Порівняльний аналіз систем шифрування: симетричні та асиметричні

У сучасній криптографії виокремлюють два основні напрямки: симетричну криптографію та асиметричну. Симетричне шифрування часто використовується як синонім симетричної криптографії, тоді як асиметрична криптографія охоплює дві основні області: асиметричне шифрування та цифрові підписи.

Цю відмінність можна представити таким чином:

| Симетрична криптографія | Асиметрична криптографія ( публічного ключа ) | |------------------------|----------------------------------------------| | Симетричне шифрування | Асиметричне шифрування ( або шифрування з відкритим ключем) | | | Цифрові підписи ( з або без шифрування ) |

У цій статті ми зосередимося на вивченні алгоритмів симетричного та асиметричного шифрування.

Відмінності між симетричним та асиметричним шифруванням

Алгоритми шифрування зазвичай класифікують на дві категорії: симетричне і асиметричне шифрування. Основна відмінність полягає в тому, що симетричні алгоритми використовують єдиний ключ, тоді як асиметричні використовують два різні, але пов'язані ключі. Ця на перший погляд проста різниця має важливі функціональні та практичні наслідки для обох методів шифрування.

Взаємозв'язок між ключами

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

У той час як симетричні алгоритми використовують один і той же ключ для обох операцій, асиметричні використовують один ключ для шифрування і інший для дешифрування. У асиметричних системах ключ шифрування, також відомий як відкритий ключ, можна вільно ділитися, тоді як ключ дешифрування є приватним і повинен залишатися в секреті.

Наприклад, якщо Ана надсилає Карлосу повідомлення, захищене симетричним шифруванням, вона повинна надати йому той самий ключ, який вона використала для його шифрування, щоб він міг його прочитати. Це означає, що якщо зловмисник перехопить зв'язок, він зможе отримати доступ до зашифрованої інформації.

Натомість, якщо Ана використовує асиметричний метод, вона шифрує повідомлення за допомогою публічного ключа Карлоса, який зможе розшифрувати його за допомогою свого приватного ключа. Таким чином, асиметричне шифрування забезпечує вищий рівень безпеки, оскільки навіть якщо хтось перехопить повідомлення і отримає публічний ключ, вони не зможуть нічого з ним зробити.

Довжина ключів

Інша функціональна різниця між симетричним і асиметричним шифруванням пов’язана з довжиною ключів, які вимірюються в бітах і безпосередньо пов’язані з рівнем безпеки кожного алгоритму.

У симетричних системах ключі вибираються випадковим чином, а їхня довжина зазвичай коливається між 128 і 256 бітами, залежно від необхідного рівня безпеки. У асиметричному шифруванні повинна існувати математична зв'язок між відкритим і закритим ключами, тобто вони пов'язані певною математичною формулою. З цієї причини зловмисники можуть використовувати цей шаблон для зламу шифрування, тому асиметричні ключі повинні бути значно довшими, щоб забезпечити еквівалентний рівень безпеки. Різниця в довжині ключів настільки значна, що симетричний ключ довжиною 128 біт і асиметричний ключ довжиною 2048 біт пропонують приблизно один і той же рівень безпеки.

Переваги та недоліки

Ці два типи шифрування мають свої переваги та недоліки. Алгоритми симетричного шифрування є значно швидшими і вимагають менше обчислювальної потужності, але їх головний недолік полягає в розподілі ключів. Оскільки для шифрування та розшифрування інформації використовується один і той же ключ, цей ключ потрібно ділити з усіма, хто потребує доступу, що природно створює певні ризики (, як вже згадувалося раніше ).

Зі свого боку, асиметричне шифрування вирішує проблему розповсюдження ключів за допомогою використання відкритих ключів для шифрування та закритих ключів для дешифрування. Недоліком є те, що асиметричні системи значно повільніші в порівнянні з симетричними системами і вимагають набагато більше обчислювальної потужності через довжину ключів.

Практичні застосування

Симетричне шифрування

Через свою швидкість симетричне шифрування широко використовується для захисту інформації в численних сучасних комп'ютерних системах. Наприклад, Gate використовує Стандарт Сучасного Шифрування (AES) для захисту чутливої інформації своїх користувачів. AES замінив старий Стандарт Шифрування Даних (DES), який був розроблений у 1970-х роках як стандарт симетричного шифрування.

Асиметричне шифрування

Асиметричне шифрування може бути застосоване в системах, де кілька користувачів повинні шифрувати та розшифровувати повідомлення або пакети даних, особливо коли швидкість і потужність обробки не є пріоритетними. Простим прикладом такої системи є зашифроване електронне повідомлення, де можна використовувати відкритий ключ для шифрування повідомлень і закритий ключ для їх розшифровки.

Гібридні системи

У багатьох додатках одночасно використовуються симетричне та асиметричне шифрування. Гарним прикладом цих гібридних систем є криптографічні протоколи Transport Layer Security (TLS), які були розроблені для забезпечення безпечних комунікацій в Інтернеті. Наразі протоколи TLS вважаються безпечними і широко використовуються всіма сучасними веб-браузерами.

Використання шифрування в криптовалютах

Безліч криптовалютних гаманців впроваджують методи шифрування як спосіб забезпечення додаткового рівня безпеки для кінцевих користувачів. Алгоритми шифрування використовуються, коли користувач встановлює пароль для свого файлу гаманця, який використовується для доступу до програмного забезпечення.

Однак, через те, що Bitcoin та інші криптовалюти використовують пару публічних і приватних ключів, існує хибне уявлення, що системи блокчейн використовують асиметричні алгоритми шифрування. Проте, як вже згадувалося раніше, асиметричне шифрування та цифрові підписи є двома основними застосуваннями асиметричної криптографії (криптографії з публічним ключем).

В результаті не всі системи цифрового підпису використовують шифрування, навіть якщо вони надають публічні та приватні ключі. Насправді, повідомлення можна підписати цифровим чином без використання шифрування. RSA є прикладом алгоритму, який можна використовувати для підписання зашифрованих повідомлень, але алгоритм цифрового підпису, який використовується в Bitcoin (, називається ECDSA) і не передбачає шифрування.

Остаточні роздуми

Як симетричне, так і асиметричне шифрування відіграють ключову роль у забезпеченні безпеки інформації та конфіденційних комунікацій у сучасному цифровому світі. Обидва типи шифрування виявляються корисними, оскільки кожен з них має свої переваги та недоліки, тому їх застосовують у різних сценаріях. Оскільки криптографія як наука продовжує еволюціонувати, щоб захиститися від нових і складніших загроз, симетричні та асиметричні криптографічні системи залишатимуться актуальними для комп'ютерної безпеки.