Алгоритмы симметричного шифрования

Симметричное шифрование использует один общий ключ для Encrypting и Decrypting данных. Отправитель и получатель должны обладать одним и тем же секретным ключом, поэтому его защита критически важна: любой, у кого есть ключ, может расшифровать данные. Симметричное шифрование выполняется быстро и эффективно с точки зрения вычислений, поэтому идеально подходит для шифрования больших объёмов данных. Главная проблема симметричного шифрования — распределение ключа: как двум сторонам безопасно обменяться ключом до установления защищённого канала?

Advanced Encryption Standard (AES) — самый широко используемый сегодня алгоритм симметричного шифрования, принятый NIST в 2001 году на замену DES. AES работает с блоками размером 128 бит и поддерживает три размера ключа: AES-128, AES-192 и AES-256, где число обозначает длину ключа в битах. AES-256 обеспечивает самый высокий запас прочности. AES используется в TLS для HTTPS, при полном шифровании диска (BitLocker), шифровании файлов и практически во всех современных защищённых приложениях. При правильной реализации для него не известно практически применимых уязвимостей.

Стандарт шифрования данных (DES) стал первым широко распространённым симметричным алгоритмом и был стандартизирован в 1977 году с 56-битным ключом. 56-битный ключ означает наличие всего 2^56 возможных ключей — в 1999 году проект распределённых вычислений взломал сообщение, зашифрованное DES, менее чем за 24 часа. Сегодня DES считается криптографически взломанным и никогда не должен использоваться в новых системах. Он по-прежнему важен для экзамена CompTIA Security+, поскольку понимание причины отказа DES (недостаточной длины ключа) помогает понять, почему современные алгоритмы, такие как AES, используют ключи длиной 128–256 бит.

Triple DES (3DES или TDEA) был создан как временное решение проблемы слабости DES: алгоритм DES применялся трижды к каждому блоку данных. Использование трёх разных 56-битных ключей обеспечивало эффективную стойкость ключа 112 бит, что считалось достаточным до начала 2000-х годов. Однако 3DES значительно медленнее AES (шифрование выполняется трижды) и уязвим к атаке по принципу дней рождения Sweet32 на длительных соединениях. NIST официально объявил 3DES устаревшим в 2023 году. Во всех приложениях его заменяет AES.

Симметричные алгоритмы подразделяются на блочные шифры и потоковые шифры. Блочные шифры (AES, DES) шифруют данные фрагментами фиксированного размера («блоками») — AES использует блоки размером 128 бит. Потоковые шифры шифруют данные по одному биту или байту с помощью ключевого потока, поэтому работают быстрее и подходят для обмена данными в реальном времени. RC4 когда-то был основным потоковым шифром, но теперь считается взломанным и устаревшим. ChaCha20 — предпочтительный современный потоковый шифр, используемый в TLS 1.3 и WireGuard благодаря скорости и безопасности на устройствах без аппаратного ускорения AES.

Способ обработки блочным шифром нескольких блоков данных определяется его режимом работы. ECB (Electronic Code Book) шифрует каждый блок независимо, поэтому одинаковые блоки открытого текста превращаются в одинаковый шифртекст — это наглядно видно на демонстрационном изображении «пингвин ECB». Этот режим никогда не является безопасным. CBC (Cipher Block Chaining) перед шифрованием выполняет операцию XOR каждого блока открытого текста с предыдущим блоком шифртекста, повышая диффузию. GCM (Galois/Counter Mode) обеспечивает и шифрование, и проверку целостности (AEAD) и является предпочтительным режимом в TLS 1.3.

Безопасность симметричного алгоритма шифрования напрямую связана с его длиной key. Более длинные ключи означают больше возможных combinations и экспоненциально увеличивают объём работы для атакующего, применяющего полный перебор. 128-битный ключ имеет 2^128 возможных combinations — даже при миллиарде миллиардов попыток в секунду полный перебор занял бы больше времени, чем существует Вселенная. NIST рекомендует использовать минимум 128-битные ключи для симметричного шифрования в новых системах, а для приложений, требующих долгосрочной защиты от будущих угроз квантовых вычислений, предпочитает 256-битные ключи.

Главная слабость симметричного шифрования — управление key. Безопасность шифрования зависит от безопасности key. К основным проблемам управления key относятся: распределение key (безопасная передача key до начала обмена данными), хранение key (защита key в состоянии покоя с помощью аппаратных модулей безопасности или хранилищ key), ротация key (периодическая замена key для ограничения последствий раскрытия) и уничтожение key (безопасное удаление key, когда они больше не нужны). Ненадлежащее управление key стало причиной большего числа реальных сбоев шифрования, чем математические слабости самих алгоритмов.

AES лежит в основе наиболее распространённых средств шифрования, с которыми специалисты по безопасности ежедневно работают. BitLocker (Windows) и FileVault (macOS) используют AES-128 или AES-256 для шифрования целых дисковых томов, защищая данные в случае кражи ноутбука. VeraCrypt обеспечивает кроссплатформенное шифрование дисков. AES-256-GCM используется облачными провайдерами (AWS S3, Google Cloud) для шифрования объектов в состоянии покоя. Понимание того, какой алгоритм лежит в основе продукта, позволяет оценить, соответствует ли реализация шифрования уровню конфиденциальности данных.

В материалах Security+ часто встречаются ещё два симметричных алгоритма. Blowfish (1993) — блочный шифр с ключом переменной длины (32–448 бит), разработанный Брюсом Шнайером как общедоступная альтернатива DES. Несмотря на высокую скорость и бесплатность, размер его блока в 64 бита делает его уязвимым к атакам по принципу дней рождения в длительных сеансах. Twofish (1998) был одним из финалистов конкурса AES и поддерживал ключи длиной 128/192/256 бит и размер блока 128 бит. Оба алгоритма по-прежнему считаются безопасными, однако в конкурсе NIST победил AES, который доминирует в современных реализациях. Знание этих алгоритмов помогает понять контекст выбора AES.

Симметричное и асимметричное шифрование выполняют взаимодополняющие функции. Симметричное шифрование (AES) работает быстро и подходит для шифрования больших объёмов данных. Асимметричное шифрование (RSA) работает медленно, но решает проблему распределения ключей. На практике эти подходы объединяют: асимметричное шифрование используется для безопасного обмена симметричным сеансовым ключом, после чего симметричное шифрование обрабатывает всю передачу больших объёмов данных. Этот гибридный подход лежит в основе TLS (HTTPS), VPN и шифрования электронной почты с помощью PGP, обеспечивая одновременно безопасность асимметричного обмена ключами и скорость симметричного шифрования данных.

Проверьте, насколько хорошо Вы усвоили понятия CompTIA Security+ (SY0-701) из этого урока.

В этом уроке Вы узнали, что симметричное шифрование использует один общий ключ для шифрования и расшифровки; AES (128/192/256 бит) является современным стандартом; DES (56 бит) взломан и устарел; режимы работы блочных шифров (предпочтителен GCM) определяют способ связывания блоков; а управление ключами представляет собой главную эксплуатационную проблему. Далее мы рассмотрим асимметричное шифрование и пары ключей.