Шифрування: Типи та алгоритми. Що це і який тип шифрування кращий?

У сучасну цифрову епоху забезпечення безпеки та конфіденційності інформації має першорядне значення. Шифрування відіграє ключову роль у досягненні цієї мети, даючи змогу перетворювати дані в формат, який неможливо прочитати і який доступний тільки уповноваженим особам. Процес шифрування включає використання криптографічних ключів і математичних алгоритмів.

У цій статті ми розглянемо три основні типи шифрування – симетричне, асиметричне та гібридне шифрування. Почнемо з розгляду симетричного шифрування.

• Симетричне шифрування
• Асиметричне шифрування
• Гібридне шифрування
• Порівняння методів шифрування
• Запитання та відповіді про шифрування

Симетричне шифрування

Симетричне шифрування, як випливає з назви, використовує один криптографічний ключ як для шифрування, так і для розшифрування. Простота використання одного ключа робить процес простим. Щоб зрозуміти суть симетричного шифрування, розглянемо такий приклад:

Уявіть собі двох близьких друзів, Антона й Алісу, які проживають у Києві. Через певні обставини Аліса змушена переїхати за межі міста. Єдиний засіб зв’язку, який у них є, – це пошта. Однак вони побоюються, що їхні листи можуть бути перехоплені та прочитані сторонніми людьми.

Щоб убезпечити своє листування, Антон і Аліса вирішують зашифрувати свої повідомлення. Вони домовляються про просту техніку шифрування: зрушити кожну букву на сім позицій униз за алфавітом. Наприклад, слово “Apple” буде записано як “hwwsl” (A -> H, P -> W, L -> S, E -> L). Для розшифрування повідомлення необхідно виконати зворотний процес, зсуваючи кожну букву на сім позицій назад. Ця техніка шифрування нагадує стародавній “шифр Цезаря”, який, як відомо, використовував римський імператор і полководець Гай Юлій Цезар.

Переваги симетричного шифрування

Симетричне шифрування має помітні переваги, насамперед своєю простотою. Використання одного ключа для шифрування і розшифрування спрощує процес. Ба більше, під час шифрування значних обсягів даних симетричне шифрування виявляється ефективним вибором. До додаткових переваг належать:

• Швидкість: алгоритми симетричного шифрування працюють значно швидше, ніж їхні асиметричні аналоги, про що ми ще поговоримо.
• Обчислювальна потужність: обчислювальні ресурси, необхідні для симетричного шифрування, порівняно нижчі.
• Мінімальний вплив на швидкість Інтернету: симетричне шифрування не чинить істотного впливу на швидкість передачі даних через Інтернет.

Три популярні алгоритми симетричного шифрування

Хоча “шифр Цезаря” демонструє елементарний підхід до симетричного шифрування, сучасні методи шифрування засновані на складних математичних функціях, які дуже важко зламати. Існує безліч алгоритмів симетричного шифрування, але ми зупинимося на трьох найбільш часто використовуваних:

1. AES (Advanced Encryption Standard): AES вважається одним із найнадійніших алгоритмів симетричного шифрування. Він витіснив застарілий алгоритм DES (про який ми поговоримо далі) і пропонує сильні можливості шифрування. AES працює зі 128-бітними блоками даних, використовуючи ключ змінної довжини (зазвичай 128, 192 або 256 біт).
2. DES (Стандарт шифрування даних): Представлений 1976 року компанією IBM, DES був першим широко поширеним методом симетричного шифрування. Спочатку розроблений для захисту конфіденційної урядової інформації, 1977 року він став офіційним стандартом шифрування для федеральних агентств США. DES розбиває дані відкритого тексту на 64-бітні блоки і застосовує різні процеси шифрування протягом 16 циклів, створюючи на виході 64-бітні блоки зашифрованого тексту. Однак через невелику довжину ключа DES було визнано застарілим 2005 року і замінено AES.
3. 3DES (Стандарт потрійного шифрування даних): як удосконалення DES, 3DES застосовує алгоритм DES три рази послідовно до кожного блоку даних. Цей процес значно підвищує стійкість шифрування. Хоча 3DES забезпечує більшу безпеку, ніж DES, він повільніший і менш ефективний, ніж AES, що робить його менш поширеним у сучасних додатках.

Варто зазначити, що широко використовуваний сьогодні протокол TLS 1.2 не використовує метод шифрування DES через його вразливість.

Асиметричне шифрування

Якщо в симетричному шифруванні використовується один ключ для шифрування і дешифрування, то в асиметричному шифруванні застосовується складніший підхід – кілька математично взаємопов’язаних ключів. Цей тип шифрування також відомий як криптографія з відкритим ключем і включає в себе “відкритий ключ” і “закритий ключ”.

Симетричне шифрування добре працювало для Аліси та Антона, коли їм потрібно було обмінюватися інформацією між собою. Однак, якщо Антон хоче безпечно спілкуватися з великою кількістю людей, використання різних ключів для кожної людини стає непрактичним і незручним.

Щоб вирішити цю проблему, Антон використовує шифрування з відкритим ключем. У цьому методі Антон роздає свій відкритий ключ усім, хто хоче надіслати йому інформацію, а закритий ключ тримає в секреті. Він доручає іншим зашифрувати дані за допомогою його відкритого ключа, гарантуючи, що вони можуть бути розшифровані тільки за допомогою його закритого ключа. Такий підхід виключає ризик компрометації закритого ключа, оскільки дані можуть бути розшифровані тільки за допомогою закритого ключа Антона.

Переваги асиметричного шифрування

Асиметричне шифрування має низку переваг, починаючи з підвищеної безпеки. У цьому методі для шифрування даних використовується відкритий ключ, який перебуває у відкритому доступі, а для розшифрування використовується відповідний закритий ключ. Це гарантує, що дані залишаються захищеними від потенційних атак типу “людина посередині” (MiTM). Ба більше, для веб-серверів і серверів електронної пошти, які взаємодіють із великою кількістю клієнтів, управління та захист лише одного ключа є більш ефективним. Крім того, асиметричне шифрування дає змогу встановлювати зашифровані з’єднання без необхідності автономного обміну ключами, що спрощує процес.

Ще одна важлива функція асиметричного шифрування – аутентифікація. Шифруючи дані за допомогою відкритого ключа одержувача, воно гарантує, що тільки передбачуваний одержувач, який володіє відповідним закритим ключем, зможе розшифрувати дані й отримати до них доступ. Цей механізм перевірки підтверджує особистість людини або організації, з якими людина спілкується або обмінюється інформацією.

Асиметричний алгоритм шифрування RSA (Рівест-Шамір-Адлеман)

Винайдений 1977 року вченими Массачусетського технологічного інституту Роном Рівестом, Аді Шаміром і Леонардом Адлеманом, RSA є найширше використовуваним алгоритмом асиметричного шифрування. Його ефективність полягає в концепції “простої факторизації”. RSA передбачає вибір двох різних випадкових простих чисел заданого розміру, наприклад 1024 біти, і їхнє перемноження для отримання великого числа. Завдання полягає в тому, щоб визначити вихідне просте число за цим перемноженим результатом. Розв’язання цієї головоломки практично неможливе для сучасних суперкомп’ютерів, не кажучи вже про людські обчислення.

У дослідженні, проведеному 2010 року, група добровольців витратила понад 1 500 років обчислювального часу на сотнях комп’ютерів, щоб зламати 768-бітний ключ RSA, що є набагато нижчим за сучасний стандарт 2048-бітних ключів.

Перевага шифрування RSA полягає в його масштабованості, оскільки довжина ключа може варіюватися: 768-біт, 1024-біт, 2048-біт, 4096-біт тощо. Простота й адаптивність RSA зробили його основним алгоритмом асиметричного шифрування для різноманітних застосунків, включно з сертифікатами SSL/TLS, криптовалютами та шифруванням електронної пошти.

Гібридне шифрування

Хоча асиметричні алгоритми шифрування, як-от RSA і ECC, забезпечують надійний захист і автентифікацію, вони мають свої обмеження. Симетричне шифрування, з іншого боку, вирізняється високою швидкістю та ефективністю, але не має можливості перевірки автентичності. Щоб розв’язати ці проблеми і створити синергію систем шифрування, виникла концепція гібридного шифрування, що використовує переваги симетричного та асиметричного шифрування.

Гібридне шифрування в сертифікатах SSL/TLS:

Гібридне шифрування – це не окремий метод, а радше комбінація методів симетричного та асиметричного шифрування. Воно широко використовується в сертифікатах SSL/TLS під час процесу рукостискання TLS, який встановлює безпечне з’єднання між серверами та клієнтами (веб-браузерами).

Рукостискання TLS починається з перевірки особи обох сторін за допомогою закритого і відкритого ключів. Після підтвердження особи подальше передавання даних відбувається з використанням симетричного шифрування та ефемерного (сесійного) ключа. Це забезпечує швидкий обмін великими обсягами даних у режимі онлайн.

Переваги гібридного шифрування

Гібридне шифрування пропонує практичне рішення, яке долає недоліки окремих методів шифрування. Використовуючи симетричне шифрування для передачі даних, воно забезпечує швидку та ефективну комунікацію. Одночасно попереднє асиметричне шифрування забезпечує необхідну перевірку особистості, гарантуючи безпечну взаємодію між сторонами.

Переваги гібридного шифрування включають:

• Швидкість і ефективність: Симетричне шифрування, завдяки своїй здатності швидко шифрувати великі обсяги даних, прискорює процеси шифрування і дешифрування, забезпечуючи швидке передавання даних.
• Перевірка автентичності: Асиметричне шифрування гарантує, що доступ до зашифрованих даних отримає передбачуваний одержувач, перевіряючи особистість обох сторін, які беруть участь у комунікації.
• Гібридне шифрування забезпечує баланс, даючи змогу безпечно й ефективно обмінюватися даними в різних сценаріях. Воно знаходить широке застосування в таких сферах, як сертифікати SSL/TLS, шифрування електронної пошти та протоколи безпечного зв’язку.

Порівняння симетричного та асиметричного методів шифрування

Коли мова заходить про те, який тип шифрування кращий, однозначної відповіді немає. Вибір залежить від конкретних вимог і міркувань у кожній конкретній ситуації. Розгляньмо переваги симетричного та асиметричного шифрування і представимо їх у порівняльній таблиці.

Симетричне шифрування:	Асиметричне шифрування:	Гібридне шифрування:
При симетричному шифруванні один ключ використовується як для шифрування, так і для розшифрування даних, що робить процес простішим і швидшим.	Асиметричне шифрування використовує пару ключів: відкритий ключ і закритий ключ. Відкритий ключ використовується для шифрування, а закритий – для розшифрування.	У багатьох випадках застосовується гібридний підхід до шифрування, що поєднує в собі методи симетричного й асиметричного шифрування.
Він особливо підходить для ефективного шифрування великих обсягів даних, оскільки забезпечує вищу продуктивність і вимагає менше обчислювальної потужності.	Однією з основних переваг асиметричного шифрування є його здатність забезпечувати автентифікацію, гарантуючи ідентичність сторін, що спілкуються.	У більшості сучасних SSL-сертифікатів використовується гібридний метод: асиметричне шифрування для автентифікації та симетричне шифрування для забезпечення конфіденційності.
У симетричному шифруванні використовується коротша довжина ключа, зазвичай від 128 до 256 біт.	Через складність процесу, пов’язаного з парою ключів, асиметричне шифрування працює повільніше і вимагає більшої обчислювальної потужності.	Такий гібридний підхід пропонує комплексне рішення, захищаючи особисті дані користувачів від перехоплення або фальсифікації шахраями.
Стандартні алгоритми, що використовуються в симетричному шифруванні, включають RC4, AES, DES, 3DES і QUAD.	В асиметричному шифруванні використовують ключі більшої довжини, зазвичай від 1024 до 4096 біт.	Використовуючи сильні сторони обох методів шифрування, гібридне шифрування забезпечує безпеку зв’язку та конфіденційність даних.

На закінчення слід зазначити, що вибір між симетричним і асиметричним шифруванням залежить від конкретних вимог кожного сценарію. Симетричне шифрування вирізняється високою продуктивністю та ефективністю під час шифрування великих обсягів даних. Асиметричне шифрування, з іншого боку, забезпечує автентифікацію та перевірку особистості. Гібридний підхід до шифрування поєднує в собі найкраще з двох світів, пропонуючи надійне рішення, яке широко використовується в SSL-сертифікатах та інших додатках, що вимагають безпечного передавання даних.

Читайте також:

• Що таке SSL-сертифікат, до того, чому ви повинні його встановити
• Що таке HTTP і HTTPS і як це впливає на ваш сайт?
• Як отримати SSL-сертифікат безкоштовно

Запитання та відповіді про шифрування