Асимметричное шифрование и пары ключей

Асимметричное шифрование (также называемое криптографией с открытым ключом) использует математически связанные пары ключей: открытый ключ, который можно свободно распространять, и закрытый ключ, который необходимо хранить в секрете. Данные, зашифрованные открытым ключом, можно расшифровать только соответствующим закрытым ключом — и наоборот. Это элегантное решение устраняет проблему распределения ключей в симметричном шифровании: Вы можете открыто сообщить свой открытый ключ без ущерба для безопасности, поскольку расшифровать отправленные Вам сообщения можно только с помощью Вашего закрытого ключа.

RSA (Rivest-Shamir-Adleman) — наиболее широко используемый асимметричный алгоритм шифрования, изобретённый в 1977 году. Его безопасность основана на математической сложности разложения произведения двух больших простых чисел на множители. RSA поддерживает ключи длиной 1024, 2048 и 4096 бит — 2048-битный RSA является текущей минимальной рекомендацией, а 4096-битный вариант используется для долгосрочной безопасности. RSA применяется для обмена ключами в TLS (хотя его всё чаще заменяет ECDHE), создания цифровых подписей в сертификатах и шифрования электронной почты S/MIME.

Криптография на эллиптических кривых (ECC) обеспечивает уровень безопасности, сопоставимый с RSA, используя значительно более короткие ключи. 256-битный ключ ECC обеспечивает защиту, сравнимую с 3072-битным ключом RSA. Благодаря этому ECC идеально подходит для сред с ограниченными ресурсами, таких как мобильные устройства, оборудование Интернета вещей и TLS-соединения, где важна производительность. ECC основана на математической сложности задачи дискретного логарифмирования на эллиптической кривой. К распространённым алгоритмам ECC относятся ECDSA (алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых) и ECDH (обмен ключами). TLS 1.3 требует обмена ключами на основе ECC.

Понимание направления использования ключей крайне важно для экзамена Security+. Существуют два различных варианта применения, в которых роли ключей меняются местами. Для шифрования в целях обеспечения конфиденциальности: отправитель шифрует данные открытым ключом получателя, и только получатель может расшифровать их своим закрытым ключом. Для цифровых подписей в целях аутентификации: подписывающая сторона шифрует хеш своим закрытым ключом, а любой человек может Verify подпись с помощью открытого ключа подписывающей стороны. Перепутать эти направления — распространённая ошибка на экзамене. Запомните: открытый ключ шифрует, закрытый расшифровывает; закрытый ключ подписывает, открытый Verify подпись.

Цифровые подписи используют асимметричную криптографию для обеспечения аутентификации, целостности и неотказуемости. Процесс выглядит так: (1) отправитель вычисляет хеш сообщения, (2) шифрует хеш своим закрытым ключом, создавая подпись, (3) отправляет сообщение и подпись вместе. Получатель: (4) расшифровывает подпись с помощью открытого ключа отправителя, восстанавливая хеш, (5) самостоятельно вычисляет хеш полученного сообщения и (6) сравнивает два хеша — совпадение доказывает, что сообщение подлинное и не изменялось.

Асимметричное шифрование требует значительно больше вычислительных ресурсов, чем симметричное, и обычно работает в 100–1000 раз медленнее. Это связано с тем, что асимметричные алгоритмы выполняют сложные математические операции (возведение в степень по модулю для RSA, умножение точек на кривых для ECC) над большими числами. Поэтому асимметричное шифрование никогда не используется для непосредственного шифрования больших объёмов данных. Вместо этого оно применяется для безопасного обмена небольшим симметричным сеансовым ключом, а симметричный ключ затем шифрует сами данные. Такой гибридный подход объединяет преимущества обоих методов с точки зрения безопасности.

Правильное управление парами ключей имеет решающее значение. Закрытые ключи следует создавать в аппаратном модуле безопасности (HSM) или хранить в зашифрованном хранилище ключей; их нельзя хранить в виде незащищённых текстовых файлов. Пары ключей имеют ограниченный срок действия, после которого их необходимо создать заново. Для пар ключей на основе сертификатов закрытый ключ ни в коем случае не должен покидать устройство или HSM, на котором он был создан. Компрометация закрытого ключа означает, что атакующий может выдавать себя за владельца ключа и расшифровывать все сообщения, зашифрованные соответствующим открытым ключом.

Асимметричные пары ключей обеспечивают безопасность только в том случае, если Вы можете доверять тому, что открытый ключ действительно принадлежит нужному Вам лицу или серверу. Без механизма доверия атакующий может подменить открытый ключ предполагаемого получателя своим ключом — это классическая атака «человек посередине». Инфраструктура открытых ключей (PKI) решает эту проблему: доверенный центр сертификации (CA) ставит цифровую подпись на сертификате, связывающем открытый ключ с подтверждённой личностью. Когда Вы посещаете веб-сайт HTTPS, браузер проверяет сертификат сервера по центру сертификации, которому он доверяет, подтверждая подлинность открытого ключа.

При выборе между RSA и ECC учитывайте три фактора. Эффективность размера ключа: ECC 256 бит = RSA 3072 бит по уровню безопасности. Производительность: ECC значительно быстрее, особенно на мобильных устройствах и устройствах Интернета вещей. Распространённость: RSA имеет более широкую поддержку в устаревших системах, тогда как ECC требуется в TLS 1.3 и всё чаще предписывается современными стандартами безопасности. Оба алгоритма по-прежнему считаются безопасными при корректной реализации и использовании ключей рекомендованного размера. На экзамене Security+ необходимо знать эти компромиссы и понимать, когда уместен каждый алгоритм.

Асимметричное шифрование сталкивается с долгосрочной угрозой со стороны квантовых компьютеров. Алгоритм Шора, запущенный на достаточно мощном квантовом компьютере, может решить задачу факторизации (взломать RSA) и задачу дискретного логарифмирования (взломать ECC) за полиномиальное время, что делает уязвимыми ключи размеров, считавшихся безопасными. NIST уже выбрал постквантовые криптографические алгоритмы, включая CRYSTALS-Kyber (инкапсуляция ключей) и CRYSTALS-Dilithium (цифровые подписи), чтобы заменить RSA и ECC. Организациям, работающим с данными, которые должны оставаться конфиденциальными в течение длительного времени, следует уже сейчас начать планирование перехода на постквантовую криптографию.

Асимметричное шифрование лежит в основе многих механизмов безопасности, которыми Вы пользуетесь каждый день. HTTPS: рукопожатие TLS использует RSA или ECC для обмена ключами сеанса. SSH: аутентификация по открытому ключу заменяет пароли парами ключей. Подписание кода: поставщики программного обеспечения подписывают свой код закрытыми ключами, а Ваша OS проверяет подпись с помощью открытого ключа. Электронная почта S/MIME: сообщение шифруется открытым ключом получателя и подписывается Вашим закрытым ключом. Bitcoin и блокчейн: транзакции подписываются закрытыми ключами ECDSA. Понимание того, где эти механизмы применяются на практике, помогает лучше ориентироваться в экзаменационных вопросах.

В этом уроке Вы узнали, что асимметричное шифрование использует математически связанные пары ключей; RSA и ECC являются основными алгоритмами (ECC работает быстрее при меньшей длине ключа); открытые ключи шифруют данные для обеспечения конфиденциальности, а закрытые ключи подписывают данные для аутентификации; асимметричное шифрование работает медленно, но решает проблему распределения ключей. Далее мы рассмотрим хеширование и целостность данных.