Симметричное шифрование: объяснение

Основы

Симметричное шифрование, также известное как симметричная криптография, предполагает использование одного ключа как для шифрования, так и для расшифровки сообщений. Его применяют уже несколько десятилетий для организации защищённой связи в правительствах и военных структурах. Сегодня алгоритмы симметричного шифрования широко используются в различных вычислительных системах для повышения безопасности данных.

Как работает симметричное шифрование?

Симметричное шифрование предполагает использование одного ключа, который разделяют между двумя или более сторонами для шифрования и расшифровки сообщений или данных. Процесс шифрования заключается в пропускании исходных данных, также называемых открытым текстом, через алгоритм, называемый шифром, в результате чего получается зашифрованный текст, или шифротекст. Этот же ключ затем используется для преобразования шифротекста обратно в открытый текст.

Надёжность систем симметричного шифрования зависит от сложности случайного подбора ключа при попытке атак методом грубой силы. Более длинные ключи затрудняют выполнение брутфорс-атак, и 256-битные ключи считаются крайне защищёнными и стойкими к атакам квантовых компьютеров. Например, подбор 128-битного ключа на современном оборудовании занял бы миллиарды лет.

Блочные и поточные шифры — два распространённых типа схем симметричного шифрования. Блочные шифры шифруют заранее заданные блоки данных с использованием соответствующего ключа и алгоритма, тогда как поточные шифры выполняют шифрование по одному биту или байту за раз. Обе схемы используются для повышения безопасности данных в различных системах.

Симметричное vs. асимметричное

В современных вычислительных системах применяются два основных подхода к шифрованию данных: симметричное и асимметричное шифрование. Симметричное шифрование использует один ключ для шифрования и расшифровки, тогда как асимметричное шифрование, или криптография с открытым ключом, опирается на пару ключей: публичный и приватный.

Одно из ключевых отличий между этими методами заключается в том, что асимметричное шифрование сложнее и медленнее по сравнению с симметричным. Для достижения уровня безопасности, эквивалентного более коротким симметричным ключам, асимметрическим схемам требуются более длинные ключи, поскольку ключи в асимметричных алгоритмах в той или иной степени математически связаны.

В асимметричном шифровании публичный ключ можно распространять открыто, а приватный ключ необходимо хранить в секрете. В симметричном шифровании используется один и тот же ключ для шифрования и расшифровки, что делает его быстрее и проще. Понимание различий между этими методами важно для повышения безопасности данных в системах.

Где применяется сегодня?

В современных вычислительных системах алгоритмы симметричного шифрования широко применяются для обеспечения безопасности данных и приватности пользователей. Стандарт AES (Advanced Encryption Standard) — распространённый пример симметричного шифра, который используется в защищённых мессенджерах и облачных хранилищах. Аппаратные реализации симметричного шифрования часто опираются на AES-256, вариант стандарта с длиной ключа 256 бит.

Важно отметить, что блокчейн Биткоина не использует шифрование, вопреки распространённым заблуждениям. Вместо этого он применяет алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых (ECDSA), который создаёт цифровые подписи без шифрования. Хотя ECDSA основан на криптографии эллиптических кривых (ECC), которую можно использовать для шифрования, сам алгоритм ECDSA не предназначен для шифрования.

Плюсы и минусы

Шифрование и расшифровка сообщений с помощью симметричных алгоритмов обеспечивает высокий уровень безопасности и скорость. Такие алгоритмы также логистически выгодны, поскольку требуют меньше вычислительных ресурсов по сравнению с асимметричными системами, а уровень безопасности можно повысить увеличением длины ключей.

Однако основной недостаток симметричного шифрования — проблема передачи ключей, которые могут быть перехвачены и тем самым скомпрометировать безопасность данных. Для решения этой задачи многие веб-протоколы комбинируют симметричное и асимметричное шифрование, например протокол TLS, используемый для защиты значительной части современного интернета. Тем не менее любые виды криптографии уязвимы при неправильной реализации, что может создавать дыры, через которые злоумышленники получают доступ.

Заключение

Симметричное шифрование играет ключевую роль в современной компьютерной безопасности благодаря сочетанию высокого уровня защиты и скорости, что делает его идеальным для различных задач, включая защиту интернет-трафика и данных в облаках. Несмотря на проблемы с безопасной передачей ключей, симметричное шифрование остаётся важной частью средств защиты и часто используется вместе с асимметричными методами для установления защищённых соединений. В целом простота и эффективность симметричного шифрования обеспечивают его постоянную актуальность в защите цифровой информации.