ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ПРОБЛЕМЫ КВАНТОСТОЙКИХ АЛГОРИТМОВ ШИФРОВАНИЯ

DEVELOPMENT TRENDS AND PROBLEMS OF QUANTUM-RESISTANT ENCRYPTION ALGORITHMS

Yury Okhrimenko

student, Department of Automated Control Systems, Ufa University of Science and Technology,

Russia, Ufa

Alla Suleimanova

scientific supervisor, candidate of Technical Sciences, associate professor, Ufa University of Science and Technology,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

Данная статья описывает то, что из себя представляют квантостойкие алгоритмы шифрования, а также рассматриваются тенденции и основные проблемы развития.

ABSTRACT

This article describes what quantum-resistant encryption algorithms are, and also discusses trends and main development problems.

Ключевые слова: Криптография; шифрование, квантостойкие алгоритмы.

Keywords: Cryptography; encryption, quantum-resistant algorithms.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ 

В современном информационном пространстве наблюдается постоянное развитие, в котором ключевую роль играют информационные технологии. Этот прогресс, несомненно, способствует увеличению объема данных и расширению возможностей их обработки. Однако, вместе с этим ростом возникают новые угрозы безопасности, вызывая необходимость постоянного совершенствования методов защиты информации.

В нынешней цифровой эпохе, где информация стала ключевым ресурсом, вопрос обеспечения ее безопасности становится на первый план. Стремительное развитие информационных технологий приводит к появлению новых форм угроз, таких как киберпреступность или своего рода информационная война. В этой связи защита информации становится одной из наиболее актуальных задач как на государственном уровне, так и в повседневной жизни обычных пользователей.

В повседневной практике многие из нас сталкиваются с необходимостью обеспечения конфиденциальности своих данных. Это особенно актуально в сети Интернет, где для создания аккаунтов на различных веб-ресурсах пользователю требуется предоставить личную информацию и установить пароль или при подписании каких-либо документов, финансовых операций [5]. В контексте сохранения личной приватности и защиты от киберугроз, криптография становится важным инструментом.

Криптография - это своего рода раздел математики, который изучает модели, методы и алгоритмы, а также различные средства преобразования информации с целью защиты от несанкционированного доступа или предотвращение ее видоизменения [4]. По крайней мере, так она начиналась. В наши дни она стала гораздо шире, охватывая аутентификацию, цифровые подписи и множество других элементарных функций безопасности. Этот прогресс, несомненно, способствует увеличению объема данных и расширению возможностей их обработки. Однако, вместе с этим ростом возникают новые угрозы безопасности, вызывая необходимость постоянного совершенствования методов защиты информации [3].

Сейчас существует множество алгоритмов шифрования, разработанных для обеспечения конфиденциальности и безопасности передаваемых данных. Два из наиболее распространенных и широко используемых алгоритма шифрования включают в себя AES (Advanced Encryption Standard) и RSA (Rivest-Shamir-Adleman).

AES является симметричным блочным алгоритмом шифрования, который использует ключ переменной длины для защиты данных. Он обеспечивает высокий уровень безопасности и эффективно применяется в различных областях, требующих шифрования, таких как сетевая безопасность и защита данных на устройствах хранения.

RSA, в свою очередь, представляет собой асимметричный алгоритм шифрования, использующий пару открытый и закрытый ключей для шифрования и расшифрования данных. Этот алгоритм широко применяется для защиты передачи данных в сетях, аутентификации и создания цифровых подписей.

Однако, несмотря на их широкое использование в классических системах, все два алгоритма становятся уязвимыми для квантовых компьютеров по следующим причинам:

1. RSA основан на факторизации больших простых чисел: Один из основных принципов RSA заключается в том, что сложно разложить большое составное число на его простые множители. Однако квантовые компьютеры могут использовать алгоритм Шора для эффективной факторизации больших чисел. Это делает алгоритм RSA уязвимым перед квантовыми атаками.
2. AES основан на комбинаторной сложности: AES (Advanced Encryption Standard) основан на комбинаторной сложности, которая не подвержена известным классическим криптографическим атакам. Однако квантовые компьютеры могут использовать алгоритм Гровера для эффективного поиска решения в неупорядоченном наборе данных. Это означает, что AES также становится уязвимым перед квантовыми вычислениями.
3. Высокая степень стандартизации и практичности: Как RSA, так и AES являются широко используемыми и стандартизированными алгоритмами шифрования, что делает их практичными для использования в реальных приложениях. Однако их стандартизация не учитывает угрозы, связанные с квантовыми вычислениями, и, следовательно, они не обладают квантостойкостью.

Таким образом, в условиях быстрого развития информационных технологий и возрастающей угрозы кибератак необходимость в развитии и применении квантостойких алгоритмов шифрования становится более чем актуальной. Это обуславливает значимость и актуальность проведения научных исследований, направленных на выявление тенденций развития и решение проблем в области квантостойкой криптографии.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Квантостойкие алгоритмы шифрования разработаны с целью обеспечения защиты информации от атак, основанных на использовании квантовых компьютеров. Эти алгоритмы должны удовлетворять ряду условий, чтобы быть эффективными и надежными в современном информационном пространстве:

1. Сложность вычислений: Квантостойкие алгоритмы должны базироваться на задачах, сложность которых не уменьшается с использованием квантовых алгоритмов. То есть, даже при наличии квантового компьютера, время, необходимое для решения задачи, должно быть слишком велико для практического использования.

2. Параллелизация атак: Алгоритмы должны быть устойчивы к параллельной обработке данных на квантовых компьютерах. Это означает, что даже если вражеский атакующий может использовать параллельные вычисления, сложность задачи останется высокой.

3. Достаточный размер ключа: Квантостойкие алгоритмы должны использовать ключи достаточной длины, чтобы обеспечить надежную защиту информации. Рекомендуемая длина ключа может изменяться в зависимости от конкретного алгоритма и уровня безопасности, но обычно она составляет не менее нескольких сотен бит.

4. Эффективность и производительность: Алгоритмы должны быть эффективными с точки зрения производительности и использования ресурсов. Они должны обеспечивать достаточную скорость работы для применения в реальных системах без значительного увеличения нагрузки на вычислительные ресурсы.

5. Устойчивость к известным атакам: Квантостойкие алгоритмы должны быть устойчивы к известным атакам, как классическим, так и квантовым. Это включает в себя защиту от известных криптоаналитических методов, таких как атаки посредством перебора ключа или атаки по времени.

В контексте быстрого развития квантовых вычислений и растущего интереса к квантостойкой криптографии, важно подробно рассмотреть основные проблемы, с которыми сталкиваются квантостойкие алгоритмы шифрования. Эти алгоритмы, разработанные для обеспечения безопасности данных в условиях прогрессирующих технологий квантовых вычислений, встают перед рядом значительных вызовов, которые необходимо учитывать при их реализации и применении.

1. Вычислительная сложность: Квантостойкие алгоритмы должны быть вычислительно сложными для атакующих, чтобы обеспечить безопасность данных. Однако, слишком высокая вычислительная сложность может сделать их непрактичными для реальных приложений.
2. Стойкость к квантовым атакам: С развитием квантовых компьютеров существующие криптографические методы могут стать уязвимыми. Квантостойкие алгоритмы должны быть устойчивы к атакам, основанным на квантовых вычислениях.
3. Степень стандартизации: Важно, чтобы квантостойкие алгоритмы были стандартизированы, чтобы они могли быть широко приняты и использованы в различных системах и приложениях.
4. Совместимость с системами: Квантостойкие алгоритмы должны быть совместимы с существующими системами и инфраструктурой, чтобы обеспечить их успешное внедрение и использование.

Нельзя не заметить, что в последнее время отмечается существенный рост интереса к дальнейшему развитию квантостойких алгоритмов, в связи с интенсивным прогрессом в области квантовых вычислений. Одним из важнейших направлений этого развития является постоянное совершенствование математических методов, заложенных в основу этих алгоритмов, с целью обеспечения их устойчивости к потенциальным квантовым атакам. Этот процесс включает в себя как разработку новых математических структур и алгоритмов, так и исследование их криптографических свойств в контексте современных технологических вызовов.

Примером квантостойкого алгоритма, привлекающего значительное внимание на сегодняшний день, является NTRUEncrypt [1]. Этот алгоритм основан на уникальных математических свойствах решеток и отличается высокой степенью устойчивости как к классическим, так и к потенциальным квантовым атакам. NTRUEncrypt обеспечивает эффективную защиту информации и может успешно применяться в различных областях, где требуется высокий уровень криптографической безопасности.

Другим важным трендом в развитии квантостойких алгоритмов является исследование новых подходов к разработке криптографических протоколов, обеспечивающих надежную защиту данных в условиях активного развития квантовых технологий. Это включает в себя создание алгоритмов распределения ключей, аутентификации и электронной подписи, способных оставаться устойчивыми даже при использовании квантовых вычислений. Такие исследования направлены на разработку инновационных методов обеспечения безопасности в условиях эволюции квантовых вычислений и представляют собой важный этап в эволюции квантостойкой криптографии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении можно подвести итоги основных аспектов, рассмотренных в рамках данной работы о квантостойких алгоритмах шифрования. Основываясь на проведенном анализе, можно сделать следующие выводы:

Квантостойкие алгоритмы шифрования представляют собой важное направление в области информационной безопасности, особенно в свете быстрого развития квантовых технологий. Они являются ключевым компонентом для обеспечения защиты данных от потенциальных атак, основанных на квантовых вычислениях.

Основные проблемы квантостойких алгоритмов включают в себя вычислительную сложность, стойкость к квантовым атакам, степень стандартизации и совместимость с существующими системами. Решение этих проблем требует комплексного подхода и дальнейших исследований в области криптографии и математики.

Важность стандартизации и совместимости квантостойких алгоритмов не может быть недооценена. Это обеспечивает их успешное внедрение и использование в различных областях, включая государственные системы, корпоративные сети и повседневные приложения.

Перспективы развития квантостойких алгоритмов обещают быть значительными, особенно в контексте постоянного развития квантовых технологий. Дальнейшие исследования в этой области позволят создавать более надежные и эффективные методы шифрования, способные эффективно защищать данные в условиях современного информационного пространства. Так же стоит отметить, что новизна применения таких алгоритмов заключена не только для квантовых, но и для существующих компьютеров.

Таким образом, квантостойкие алгоритмы шифрования играют важную роль в обеспечении информационной безопасности, и их дальнейшее развитие и исследования являются необходимыми для обеспечения защиты данных в условиях быстро меняющейся криптографической среды.

Список литературы:

1. Hoffstein J., Whyte W., Pipher J., — Practical lattice-based cryptography: NTRUEncrypt — 2009 — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.researchgate.net/publication/226446320_Practical_lattice-based_cryptography_NTRUEncrypt
2. Rose M.,LATTICE-BASED CRYPTOGRAPHY: A PRACTICAL IMPLEMENTATION  — 2011. — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://thomas-plantard.github.io/pdf/Rose11.pdf
3. Ferguson N., Schneier B., Kohno T. Cryptography Engineering: Design Principles and Practical Applications // Wiley Publishing, Inc. — 2010. — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://theswissbay.ch/pdf/Books/Computer%20science/Cryptography/cryptography_engineering_design_principles_and_practical_applications.pdf
4. Гатченко Н.А., Исаев А.С., Яковлев А.Д. — «Криптографическая защита информации» —  СПб: НИУ ИТМО — 2012. — 142 с.
5. Адигеев М. Г. — ВВЕДЕНИЕ В КРИПТОГРАФИЮ — Ростов-на-Дону «Ростовский государственный университет» — 2002 — 35 c.