Криптография с открытым ключом (PKC): объяснение

Криптография с открытым ключом — это система, основанная на паре ключей вместо одного ключа, как в симметричной криптографии. PKC предлагает набор особых свойств и возможностей, которые помогают решать задачи, с которыми не всегда справляются другие криптографические методы. Она стала важным инструментом для защиты современных цифровых систем, включая технологии блокчейн и криптовалюты. PKC имеет преимущества, такие как повышение безопасности и проверка целостности сообщений, но также обладает и ограничениями. Несмотря на них, PKC играет ключевую роль во всём: от компьютерной защиты до подтверждения транзакций в криптовалютах.

Основы

Асимметричная криптография, также известная как криптография с открытым ключом (PKC), реализует систему, основанную на паре ключей вместо одного ключа, как в симметричной криптографии. Используя как приватный, так и публичный ключ, PKC предоставляет уникальный набор возможностей, полезных для решения проблем, присущих другим методам шифрования. PKC стала важным элементом современной компьютерной безопасности и заметной частью стремительно растущей индустрии криптовалют.

Как работает PKC?

В системе PKC один из ключей шифрует данные, а другой — расшифровывает их. В отличие от симметричной криптографии, PKC использует две разные ключевые величины. Публичный ключ может безопасно распространяться без компрометации приватного ключа, что гарантирует, что только владелец соответствующего приватного ключа сможет получить доступ к зашифрованному сообщению.

Алгоритмы асимметричного шифрования создают пары ключей, математически связанных между собой, в результате чего длина ключа обычно больше (обычно от 1 024 до 2 048 бит), чем в симметричной криптографии. Из-за этой большой длины вычисление приватного ключа по его публичному аналогу чрезвычайно затруднено. Одним из наиболее распространённых алгоритмов асимметричного шифрования является RSA.

Схема RSA генерирует ключи с использованием модуля, получаемого из двух чисел (часто двух больших простых чисел). Модуль формирует две ключевые величины: публичную, которой можно делиться, и приватную, которую следует хранить в секрете. Алгоритм RSA был предложен в 1977 году Ривестом, Шамиром и Адлеманом (отсюда и название RSA) и до сих пор является важной частью систем с открытым ключом.

Инструмент шифрования

У симметричных алгоритмов долгое время была проблема при передаче ключа, используемого и для шифрования, и для расшифровки. Передача такого ключа по небезопасному каналу может подвергнуть его третьим лицам, которые затем смогут прочитать любые сообщения, зашифрованные этим общим ключом. Существуют криптографические приёмы для решения этой проблемы, но они всё ещё уязвимы к атакам (например, протокол обмена ключами Диффи–Хеллмана–Меркла). Криптография с открытым ключом, напротив, позволяет безопасно передавать ключ шифрования по любому каналу, что делает подход более безопасным по сравнению с симметричными алгоритмами. Асимметричные алгоритмы обеспечивают более высокий уровень защиты.

Цифровые подписи

Цифровые подписи — ещё одно применение алгоритмов асимметричной криптографии, позволяющее подтверждать подлинность данных. Цифровая подпись по сути представляет собой хэш, созданный на основе данных сообщения. При отправке получатель может проверить подпись с помощью публичного ключа отправителя. Это гарантирует, что сообщение не было подделано и что источник сообщения подлинный. В некоторых случаях шифрование и цифровые подписи могут применяться совместно, когда хэш шифруется как часть сообщения. Однако не все схемы цифровой подписи используют шифрование.

Ограничения

Использование PKC даёт ряд преимуществ, включая усиление компьютерной безопасности и проверку целостности сообщений. Тем не менее существуют и ограничения. Асимметричные алгоритмы шифрования могут работать медленно при обработке больших объёмов данных из‑за сложных математических операций, требуемых для шифрования и расшифровки. Кроме того, безопасность PKC зависит от сохранения приватного ключа в секрете. Если приватный ключ случайно раскрыт или утечёт, все сообщения, зашифрованные соответствующим публичным ключом, будут под угрозой компрометации. Также возможно потерять приватные ключи, что сделает невозможным доступ к зашифрованным данным.

Применение PKC

Криптография с открытым ключом имеет разные применения в современных компьютерных системах для защиты конфиденциальных данных. Её можно использовать для шифрования электронной почты и установления защищённых соединений с веб‑сайтами через протокол SSL. Её исследуют и как средство для безопасного электронного голосования, которое могло бы позволить избирателям участвовать в выборах со своих домашних компьютеров.

PKC также широко применяется в технологиях блокчейн и криптовалют, где при создании нового кошелька генерируется пара ключей. Публичный ключ служит для генерации адреса кошелька, а приватный ключ используется для создания цифровых подписей и подтверждения транзакций. Только человек, владеющий приватным ключом, может распоряжаться средствами, так как цифровая подпись подтверждает транзакцию.

Важно отметить, что асимметричная криптография, используемая в приложениях криптовалют — например, в Bitcoin и Ethereum — отличается от используемой в традиционной компьютерной безопасности. Эти криптовалюты применяют специальный алгоритм для верификации транзакций, известный как Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), который создаёт цифровые подписи без использования шифрования. Поэтому, вопреки распространённому мнению, блокчейн не требует шифрования.

Несмотря на преимущества, PKC имеет и недостатки, например замедление при обработке больших объёмов данных из‑за сложных математических операций. Кроме того, PKC сильно зависит от того, что приватный ключ остаётся конфиденциальным. Если приватный ключ раскрыт, все сообщения, зашифрованные соответствующим публичным ключом, окажутся уязвимыми. Также возможна потеря приватных ключей, что приведёт к утрате доступа к зашифрованным данным.

Заключение

Асимметричные алгоритмы, реализуемые через криптографию с открытым ключом, стали незаменимым инструментом защиты современных цифровых систем. Используя пары публичных и приватных ключей, PKC решает ключевые проблемы безопасности, присущие симметричным шифрам. Хотя PKC применяется уже многие годы, для неё регулярно разрабатываются новые сценарии использования, особенно в области блокчейна и криптовалют. В результате PKC играет важную роль во всём: от компьютерной безопасности до подтверждения транзакций в криптовалютных сетях.