Математика является общедоступной. Алгоритмы также открыты для всех. Однако вы можете сделать сообщения между двумя людьми полностью приватными. Как? Они используют общий ключ.
В этом заключается суть симметричного шифрования.
Оно называется «симметричным», потому что и отправитель, и получатель имеют абсолютно одинаковый уровень доступа. У всех есть ключи. Если другая сторона потеряет его, дверь к сообщению будет заблокирована навсегда. Как только злоумышленник получит его, дверь откроется для всех.
От древних методов до современных стандартов
Это не новая технология. Ее корни уходят в глубокую древность.
Вспомните шифр Цезаря. Он сдвигает символы на заданное количество позиций. Или квадрат Полибия. Соответствуйте отметкам координатам. В то время безопасность полагалась на сохранение методов в секрете. Если враг не может зашифровать текст, он не может его прочитать.
Этот подход потерпел неудачу.
Современное шифрование меняет этот сценарий на противоположный. Перестаньте прятать алгоритмы и начните прятать свои ключи. Это соответствует принципу Керкгоффса, сформулированному в XIX веке. Он гласит, что криптографическая система должна быть безопасной даже в том случае, если вся информация о системе (кроме ключа) является общедоступной.
Этот алгоритм может быть опубликован в учебниках. Детали доступны в исходном коде с открытым доступом. Пока ключ хранится в секрете, обмен данными остается тайным.
Симметричное шифрование делит данные на два основных набора.
- Блочные шифры : Они обрабатывают данные фиксированными блоками. AES (Advanced Encryption Standard) является здесь королем. Он обрабатывает блоки битов и шифрует их в шифротекст.
- Потоковые шифры : Они обрабатывают данные как непрерывный поток. RC4 является распространенным примером, но в последние годы столкнулся с проблемами.
Цель этих алгоритмов — перемешивание и рассеивание. Статистические атаки терпят неудачу, потому что они тщательно перемешивают данные. Паттерны скрыты. Вы не можете угадать ключ, не перебирая все возможные комбинации.
DES (Data Encryption Standard) В 1970-х годах была предпринята попытка формализовать это. Это был первый крупный международный стандарт. Однако компьютеры становятся все быстрее и быстрее. Ключи DES длиной 56 бит уязвимы для атак полным перебором (brute force). В 2001 году он был заменен на AES. Какой вывод? Безопасность — это постоянно движущаяся цель.
Проблема распределения ключей
Вся система зависит от этого общего секрета.
Шифрование бесполезно, если ключ попадает в руки неавторизованного лица. Безопасность рушится. Это приводит нас к самой сложной части симметричного шифрования: безопасному получению ключей обеими сторонами.
Протоколы, такие как Diffie-Hellman, могут помочь в этом. Но технически это техника асимметричного шифрования. На практике их часто путают. Мы используем асимметричный подход для безопасного обмена симметричными ключами. После того как ключи переданы, мы переключаемся на симметричное шифрование для фактической передачи данных.
Почему? Скорость.
Симметричное шифрование вычислительно дешевле. Оно обрабатывает данные очень быстро. Асимметричное шифрование является ресурсоемким. Оно слишком медленное для больших файлов или потоковой передачи. Поэтому вы можете использовать быстрый метод для выполнения основной работы.
Но есть проблема.
По мере увеличения числа пользователей управление ключами становится логистическим кошмаром. Это проблема распределения ключей.
Если Алиса хочет отправить сообщение Бобу, ей нужен уникальный ключ Боба. Если она все еще хочет отправить сообщение Чарли, ей понадобится еще один ключ. Для набора из n человек вам нужно n(n-1)/2 уникальных ключей. Количество ключей растет экспоненциально.
Именно поэтому симметричное шифрование так эффективно в закрытых группах. Банки используют его. Военные сети используют его. Эти группы либо небольшие, либо имеют централизованные системы для управления хаосом генерации и распространения ключей. Оно не было создано для поддержки открытых сетей.
Длина ключа и устойчивость к перебору
Не все ключи созданы равными.
Длина ключа определяет, сколько времени потребуется злоумышленнику, чтобы угадать ключ. Это устойчивость к атакам полным перебором (brute force). Они пробуют каждую комбинацию, пока не подберут правильную.
Современное специализированное оборудование может взломать 56-битные ключи, используемые в DES, за считанные часы. Это устаревший стандарт.
128-битные ключи обеспечивают надежную защиту. Они выдерживают текущую вычислительную мощность. Хотя 256-битные ключи слишком велики для большинства приложений, они обеспечивают безопасность на будущее.
Параметры необходимо обновлять. Вычислительная мощность улучшается. Деградация алгоритмов. Приверженность старым стандартам просто не защитит вас. Вы будете уязвимы.
Преимущество симметричного шифрования — его эффективность. Недостаток заключается в логистике. Увеличение скорости происходит за счет более сложного управления ключами.
Это сделка. Вы не можете овладеть всем. Есть инструменты для построения безопасности, но вам нужно собрать кусочки самостоятельно.
Почему симметричное шифрование всё ещё работает в сети
Асимметричное шифрование обеспечивает рукопожатие. Оно очень медленное. Оно очень ресурсоёмкое. Но это решает исходную проблему надёжности. Как только сессия установлена, начинается основная работа. Здесь вступает в игру симметричное шифрование.
Оно не отображается в адресной строке браузера. Имя алгоритма не отображается. Но оно там есть. TLS каждый раз при загрузке страницы по HTTPS согласовывает временные симметричные ключи. Инфраструктура открытых ключей была модернизирована. Симметричные ключи отвечают за передачу данных. Обрабатывают большие объёмы данных на скорости линии. Благодаря этой гибридной модели видеозвонки не зависают, а отправка онлайн-форм не задерживается на 5 секунд. Баланс между безопасностью и производительностью.
Честность и конфиденциальность одинаково важны
Шифрование скрывает данные. Это не доказывает, что они не были изменены. Здесь вступают в игру коды аутентификации сообщений (MAC).
MAC используют тот же общий ключ. Отправитель создаёт метку. Получатель проверяет её. Если изменится хотя бы один бит сообщения, тег не пройдёт проверку. Получатель знает, что данные были повреждены или подделаны. Это важный слой. Одной лишь секретности недостаточно. Нужно убедиться, что вы получаете именно то, что отправили.
Головная боль управления ключами
Симметричное шифрование быстрое. Но у него есть очевидные недостатки. Проблема распределения ключей.
Если Алиса и Боб разделяют закрытый ключ, это безопасно. Добавляем Чарли? Теперь нужно три ключа. Хотите добавить миллион пользователей? Количество ключей растёт экспоненциально. Управление этим циклом (производство, распределение, обращение, сбор) — это логистический кошмар. Если один ключ скомпрометирован, скомпрометирован весь канал.
Организации часто терпят неудачу в этой области. Ключ закодирован в скрипте. Старые ключи остаются в базе данных ещё долго после истечения их срока действия. Требуется военная дисциплина. Без этого даже самые мощные алгоритмы в мире бесполезны, потому что неправильные люди получают доступ к ключам.
Квантовая тень
Аппаратное обеспечение постоянно развивается. Закон Мура замедляется, но специализация ускоряется. Вход квантовых вычислений.
Алгоритм Шора угрожает RSA и ECC. Однако симметричные алгоритмы более гибкие. Алгоритм Гровера эффективно уменьшает силу ключа вдвое. 128-битные ключи так же защищены от квантовых атак, как 64-битные. 256-битные ключи всё ещё надёжны. Поэтому мы перешли на AES-256 и сохранили более длинные ключи в симметричном режиме. Это не паника. Это запланированный переход.
Будущее общих секретов
Исследования никогда не заканчиваются. Новые симметричные примитивы тестируются. ChaCha20 превосходит AES в мобильных средах. Работает быстрее на устройствах без аппаратного ускорения. Внедрение информационной безопасности становится проще.
Цель ясна. Конфиденциальность. вверх. Эластичность. эффективность. Адаптация протокола. Алгоритмы постоянно развиваются. Практики управления ключами укрепляются. Интернет никогда не заканчивается. Просто будьте более осторожными.
