Симетричне та асиметричне шифрування: порівняльний аналіз

Сучасна криптографія ділиться на дві основні гілки: симетричну та асиметричну. Симетричне шифрування зазвичай ототожнюється з криптографією із симетричним ключем, тоді як асиметричне охоплює два основні застосування: шифрування з публічним ключем та цифрові підписи.

Цю класифікацію можна структурувати таким чином:

Криптографія із симетричним ключем:

• Кифрування із симетричним ключем

Асиметрична криптографія ( або криптографія з відкритим ключем ):

• Ассиметричне шифрування
• Цифрові підписи ( з або без шифрування )

У цій статті ми зосередимося на вивченні алгоритмів криптографії із симетричним ключем та асиметричним.

Відмінності між симетричним і асиметричним шифруванням

Основна відмінність між цими двома методами полягає в кількості використовуваних ключів. Симетричні алгоритми використовують один єдиний ключ, тоді як асиметричні використовують пару ключів, які пов'язані, але різні. Ця очевидна простота має важливі функціональні та прикладні відмінності.

Взаємозв'язок між ключами

У криптографії алгоритми генерують ключі у вигляді послідовностей бітів для шифрування та розшифрування інформації. Спосіб використання цих ключів визначає різницю між симетричними та асиметричними методами.

Шифрування із симетричним ключем використовує один і той же ключ для обох операцій, тоді як асиметричне шифрування використовує один ключ для шифрування і інший для розшифрування. У асиметричних системах ключ шифрування (публічний) може вільно ділитися, але ключ розшифрування (приватний) повинен залишатися в секреті.

Наприклад, якщо Ана відправляє симетрично зашифроване повідомлення Карлосу, вона повинна надати йому той самий ключ, який використала для шифрування. Це означає, що якщо третя сторона перехопить комунікацію, вона зможе отримати доступ до зашифрованого вмісту.

Натомість, якщо Ана використовує асиметричний метод, вона шифрує повідомлення за допомогою публічного ключа Карлоса, який розшифрує його своїм приватним ключем. Таким чином, асиметричне шифрування забезпечує вищу безпеку, оскільки, навіть якщо хтось перехопить повідомлення і отримає публічний ключ, він не зможе їх розшифрувати.

Довжина ключів

Інша суттєва різниця між обома типами шифрування полягає в довжині ключів, вимірюваній в бітах і безпосередньо пов'язаній з рівнем безпеки кожного алгоритму.

У симетричних системах ключі вибираються випадковим чином, а їхня довжина зазвичай коливається між 128 і 256 бітами, залежно від рівня безпеки, що вимагається. У асиметричному шифруванні повинна існувати математична залежність між відкритим та закритим ключами, що означає, що вони пов'язані певною формулою. Через це зловмисники можуть скористатися цим шаблоном для зламу шифрування, тому асиметричні ключі повинні бути значно довшими, щоб забезпечити еквівалентний рівень безпеки. Різниця в довжині настільки помітна, що симетричний ключ довжиною 128 біт і асиметричний ключ довжиною 2048 біт забезпечують приблизно однаковий рівень захисту.

Переваги та недоліки

Кожен тип шифрування має свої власні сильні та слабкі сторони. Симетричні алгоритми є значно швидшими та вимагають менше обчислювальних ресурсів, але їхнім основним недоліком є розподіл ключів. Використовуючи один і той же ключ для шифрування та розшифрування, його потрібно ділити з усіма, хто потребує доступу, що, природно, створює певні ризики (, як було згадано раніше ).

Зі свого боку, асиметричне шифрування вирішує проблему розподілу ключів за допомогою публічних ключів для шифрування та приватних для розшифрування. Однак асиметричні системи істотно повільніші в порівнянні із симетричними і вимагають набагато більшої обчислювальної потужності через довжину ключів.

Практичні застосування

Симетричне шифрування

Дякуючи своїй швидкості, криптографія із симетричним ключем широко використовується для захисту інформації в численних сучасних комп'ютерних системах. Наприклад, уряд США використовує Advanced Encryption Standard (AES) для шифрування засекреченої інформації. AES замінив старий Data Encryption Standard (DES), розроблений у 1970-х роках як стандарт шифрування із симетричним ключем.

Асиметричне шифрування

Асиметричне шифрування знаходить застосування в системах, де кілька користувачів можуть потребувати шифрувати і розшифровувати повідомлення або пакети даних, особливо коли швидкість і потужність обробки не є пріоритетними. Простим прикладом є зашифроване електронне повідомлення, де можна використовувати публічний ключ для шифрування повідомлень і приватний для їх розшифровування.

Гібридні системи

У багатьох додатках комбінуються симетричне та асиметричне шифрування. Яскравим прикладом є криптографічні протоколи Security Sockets Layer (SSL) та Transport Layer Security (TLS), розроблені для забезпечення безпечних комунікацій в Інтернеті. Наразі протоколи SSL вважаються небезпечними, і їхнє використання не рекомендується, тоді як TLS вважаються безпечними і широко використовуються сучасними веб-браузерами.

Використання шифрування в криптовалютах

Численні гаманці криптовалюти впроваджують методи шифрування, щоб забезпечити вищий рівень безпеки для кінцевих користувачів. Алгоритми шифрування застосовуються, коли користувач встановлює пароль для свого файлу гаманця, який використовується для доступу до програмного забезпечення.

Однак, оскільки Bitcoin та інші криптовалюти використовують пару публічного та приватного ключів, існує хибне уявлення про те, що системи блокчейн використовують алгоритми асиметричного шифрування. Як вже згадувалося, асиметричне шифрування та цифрові підписи є двома основними застосуваннями криптографії із симетричним ключем (o публічного ключа).

Важливо підкреслити, що не всі системи цифрового підпису використовують шифрування, навіть якщо вони надають відкриті та закриті ключі. Насправді, повідомлення може бути цифрово підписано без використання шифрування. RSA є прикладом алгоритму, який може бути використаний для підписання зашифрованих повідомлень, але алгоритм цифрового підпису, що використовується в Bitcoin (, називається ECDSA) і не включає шифрування.

Остаточні роздуми

Як симетричне, так і асиметричне шифрування відіграють вирішальну роль у захисті інформації та конфіденційних комунікацій у сучасному цифровому середовищі. Обидва підходи є цінними, оскільки кожен з них має свої переваги та недоліки, що визначає їх застосування в різних сценаріях. Оскільки криптографія еволюціонує, щоб впоратися з більш складними загрозами, симетричні та асиметричні криптографічні системи залишатимуться основою комп'ютерної безпеки.