Simetrinio rakto kriptografija: kas tai, tipai, pavyzdžiai ir saugumas
Atraskite simetrinio rakto kriptografiją: tipai, blokiniai ir srautiniai šifrai, populiarūs pavyzdžiai (AES, Twofish) ir praktiniai saugumo patarimai.
Simetrinio rakto algoritmai yra kriptografijos metodas. Jis taikomas tada, kai dešifravimo ir šifravimo raktai yra lygiai tokia pati bendra paslaptis. Šią paslaptį galima generuoti atsitiktinai, iš slaptažodžio arba taikant slapto keitimosi raktais procedūrą, pavyzdžiui, Diffie-Hellmano. Simetrinis rakto modelis reiškia, kad tiek siuntėjas, tiek gavėjas turi tą patį slaptą raktą, kurį naudoja žinučių užšifravimui ir iššifravimui.
Kodėl simetrinė kriptografija naudojama
Simetrinio rakto algoritmai yra labai svarbūs, nes jie yra greitesni kompiuteriuose nei kitos rūšys: viešojo rakto algoritmai. Taikant viešojo rakto kriptografiją (asimetrinio rakto kriptografiją) šifravimo raktą be problemų galima pateikti viešai, ir kiekvienas gali siųsti slaptus pranešimus. Šifravimo raktas yra "atviras", nes praktiškai juo negalima pasinaudoti norint gauti iššifravimo raktą. Tai labai naudinga, tačiau viešojo rakto kriptografijos algoritmai kompiuteriuose veikia labai lėtai, todėl jie naudojami tik slaptam raktui siųsti. Tada viskam kitam naudojami simetrinio rakto algoritmai, nes jie yra greitesni.
Tipai: srautiniai ir blokiniai šifrai
Yra dviejų rūšių simetrinių raktų algoritmai, vadinami srautiniais ir blokiniais šifrais. Srautiniai šifrai užšifruoja pranešimą kaip bitų srautą po vieną. Blokiniai šifrai ima bitų blokus, užšifruoja juos kaip vieną vienetą, o kartais vėliau naudoja ir atsakymą. Dažniausiai naudojami 64 bitų blokai; nors šiuolaikiniuose šifruose, pavyzdžiui, Advanced Encryption Standard, naudojami 128 bitų blokai.
- Srautiniai šifrai: generuoja pseudonormalią garsiakalbio eilutę (keystream), kuri Xor operacija sujungiama su tekstu. Jų privalumas – lankstumas ir galimybė šifruoti duomenis realiu laiku. Trūkumai – jautrumas pakartotiniam raktų ar IV naudojimui. Tradicinis pavyzdys – RC4, tačiau RC4 dabar laikomas nesaugus ir jo vartojimas nerekomenduojamas.
- Blokiniai šifrai: veikia blokuose (pvz., 64 arba 128 bitų). Jie dažnai dirba kartu su režimais (mode of operation) – ECB, CBC, CTR, GCM ir kt. Kai kurie režimai suteikia tik konfidencialumą, kiti ir autentifikaciją (pvz., GCM).
Populiarūs simetrinių šifrų pavyzdžiai
Populiarių simetrinių šifrų pavyzdžiai: "Twofish", "Serpent", AES (dar žinomas kaip "Rijndael"), "Blowfish", CAST5, RC4, TDES ir IDEA. Iš jų:
- AES (Rijndael): šiandien plačiausiai priimtas standarto algoritmas, naudojamas su 128, 192 arba 256 bitų raktais. Dažnai naudojamas režimuose CBC, CTR, GCM (AEAD).
- Twofish, Serpent: buvo finalistai AES konkurse ir tebėra saugūs alternatyvūs sprendimai.
- Blowfish, CAST5, IDEA: istoriškai svarbūs, tačiau kai kurie yra pasenę arba turi raktų apribojimų (pvz., Blowfish – neoptimalus 64 bitų blokas didiems duomenims).
- TDES (3DES): anksčiau plačiai naudotas, bet dabar laikomas pasenęs dėl 64 bitų bloko ir mažesnio saugumo efektyvumo.
- RC4: greitas srautinio tipo algoritmas, tačiau jo kryptografinės silpnybės privertė jį atmesti daugelyje protokolų.
Saugumo rizikos ir kriptoanalizės atakos
Istorijoje kai kurie kriptoanalizės metodai naudojosi simetrija, todėl simetrinės sistemos buvo mažiau saugios. Kai kurios atakos vadinamos žinomo teksto atakomis, pasirinkto grynojo teksto atakomis, diferencinekriptoanalize ir tiesine kriptoanalize. Be to, realioms sistemoms gresia praktinės klaidos:
- Neteisingas režimas (pvz., ECB) atskleidžia pasikartojančius blokus.
- Pakartotinis to paties rakto ir IV/nonce naudojimas – ypač pavojingas srautiniuose šifruose ir režimuose kaip CTR.
- Silpni arba trumpi raktai leidžia išnaudoti bruteforce atakas (pvz., 56 bitų DES dabar yra per silpnas).
- Trūksta autentifikacijos – paslėptas modifikavimas gali likti nepastebėtas, jei naudojamas tik šifravimas be MAC arba AEAD.
Apsaugos priemonės ir gerosios praktikos
- Naudokite patikimus, pripažintus algoritmus: AES-128 arba AES-256 yra rekomenduojami daugeliui atvejų.
- Pasirinkite tinkamą režimą: naudokite AEAD režimus (pvz., AES-GCM arba ChaCha20-Poly1305), kurie suteikia ir autentifikaciją, ir konfidencialumą.
- Niekada pakartotinai nenaudokite to paties rakto + IV/nonce poros; IV turi būti unikalus (kai kuriems režimams – atsitiktinis, kitoms – tik unikalus).
- Laikykitės stiprių raktų valdymo praktikų: saugus saugojimas, reguliari raktų keitimo politika, prieigos kontrolė.
- Venkite pasenusių algoritmų: meteoriniai pavyzdžiai – RC4, DES; 3DES taip pat rekomenduojama keisti modernesniais sprendimais.
- Jei reikia perduoti slaptą raktą saugiai, naudokite hibridinius sprendimus: slapto rakto užšifravimui – simetrinį šifrą, o raktui – viešojo rakto šifravimą arba Diffie-Hellman tipo raktų keitimą.
Praktinis pritaikymas
Simetrinė kriptografija naudojama daugelyje kasdienių protokolų ir sistemų: VPN, TLS transporto sluoksnio šifravimas (hibridinis modelis – asimetrinis raktų apsikeitimas + simetrinis seanso šifravimas), saugus duomenų saugojimas diskuose, duomenų bazėse, šifruotos žinutės realiu laiku (pvz., saugūs pranešimų siuntimo kanalai). Daug programinių bibliotekų ir aparatinių sprendimų palaiko AES ir AEAD režimus.
Terminologija ir santrauka
Kiti simetrinio rakto šifravimo terminai yra slaptas raktas, vieno rakto, bendras raktas, vieno rakto ir galiausiai privataus rakto šifravimas. Pastarasis terminas neturi tokios pat reikšmės, kaip terminas privatus raktas viešojo rakto kriptografijoje, todėl svarbu aiškiai atskirti kontekstus.
Apibendrinant: simetriniai šifrai yra greiti ir efektyvūs sprendimai didelio duomenų kiekio apsaugai. Jie reikalauja saugaus raktų valdymo ir tinkamo režimo pasirinkimo, o šiandien geriausia praktika – naudoti atnaujintus algoritmus (pvz., AES) kartu su autentifikuotais režimais (AEAD), vengti pasenusių metodų ir užtikrinti, kad IV/nonce būtų teisingai naudojami.
Simetrinio rakto algoritme šifravimui naudojamas tas pats raktas, kaip ir dešifravimui. Dėl šios priežasties jį reikia laikyti paslaptyje.
Simetriniai ir asimetriniai algoritmai
Skirtingai nei simetriniai algoritmai, asimetrinio rakto algoritmai šifravimui naudoja kitą raktą nei dešifravimui. Tai reiškia, kad naudotojas, žinantis asimetrinio algoritmo šifravimo raktą, gali užšifruoti pranešimus, bet negali apskaičiuoti iššifravimo rakto ir negali iššifruoti šiuo raktu užšifruotų pranešimų. Toliau pateikiamas trumpas šių dviejų tipų algoritmų palyginimas:
Greitis
Simetrinio rakto algoritmai paprastai yra daug mažiau imlūs skaičiavimams nei asimetrinio rakto algoritmai. Praktikoje asimetrinio rakto algoritmai paprastai yra nuo šimtų iki tūkstančių kartų lėtesni už simetrinio rakto algoritmus.
Raktų valdymas
Vienas iš simetrinių raktų algoritmų trūkumų yra reikalavimas turėti bendrą slaptąjį raktą, kurio abi šalys turi tą pačią kopiją. Norint užtikrinti saugų visų n žmonių grupės narių bendravimą, iš viso reikia n(n - 1)/2 raktų, t. y. tiek, kiek yra galimų bendravimo kanalų. Siekiant apriboti galimo kriptografinio užpuoliko atradimo poveikį, juos reikia reguliariai keisti ir saugoti platinimo bei naudojimo metu. Raktų parinkimo, platinimo ir saugojimo procesas vadinamas raktų valdymu, kurį sunku patikimai ir saugiai įgyvendinti.
Hibridinė kriptosistema
Šiuolaikinėse kriptosistemose naudojami ir asimetriniai (viešojo rakto), ir simetriniai algoritmai, kad būtų galima pasinaudoti geriausiais abiejų algoritmų privalumais. Asimetriniai algoritmai naudojami simetriniams raktams paskirstyti sesijos pradžioje. Kai simetrinis raktas žinomas visoms sesijos šalims, likusiai sesijos daliai užšifruoti galima naudoti greitesnius simetrinio rakto algoritmus, naudojančius tą raktą. Tai supaprastina raktų paskirstymo problemą, nes asimetrinius raktus reikia paskirstyti tik autentiškai, o simetrinius raktus reikia paskirstyti ir autentiškai, ir konfidencialiai.
Tokį hibridinį metodą taiko tokios sistemos kaip SSL, PGP, GPG ir kt.
Susiję puslapiai
- Asimetrinio rakto algoritmai
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra simetrinio rakto algoritmai?
A: Simetrinio rakto algoritmai - tai kriptografijos metodas, kai dešifravimo ir šifravimo raktai yra lygiai tokia pati bendra paslaptis.
K: Kaip galima sugeneruoti paslaptį?
A: Paslaptis gali būti generuojama atsitiktinai arba iš slaptažodžio, arba taikant slaptą keitimosi raktais procedūrą, pavyzdžiui, Diffie-Hellman.
K: Kodėl simetrinio rakto algoritmai yra svarbūs?
A: Simetrinio rakto algoritmai yra labai svarbūs, nes kompiuteriuose jie veikia greičiau nei viešojo rakto algoritmai.
K: Kas yra viešojo rakto kriptografija (asimetrinio rakto kriptografija)?
A: Viešojo rakto kriptografijoje (asimetrinio rakto kriptografijoje) šifravimo raktą be problemų galima pateikti viešai ir kiekvienas gali siųsti slaptus pranešimus. Šifravimo raktas yra "atviras", nes praktiškai juo negalima pasinaudoti norint gauti iššifravimo raktą.
K: Kokios yra dvi simetrinių šifrų rūšys?
A: Dvi simetrinių šifrų rūšys yra srautiniai ir blokiniai šifrai. Srautiniai šifrai užšifruoja pranešimą kaip bitų srautą po vieną, o blokiniai šifrai paima bitų blokus, užšifruoja juos kaip vieną vienetą ir kartais vėliau naudoja ir atsakymą.
K: Kokio dydžio blokai naudojami šiuolaikiniuose šifruose?
A: Šiuolaikiniai šifrai, pavyzdžiui, Advanced Encryption Standard, naudoja 128 bitų blokus.
K: Kokių tipų atakos istorijoje buvo naudojamos simetrijai išnaudoti?
A: Istorijoje kai kurie kriptoanalizės metodai išnaudojo simetriją, todėl simetrinės sistemos buvo mažiau saugios. Buvo naudojamos tokios atakos: žinomo grynojo teksto atakos, pasirinkto grynojo teksto atakos, diferencinė kriptoanalizė ir tiesinė kriptoanalizė.
Ieškoti