Šifrēšana: Veidi un algoritmi. Kas tas ir un kurš šifrēšanas veids ir labāks?

Mūsdienu digitālajā laikmetā ir ārkārtīgi svarīgi nodrošināt informācijas drošību un konfidencialitāti. Šifrēšanai ir būtiska nozīme šā mērķa sasniegšanā, jo tā ļauj datus pārveidot nelasāmā formātā, kas ir pieejams tikai pilnvarotām personām. Šifrēšanas procesā tiek izmantotas kriptogrāfiskās atslēgas un matemātiskie algoritmi.

Šajā rakstā aplūkosim trīs galvenos šifrēšanas veidus: simetrisko, asimetrisko un hibrīdšifrēšanu. Sāksim ar simetrisko šifrēšanu.

Simetrisks šifrēšana

Simetriskā šifrēšana , kā norāda nosaukums, izmanto vienu kriptogrāfisko atslēgu gan šifrēšanai, gan atšifrēšanai. Vienas atslēgas izmantošanas ērtums padara procesu vienkāršu. Lai izprastu simetriskās šifrēšanas būtību, aplūkojiet šādu piemēru:

Iedomājieties, ka divi tuvi draugi Antons un Alise dzīvo Kijevā. Noteiktu apstākļu dēļ Alise ir spiesta pārcelties no pilsētas. Vienīgais saziņas līdzeklis, kas viņiem ir, ir pasts. Tomēr viņi baidās, ka viņu vēstules var pārtvert un izlasīt svešinieki.

Lai nodrošinātu sarakstes drošību, Antons un Alise nolemj šifrēt savas ziņas. Viņi vienojas par vienkāršu šifrēšanas paņēmienu: katru alfabēta burtu pārvietot par septiņām pozīcijām uz leju. Piemēram, vārds “Apple” tiks rakstīts kā “hwwsl” (A -> H, P -> W, L -> S, E -> L). Lai atšifrētu ziņojumu, ir jāveic apgrieztā secībā, katru burtu pārvietojot par septiņām pozīcijām atpakaļ. Šis šifrēšanas paņēmiens atgādina seno “Cēzara šifru”, ko plaši izmantoja Romas imperators un karavadonis Gajs Jūlijs Cēzars.

Simetriskās šifrēšanas priekšrocības

Simetriskai šifrēšanai ir ievērojamas priekšrocības, galvenokārt tās vienkāršība. Izmantojot vienu atslēgu šifrēšanai un atšifrēšanai, process ir vienkāršots. Turklāt, šifrējot lielus datu apjomus, simetriskā šifrēšana ir efektīva izvēle. Papildu priekšrocības ir šādas:

• Ātrums: simetriskie šifrēšanas algoritmi ir daudz ātrāki par saviem asimetriskajiem analogiem, par kuriem mēs runāsim vēlāk.
• Skaitļošanasjauda: simetriskai šifrēšanai nepieciešamie skaitļošanas resursi ir relatīvi mazāki.
• Minimāla ietekme uz interneta ātrumu: simetriskai šifrēšanai nav būtiskas ietekmes uz datu pārraides ātrumu internetā.

Trīs populāri simetriskās šifrēšanas algoritmi

Lai gan Cēzara šifrs demonstrē elementāru pieeju simetriskai šifrēšanai, mūsdienu šifrēšanas metodes ir balstītas uz sarežģītām matemātiskām funkcijām, kuras ir ļoti grūti uzlauzt. Ir daudzi simetriskās šifrēšanas algoritmi, bet mēs pievērsīsimies trim visbiežāk izmantotajiem:

1. AES (Advanced Encryption Standard): AES tiek uzskatīts par vienu no drošākajiem simetriskās šifrēšanas algoritmiem. Tas aizstāja novecojušo DES algoritmu (par kuru mēs runāsim vēlāk) un piedāvā spēcīgas šifrēšanas iespējas. AES darbojas ar 128 bitu datu blokiem, izmantojot mainīga garuma atslēgu (parasti 128, 192 vai 256 bitu).
2. DES (datu šifrēšanas standarts): DES bija pirmā plaši izmantotā simetriskās šifrēšanas metode, ko 1976. gadā ieviesa IBM. Sākotnēji tā tika izstrādāta, lai aizsargātu sensitīvu valdības informāciju, un 1977. gadā kļuva par ASV federālo aģentūru oficiālo šifrēšanas standartu. DES sadala atklātā teksta datus 64 bitu blokos un 16 ciklu laikā piemēro dažādus šifrēšanas procesus, kā izejas datus izveidojot 64 bitu šifrteksta blokus. Tomēr īsā atslēgas garuma dēļ DES 2005. gadā tika pasludināts par novecojušu un aizstāts ar AES.
3. 3DES (trīskāršs datu šifrēšanas standarts ): kā DES uzlabojums 3DES katram datu blokam secīgi trīs reizes piemēro DES algoritmu. Šis process ievērojami palielina šifrēšanas stiprumu. Lai gan 3DES nodrošina lielāku drošību nekā DES, tas ir lēnāks un mazāk efektīvs nekā AES, tāpēc mūsdienu lietojumprogrammās tas ir mazāk izplatīts.

Jāatzīmē, ka plaši izmantotajā TLS 1.2 protokolā netiek izmantota DES šifrēšanas metode, jo tā ir neaizsargāta.

Asimetrisks šifrēšana

Ja simetriskajā šifrēšanā šifrēšanai un atšifrēšanai izmanto vienu atslēgu, tad asimetriskajā šifrēšanā tiek izmantota sarežģītāka pieeja – vairākas savstarpēji matemātiski saistītas atslēgas. Šāda veida šifrēšanu sauc arī par publiskās atslēgas kriptogrāfiju, un tā ietver “publisko atslēgu” un “privāto atslēgu”.

Simetriskā šifrēšana Alisei un Antonam labi noder ēja, kad viņiem vajadzēja savstarpēji apmainīties ar informāciju. Tomēr, ja Antons vēlas droši sazināties ar lielu skaitu cilvēku, dažādu atslēgu izmantošana katrai personai kļūst nepraktiska un neērta.

Lai atrisinātu šo problēmu, Antons izmanto publiskā atslēgas šifrēšanu. Izmantojot šo metodi, Antons izsniedz savu publisko atslēgu ikvienam, kas vēlas viņam nosūtīt informāciju, bet savu privāto atslēgu patur noslēpumā. Viņš uzdod citiem šifrēt datus ar savu publisko atslēgu, nodrošinot, ka tos var atšifrēt tikai ar viņa privāto atslēgu. Šāda pieeja novērš privātās atslēgas kompromitēšanas risku, jo datus var atšifrēt tikai ar Antona privāto atslēgu.

Asimetriskās šifrēšanas priekšrocības

Asimetriskai šifrēšanai ir vairākas priekšrocības, sākot ar lielāku drošību. Izmantojot šo metodi, datu šifrēšanai tiek izmantota publiskā atslēga, kas ir publiski pieejama, un atšifrēšanai tiek izmantota atbilstošā privātā atslēga. Tas nodrošina datu aizsardzību pret iespējamiem “cilvēks pa vidu” (MiTM) uzbrukumiem. Turklāt tīmekļa un e-pasta serveriem, kas mijiedarbojas ar lielu skaitu klientu, efektīvāk ir pārvaldīt un aizsargāt tikai vienu atslēgu. Turklāt asimetriskā šifrēšana ļauj izveidot šifrētus savienojumus bez nepieciešamības veikt atslēgu apmaiņu bezsaistē, kas vienkāršo procesu.

Vēl viena svarīga asimetriskās šifrēšanas funkcija ir autentifikācija. Šifrējot datus, izmantojot saņēmēja publisko atslēgu, tiek nodrošināts, ka datus atšifrēt un piekļūt tiem var tikai tas saņēmējs, kuram ir attiecīgā privātā atslēga. Šis verifikācijas mehānisms apstiprina tās personas vai organizācijas identitāti, ar kuru persona sazinās vai apmainās ar informāciju.

Asimetriskais šifrēšanas algoritms RSA (Rivesta-Šamira-Adlemana)

RSA ir visplašāk izmantotais asimetriskās šifrēšanas algoritms, ko 1977. gadā izgudroja MIT zinātnieki Rons Rivests, Adi Šamirs un Leonards Adlemans. Tā efektivitātes pamatā ir “vienkāršas faktorizācijas” koncepcija. RSA ietver divu dažādu noteikta lieluma, piemēram, 1024 bitu, nejaušu pirmavotu izvēli un to reizināšanu, lai iegūtu lielu skaitli. Uzdevums ir noteikt sākotnējo pirmskaitli no šī reizinātā rezultāta. Šīs mīklas atrisināšana ir praktiski neiespējama mūsdienu superdatoriem, nemaz nerunājot par cilvēka aprēķiniem.

2010. gadā veiktā pētījumā brīvprātīgo grupa simtiem datoru veltīja vairāk nekā 1500 gadu ilgu skaitļošanas laiku, lai uzlauztu 768 bitu RSA atslēgu, kas ir daudz mazāk nekā pašreizējais 2048 bitu atslēgu standarts.

RSA šifrēšanas priekšrocība ir tās mērogojamība , jo atslēgas garums var mainīties: 768 bitu, 1024 bitu, 2048 bitu, 4096 bitu utt. RSA vienkāršība un pielāgojamība ir padarījusi to par galveno asimetriskās šifrēšanas algoritmu dažādiem lietojumiem, tostarp SSL/TLS sertifikātiem, kriptovalūtām un e-pasta šifrēšanai.

Hibrīda šifrēšana

Lai gan asimetriskie šifrēšanas algoritmi, piemēram, RSA un ECC, nodrošina spēcīgu drošību un autentifikāciju, tiem ir savi ierobežojumi. Savukārt simetriskā šifrēšana ir ātra un efektīva, taču tai trūkst autentiskuma pārbaudes iespēju. Lai atrisinātu šīs problēmas un radītu šifrēšanas sistēmu sinerģiju, ir radīta hibrīdšifrēšanas koncepcija, kas izmanto simetriskās un asimetriskās šifrēšanas priekšrocības.

SSL/TLS sertifikātu hibrīd šifrēšana:

Hibrīda šifrēšana nav viena metode, bet gan simetriskās un asimetriskās šifrēšanas metožu kombinācija. To plaši izmanto SSL/TLS sertifikātos TLS nodošanas procesā, kas izveido drošu savienojumu starp serveriem un klientiem (tīmekļa pārlūkprogrammām).

TLS handshake sākas ar abu pušu identitātes verifikāciju , izmantojot privāto un publisko atslēgu. Kad identitāte ir apstiprināta, dati tiek pārsūtīti, izmantojot simetrisku šifrēšanu un efemēru (sesijas) atslēgu. Tas ļauj ātri apmainīties ar lieliem datu apjomiem tiešsaistē.

Hibrīda šifrēšanas priekšrocības

Hibrīda šifrēšana piedāvā praktisku risinājumu, kas novērš atsevišķu šifrēšanas metožu trūkumus. Izmantojot simetrisku šifrēšanu datu pārraidei, tas nodrošina ātru un efektīvu saziņu. Vienlaikus asimetriskā šifrēšana nodrošina nepieciešamo identitātes pārbaudi, nodrošinot drošu mijiedarbību starp pusēm.

Hibrīda šifrēšanas priekšrocības ir šādas:

• Ātrums un efektivitāte: Simetriskā šifrēšana, kas ļauj ātri šifrēt lielus datu apjomus, paātrina šifrēšanas un atšifrēšanas procesus, nodrošinot ātru datu pārsūtīšanu.
• Autentifikācija: Asimetriskā šifrēšana nodrošina, ka paredzētajam saņēmējam ir piekļuve šifrētajiem datiem, pārbaudot abu saziņā iesaistīto pušu identitāti.
• Hibrīda šifrēšana nodrošina līdzsvaru, ļaujot veikt drošu un efektīvu datu apmaiņu dažādos scenārijos. To plaši izmanto tādās jomās kā SSL/TLS sertifikāti, e-pasta šifrēšana un drošas saziņas protokoli.

Simetriskās un asimetriskās šifrēšanas metožu salīdzinājums

Jautājumā par to, kurš šifrēšanas veids ir labākais , nav vienotas atbildes. Izvēle ir atkarīga no konkrētām prasībām un apsvērumiem katrā situācijā. Apskatīsim simetriskās un asimetriskās šifrēšanas priekšrocības un sniegsim tās salīdzinājuma tabulā.

Simetrisks šifrēšana:	Asimetrisks šifrēšana:	Hibrīda šifrēšana:
Izmantojot simetrisku šifrēšanu, datu šifrēšanai un atšifrēšanai tiek izmantota viena atslēga, tādējādi process ir vienkāršāks un ātrāks.	Asimetriskā šifrēšana izmanto atslēgu pāri: publisko atslēgu un privāto atslēgu. Publisko atslēgu izmanto šifrēšanai, bet privāto atslēgu – atšifrēšanai.	Daudzos gadījumos šifrēšanai tiek izmantota hibrīda pieeja, apvienojot simetriskās un asimetriskās šifrēšanas metodes.
Tas ir īpaši piemērots efektīvai lielu datu apjomu šifrēšanai, jo nodrošina lielāku veiktspēju un prasa mazāku apstrādes jaudu.	Viena no galvenajām asimetriskās šifrēšanas priekšrocībām ir tās spēja nodrošināt autentifikāciju, garantējot komunicējošo pušu identitāti.	Lielākā daļa mūsdienu SSL sertifikātu izmanto hibrīdmetodi: asimetrisku šifrēšanu autentifikācijai un simetrisku šifrēšanu privātuma nodrošināšanai.
Simetriskajā šifrēšanā izmanto īsāku atslēgas garumu, parasti no 128 līdz 256 bitiem.	Atslēgu savienošanas procesa sarežģītības dēļ asimetriskā šifrēšana ir lēnāka un prasa lielāku skaitļošanas jaudu.	Šī hibrīda pieeja piedāvā visaptverošu risinājumu, kas aizsargā lietotāju personas datus no pārtveršanas vai krāpšanas.
Simetriskajā šifrēšanā tiek izmantoti šādi standarta algoritmi: RC4, AES, DES, 3DES un QUAD.	Asimetriskajā šifrēšanā izmanto garākas atslēgas, parasti no 1024 līdz 4096 bitiem.	Izmantojot abu šifrēšanas metožu priekšrocības, hibrīdšifrēšana nodrošina drošu saziņu un datu konfidencialitāti.

Tātad izvēle starp simetrisku un asimetrisku šifrēšanu ir atkarīga no katra scenārija īpašajām prasībām. Simetriskā šifrēšana ir ļoti efektīva un lietderīga, šifrējot lielus datu apjomus. Savukārt asimetriskā šifrēšana nodrošina autentifikāciju un identitātes pārbaudi. Hibrīda šifrēšanas pieeja apvieno labāko no abām pasaulēm, piedāvājot stabilu risinājumu, ko plaši izmanto SSL sertifikātos un citās lietojumprogrammās, kurās nepieciešama droša datu pārraide.

Lasiet arī:

• Kas ir SSL sertifikāts un kāpēc jums vajadzētu to instalēt
• Kas ir HTTP un HTTPS un kā tas ietekmē jūsu vietni?
• Kā bez maksas iegūt SSL sertifikātu

Jautājumi un atbildes par šifrēšanu