Asymmetrisk kryptering och nyckelpar

Elliptisk kurvkryptografi (ECC) uppnår motsvarande säkerhet som RSA med betydligt kortare nyckellängder. En ECC-nyckel på 256 bitar ger en säkerhet som kan jämföras med en RSA-nyckel på 3072 bitar. Denna effektivitet gör ECC idealiskt för resursbegränsade miljöer, till exempel mobila enheter, IoT-maskinvara och TLS-anslutningar där prestanda är viktigt. ECC bygger på den matematiska svårigheten hos problemet med diskreta logaritmer på elliptiska kurvor. Vanliga ECC-algoritmer omfattar ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) och ECDH (nyckelutbyte). TLS 1.3 kräver ECC-baserat nyckelutbyte.

Det är viktigt att förstå riktningen för nyckelanvändningen inför Security+-provet. Det finns två olika användningsfall där nyckelrollerna är omvända. Vid kryptering för konfidentialitet krypterar avsändaren med mottagarens publika nyckel, och endast mottagaren kan dekryptera med sin privata nyckel. Vid digitala signaturer för autentisering krypterar undertecknaren hashen med sin egen privata nyckel, och vem som helst kan verifiera den med undertecknarens publika nyckel. Att blanda ihop dessa riktningar är ett vanligt misstag på provet — kom ihåg: publik nyckel krypterar, privat nyckel dekrypterar; privat nyckel signerar, publik nyckel verifierar.

Digitala signaturer använder asymmetrisk kryptografi för att tillhandahålla autentisering, integritet och oavvislighet. Processen är följande: (1) avsändaren beräknar en hash av meddelandet, (2) krypterar hashen med sin privata nyckel för att skapa signaturen och (3) skickar meddelandet och signaturen tillsammans. Mottagaren: (4) dekrypterar signaturen med avsändarens publika nyckel för att återfå hashen, (5) beräknar själv hashen för det mottagna meddelandet och (6) jämför de två hasharna — en matchning bevisar att meddelandet är äkta och oförändrat.

Asymmetrisk kryptering är beräkningsmässigt krävande jämfört med symmetrisk kryptering — vanligtvis 100 till 1 000 gånger långsammare. Det beror på att asymmetriska algoritmer utför komplexa matematiska operationer (modulär exponentiering för RSA och punktmultiplikation på kurvor för ECC) på stora tal. Därför används asymmetrisk kryptering aldrig för att kryptera stora datamängder direkt. I stället används den för att utbyta en liten symmetrisk sessionsnyckel på ett säkert sätt, och den symmetriska nyckeln krypterar sedan själva datan. Detta hybrida tillvägagångssätt kombinerar säkerhetsfördelarna hos båda metoderna.

Korrekt hantering av nyckelpar är avgörande. Privata nycklar bör genereras i en Hardware Security Module (HSM) eller förvaras i ett krypterat nyckellager och får aldrig lagras som oskyddade klartextfiler. Nyckelpar har en begränsad giltighetsperiod, varefter de måste genereras på nytt. För certifikatbaserade nyckelpar får den privata nyckeln aldrig lämna den enhet eller det HSM där den genererades. Om en privat nyckel röjs kan en angripare utge sig för att vara nyckelns ägare och dekryptera alla meddelanden som krypterats med den motsvarande publika nyckeln.

Asymmetriska nyckelpar ger bara säkerhet om Ni kan lita på att en publik nyckel faktiskt tillhör den person eller organisation som Ni tror att den tillhör. Utan en tillitsmekanism skulle en angripare kunna ersätta den avsedda mottagarens publika nyckel med sin egen — en klassisk man-in-the-middle-attack. Public Key Infrastructure (PKI) löser detta genom att en betrodd Certificate Authority (CA) signerar ett certifikat digitalt, vilket kopplar en publik nyckel till en verifierad identitet. När Ni besöker en HTTPS-webbplats verifierar Er webbläsare serverns certifikat mot en CA som den litar på och bekräftar därmed att den publika nyckeln är legitim.

Beakta tre faktorer när Ni väljer mellan RSA och ECC. Effektivitet vad gäller nyckelstorlek: ECC på 256 bitar = RSA på 3072 bitar när det gäller säkerhet. Prestanda: ECC är betydligt snabbare, särskilt på mobila enheter och IoT-enheter. Användning: RSA har bredare stöd i äldre system, medan ECC krävs i TLS 1.3 och i allt högre grad föreskrivs av moderna säkerhetsstandarder. Båda algoritmerna betraktas fortfarande som säkra när de implementeras korrekt med aktuella rekommenderade nyckelstorlekar. Security+-provet förväntar sig att Ni känner till dessa avvägningar och när respektive algoritm är lämplig.

Asymmetrisk kryptering står inför ett långsiktigt hot från kvantdatorer. Shors algoritm kan, om den körs på en tillräckligt kraftfull kvantdator, lösa faktoriseringsproblemet (och knäcka RSA) samt problemet med diskreta logaritmer (och knäcka ECC) på polynomisk tid – vilket gör dagens säkra nyckelstorlekar möjliga att knäcka. NIST har redan valt ut postkvantkryptografiska algoritmer, däribland CRYSTALS-Kyber (inkapsling av nycklar) och CRYSTALS-Dilithium (digitala signaturer), som ersättare för RSA och ECC. Organisationer som hanterar data med långvariga sekretesskrav bör börja planera övergången till postkvantkryptografi redan nu.

Asymmetrisk kryptering utgör grunden för många av de säkerhetsmekanismer som används varje dag. HTTPS: TLS-handskakningen använder RSA eller ECC för att utbyta sessionsnycklar. SSH: autentisering med publika nycklar ersätter lösenord med nyckelpar. Codesignering: programvaruleverantörer signerar sin kod med privata nycklar och operativsystemet verifierar den med den publika nyckeln. S/MIME-e-post: e-post krypteras med mottagarens publika nyckel och signeras med den privata nyckeln. Bitcoin/blockkedjor: transaktioner signeras med privata ECDSA-nycklar. Genom att förstå var dessa mekanismer används i praktiken blir det lättare att sätta tentamensfrågorna i ett sammanhang.

I den här lektionen har Ni lärt Er att asymmetrisk kryptering använder matematiskt sammankopplade nyckelpar, att RSA och ECC är de dominerande algoritmerna (ECC är snabbare och använder kortare nycklar), att publika nycklar krypterar för konfidentialitet och att privata nycklar signerar för autentisering. Asymmetrisk kryptering är långsam men löser problemet med nyckeldistribution. Härnäst utforskar vi Hashning och dataintegritet.