Криптография с симметричным ключом (или симметричное шифрование) – это тип шифрования, при котором один и тот же ключ используется для шифрования и дешифрования сообщений. Такой метод кодирования информации широко использовался в последние десятилетия для облегчения тайной связи между правительствами и военными органами. В настоящее время алгоритмы симметричного ключа широко применяются в различных типах компьютерных систем для повышения безопасности данных.

Как работает симметричное шифрование?

Схема симметричного шифрования основана на одном ключе, совместно используемом двумя или более пользователями. Один и тот же ключ используется для шифрования и дешифрования так называемого открытого текста (обычного текста, который представляет сообщение или часть кодируемых данных). Процесс шифрования состоит из прохождения открытого текста (входа) через алгоритм шифрования, называемый шифром, который, в свою очередь, генерирует зашифрованный/кодированный текст, называемый зашифрованным текстом (выход).

Если схема шифрования достаточно надежна, единственный способ прочитать или получить доступ к информации, содержащейся в закодированном тексте, — это использовать соответствующий ключ для ее расшифровки. Процесс расшифровки по сути заключается в преобразовании закодированного текста обратно в формат открытого текста.

Безопасность систем симметричного шифрования основана на сложности случайного подбора соответствующего ключа системы. Например, чтобы угадать 128-битный ключ с помощью обычного компьютера, потребовались бы миллиарды лет. Чем длиннее ключ шифрования, тем сложнее будет его расшифровать. Ключи длиной 256 бит считаются высокозащищенными и теоретически устойчивыми даже к принудительным атакам со стороны квантового компьютера.

Две наиболее распространенные сегодня схемы симметричного шифрования основаны на блочном и потоковом шифрах. Блочные шифры группируют данные заданного размера в блоки. Каждый блок шифруется с использованием соответствующего ключа и алгоритма шифрования (например, 128-битный открытый текст шифруется в 128-битный зашифрованный текст). С другой стороны, поточные шифры шифруют данные не блоками, а с шагом в 1 бит (1 бит открытого текста за раз шифруется в 1 бите зашифрованного текста).

Симметричное и симметричное шифрование асимметричный

Симметричное шифрование — один из двух основных методов шифрования данных в современных компьютерных системах. Другой вариант — асимметричное шифрование, также известное как шифрование с открытым ключом. Основное различие между этими методами заключается в том, что в асимметричных системах используется два ключа, а не один, как в симметричной системе шифрования. Один из ключей может быть общедоступным (открытый ключ), а другой должен храниться в секрете (закрытый ключ).

Использование двух ключей вместо одного также приводит к множеству функциональных различий между симметричным и асимметричным шифрованием. Асимметричные алгоритмы сложнее и медленнее симметричных. Поскольку открытый и закрытый ключи, используемые в асимметричном шифровании, математически связаны, сами ключи должны быть значительно длиннее, чтобы обеспечить аналогичный уровень безопасности, обеспечиваемый более короткими симметричными ключами.

Использование в современных системах

Алгоритмы симметричного шифрования используются во многих современных компьютерных системах для повышения безопасности данных и конфиденциальности пользователей. Стандарт расширенного шифрования (AES), который широко используется в приложениях безопасного обмена сообщениями и облачных хранилищах, является ярким примером симметричного шифрования.

Помимо программных реализаций, AES также может быть реализован непосредственно на компьютерном оборудовании. В схемах аппаратного симметричного шифрования обычно используется AES 256 — особый вариант AES с размером ключа 256 бит.

Стоит отметить, что блокчейн Биткойна не использует шифрование, как многие полагают. Вместо этого используется специальный алгоритм цифровой подписи (DSA), известный как алгоритм цифровой подписи с эллиптической кривой (ECDSA), который генерирует цифровые подписи без использования шифрования.

Часто вызывает путаницу тот факт, что ECDSA основана на криптографии с эллиптической кривой (ECC), которую, в свою очередь, можно применять для решения множества задач, включая шифрование, цифровые подписи и генераторы псевдослучайных чисел. Однако сам ECDSA нельзя использовать для шифрования.

Преимущества и недостатки

Симметричные алгоритмы обеспечивают достаточно высокий уровень безопасности и в то же время позволяют быстро шифровать и расшифровывать сообщения. Относительная простота симметричных систем также является логистическим преимуществом, поскольку они требуют меньше вычислительной мощности, чем асимметричные системы. Более того, безопасность, обеспечиваемую симметричным шифрованием, можно легко повысить, просто увеличив длину ключей. С каждым добавленным к длине симметричного ключа битом сложность взлома шифрования с помощью принудительной атаки возрастает экспоненциально.

Хотя симметричное шифрование предлагает широкий спектр преимуществ, оно имеет существенный недостаток: присущую ему проблему передачи ключей, используемых для шифрования и дешифрования данных. Когда эти ключи передаются через незащищенное соединение, они уязвимы для перехвата третьими лицами или злонамеренными пользователями. Если неавторизованный пользователь получит доступ к симметричному ключу, безопасность любых данных, зашифрованных с использованием этого ключа, будет поставлена ​​под угрозу. Чтобы решить эту проблему, многие веб-протоколы используют комбинацию симметричного и асимметричного шифрования для установления безопасных соединений. Одним из наиболее ярких примеров такой гибридной системы является протокол шифрования Transport Layer Security (TLS), используемый для защиты значительной части современного Интернета.

Также стоит отметить, что все типы компьютерного шифрования подвержены уязвимостям из-за неправильной реализации. Хотя достаточно длинный ключ может сделать принудительную атаку математически невозможной, ошибки в реализации программистов часто создают слабые места, которые открывают путь для кибератак.

Заключительные соображения

Благодаря своей относительной скорости, простоте и безопасности симметричное шифрование широко используется в самых разных приложениях: от защиты интернет-трафика до защиты данных, хранящихся на облачных серверах. Хотя схемы симметричного шифрования часто используются в сочетании с асимметричным шифрованием для решения проблемы безопасной передачи ключей, они остаются важнейшим компонентом современной компьютерной безопасности.