Симетричне шифрування є оперативним та надійним методом криптографічного захисту, що використовує єдиний ключ для кодування та декодування інформації.
Процес шифрування трансформує зрозумілі для людини дані в закодований, нечитабельний формат, відомий як шифротекст. Це необхідно для захисту конфіденційної інформації від несанкціонованого доступу.
Для кодування даних алгоритми шифрування застосовують випадкові послідовності бітів, перетворюючи їх у незрозумілий вигляд. Ці випадкові послідовності бітів називаються ключами шифрування.
У лютому 2009 року Дев Краус виявив підозрілі операції на своєму банківському рахунку. Спочатку дрібні транзакції до 40 доларів не викликали особливих занепокоєнь. Однак, через півроку ситуація різко погіршилася. Суми транзакцій зросли до 500-600 доларів, а інколи сягали 2800-3200 доларів за день.
За менш ніж півроку Краус втратив 900 000 доларів через дії шахраїв, а також додаткові 100 000 доларів, намагаючись розібратися з наслідками цієї ситуації.
Ситуація погіршилася тим, що його номер соціального страхування, адреса та телефон використовувалися для відкриття нових банківських рахунків. Причиною цього стала крадіжка його особистих даних через шкідливе програмне забезпечення, що заразило його комп’ютер.
Випадок Крауса не є поодиноким. Багато людей та організацій постраждали від значних витоків даних, що призвело до втрати важливої інформації, збоїв у роботі систем та великих фінансових втрат.
Тому, захист конфіденційних даних від зловмисників є вкрай важливим. Одним з ефективних методів такого захисту є симетричне шифрування.
Симетричне шифрування
Шифрування гарантує, що навіть у разі потрапляння конфіденційної інформації до рук сторонніх осіб, вони не зможуть її зрозуміти. Існує два основних види шифрування: асиметричне та симетричне.
Основна відмінність між цими двома типами полягає в ключах, що використовуються для шифрування та дешифрування. В асиметричному шифруванні, також відомому як шифрування з відкритим ключем, використовується два ключі: один для шифрування, а інший для дешифрування.
У симетричному шифруванні для обох процесів, шифрування та дешифрування, використовується один і той самий ключ. Коли дві сторони обмінюються інформацією, використовуючи симетричне шифрування, вони застосовують один і той самий ключ для кодування та декодування даних. Саме тому симетричне шифрування також називають шифруванням зі спільним ключем.
Будь-хто, хто має доступ до ключа, може зашифрувати або дешифрувати інформацію. Тому дуже важливо зберігати цей ключ у таємниці від сторонніх осіб. З цієї причини симетричне шифрування також називають шифруванням з секретним ключем. Безпека симетричного шифрування базується на конфіденційності ключа.
Принцип роботи симетричного шифрування
Симетричне шифрування може працювати у двох режимах: потоковому та блочному. У потоковому режимі кожен біт даних шифрується окремо та передається у безперервному потоці. У блочному режимі дані спочатку діляться на блоки по 56, 128, 192 або 256 бітів, які потім шифруються та передаються.
Джерело зображення: Cisco
Коли дві сторони використовують симетричне шифрування, симетричний ключ генерується за допомогою алгоритму симетричного шифрування, наприклад Advanced Encryption Standard (AES). Далі, цей ключ передається між сторонами.
Це можна зробити, використовуючи протокол узгодження ключів, такий як еліптична крива Діффі-Хеллмана, ефемерна (ECDH), або механізм інкапсуляції ключів, де симетричний ключ кодується відкритим ключем і передається.
Інший спосіб обміну симетричним ключем – використання альтернативних каналів зв’язку, таких як електронна пошта, телефонні розмови або особисті зустрічі.
Після отримання ключа уповноваженими сторонами, дані можна безпечно передавати. Відправник обирає потрібний режим шифрування, потоковий або блочний, та перетворює дані у нечитабельний шифротекст. Блочне шифрування є більш поширеним та сучасним вибором.
Закодовані дані передаються одержувачу. Після отримання зашифрованого тексту, одержувач використовує узгоджений ключ для його дешифрування, перетворюючи його назад у читабельний формат.
Алгоритми симетричного шифрування
Деякі з поширених алгоритмів симетричного шифрування:
#1. Стандарт шифрування даних (DES)
DES був розроблений компанією IBM на початку 1970-х років з метою забезпечення простого та безпечного способу шифрування даних.
DES ділить дані на блоки по 64 біти та використовує 56-бітний ключ. Проте, DES вважається менш безпечним, і NIST відмовився від нього як від стандарту шифрування.
Оскільки він був створений у 1970-х роках, коли обчислювальна потужність була обмеженою, довжина 56-бітного ключа не була проблемою. Проте, сучасні комп’ютери можуть зламати 56-бітний ключ. З цієї причини Національний інститут стандартів і технологій (NIST) не рекомендує його використовувати.
#2. Потрійний стандарт шифрування даних (3DES, TDES)
Автор зображення: Філіп Леонг
TDES базується на DES. Він був створений для усунення основного недоліку DES – короткої довжини ключа. TDES вирішує цю проблему, розділяючи дані на 64-розрядні блоки інформації і тричі застосовуючи до них DES. Це потроює 56-бітний ключ DES до більш надійного 168-бітного ключа.
Незважаючи на те, що цей алгоритм все ще використовується, NIST заборонив його застосування після 31 грудня 2023 року через проблеми з безпекою, оскільки TDES вразливий до атак грубої сили.
#3. Розширений стандарт шифрування (AES)
Це найпоширеніший симетричний алгоритм, який використовується в Інтернеті. Він вважається більш безпечним, ніж інші алгоритми симетричного шифрування. AES був розроблений як заміна DES.
AES базується на мережі заміни-перестановки та використовує блочний режим шифрування. Дані діляться на блоки по 128 біт, які потім шифруються по одному блоку за раз.
AES застосовує ключ довжиною 128, 192 або 256 біт. AES настільки надійний, що використовується для захисту дуже конфіденційної інформації від військових установ, банків, лікарень та урядів.
У 2001 році NIST оголосив AES новим стандартом для використання урядом США. З тих пір AES став найпоширенішим та найчастіше використовуваним симетричним алгоритмом.
Міркування щодо симетричного шифрування
При використанні симетричного шифрування необхідно враховувати декілька факторів. Це:
Керування ключами
Ключовою слабкістю симетричного шифрування є спосіб генерації, розповсюдження та безпечного зберігання ключів. Тому, при використанні симетричного шифрування, необхідно мати ефективні стратегії керування ключами для забезпечення їх безпеки, регулярної зміни та уникнення надмірного використання.
Відповідність нормативним вимогам
Застосовуваний алгоритм шифрування повинен відповідати встановленим нормам. Наприклад, використання TDES після 31 грудня 2023 року не відповідає вимогам. З іншого боку, використання DES є повним порушенням правил. AES, навпаки, повністю відповідає нормам.
Довжина ключа
Безпека симетричного шифрування залежить від довжини використовуваного ключа. Вибір ключа короткої довжини може зробити систему вразливою до атак грубої сили, що призведе до витоку даних.
Тип використовуваного алгоритму
Кожен алгоритм симетричного шифрування має свої сильні та слабкі сторони. При застосуванні симетричного шифрування, важливо враховувати використовуваний алгоритм для забезпечення максимальної безпеки зашифрованих даних.
Враховуючи всі ці аспекти, користувач може зробити правильний вибір алгоритмів і методів управління ключами, щоб симетричне шифрування відповідало його вимогам безпеки.
Порівняння симетричного та асиметричного шифрування
Відмінності між ними:
| Симетричне шифрування | Асиметричне шифрування |
| Використовує один ключ для шифрування та дешифрування | Використовує два різні ключі: відкритий для шифрування та закритий для дешифрування |
| Швидке та потребує невеликих обчислювальних ресурсів | Повільне та вимагає значних ресурсів |
| Ключ має безпечно обмінюватися між сторонами | Відкритий ключ може бути загальнодоступним без шкоди для безпеки |
| Менш безпечне, оскільки використовується один ключ | Більш безпечне, оскільки використовуються два різних ключі |
| Використовується для передачі великих обсягів даних | Ідеально підходить для передачі невеликих обсягів даних |
Сучасні пристрої використовують як симетричне, так і асиметричне шифрування, оскільки в різних ситуаціях один з них може бути більш ефективним.
Переваги симетричного шифрування
Використання симетричного шифрування має кілька переваг. До них належать:
Безпека
Симетричне шифрування є дуже надійним. Наприклад, при використанні рекомендованого NIST алгоритму AES, навіть сучасним комп’ютерам знадобиться мільярди років, щоб зламати ключ грубою силою. Це свідчить про високий рівень безпеки при правильному використанні.
Швидкість
Симетричні алгоритми шифрування прості у використанні та не потребують великих обчислень. Завдяки цьому, симетричне шифрування є дуже швидким, що робить його ідеальним для захисту великих обсягів даних.
Відповідність нормативним вимогам
Оскільки безпека є важливим аспектом для будь-якого бізнесу, важливо дотримуватися існуючих правил. Алгоритми симетричного шифрування, такі як AES, визнані стандартними органами, що дозволяє організаціям, які використовують симетричне шифрування з алгоритмом AES, відповідати нормам безпеки.
Низькі вимоги до обчислень
Симетричне шифрування не вимагає значних обчислювальних ресурсів і тому може використовуватись навіть на пристроях з обмеженою потужністю.
Якщо при виборі методу шифрування важливі швидкість, надійність, відповідність нормативним вимогам та низькі вимоги до обробки, то симетричне шифрування буде відмінним вибором.
Недоліки симетричного шифрування
Ключовим недоліком симетричного шифрування є необхідність безпечного обміну ключами. Безпека симетричного шифрування залежить від здатності користувачів безпечно обмінюватися ключами. Навіть витік незначної частини ключа може дозволити зловмисникам відновити весь ключ.
Якщо ключ потрапить до чужих рук, наслідки можуть бути катастрофічними, оскільки зловмисники зможуть отримати доступ до всіх даних, зашифрованих цим ключем. Це робить користувачів більш вразливими до атак у разі компрометації їхніх ключів.
Незважаючи на ці недоліки, симетричне шифрування залишається ефективним методом захисту даних, особливо коли мова йде про їх зберігання.
Навчальні ресурси з шифрування
Для отримання детальнішої інформації про симетричне шифрування можна скористатися такими джерелами:
#1. Симетричне шифрування – алгоритм, аналіз і застосування
Ця книга, призначена для аспірантів, дослідників та практиків, досліджує різні методи симетричного шифрування, які є ключовими для безпеки даних та комп’ютерних систем.
Книга починається зі вступу до основних визначень симетричного шифрування, після чого пропонує аналіз різних методів та їх застосувань.
Книга, що містить багато прикладів для ілюстрації складних концепцій, є корисною для всіх, хто хоче поглибити свої знання про симетричне шифрування.
#2. Симетричні ключові алгоритми
Ця книга є чудовим джерелом для початківців, які хочуть отримати інформацію про різні алгоритми симетричного шифрування в доступній формі.
Книга охоплює всю лексику, що використовується в криптографії, і надає приклади для доповнення пояснень. Далі вона розглядає основні компоненти симетричного шифрування, надаючи ілюстрації та прості пояснення.
Ця книга рекомендована читачам, які бажають дізнатися більше про криптографію та шифрування, не заглиблюючись у складні технічні подробиці.
#3. Криптографія: ознайомтеся з усіма алгоритмами шифрування
Цей курс Udemy є хорошим вибором для тих, хто хоче вивчити криптографію, зокрема симетричне та асиметричне шифрування. Курс пропонує короткий вступ до шифрування та знайомить студентів з усією термінологією.
Далі розглядаються різні типи атак на зашифровані дані та методи криптографії, які можуть бути використані для їх запобігання. Після цього викладач пропонує детальне вивчення шифрів, включаючи різні типи шифрів, що використовуються для шифрування.
#4. Шифрування та криптографія для професіоналів
Цей курс Udemy — відмінний варіант для тих, хто хоче заглибитися в шифрування та криптографію. Курс починається зі вступу до криптографії, теорії інформації та основних компонентів шифрування, розрахованого на новачків.
Далі розглядаються проміжні теми, включаючи симетричні та асиметричні алгоритми шифрування, хеш-функції та алгоритми. Також розглядаються просунуті концепції, такі як постквантова криптографія, кільцеві підписи та безпечні обчислення.
Висновок
Симетричне шифрування є корисним інструментом для захисту даних під час передачі та зберігання. Для захисту від витоку даних, розгляньте можливість використання симетричного шифрування, яке не впливає на швидкість пристрою зберігання даних і не потребує значних обчислювальних ресурсів. Для отримання детальнішої інформації, можна прочитати рекомендовані книги або відвідати запропоновані курси.
Також можна ознайомитися з хмарною криптографією, її типами та розгортанням Google Cloud.