться другая метка времени. И так как запрос, пришедший позже, связан с меткой времени Алисы, то ее метка должна была появиться раньше. Эти две метки содержат между собой запрос Алисы как будто в сэндвиче.

Если А - это имя Алисы, H_n - значение хэш-функции, для которого Алиса хочет зафиксировать время, а T_n-1 - предыдущая метка времени, то протокол имеет следующий вид:

1. Алиса посылает Тренту H_n и А.

2. Трент посылает Алисе обратно:

T_n=S_K(n,A,H_n,T_n,I_n-1,H_n-1,T_n-1,L_n)

где состоит L_n - это информация о следующей хэшированной связи:

L_n =H(I_n-1,H_n-1,T_n-1,L_n-1)

S_K указывает, что сообщение подписано открытым ключом Трента. Имя Алисы определяет ее как отправителя запроса. Параметр n указывает последовательность запросов. Это n-ая метка времени, которую создал Трент. Параметр T_n - это время. Дополнительно используется информация об идентификаторе, оригинального значения хэш-функции, времени и хэшированной метка предыдущего документа, помеченного Трентом.

1. Когда Трент помечает следующий документ, он посылает Алисе идентификатор отправителя этого документа: I_n-1.

Если кто-то оспаривает метку времени Алисы, ей надо только связаться с отправителями предыдущего и следующего документов: I_n-1 н I_n+1. Если и их свидетельство под вопросом, можно обратиться к авторам документов I_n-1 н I_n+1 и т.д. Любой может показать, что его документ был помечен после одного документа и перед другим.

Этот протокол мешает Алисе и Тренту договориться и создать документ с временем создания, отличным от времени создания настоящего документа. Трент не может изменить дату документа Алисы на более раннюю, так как для этого нужно знать заранее, для какого документа перед данным будет проставляться метка времени. Даже если он сможет подделать предыдущий документ, ему придется знать, какой документ предшествовал предыдущему и так далее. Трент не может изменить дату документа Алисы и на более позднюю, потому что метка времени должна быть вставлена перед меткой времени документа, заверяемого сразу же после данного, а этот документ уже существует. Единственный возможный способ сломать эту схему - это ввести фиктивную цепочку документов перед и после документа Алисы, достаточно длинную, чтобы лишить терпения того, кто проверяет метку времени документа Алисы.

Распределенный протокол

Люди умирают, метки времени теряются. Между пометкой документа и его оспариванием может произойти многое, что помешает Алисе получить копию метки времени I_n-1. Эта проблема может быть частично снята вставкой меток времени предыдущих 10 человек в метку Алисы и последующей передаче Алисе имен следующих 10 человек. Так у Алисы появится гораздо больше возможностей найти людей, все еще хранящих свои метки времени.

Развивая эту идею, следующий протокол позволяет обойтись и без Трента:

1. Используя в качестве входа H_n, Алиса генерирует последовательность случайных чисел с помощью криптографически безопасного генератора случайных чисел.

V₁, V₂, V₃, . . . V_k

2. Алиса рассматривает каждое из этих чисел как идентификатор, I, другого человека и посылает каждому из этих людей H_n.

3. Каждый из них добавляет время и дату к значению хэш-функции, подписывает результат и отправляет его обратно Алисе.

4. Алиса собирает и хранит все подписи как метку времени.

Криптографически безопасный генератор случайных чисел, используемый на этапе (1), позволяет Алисе избежать преднамеренного выбора коррумпированных I в качестве свидетелей. Даже если она сделает простейшие изменения в своем документе, пытаясь создать набор коррумпированных I, ее шансы добиться этого пренебрежимо малы. Хэш-функция рандомизирует значения, и Алиса не может на них воздействовать.

Этот протокол работает, потому что подделать метку времени Алиса может, только договорившись о сотрудничестве со всеми k людьми. Так как на этапе (1) она выбирала их случайным образом, вероятность этого очень низка. Чем коррумпированнее общество, тем больше должно быть число k.

Кроме того, должен использоваться некоторый механизм, учитывающий то, что ряд людей не смогут вовремя возвратить метку времени. Все, что нужно для правильной метки времени - это некоторое подмножество k. Детали зависят от реализации.

Дальнейшая работа

Дальнейшие улучшения протоколов метки времени описаны в [92]. Авторы используют двоичные деревья для увеличения количества меток времени, зависящих от данной метки, уменьшая вероятность создания цепочки фальшивых меток времени. Они также рекомендуют публиковать список значений хэш-функций за прошедший день в некотором общедоступном источнике, например газете. Это работает как отправка значения хэш-функции случайным людям в распределенном протоколе. Действительно, метка времени появляется в каждом номере воскресной Нью-Йорк Таймс с 1992 года.

Эти протоколы меток времени запатентованы [684, 685, 686]. Патенты принадлежат дочерней компании Bellcore, названной Surety Technologies, которая продает Систему цифрового нотариата, поддерживающую эти протоколы. В первой версии клиенты посылали запросы о "заверении" на центральный координирующий центр. Следуя методике Меркла по использованию хэш-функций для построения деревьев [1066], сервер строит дерево значений хэш-функции, листья которого представляют собой все запросы, полученные в течение данной секунды, и посылает каждому автору запроса список значений хэш-функции, описывающий путь от его листа до корня. Клиентская часть программного обеспечения сохраняет этот список и может выдать "сертификат" Цифрового нотариата для любого файла, который был сертифицирован. Последовательность корней этих деревьев образует "Запись универсального подтверждения" ("Universal Validation Record"), которая будет доступна в электронном виде во многих хранилищах (и также выпущена на CD-ROM). Клиентская часть также содержит функцию "подтверждения", позволяющую пользователю проверить, был ли заверена именно текущая форма файла (запросив из хранилища корень соответствующего дерева и сравнив его со значением хэш-функции, соответствующим образом рассчитанным для файла, и сертификатом). За дальнейшей информацией обращайтесь в Surety Technologies, 1 Main St., Chatham, NJ, 07928; (201) 701-0600; Fax: (201) 701-0601.