Шифрование: Типы и алгоритмы. Что это такое и какой тип шифрования лучше всего подходит?

В современную цифровую эпоху обеспечение безопасности и конфиденциальности информации имеет первостепенное значение. Шифрование играет ключевую роль в достижении этой цели, позволяя преобразовывать данные в нечитаемый формат, доступный только уполномоченным лицам. Процесс шифрования включает использование криптографических ключей и математических алгоритмов.

В этой статье мы рассмотрим три основных типа шифрования – симметричное, асимметричное и гибридное шифрование. Начнем с рассмотрения симметричного шифрования.

• Симметричное шифрование
• Асимметричное шифрование
• Гибридное шифрование
• Сравнение методов шифрования
• Вопросы и ответы о шифрование

Симметричное шифрование

Симметричное шифрование, как следует из названия, использует один криптографический ключ как для шифрования, так и для расшифровки. Простота использования одного ключа делает процесс простым. Чтобы понять суть симметричного шифрования, рассмотрим следующий пример:

Представьте себе двух близких друзей, Антона и Алису, проживающих в Киеве. В силу определенных обстоятельств Алиса вынуждена переехать за пределы города. Единственное средство связи, которое у них есть, — это почта. Однако они опасаются, что их письма могут быть перехвачены и прочитаны посторонними людьми.

Чтобы обезопасить свою переписку, Антон и Алиса решают зашифровать свои сообщения. Они договариваются о простой технике шифрования: сдвинуть каждую букву на семь позиций вниз по алфавиту. Например, слово “Apple” будет записано как “hwwsl” (A -> H, P -> W, L -> S, E -> L). Для расшифровки сообщения необходимо проделать обратный процесс, сдвигая каждую букву на семь позиций назад. Эта техника шифрования напоминает древний “шифр Цезаря”, который, как известно, использовал римский император и полководец Гай Юлий Цезарь.

Преимущества симметричного шифрования

Симметричное шифрование обладает заметными преимуществами, в первую очередь своей простотой. Использование одного ключа для шифрования и расшифровки упрощает процесс. Более того, при шифровании значительных объемов данных симметричное шифрование оказывается эффективным выбором. К дополнительным преимуществам относятся:

• Скорость: алгоритмы симметричного шифрования работают значительно быстрее, чем их асимметричные аналоги, о чем мы еще поговорим.
• Вычислительная мощность: вычислительные ресурсы, необходимые для симметричного шифрования, сравнительно ниже.
• Минимальное влияние на скорость Интернета: симметричное шифрование не оказывает существенного влияния на скорость передачи данных через Интернет.

Три популярных алгоритма симметричного шифрования

Хотя “шифр Цезаря” демонстрирует элементарный подход к симметричному шифрованию, современные методы шифрования основаны на сложных математических функциях, которые очень трудно взломать. Существует множество алгоритмов симметричного шифрования, но мы остановимся на трех наиболее часто используемых:

1. AES (Advanced Encryption Standard): AES считается одним из самых надежных алгоритмов симметричного шифрования. Он вытеснил устаревший алгоритм DES (о котором мы поговорим далее) и предлагает сильные возможности шифрования. AES работает со 128-битными блоками данных, используя ключ переменной длины (обычно 128, 192 или 256 бит).
2. DES (Стандарт шифрования данных): Представленный в 1976 году компанией IBM, DES был первым широко распространенным методом симметричного шифрования. Изначально разработанный для защиты конфиденциальной правительственной информации, в 1977 году он стал официальным стандартом шифрования для федеральных агентств США. DES разбивает данные открытого текста на 64-битные блоки и применяет различные процессы шифрования в течение 16 циклов, создавая на выходе 64-битные блоки зашифрованного текста. Однако из-за небольшой длины ключа DES был признан устаревшим в 2005 году и заменен AES.
3. 3DES (Стандарт тройного шифрования данных): в качестве усовершенствования DES, 3DES применяет алгоритм DES три раза последовательно к каждому блоку данных. Этот процесс значительно повышает стойкость шифрования. Хотя 3DES обеспечивает большую безопасность, чем DES, он медленнее и менее эффективен, чем AES, что делает его менее распространенным в современных приложениях.

Стоит отметить, что широко используемый сегодня протокол TLS 1.2 не использует метод шифрования DES из-за его уязвимости.

Асимметричное шифрование

Если в симметричном шифровании используется один ключ для шифрования и дешифрования, то в асимметричном шифровании применяется более сложный подход – несколько математически взаимосвязанных ключей. Этот тип шифрования также известен как криптография с открытым ключом и включает в себя “открытый ключ” и “закрытый ключ”.

Симметричное шифрование хорошо работало для Алисы и Антона, когда им нужно было обмениваться информацией между собой. Однако, если Антон хочет безопасно общаться с большим количеством людей, использование разных ключей для каждого человека становится непрактичным и неудобным.

Чтобы решить эту проблему, Антон использует шифрование с открытым ключом. В этом методе Антон раздает свой открытый ключ всем, кто хочет отправить ему информацию, а закрытый ключ держит в секрете. Он поручает другим зашифровать данные с помощью его открытого ключа, гарантируя, что они могут быть расшифрованы только с помощью его закрытого ключа. Такой подход исключает риск компрометации закрытого ключа, поскольку данные могут быть расшифрованы только с помощью закрытого ключа Антона.

Преимущества асимметричного шифрования

Асимметричное шифрование имеет ряд преимуществ, начиная с повышенной безопасности. В этом методе для шифрования данных используется открытый ключ, который находится в открытом доступе, а для расшифровки используется соответствующий закрытый ключ. Это гарантирует, что данные остаются защищенными от потенциальных атак типа “человек посередине” (MiTM). Более того, для веб-серверов и серверов электронной почты, которые взаимодействуют с большим количеством клиентов, управление и защита только одного ключа является более эффективным. Кроме того, асимметричное шифрование позволяет устанавливать зашифрованные соединения без необходимости автономного обмена ключами, что упрощает процесс.

Еще одна важная функция асимметричного шифрования – аутентификация. Шифруя данные с помощью открытого ключа получателя, оно гарантирует, что только предполагаемый получатель, обладающий соответствующим закрытым ключом, сможет расшифровать данные и получить к ним доступ. Этот механизм проверки подтверждает личность человека или организации, с которыми человек общается или обменивается информацией.

Асимметричный алгоритм шифрования RSA (Ривест-Шамир-Адлеман)

Изобретенный в 1977 году учеными Массачусетского технологического института Роном Ривестом, Ади Шамиром и Леонардом Адлеманом, RSA является наиболее широко используемым алгоритмом асимметричного шифрования. Его эффективность заключается в концепции “простой факторизации”. RSA предполагает выбор двух различных случайных простых чисел заданного размера, например 1024 бита, и их перемножение для получения большого числа. Задача состоит в том, чтобы определить исходное простое число по этому перемноженному результату. Решение этой головоломки практически невозможно для современных суперкомпьютеров, не говоря уже о человеческих вычислениях.

В исследовании, проведенном в 2010 году, группа добровольцев потратила более 1 500 лет вычислительного времени на сотнях компьютеров, чтобы взломать 768-битный ключ RSA, что намного ниже современного стандарта 2048-битных ключей.

Преимущество шифрования RSA заключается в его масштабируемости, поскольку длина ключа может варьироваться: 768-бит, 1024-бит, 2048-бит, 4096-бит и т. д. Простота и адаптивность RSA сделали его основным алгоритмом асимметричного шифрования для различных приложений, включая сертификаты SSL/TLS, криптовалюты и шифрование электронной почты.

Гибридное шифрование

Хотя асимметричные алгоритмы шифрования, такие как RSA и ECC, обеспечивают надежную защиту и аутентификацию, они имеют свои ограничения. Симметричное шифрование, с другой стороны, отличается высокой скоростью и эффективностью, но не имеет возможности проверки подлинности. Чтобы решить эти проблемы и создать синергию систем шифрования, возникла концепция гибридного шифрования, использующая преимущества симметричного и асимметричного шифрования.

Гибридное шифрование в сертификатах SSL/TLS:

Гибридное шифрование — это не отдельный метод, а скорее комбинация методов симметричного и асимметричного шифрования. Оно широко используется в сертификатах SSL/TLS во время процесса рукопожатия TLS, который устанавливает безопасное соединение между серверами и клиентами (веб-браузерами).

Рукопожатие TLS начинается с проверки личности обеих сторон с помощью закрытого и открытого ключей. После подтверждения личности последующая передача данных происходит с использованием симметричного шифрования и эфемерного (сессионного) ключа. Это обеспечивает быстрый обмен большими объемами данных в режиме онлайн.

Преимущества гибридного шифрования

Гибридное шифрование предлагает практическое решение, которое преодолевает недостатки отдельных методов шифрования. Используя симметричное шифрование для передачи данных, оно обеспечивает быструю и эффективную коммуникацию. Одновременно предшествующее асимметричное шифрование обеспечивает необходимую проверку личности, гарантируя безопасное взаимодействие между сторонами.

Преимущества гибридного шифрования включают:

• Скорость и эффективность: Симметричное шифрование, благодаря своей способности быстро шифровать большие объемы данных, ускоряет процессы шифрования и дешифрования, обеспечивая быструю передачу данных.
• Проверка подлинности: Асимметричное шифрование гарантирует, что доступ к зашифрованным данным получит предполагаемый получатель, проверяя личность обеих сторон, участвующих в коммуникации.
• Гибридное шифрование обеспечивает баланс, позволяя безопасно и эффективно обмениваться данными в различных сценариях. Оно находит широкое применение в таких областях, как сертификаты SSL/TLS, шифрование электронной почты и протоколы безопасной связи.

Сравнение симметричного и асимметричного методов шифрования

Когда речь заходит о том, какой тип шифрования лучше, однозначного ответа нет. Выбор зависит от конкретных требований и соображений в каждой конкретной ситуации. Давайте рассмотрим преимущества симметричного и асимметричного шифрования и представим их в сравнительной таблице.

Симметричное шифрование:	Асимметричное шифрование:	Гибридное шифрование:
При симметричном шифровании один ключ используется как для шифрования, так и для расшифровки данных, что делает процесс более простым и быстрым.	Асимметричное шифрование использует пару ключей: открытый ключ и закрытый ключ. Открытый ключ используется для шифрования, а закрытый – для расшифровки.	Во многих случаях применяется гибридный подход к шифрованию, сочетающий в себе методы симметричного и асимметричного шифрования.
Он особенно подходит для эффективного шифрования больших объемов данных, поскольку обеспечивает более высокую производительность и требует меньше вычислительной мощности.	Одним из основных преимуществ асимметричного шифрования является его способность обеспечивать аутентификацию, гарантируя идентичность общающихся сторон.	В большинстве современных SSL-сертификатов используется гибридный метод: асимметричное шифрование для аутентификации и симметричное шифрование для обеспечения конфиденциальности.
В симметричном шифровании используется более короткая длина ключа, обычно от 128 до 256 бит.	Из-за сложности процесса, связанного с парой ключей, асимметричное шифрование работает медленнее и требует большей вычислительной мощности.	Такой гибридный подход предлагает комплексное решение, защищая личные данные пользователей от перехвата или фальсификации мошенниками.
Стандартные алгоритмы, используемые в симметричном шифровании, включают RC4, AES, DES, 3DES и QUAD.	В асимметричном шифровании используются ключи большей длины, обычно от 1024 до 4096 бит.	Используя сильные стороны обоих методов шифрования, гибридное шифрование обеспечивает безопасность связи и конфиденциальность данных.

В заключение следует отметить, что выбор между симметричным и асимметричным шифрованием зависит от конкретных требований каждого сценария. Симметричное шифрование отличается высокой производительностью и эффективностью при шифровании больших объемов данных. Асимметричное шифрование, с другой стороны, обеспечивает аутентификацию и проверку личности. Гибридный подход к шифрованию сочетает в себе лучшее из двух миров, предлагая надежное решение, широко используемое в SSL-сертификатах и других приложениях, требующих безопасной передачи данных.

Читайте также:

• Что такое SSL-сертификат, до того, почему вы должны его установить
• Что такое HTTP и HTTPS и как это влияет на ваш сайт?
• Как получить SSL-сертификат бесплатно

Вопросы и ответы о шифрование