Szyfrowanie asymetryczne i pary kluczy

Szyfrowanie asymetryczne (nazywane również kryptografią klucza publicznego) wykorzystuje matematycznie powiązane pary kluczy: klucz publiczny, który można swobodnie udostępniać, oraz klucz prywatny, który musi pozostać tajny. Dane zaszyfrowane kluczem publicznym można odszyfrować wyłącznie za pomocą odpowiadającego mu klucza prywatnego — i odwrotnie. Ta elegancka konstrukcja rozwiązuje problem dystrybucji kluczy w szyfrowaniu symetrycznym: można otwarcie udostępnić swój klucz publiczny bez naruszania bezpieczeństwa, ponieważ tylko Państwa klucz prywatny może odszyfrować wiadomości wysłane do Państwa.

RSA (Rivest-Shamir-Adleman) jest najpowszechniej stosowanym algorytmem szyfrowania asymetrycznego, wynalezionym w 1977 roku. Jego bezpieczeństwo opiera się na matematycznej trudności rozkładu iloczynu dwóch dużych liczb pierwszych na czynniki. RSA obsługuje klucze o długości 1024, 2048 i 4096 bitów — RSA 2048-bitowe jest obecnie minimalnie zalecaną długością, natomiast do zapewnienia długoterminowego bezpieczeństwa stosuje się 4096 bitów. RSA jest używany do wymiany kluczy w TLS (choć coraz częściej zastępuje go ECDHE), podpisów cyfrowych w certyfikatach oraz szyfrowania poczty elektronicznej S/MIME.

Kryptografia krzywych eliptycznych (ECC) zapewnia bezpieczeństwo porównywalne z RSA przy użyciu znacznie krótszych kluczy. Klucz ECC o długości 256 bitów zapewnia bezpieczeństwo porównywalne z kluczem RSA o długości 3072 bitów. Ta efektywność sprawia, że ECC doskonale nadaje się do środowisk o ograniczonych zasobach, takich jak urządzenia mobilne, sprzęt IoT i połączenia TLS, w których wydajność ma znaczenie. ECC opiera się na matematycznej trudności problemu logarytmu dyskretnego na krzywej eliptycznej. Do typowych algorytmów ECC należą ECDSA (algorytm podpisu cyfrowego krzywych eliptycznych) i ECDH (wymiana kluczy). TLS 1.3 wymaga wymiany kluczy opartej na ECC.

Zrozumienie kierunku użycia kluczy ma kluczowe znaczenie na egzaminie Security+. Występują dwa odrębne przypadki użycia, w których role kluczy są odwrócone. W przypadku szyfrowania zapewniającego poufność: nadawca szyfruje wiadomość kluczem publicznym odbiorcy, a tylko odbiorca może ją odszyfrować swoim kluczem prywatnym. W przypadku podpisów cyfrowych zapewniających uwierzytelnianie: podpisujący szyfruje skrót własnym kluczem prywatnym, a każdy może zweryfikować podpis za pomocą klucza publicznego podpisującego. Odwracanie tych kierunków jest częstym błędem na egzaminie — należy pamiętać: klucz publiczny szyfruje, klucz prywatny odszyfrowuje; klucz prywatny podpisuje, klucz publiczny weryfikuje.

Podpisy cyfrowe wykorzystują kryptografię asymetryczną do zapewnienia uwierzytelniania, integralności i niezaprzeczalności. Proces przebiega następująco: (1) nadawca oblicza skrót wiadomości, (2) szyfruje skrót swoim kluczem prywatnym, tworząc podpis, (3) wysyła wiadomość wraz z podpisem. Odbiorca: (4) odszyfrowuje podpis za pomocą klucza publicznego nadawcy, aby odzyskać skrót, (5) niezależnie oblicza skrót otrzymanej wiadomości oraz (6) porównuje oba skróty — ich zgodność potwierdza autentyczność i niezmienność wiadomości.

Szyfrowanie asymetryczne jest kosztowne obliczeniowo w porównaniu z szyfrowaniem symetrycznym — zazwyczaj od 100 do 1000 razy wolniejsze. Wynika to z faktu, że algorytmy asymetryczne wykonują złożone operacje matematyczne (potęgowanie modularne w RSA, mnożenie punktów na krzywych w ECC) na dużych liczbach. Z tego powodu szyfrowania asymetrycznego nigdy nie używa się bezpośrednio do szyfrowania dużych ilości danych. Zamiast tego służy ono do bezpiecznej wymiany małego symetrycznego klucza sesyjnego, a następnie klucz symetryczny szyfruje właściwe dane. To podejście hybrydowe łączy zalety bezpieczeństwa obu rozwiązań.

Prawidłowe zarządzanie parami kluczy ma kluczowe znaczenie. Klucze prywatne należy generować w module bezpieczeństwa sprzętowego (HSM) lub przechowywać w zaszyfrowanym magazynie kluczy; nigdy nie należy zapisywać ich jako niezabezpieczonych plików tekstowych. Pary kluczy mają ograniczony okres ważności, po którego upływie należy je wygenerować ponownie. W przypadku par kluczy opartych na certyfikatach klucz prywatny nigdy nie może opuścić urządzenia ani modułu HSM, na którym został wygenerowany. Przejęcie klucza prywatnego oznacza, że atakujący może podszyć się pod właściciela klucza i odszyfrować wszystkie wiadomości zaszyfrowane odpowiadającym mu kluczem publicznym.

Asymetryczne pary kluczy zapewniają bezpieczeństwo tylko wtedy, gdy można ufać, że dany klucz publiczny rzeczywiście należy do osoby lub podmiotu, za który go Państwo uznają. Bez mechanizmu zaufania atakujący mógłby podstawić swój klucz publiczny w miejsce klucza zamierzonego odbiorcy — byłby to klasyczny atak typu man-in-the-middle. Infrastruktura klucza publicznego (PKI) rozwiązuje ten problem, gdy zaufany urząd certyfikacji (CA) podpisuje cyfrowo certyfikat wiążący klucz publiczny ze zweryfikowaną tożsamością. Podczas odwiedzania witryny HTTPS przeglądarka weryfikuje certyfikat serwera względem zaufanego urzędu CA, potwierdzając autentyczność klucza publicznego.

Przy wyborze między RSA a ECC należy uwzględnić trzy czynniki. Efektywność rozmiaru klucza: ECC 256-bitowy = RSA 3072-bitowy pod względem bezpieczeństwa. Wydajność: ECC jest znacznie szybszy, zwłaszcza na urządzeniach mobilnych i IoT. Upowszechnienie: RSA zapewnia szerszą obsługę starszych systemów; ECC jest wymagany w TLS 1.3 i coraz częściej nakazują go współczesne standardy bezpieczeństwa. Oba algorytmy nadal uznaje się za bezpieczne, jeśli zostały prawidłowo zaimplementowane z użyciem obecnie zalecanych długości kluczy. Na egzaminie Security+ należy znać te kompromisy oraz wiedzieć, kiedy odpowiednie jest każde z tych rozwiązań.

Szyfrowanie asymetryczne jest w długiej perspektywie zagrożone przez komputery kwantowe. Algorytm Shora, uruchomiony na wystarczająco wydajnym komputerze kwantowym, może rozwiązać problem faktoryzacji (łamiąc RSA) oraz problem logarytmu dyskretnego (łamiąc ECC) w czasie wielomianowym — przez co obecnie bezpieczne rozmiary kluczy mogą stać się podatne na złamanie. NIST wybrał już postkwantowe algorytmy kryptograficzne, w tym CRYSTALS-Kyber (enkapsulacja klucza) i CRYSTALS-Dilithium (podpisy cyfrowe), które mają zastąpić RSA i ECC. Organizacje przetwarzające dane wymagające długoterminowej ochrony powinny już teraz rozpocząć planowanie migracji do kryptografii postkwantowej.

Szyfrowanie asymetryczne stanowi podstawę wielu mechanizmów bezpieczeństwa, z których korzysta Pan/Pani na co dzień. HTTPS: uzgadnianie TLS wykorzystuje RSA lub ECC do wymiany kluczy sesji. SSH: uwierzytelnianie za pomocą klucza publicznego zastępuje hasła parami kluczy. Podpisywanie kodu: dostawcy oprogramowania podpisują kod kluczami prywatnymi, a system operacyjny weryfikuje podpis za pomocą klucza publicznego. Poczta S/MIME: wiadomości e-mail są szyfrowane kluczem publicznym odbiorcy i podpisywane kluczem prywatnym nadawcy. Bitcoin i blockchain: transakcje są podpisywane kluczami prywatnymi ECDSA. Zrozumienie, gdzie te mechanizmy występują w praktyce, pomaga właściwie interpretować pytania egzaminacyjne.

Sprawdź swoją znajomość zagadnień CompTIA Security+ (SY0-701) omówionych w tej lekcji.

W tej lekcji dowiedział się Pan/dowiedziała się Pani, że: szyfrowanie asymetryczne wykorzystuje matematycznie powiązane pary kluczy; RSA i ECC to dominujące algorytmy (ECC jest szybsze i używa krótszych kluczy); klucze publiczne służą do szyfrowania zapewniającego poufność, a klucze prywatne służą do podpisywania zapewniającego uwierzytelnianie; szyfrowanie asymetryczne jest wolne, ale rozwiązuje problem dystrybucji kluczy. Następnie omówimy funkcje skrótu i integralność danych.