Симметричное и асимметричное шифрование

Современное шифрование делится на два семейства в зависимости от принципа работы ключей:

• Симметричное: один и тот же ключ шифрует и расшифровывает данные. Пример: AES.
• Асимметричное: используется пара ключей, где один ключ шифрует, а другой расшифровывает данные. Пример: RSA.

В реальных системах применяются оба подхода. Понимание их преимуществ и ограничений необходимо для атак и защиты криптографических систем.

При симметричном шифровании обе стороны используют один секретный ключ. Один и тот же ключ запирает и отпирает данные.

• Преимущество: очень высокая скорость, идеально подходит для больших объёмов данных.
• Недостаток: сначала необходимо безопасно передать ключ. Это и есть проблема распределения ключей.

AES (усовершенствованный стандарт шифрования) — основной симметричный шифр. Это блочный шифр, работающий с блоками размером 128 бит и ключами длиной 128, 192 или 256 бит.

AES работает быстро, поддерживает аппаратное ускорение на современных CPU и считается безопасным при правильном использовании. AES-256 — распространённый вариант для высокого уровня защиты.

Блочному шифру нужен режим работы, чтобы обрабатывать данные размером больше одного блока:

• ECB: небезопасен; одинаковые блоки дают одинаковый шифротекст, раскрывая закономерности. Не используйте его.
• CBC: связывает блоки с помощью вектора инициализации (IV). Лучше, но требует осторожности.
• GCM: обеспечивает и шифрование, и аутентификацию (AEAD). Современный рекомендуемый режим.

Известная демонстрация: после шифрования изображения пингвина с помощью AES в режиме ECB контур пингвина всё ещё виден. ECB преобразует одинаковые блоки открытого текста в одинаковые блоки шифротекста, поэтому структура просматривается сквозь шифрование.

Именно поэтому при проверках безопасности следует распознавать ECB как уязвимость. Сам шифр надёжен — слабым местом является режим.

Асимметричное шифрование использует математически связанную пару ключей:

• Открытый ключ: распространяется свободно. Любой может зашифровать данные для Вас с его помощью.
• Закрытый ключ: хранится в секрете. Только Вы можете расшифровать данные с его помощью.

Это решает проблему распределения ключей: Вы можете открыто публиковать открытый ключ, не снижая уровень безопасности.

RSA — классический асимметричный алгоритм. Его безопасность основана на сложности разложения произведения двух больших простых чисел на множители.

Сегодня часто используются ключи длиной 2048 бит; ключи длиной 3072 или 4096 бит обеспечивают больший запас прочности. RSA работает медленнее AES, поэтому его редко используют для непосредственного шифрования больших объёмов данных.

Асимметричные ключи выполняют две разные задачи:

• Конфиденциальность: шифруйте с помощью открытого ключа получателя; расшифровать данные можно только его закрытым ключом.
• Подлинность (подпись): подписывайте своим закрытым ключом; любой может проверить подпись с помощью Вашего открытого ключа и убедиться, что сообщение отправили Вы.

Обратите внимание: для этих двух целей ключи используются противоположным образом.

Реальные протоколы, такие как TLS, объединяют оба подхода. Процесс выглядит так:

• Медленная асимметричная криптография один раз используется для безопасного обмена случайным сеансовым ключом.
• Быстрый симметричный AES с этим сеансовым ключом используется для самих данных.

Так Вы получаете скорость симметричного шифрования и удобство распределения ключей, характерное для асимметричного шифрования.

Диффи — Хеллман позволяет двум сторонам согласовать общий секрет по незащищённому каналу, ни разу не передав сам секрет. Этот протокол лежит в основе современного обмена ключами TLS.

Варианты на основе эллиптических кривых (ECDH, ECDSA) обеспечивают такую же безопасность, как RSA, но используют значительно меньшие ключи, благодаря чему работают быстрее и всё чаще применяются по умолчанию.

Надёжные алгоритмы дают сбой из-за неправильного использования. Обращайте внимание на следующие уязвимости:

• Режим ECB, раскрывающий закономерности открытого текста.
• Повторно используемые или предсказуемые IV/одноразовые значения в CBC или GCM.
• Жёстко заданные ключи в исходном коде или файлах конфигурации.
• Маленькие ключи RSA (512 или 1024 бита), которые можно разложить на множители.
• Поведение оракула дополнения, раскрывающее открытый текст по одному байту.

Математическая основа редко оказывается сломана; обычно проблема заключается в реализации.

Примените свои знания об открытых и закрытых ключах.

Вы сравнили два семейства шифрования:

• Симметричное (AES): один общий ключ, высокая скорость, но сложное распределение ключей. Используйте режим GCM и никогда не используйте ECB.
• Асимметричное (RSA, ECC): пара открытого и закрытого ключей, решающая проблему распределения, но низкая скорость.
• Шифруйте открытым ключом получателя, а подписывайте своим закрытым ключом.
• Гибридные системы и Диффи — Хеллман объединяют преимущества обоих подходов в TLS.

Далее: практическое распознавание и взлом хешей.