Симетричне шифрування з спільним ключем: як це захищає ваші дані

Коли ви користуєтесь інтернетом, ваші повідомлення, пароли та особисті дані постійно передаються через мережу. Щоб захистити цю інформацію від любителів кіберзлодійства, існує спеціальна система кодування – симетричне шифрування. Цей метод шифрування з симетричними ключами заснований на одному секретному коді, який використовується як для кодування, так і для розкодування інформації.

Історично симетричні алгоритми шифрування вперше почали застосовувати урядові структури та військові установи для засекречування своїх комунікацій. Сьогодні цей принцип став основою безпеки мільйонів комп’ютерних систем по всьому світу.

Як насправді працює система з однаковим ключем

Уявіть, що ви хочете відправити другу таємне повідомлення. Найпростіший спосіб – це домовитися про спеціальний “код”, який знаєте тільки ви двоє. Саме на цьому принципі побудована схема симетричного шифрування з використанням одного ключа.

Процес починається з “відкритого тексту” – це ваше оригінальне повідомлення або дані. Коли ви передаєте їх через алгоритм шифрування (так зване шифрування), текст перетворюється на набір безглузду послідовності символів – “зашифрований текст”. Цей зашифрований текст бачить кожен, хто перехопить ваше повідомлення, але прочитати його неможливо без правильного ключа.

Одержувач, маючи той самий таємний ключ, пропускає зашифрований текст через зворотний алгоритм і отримує оригінальне повідомлення назад.

Безпека всієї системи залежить від однієї речі: як важко вгадати правильний ключ? Комп’ютеру, що спробує перебрати всі можливі варіанти 128-бітного ключа, знадобиться мільярди років неперервної роботи. Якщо ж розширити ключ до 256 біт, то завдання стає практично неможливою навіть для найпотужніших сучасних комп’ютерів. Ключі довжиною 256 біт вважаються стійкими навіть проти гіпотетичних атак з використанням квантових обчислювачів.

Два способи кодування: блоки і потоки

Існує два основних способи, як працює симетричне шифрування на практиці.

Блокові шифри розбивають ваші дані на фіксовані порції – наприклад, на блоки по 128 біт кожен. Кожен блок окремо кодується за допомогою одного алгоритму та одного ключа. Це наче розрізати послання на однакові шматки і кожен шматок запечатати в окремий конверт із одним кодом.

Потокові шифри працюють інакше – вони кодують дані не великими порціями, а по одному біту за раз. Це схоже на те, як якщо б ви писали повідомлення букву за буквою, і кожну букву тут же кодували перед відправленням.

Чому симетричне не те саме, що асиметричне

У світі шифрування існує ще один основний метод – асиметричне шифрування, і між ними є принципові різниці.

Найголовніша відмінність: симетричне шифрування використовує один ключ для обох операцій (кодування й розкодування), а асиметричне застосовує два абсолютно різні ключі.

У асиметричних системах один ключ називають публічним (публічний) – його можуть знати всі. Другий ключ називають приватним – його ви бережете в таємниці. Якщо хтось кодує дані вашим публічним ключем, розкодувати їх зможе тільки ваш приватний ключ.

Проте асиметричні алгоритми мають свою ціну: вони працюють набагато повільніше, ніж симетричні, і вимагають більше обчислювальних ресурсів. До того ж, щоб забезпечити однаковий рівень захисту, публічний та приватний ключі повинні бути значно довшими, ніж симетричні ключі.

Де вживається симетричне шифрування у вашому комп’ютері

Якщо ви коли-небудь використовували мессенджер для захищеного спілкування або завантажували файли з хмарного сховища, то вже працювали з симетричним шифруванням.

Найпопулярніший приклад – це AES (Advanced Encryption Standard, або Розширений стандарт шифрування). Цей алгоритм використовується скрізь: від програм для безпечних повідомлень до захисту даних на серверах хмарних сервісів. AES може працювати як у програмному забезпеченні, так і бути вбудованим прямо в чіпи комп’ютера.

Найбільш розповсюджена версія – це AES-256, де цифра 256 означає довжину ключа в бітах. Такі ключі вважаються практично нез ломними.

Цікавий факт: коли люди чують про “криптографію” у контексті блокчейна та Bitcoin, вони часто думають про шифрування. Насправді ці системи використовують не шифрування, а спеціалізований алгоритм цифрових підписів під назвою ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm). Цей алгоритм створює унікальні “підписи” для перевірки автентичності, але не кодує самі дані. ECDSA заснований на математиці еліптичних кривих, яка може застосовуватися для багатьох завдань, але сам ECDSA для шифрування не придатний.

TLS: коли симетричне й асиметричне працюють разом

Одна з найбільших проблем симетричного шифрування виникає в момент, коли вам потрібно поділитися секретним ключем з кимось через ненадійний канал. Якщо ключ перехоплять, то вся безпека пропаде.

Щоб вирішити цю проблему, сучасні вебпротоколи використовують гібридний підхід. Вони спочатку встановлюють безпечний канал за допомогою асиметричного шифрування (щоб безпечно обмінятися ключами), а потім переходять на швидке симетричне шифрування для передачі великих обсягів даних.

Найяскравіший приклад такої гібридної системи – це протокол TLS (Transport Layer Security), який захищає більшість сучасного інтернету. Коли ви входите на захищений вебсайт (адреса починається з https://), ви користуєтесь саме TLS.

Чому симетричне все ще найкраще для швидкої роботи

Симетричне шифрування має кілька неоспоримих переваг, які роблять його незамінним у сучасних системах:

• Швидкість: Алгоритми симетричного шифрування працюють набагато швидше, ніж асиметричні, тому ідеально підходять для кодування великих обсягів інформації.

• Простота: Системи з одним ключем простіші в реалізації і вимагають менше обчислювальної потужності.

• Гнучкість безпеки: Щоб підвищити рівень захисту, потрібно просто збільшити довжину ключа. Кожен додатковий біт збільшує складність злому в геометричній прогресії.

Однак у цієї медалі є й зворотний бік – проблема передачі ключів. Коли симетричний ключ передається незахищеним каналом, він ризикує бути перехопленим. Якщо неавторизована особа отримає доступ до вашого симетричного ключа, усі дані, закодовані цим ключем, стають доступними для неї.

Ризик помилок у реалізації

Важливо розуміти, що математично надійний алгоритм може бути зламаний через помилки програмістів під час його реалізації. Хоча дуже довгий ключ робить атаку “грубої сили” неможливою, помилки в коді часто створюють “задні ходи”, через які зловмисники можуть проникнути в систему. Саме тому аудит безпеки й тестування на вразливості – критично важливі для будь-якої криптографічної системи.

Висновок

Симетричне шифрування з використанням одного ключа залишається одним із найважливіших інструментів для захисту даних у цифровому світі. Від захисту вашого інтернет-трафіку до захисту файлів на хмарних сервісах, цей метод кодування забезпечує швидкість, простоту та надійність. Хоча його часто комбінують з асиметричним шифруванням для вирішення проблеми безпечної передачі ключів, симетричне шифрування залишається основою сучасної комп’ютерної безпеки.