home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Hacker's Secrets 4 / Hacker's Secrets 4.iso / faq / news1111.txt < prev    next >
Text File  |  1997-01-06  |  13KB  |  255 lines

  1. Subject: Cryptography FAQ (03/10: Basic Cryptology)
  2. Supersedes: <cryptography-faq/part03_848729385@rtfm.mit.edu>
  3. Date: 14 Dec 1996 06:50:55 GMT
  4. References: <cryptography-faq/part01_850546235@rtfm.mit.edu>
  5. X-Last-Updated: 1994/07/05
  6.  
  7.  
  8. This is the third of ten parts of the sci.crypt FAQ. The parts are
  9. mostly independent, but you should read the first part before the rest.
  10. We don't have the time to send out missing parts by mail, so don't ask.
  11. Notes such as ``[KAH67]'' refer to the reference list in the last part.
  12.  
  13. The sections of this FAQ are available via anonymous FTP to rtfm.mit.edu 
  14. as /pub/usenet/news.answers/cryptography-faq/part[xx]. The Cryptography 
  15. FAQ is posted to the newsgroups sci.crypt, talk.politics.crypto, 
  16. sci.answers, and news.answers every 21 days.
  17.  
  18.  
  19. Contents:
  20.  
  21. 3.1. What is cryptology? Cryptography? Plaintext? Ciphertext? Encryption? Key?
  22. 3.2. What references can I start with to learn cryptology?
  23. 3.3. How does one go about cryptanalysis?
  24. 3.4. What is a brute-force search and what is its cryptographic relevance?
  25. 3.5. What are some properties satisfied by every strong cryptosystem?
  26. 3.6. If a cryptosystem is theoretically unbreakable, then is it
  27.   guaranteed analysis-proof in practice?
  28. 3.7. Why are many people still using cryptosystems that are
  29.   relatively easy to break?
  30. 3.8. What are the basic types of cryptanalytic `attacks'?
  31.  
  32.  
  33. 3.1. What is cryptology? Cryptography? Plaintext? Ciphertext? Encryption? Key?
  34.  
  35.   The story begins: When Julius Caesar sent messages to his trusted
  36.   acquaintances, he didn't trust the messengers. So he replaced every A
  37.   by a D, every B by a E, and so on through the alphabet. Only someone
  38.   who knew the ``shift by 3'' rule could decipher his messages.
  39.  
  40.   A cryptosystem or cipher system is a method of disguising messages so
  41.   that only certain people can see through the disguise. Cryptography is
  42.   the art of creating and using cryptosystems. Cryptanalysis is the art
  43.   of breaking cryptosystems---seeing through the disguise even when
  44.   you're not supposed to be able to. Cryptology is the study of both
  45.   cryptography and cryptanalysis.
  46.  
  47.   The original message is called a plaintext. The disguised message is
  48.   called a ciphertext. Encryption means any procedure to convert
  49.   plaintext into ciphertext. Decryption means any procedure to convert
  50.   ciphertext into plaintext.
  51.  
  52.   A cryptosystem is usually a whole collection of algorithms. The
  53.   algorithms are labelled; the labels are called keys. For instance,
  54.   Caesar probably used ``shift by n'' encryption for several different
  55.   values of n. It's natural to say that n is the key here.
  56.  
  57.   The people who are supposed to be able to see through the disguise are
  58.   called recipients. Other people are enemies, opponents, interlopers,
  59.   eavesdroppers, or third parties.
  60.  
  61. 3.2. What references can I start with to learn cryptology?
  62.  
  63.   For an introduction to technical matter, the survey articles given
  64.   in part 10 are the best place to begin as they are, in general,
  65.   concise, authored by competent people, and well written. However,
  66.   these articles are mostly concerned with cryptology as it has
  67.   developed in the last 50 years or so, and are more abstract and
  68.   mathematical than historical. The Codebreakers by Kahn [KAH67] is
  69.   encyclopedic in its history and technical detail of cryptology up
  70.   to the mid-60's.
  71.  
  72.   Introductory cryptanalysis can be learned from Gaines [GAI44] or
  73.   Sinkov [SIN66]. This is recommended especially for people who want
  74.   to devise their own encryption algorithms since it is a common
  75.   mistake to try to make a system before knowing how to break one.
  76.  
  77.   The selection of an algorithm for the DES drew the attention of
  78.   many public researchers to problems in cryptology. Consequently
  79.   several textbooks and books to serve as texts have appeared. The
  80.   book of Denning [DEN82] gives a good introduction to a broad range
  81.   of security including encryption algorithms, database security,
  82.   access control, and formal models of security. Similar comments
  83.   apply to the books of Price & Davies [PRI84] and Pfleeger [PFL89].
  84.  
  85.   The books of Konheim [KON81] and Meyer & Matyas [MEY82] are quite
  86.   technical books. Both Konheim and Meyer were directly involved in
  87.   the development of DES, and both books give a thorough analysis of
  88.   DES. Konheim's book is quite mathematical, with detailed analyses
  89.   of many classical cryptosystems. Meyer and Matyas concentrate on
  90.   modern cryptographic methods, especially pertaining to key management
  91.   and the integration of security facilities into computer systems and
  92.   networks. For more recent documentation on related areas, try
  93.   G. Simmons in [SIM91].
  94.  
  95.   The books of Rueppel [RUE86] and Koblitz [KOB89] concentrate on
  96.   the application of number theory and algebra to cryptography.
  97.  
  98. 3.3. How does one go about cryptanalysis?
  99.  
  100.   Classical cryptanalysis involves an interesting combination of
  101.   analytical reasoning, application of mathematical tools, pattern
  102.   finding, patience, determination, and luck. The best available
  103.   textbooks on the subject are the Military Cryptanalytics series
  104.   [FRIE1]. It is clear that proficiency in cryptanalysis is, for
  105.   the most part, gained through the attempted solution of given
  106.   systems. Such experience is considered so valuable that some of the
  107.   cryptanalyses performed during WWII by the Allies are still
  108.   classified.
  109.  
  110.   Modern public-key cryptanalysis may consist of factoring an integer,
  111.   or taking a discrete logarithm. These are not the traditional fare
  112.   of the cryptanalyst. Computational number theorists are some of the
  113.   most successful cryptanalysts against public key systems.
  114.  
  115. 3.4. What is a brute-force search and what is its cryptographic relevance?
  116.  
  117.   In a nutshell: If f(x) = y and you know y and can compute f, you can
  118.   find x by trying every possible x. That's brute-force search.
  119.  
  120.   Example: Say a cryptanalyst has found a plaintext and a corresponding
  121.   ciphertext, but doesn't know the key. He can simply try encrypting the
  122.   plaintext using each possible key, until the ciphertext matches---or
  123.   decrypting the ciphertext to match the plaintext, whichever is faster.
  124.   Every well-designed cryptosystem has such a large key space that this
  125.   brute-force search is impractical.
  126.     
  127.   Advances in technology sometimes change what is considered
  128.   practical. For example, DES, which has been in use for over 10 years
  129.   now, has 2^56, or about 10^17, possible keys. A computation with
  130.   this many operations was certainly unlikely for most users in the
  131.   mid-70's. The situation is very different today given the dramatic
  132.   decrease in cost per processor operation. Massively parallel
  133.   machines threaten the security of DES against brute force search.
  134.   Some scenarios are described by Garron and Outerbridge [GAR91].
  135.  
  136.   One phase of a more sophisticated cryptanalysis may involve a
  137.   brute-force search of some manageably small space of possibilities.
  138.  
  139. 3.5. What are some properties satisfied by every strong cryptosystem?
  140.  
  141.   The security of a strong system resides with the secrecy of the key
  142.   rather than with the supposed secrecy of the algorithm.
  143.  
  144.   A strong cryptosystem has a large keyspace, as mentioned above. It
  145.   has a reasonably large unicity distance; see question 8.8.
  146.  
  147.   A strong cryptosystem will certainly produce ciphertext which appears
  148.   random to all standard statistical tests (see, for example, [CAE90]).
  149.     
  150.   A strong cryptosystem will resist all known previous attacks. A
  151.   system which has never been subjected to scrutiny is suspect.
  152.  
  153.   If a system passes all the tests mentioned above, is it necessarily
  154.   strong? Certainly not. Many weak cryptosystems looked good at first.
  155.   However, sometimes it is possible to show that a cryptosystem is
  156.   strong by mathematical proof. ``If Joe can break this system, then
  157.   he can also solve the well-known difficult problem of factoring
  158.   integers.'' See part 6. Failing that, it's a crap shoot.
  159.  
  160. 3.6. If a cryptosystem is theoretically unbreakable, then is it
  161.   guaranteed analysis-proof in practice?
  162.  
  163.   Cryptanalytic methods include what is known as ``practical
  164.   cryptanalysis'': the enemy doesn't have to just stare at your
  165.   ciphertext until he figures out the plaintext. For instance, he might
  166.   assume ``cribs''---stretches of probable plaintext. If the crib is
  167.   correct then he might be able to deduce the key and then decipher the
  168.   rest of the message. Or he might exploit ``isologs''---the same
  169.   plaintext enciphered in several cryptosystems or several keys. Thus
  170.   he might obtain solutions even when cryptanalytic theory says he
  171.   doesn't have a chance.
  172.  
  173.   Sometimes, cryptosystems malfunction or are misused. The one-time pad,
  174.   for example, loses all security if it is used more than once! Even
  175.   chosen-plaintext attacks, where the enemy somehow feeds plaintext into
  176.   the encryptor until he can deduce the key, have been employed. See
  177.   [KAH67].
  178.   
  179. 3.7. Why are many people still using cryptosystems that are
  180.   relatively easy to break?
  181.  
  182.   Some don't know any better. Often amateurs think they can design
  183.   secure systems, and are not aware of what an expert cryptanalyst
  184.   could do. And sometimes there is insufficient motivation for anybody
  185.   to invest the work needed to crack a system.
  186.  
  187. 3.8. What are the basic types of cryptanalytic `attacks'?
  188.  
  189.   A standard cryptanalytic attack is to know some plaintext matching a
  190.   given piece of ciphertext and try to determine the key which maps one 
  191.   to the other.  This plaintext can be known because it is standard (a
  192.   standard greeting, a known header or trailer, ...) or because it is
  193.   guessed.  If text is guessed to be in a message, its position is probably
  194.   not known, but a message is usually short enough that the cryptanalyst
  195.   can assume the known plaintext is in each possible position and do
  196.   attacks for each case in parallel.  In this case, the known plaintext can
  197.   be something so common that it is almost guaranteed to be in a message.
  198.  
  199.   A strong encryption algorithm will be unbreakable not only under known
  200.   plaintext (assuming the enemy knows all the plaintext for a given
  201.   ciphertext) but also under "adaptive chosen plaintext" -- an attack
  202.   making life much easier for the cryptanalyst.  In this attack, the enemy
  203.   gets to choose what plaintext to use and gets to do this over and over,
  204.   choosing the plaintext for round N+1 only after analyzing the result of
  205.   round N.
  206.  
  207.   For example, as far as we know, DES is reasonably strong even under an
  208.   adaptive chosen plaintext attack (the attack Biham and Shamir used).  Of
  209.   course, we do not have access to the secrets of government cryptanalytic
  210.   services.  Still, it is the working assumption that DES is reasonably
  211.   strong under known plaintext and triple-DES is very strong under all
  212.   attacks.
  213.  
  214.   To summarize, the basic types of cryptanalytic attacks in order of
  215.   difficulty for the attacker, hardest first, are:
  216.  
  217.   cyphertext only: the attacker has only the encoded message from which 
  218.     to determine the plaintext, with no knowledge whatsoever of the
  219.     latter.
  220.  
  221.     A cyphertext only attack is usually presumed to be possible, and
  222.     a code's resistance to it is considered the basis of its 
  223.     cryptographic security.
  224.  
  225.   known plaintext: the attacker has the plaintext and corresponding 
  226.     cyphertext of an arbitrary message not of his choosing. The
  227.     particular message of the sender's is said to be `compromised'.
  228.  
  229.     In some systems, one known cyphertext-plaintext pair will 
  230.     compromise the overall system, both prior and subsequent
  231.     transmissions, and resistance to this is characteristic of a 
  232.     secure code.
  233.  
  234.   Under the following attacks, the attacker has the far less likely
  235.   or plausible ability to `trick' the sender into encrypting or 
  236.   decrypting arbitrary plaintexts or cyphertexts. Codes that resist 
  237.   these attacks are considered to have the utmost security.
  238.  
  239.   chosen plaintext: the attacker has the capability to find the 
  240.     cyphertext corresponding to an arbitrary plaintext message of his 
  241.     choosing.
  242.  
  243.   chosen cyphertext: the attacker can choose arbitrary cyphertext and
  244.     find the corresponding decrypted plaintext. This attack can show
  245.     in public key systems, where it may reveal the private key.
  246.  
  247.   adaptive chosen plaintext: the attacker can determine the cyphertext
  248.     of chosen plaintexts in an interactive or iterative process based on
  249.     previous results. This is the general name for a method of attacking 
  250.     product ciphers called `differential cryptanalysis'.
  251.  
  252.   The next part of the FAQ gives the mathematical detail behind the 
  253.   various types of cryptoanalytic attacks.
  254.  
  255.