Симметричные и асимметричные криптосистемы кратко

Обновлено: 02.07.2024

Криптографические системы в настоящее время разделены на две основные области исследования: симметричная и асимметричная криптография. Симметричное шифрование часто используется как синоним симметричной криптографии, а асимметричная криптография охватывает два основных варианта использования, это асимметричное шифрование и цифровые подписи.

Поэтому мы можем представить их следующим образом:

Асимметричное шифрование (или шифрование с открытым ключом)

Цифровые подписи (может как включать, так и не включать шифрование)

Эта статья будет сфокусирована на симметричных и асимметричных алгоритмах шифрования.

Симметричное vs. асимметричное шифрование

Алгоритмы шифрования часто делятся на две категории, известные как симметричное и асимметричное шифрование. Принципиальное различие между этими двумя методами заключается в том, что алгоритмы симметричного шифрования используют один ключ, в то время как асимметричные используют два разных, но связанных между собой ключа. Такая разница хоть и кажется простой, но она представляет большие функциональные различия между двумя формами шифрования и способами их использования.

Взаимосвязанность ключей

В криптографии алгоритмы шифрования генерируют ключи в виде последовательных битов, которые используются для шифрования и дешифрования фрагмента информации. Способ использования этих ключей учитывает на разницу между симметричным и асимметричным методом.

В то время как алгоритмы симметричного шифрования используют один и тот же ключ для выполнения этой функции, алгоритм асимметричного шифрования напротив, использует один ключ для шифрования данных и другой для его дешифрования. В асимметричных системах ключ используемый для шифрования также известный как открытый (публичный), может свободно передаваться другим пользователям. С другой стороны, ключ используемый для расшифровки является приватным и должен храниться в секрете.

Длина ключей

Другое функциональное различие между симметричным и асимметричным шифрованием связано с длиной ключей, которые измеряются в битах и напрямую связаны с уровнем безопасности каждого алгоритма.

Преимущества и недостатки

У этих двух видов шифрования присутствуют как преимущества так и недостатки относительно друг друга. Алгоритмы симметричного шифрования намного быстрее и требуют меньше вычислительной мощности, но их основным недостатком является распределение ключей. Поскольку один и тот же ключ используется для шифрования и дешифрования информации, этот ключ должен быть передан всем, кому потребуется доступ, что естественно создает определенные риски (как это было описано ранее).

В свою очередь, асимметричное шифрование решает проблему распределения ключей, используя открытые ключи для шифрования, а приватные для дешифрования. Компромисс заключается в том, что асимметричные системы очень медленны по сравнению с симметричными и требуют гораздо большей вычислительной мощности из-за длины ключа.

Варианты применения

Симметричное шифрование

Благодаря своей скорости, симметричное шифрование широко используется для защиты информации во многих современных компьютерных системах. Например, Advanced Encryption Standard (AES) используется правительством США для шифрования секретной информации. AES заменил ранее принятый стандарт шифрования данных (DES), который был разработан в 1970-х годах в качестве стандарта симметричного шифрования.

Асимметричное шифрование

Гибридные системы

Во многих приложениях, симметричное и асимметричное шифрование используются вместе. Хорошим примером таких гибридных систем являются криптографические протоколы Security Sockets Layer (SSL) и Transport Layer Security (TLS), которые были разработаны для обеспечения безопасной связи в интернете. Протоколы SSL на данный момент считаются небезопасными и ими не рекомендуют пользоваться. В свою очередь, протоколы TLS считаются безопасными и широко используются всеми современными веб-браузерами.

Использование шифрования криптовалютами

Методы шифрования используются многими крипто-кошельках в качестве способа обеспечения повышенного уровня безопасности конечных пользователей. Алгоритмы шифрования применяются когда пользователь устанавливает пароль для файла своего кошелька, который используется для доступа к программному обеспечению.

Однако из-за того, что Биткойн и другие криптовалюты используют пару из открытого и приватного ключа, присутствует распространенное заблуждение, что блокчейн системы используют алгоритмы асимметричного шифрования. Однако, как отмечалось ранее, асимметричное шифрование и цифровые подписи являются двумя основными вариантами использования асимметричной криптографии (криптография с открытым ключом).

Заключение

Как симметричное, так и асимметричное шифрование играет важную роль в обеспечении безопасности конфиденциальной информации и коммуникации в современном цифровом мире. Оба шифра могут быть полезны, ведь у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, поэтому они применяются в разных случаях. Поскольку криптография как наука продолжает развиваться для защиты от более новых и более серьезных угроз, симметричные и асимметричные криптографические системы всегда будут иметь отношение к компьютерной безопасности.

Криптографическая защита данных — важнейшая задача, которая сегодня актуальна, как никогда. Однако до сих пор некоторые спорят, что лучше — симметричное или ассиметричное шифрование? Что круче — AES или RSA? Однако все эти споры — бесполезное занятие и результат непонимания сути криптографии. Без упоминания конкретики (условий и задач использования) нельзя сказать, что однозначно лучше. В этой статье мы попробуем разобрать особенности ассиметричного и симметричного шифрования, увидим их разницу, приведём аргументы в пользу того либо иного подхода.

Мы расскажем базовый минимум, который должен знать каждый. Никаких математических обоснований и сложных формул не будет, поэтому готовьтесь к приятному и лёгкому чтению)).

Симметричное шифрование

Для работы применяется всего один пароль. Происходит всё следующим образом: 1. Существует некий математический алгоритм шифрования. 2. На его вход подаётся текст и пароль. 3. На выходе получаем зашифрованный текст. 4. Если хотим получить исходный текст, применяется тот же самый пароль, но с алгоритмом дешифрования.

Говоря простым языком, если кто-то узнает наш пароль, безопасность криптосистемы тут же нарушится. Именно поэтому, используя подходы симметричного шифрования, мы должны особое внимание уделять вопросам создания и сохранения конфиденциальности пароля. Он должен быть сложным, что исключит подбор программным перебором значений. И не должен передаваться кому-нибудь в открытом виде как в сети, так и на физических носителях информации. Очевидно, что листочек, прикреплённый к монитору — явно не лучший вариант)). Тем не менее если наша секретная комбинация используется командой, нужно обеспечить безопасность её распространения. Пригодится и система оповещения, которая сработает, если шифр узнают, произойдёт утечка данных.

Несмотря на свои ограничения и угрозу безопасности, подход до сих пор широко распространён в криптографии. Дело в том, что он очень прост в работе и понимании. И техническая нагрузка на железо невелика (как правило, всё работает очень быстро).

Ассиметричное шифрование

Для ассиметричного шифрования хранение паролей проще, ведь секретный ключ не нужно передавать кому-либо. А в случае взлома сервер сменит пару ключей и разошлёт всем новые комбинации.

Как правило, возможности ассиметричного шифрования используют для выполнения идентификации пользователей (например, при входе на сайт). Или с его помощью создают сессионный ключ для симметричного шифрования (речь идёт о временном пароле для обмена данными между сервером и пользователем). Или формируют зашифрованные цифровые подписи. В последнем случае проверить такую подпись может каждый, используя публичный ключ, находящийся в открытом доступе.

Что важно знать

Послесловие

Как видим, области применения у обоих типов шифрования разные, поэтому при выборе нужно соотносить возможности алгоритмов с поставленными задачами. Может быть, использовать гибридные решения.

Следует учитывать и практическую целесообразность. Допустим, если ваша программа предназначена только для персонального пользования, вряд ли будет рациональным использовать ассиметричный подход. Лучший вариант здесь — мощный симметричный алгоритм.

Если вы знакомы с веб-шифрованием или сертификатами SSL, вы, вероятно, слышали термины симметричное шифрование и асимметричное шифрование. Если вы когда-нибудь задумывались о том, что означают эти термины, что их отличает и какая форма шифрования лучше, то вы попали в нужное место. В этой статье мы рассмотрим все аспекты обеих форм шифрования, которые являются наиболее безопасными.

Но сначала краткий курс по шифрованию.

Как работает шифрование

Шифрование работает с использованием математических алгоритмов и ключей. Алгоритм - это набор математических операций, которые необходимы для выполнения определенного процесса шифрования информации. Центральное место в алгоритмах шифрования занимает использование ключей. Ключи - это сгенерированные строки текста и чисел, которые используются для шифрования (отображения нечитаемых) данных и дешифрования (повторного чтения) данных.

Но как сервер и браузер на каждом конце соединения имеют правильный ключ для шифрования и дешифрования данных? Ответ на этот вопрос и есть главное различие между симметричным и асимметричным шифрованием. Во-первых, давайте посмотрим, как работает симметричное шифрование.

При симметричном шифровании данные шифруются и дешифруются одним и тем же секретным ключом, который используется получателем и отправителем. Это означает, что ключ должен быть передан получателю безопасным способом, чтобы только он и никто другой не имели к нему доступа. Это высокоскоростной метод шифрования.

Симметричное и асимметричное шифрование - ключевые различия

В то время как симметричное шифрование использует один общий ключ для шифрования и дешифрования данных, асимметричное использует два отдельных ключа. Симметричное шифрование использует более короткие ключи (обычно 128 или 256 бит). Для сравнения, асимметричные ключи намного длиннее (иногда 2048 бит или больше). Вот почему асимметричное шифрование занимает немного больше времени, чем симметричное.

С другой стороны, симметричное шифрование, как правило, в основном используется во внутренней среде ИТ-безопасности, где секретный ключ может безопасно и надежно совместно использоваться между получателем и отправителем.

TLS 1.3 и работа в тандеме

К настоящему моменту вы, вероятно, лучше понимаете разницу между симметричным и асимметричным шифрованием и какие среды каждое из них лучше всего подходит. Но когда дело доходит до SSL-сертификатов, вам не нужно выбирать между ними. Это связано с тем, что TLS 1.3 - текущий криптографический протокол, лежащий в основе работы SSL, - использует комбинацию симметричного и асимметричного шифрования. Как именно это работает?

Используя эту гибридную систему шифрования, TLS 1.3 обладает преимуществами безопасности асимметричного шифрования со всей скоростью симметричного шифрования.

Чтобы обмениваться посланиями и скрыть содержание от третьих лиц, применяют шифрование. Оно используется там, где необходим повышенный уровень защиты. Есть две схемы шифрования: симметричная и асимметричная.

Что такое шифрование

Шифрование будет полезно тогда, когда нужно скрыть некоторую информацию от посторонних лиц и предоставить секретные данные авторизованным пользователям.

Особенностью такого вида передачи данных является использование ключа.

Есть три состояния безопасности:

скрытие информации от посторонних;
предотвращение изменений;
сохранение целостности информации;
идентификация отправителя.

Для чтения информации, кроме ключа, требуется дешифратор. Именно это обеспечивает невозможность получения данных злоумышленниками, ведь перехватив данные, но не имея ключа, прочесть их невозможно.

Бывают два вида шифрования: симметричный и асимметричный.

отправитель шифрует данные;
получатель расшифровывает.

Каждое преобразование реализуется с помощью алгоритмов, для решения которых используются ключи. Симметричные и асимметричные методы шифрования отличаются криптостойкостью.

Криптостойкость

Симметричные и асимметричные системы шифрования имеют такую характеристику, которая отвечает за сложность получения несанкционированного доступа.

Существует 2 основных типа криптостойкости системы шифрования.

Сравнение криптостойкости некоторых систем шифрования

Максимальный размер ключа RSA - 4096 бит.

Он используется для шифрования и подписи. Криптостойкость можно описать как 2,7•1028 для ключа 1300 Бит. Схема применяется во многих стандартах, принцип шифрования RSA один из первых асимметричных алгоритмов.

Размер ключа схемы Эль-Гамаля равен RSA - 4096 Бит. Он используется и для шифрования, и для цифровой подписи. Криптостойкость этой системы не отличается от RSA при одинаковом размере ключа.

В методе DSA используется значительно меньшей ключ - 1024 бита. Применяется он исключительно для цифровой подписи.

Симметричное и асимметричное шифрование

Эти два вида шифрования отличаются количеством ключей и уровнем устойчивости к взлому.

Если для кодирования и раскодирования используется один ключ, то это шифрование симметричное. Асимметричное шифрование подразумевает использование одного ключа для каждого алгоритма.

Открытым ключом шифруется некоторый код, который представляет собой определенное послание. Ключ известен обеим сторонам, он передается по незащищенному каналу, может быть перехвачен. Важнейшей задачей сохранения информации является защита ключа от перехвата.
Закрытый используется для расшифровывания. Известен только одной стороне. Не может быть перехвачен, так как все время находится у одного собеседника.

Цель шифрования определяет метод сохранения конфиденциальности. Одним из первых было симметричное, асиметричное шифрование изобретено позже для обеспечения большей надежности.

Особенности симметричного шифрования

Симметричная система защита имеет следующие достоинства.

Высокая скорость и простота реализации.
Для обеспечения стойкости шифра используется малая длина ключа.

К недостаткам относится следующее:

сложность управления ключами в большой сети;
сложность обмена ключами;
потребность в поиске надежного канала для передачи ключа сторонам;
невозможность использования для цифровой подписи, сертификатов.

Для компенсации недостатков используется комбинированная схема, в которой с помощью асимметричного шифрования передается ключ, используемый для дешифровки. Он передается при помощи симметричного шифрования.

Особенности асимметричного шифрования

Применение пары открытый-закрытый ключ можно использовать как:

самостоятельное средство защиты информации;
средство распределения ключей;
средства аутентификации пользователей.

Имеет такие преимущества:

сохранение секретного ключа в надежном месте, вместо которого по открытому каналу передается открытый;
ключ дешифрования известен только одной стороне;
в большой асимметричной системе используйте меньшее количество ключей в отличие от симметричной.

В таких алгоритмах сложно внести какие-либо изменения. Подобная система имеет длинные ключи. Если симметричный ключ имеет размер 128 Бит, то ключ RSA - 2304 Бит. Из-за этого страдает скорость расшифровывания - она в 2-3 раза медленнее. Для расшифровки требуются большие вычислительные ресурсы.

Существует очень много примеров симметричной и асимметричной систем шифрования.

Симметричное шифрование - как выглядит?

Пример симметричного шифрования и схема реализации ниже.

Главным недостатком является невозможность установить подлинность текста. В случае перехвата ключа злоумышленник расшифрует секретную информацию.

Существуют классические методы.

Простая и двойная перестановка.
Магический квадрат.
Одиночная перестановка.

Для обеспечения большей скрытности используется двойная перестановка. Таким образом происходит шифрование ранее зашифрованного текста. Для этого таблицы должны отличаться количеством строк и столбцов. Они заполняются вертикально, горизонтально, змейкой, по спирали. Этот способ не усиливает шифрование, но процесс взлома становится более длительным.

Примеры асимметричного шифрования

В данном случае открытый ключ отправляется по открытому каналу и теоретически может быть перехвачен злоумышленниками.

В отличие от симметричных, асимметричные ключи шифрования разные. Для шифровки применяется открытый ключ, для расшифровки послания - закрытый. Использование двух ключей решает проблему возможности перехвата, которая была в симметричном методе. Реализуется так.

Существует такие основные методы асинхронного шифрования.

RSA - первый криптографический алгоритм, используемый и для шифрования, и для цифровой подписи.

Выбирается два простых числа, например, 3 и 7.
Вычисляется модуль n - произведение двух чисел. Получается 21.
Вычисляется функция Эйлера φ=(p-1)×(q-1)=2×6=12 .
Вычисляется любое простое число e меньше φ и простое с φ. Доступные варианты: 5, 7, 11.

Выбор криптографической хэш-функции H(x).
Битность простого числа q должна равняться значению хэш-функции H(x).
Подбор такого простого числа p, чтобы p-1 делился без остатка на q.
Вычисление числа g = h (p-1)/q mod p . h должно быть произвольным числом в диапазоне от 1 до p-1.
Выбирается случайное число k от 0 до q.
Вычисляется r = (g k mod p) mod q .
Затем s = k-1(H(m) + xr)) mod q .
Если r=0 или s=0, выбирается другое число k.

Схема Эль-Гамаля

Шифрование по схеме Эль-Гамаля используется для цифровых подписей. Является продолжением алгоритма Диффи-Хеллмана.

Генерация ключей происходит следующим образом.

Выбирается случайное простое число p.
Число g должно быть первообразным корнем p.
Число x должно быть больше 1 и меньше p-1. Это будет закрытый ключ.
Затем вычисляется открытый ключ y по формуле g^x mod p .

При шифровании текста M выбирается системный ключ K. Он больше единицы и меньше p-1. Затем вычисляются числа a и b, которые являются шифротекстом, a = g^k mod p и b = y^k M mod p .

Читайте также: