Szyfrowanie symetryczne stanowi wydajną i solidną metodę ochrony danych, wykorzystując jeden klucz zarówno do procesu kodowania, jak i dekodowania informacji.
Szyfrowanie to transformacja danych z formy zrozumiałej dla człowieka w nieczytelną postać, zwaną szyfrogramem. Jego głównym celem jest ochrona wrażliwych danych przed nieautoryzowanym dostępem.
Algorytmy szyfrujące, aby przekształcić dane, wykorzystują losowe sekwencje bitów. Te losowe ciągi bitów, zwane kluczami, służą do szyfrowania danych w sposób, który jest nie do odczytania bez posiadania odpowiedniego klucza.
W lutym 2009 roku Dave Crouse zauważył niepokojące transakcje na swoim koncie bankowym. Początkowo, niewielkie płatności poniżej 40 dolarów nie wzbudziły jego szczególnych podejrzeń. Jednak sytuacja drastycznie się pogorszyła w ciągu następnych sześciu miesięcy. Kwoty transakcji wzrosły do 500, 600 dolarów, a w niektórych dniach osiągały łączną sumę od 2800 do 3200 dolarów.
W przeciągu niespełna pół roku Crouse stracił 900 000 dolarów na skutek działań cyberprzestępców, a dodatkowe 100 000 dolarów wydał, starając się opanować chaos, w który został wciągnięty.
Co gorsza, jego numer ubezpieczenia społecznego, adres i numer telefonu były nadal wykorzystywane do zakładania nowych kont bankowych. Wszystko to było konsekwencją kradzieży jego danych osobowych przez złośliwe oprogramowanie, które zainfekowało jego komputer.
Przypadek Crouse’a nie jest odosobniony. Wiele osób i firm doświadczyło dotkliwych naruszeń bezpieczeństwa, które prowadziły nie tylko do utraty ważnych danych i zakłóceń w działaniu usług, ale również do znacznych strat finansowych.
Dlatego priorytetem jest zabezpieczenie poufnych informacji przed złośliwymi atakami. Szyfrowanie symetryczne stanowi skuteczną metodę osiągnięcia tego celu.
Szyfrowanie symetryczne
Szyfrowanie zapewnia, że nawet w przypadku dostania się poufnych danych w niepowołane ręce, pozostaną one nieczytelne dla nieautoryzowanych osób. Istnieją dwa główne rodzaje szyfrowania: szyfrowanie asymetryczne i symetryczne.
Podstawowa różnica między tymi dwoma typami leży w sposobie użycia kluczy do szyfrowania i deszyfrowania. W szyfrowaniu asymetrycznym, znanym również jako szyfrowanie kluczem publicznym, wykorzystywane są dwa klucze – jeden do szyfrowania, a drugi do deszyfrowania.
Natomiast w szyfrowaniu symetrycznym ten sam klucz służy zarówno do szyfrowania, jak i deszyfrowania danych. Podczas komunikacji między dwoma stronami, które korzystają z szyfrowania symetrycznego, obie strony używają tego samego klucza do kodowania i odkodowywania wiadomości. Dlatego szyfrowanie symetryczne jest również określane jako szyfrowanie z kluczem współdzielonym.
Każda osoba posiadająca klucz jest w stanie zaszyfrować dane lub odszyfrować je do pierwotnej formy. Z tego powodu klucz musi być utrzymywany w tajemnicy przed osobami nieupoważnionymi. To jest powodem, dla którego szyfrowanie symetryczne jest także nazywane szyfrowaniem kluczem tajnym. Bezpieczeństwo szyfrowania symetrycznego opiera się na poufności klucza.
Jak działa szyfrowanie symetryczne
W szyfrowaniu symetrycznym wyróżniamy dwa tryby: strumieniowy i blokowy. W trybie strumieniowym każdy bit danych jest szyfrowany niezależnie i przesyłany jako ciągły strumień. Z kolei w trybie blokowym, dane przeznaczone do zaszyfrowania są najpierw dzielone na bloki o wielkości 56, 128, 192 lub 256 bitów. Te bloki są następnie szyfrowane i przesyłane.
Źródło obrazu: Cisco
Gdy dwie strony decydują się na wykorzystanie szyfrowania symetrycznego, klucz jest generowany za pomocą algorytmu szyfrowania symetrycznego, takiego jak Advanced Encryption Standard (AES). Ten klucz jest następnie udostępniany między stronami biorącymi udział w komunikacji.
Można to osiągnąć za pomocą protokołu uzgadniania klucza, na przykład Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephemeral (ECDH), lub za pomocą mechanizmu enkapsulacji klucza, gdzie klucz symetryczny jest szyfrowany przy użyciu dostarczonego klucza publicznego i przesyłany.
Inną metodą dystrybucji klucza symetrycznego jest użycie alternatywnych kanałów komunikacji, takich jak e-mail, telefon lub spotkanie osobiste.
Po otrzymaniu klucza przez upoważnione osoby, dane mogą być przesyłane w sposób bezpieczny. Nadawca wybiera preferowany tryb szyfrowania, strumieniowy lub blokowy, i przekształca dane w nieczytelny szyfrogram. Szyfrowanie blokowe jest obecnie bardziej nowoczesnym i popularnym wyborem w szyfrowaniu symetrycznym.
Zaszyfrowane dane są następnie wysyłane do zamierzonego odbiorcy. Po otrzymaniu szyfrogramu, odbiorca używa uzgodnionego klucza do przekształcenia go z powrotem do pierwotnej, czytelnej formy. Ten proces nazywa się deszyfrowaniem.
Algorytmy szyfrowania symetrycznego
Do typowych algorytmów szyfrowania symetrycznego zaliczają się:
# 1. Standard szyfrowania danych (DES)
DES został opracowany przez IBM w latach 70. XX wieku, aby zapewnić bezpieczną metodę szyfrowania danych, która byłaby łatwa w użyciu i wdrożeniu.
DES dzieli dane na 64-bitowe bloki i wykorzystuje 56-bitowy klucz do ich szyfrowania. Obecnie DES jest uważany za mniej bezpieczny, a NIST wycofał go ze standardów szyfrowania.
Stworzony w czasach, gdy moc obliczeniowa była ograniczona, 56-bitowa długość klucza nie stanowiła problemu. Jednak współczesne komputery są w stanie złamać 56-bitowy klucz metodą brutalnej siły. Dlatego jego stosowanie nie jest zalecane przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST).
#2. Potrójny standard szyfrowania danych (3DES, TDES)
Źródło obrazu: Philip Leong
TDES jest rozwinięciem DES. Został stworzony, aby zaradzić głównej słabości DES, czyli zbyt krótkiej długości klucza. TDES rozwiązuje ten problem, dzieląc dane na 64-bitowe bloki i trzykrotnie stosując DES do każdego z nich. W ten sposób 56-bitowy klucz z DES zostaje przekształcony w bezpieczniejszy klucz 168-bitowy.
Mimo, że algorytm ten jest nadal w użytku, NIST zakazał jego stosowania po 31 grudnia 2023 ze względu na obawy o bezpieczeństwo, gdyż TDES jest podatny na ataki brute-force.
#3. Zaawansowany standard szyfrowania (AES)
Jest to obecnie najczęściej stosowany algorytm symetryczny w Internecie. Uważany jest za bezpieczniejszy niż inne algorytmy symetryczne. AES został stworzony jako następca i ulepszenie DES.
AES bazuje na sieci substytucyjno-permutacyjnej i wykorzystuje tryb szyfrowania blokowego. Dane są dzielone na 128-bitowe bloki, które następnie są szyfrowane pojedynczo.
AES wykorzystuje klucze o długości 128, 192 lub 256 bitów. Jest tak bezpieczny, że wykorzystuje się go do zabezpieczania bardzo poufnych informacji w agencjach wojskowych, bankach, szpitalach i administracji rządowej.
W 2001 roku NIST ogłosił AES nowym standardem dla rządu Stanów Zjednoczonych. Od tego czasu AES stał się najpopularniejszym i najczęściej używanym algorytmem symetrycznym.
Szyfrowanie symetryczne: aspekty do rozważenia
Podczas stosowania szyfrowania symetrycznego, należy wziąć pod uwagę kilka aspektów. Są to:
Zarządzanie kluczami
Kluczową słabością szyfrowania symetrycznego jest sposób generowania, dystrybucji do uprawnionych stron i bezpiecznego przechowywania klucza. Dlatego przy korzystaniu z szyfrowania symetrycznego konieczne jest wdrożenie skutecznych strategii zarządzania kluczami, aby zapewnić ich bezpieczne przechowywanie, regularne zmiany i ochronę przed nadużyciami.
Zgodność z przepisami
Wybrany algorytm symetryczny musi być zgodny z obowiązującymi przepisami. Na przykład, mimo że TDES jest jeszcze używany, jego stosowanie po 31 grudnia 2023 roku nie będzie zgodne z regulacjami. Z drugiej strony, wykorzystanie algorytmu takiego jak DES to jawnne naruszenie przepisów. AES jest z kolei zgodny.
Długość klucza
Bezpieczeństwo szyfrowania symetrycznego jest bezpośrednio powiązane z długością użytego klucza. Użycie klucza o małej długości może narazić dane na ataki brute-force, prowadząc do naruszenia bezpieczeństwa.
Rodzaj używanego algorytmu
Każdy algorytm symetryczny ma swoje mocne i słabe strony, a także jest przeznaczony do konkretnych zastosowań. Wybierając szyfrowanie symetryczne, należy wziąć pod uwagę rodzaj algorytmu, aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo zaszyfrowanych danych.
Biorąc pod uwagę te wszystkie aspekty, użytkownik może dokonać właściwego wyboru algorytmów i praktyk zarządzania kluczami, aby zapewnić, że szyfrowanie symetryczne spełnia jego wymagania w zakresie bezpieczeństwa.
Szyfrowanie symetryczne a szyfrowanie asymetryczne
Różnice pomiędzy nimi to:
Szyfrowanie symetryczne | Szyfrowanie asymetryczne
———————-|————————
Używa tego samego klucza do szyfrowania i deszyfrowania | Używa dwóch różnych kluczy, klucza publicznego do szyfrowania i klucza prywatnego do odszyfrowywania
Jest szybkie i nie wymaga dużych zasobów obliczeniowych | Jest znacznie wolniejsze i wymaga dużych zasobów obliczeniowych
Klucz musi być bezpiecznie wymieniany między stronami przed komunikacją | Klucz publiczny może być swobodnie udostępniany bez zagrożenia bezpieczeństwa
Mniejsze bezpieczeństwo, ponieważ używa jednego klucza do szyfrowania i deszyfrowania | Większe bezpieczeństwo, ponieważ wykorzystuje dwa różne klucze do szyfrowania i deszyfrowania
Stosowane do przesyłania dużych ilości danych | Idealne do przesyłania małych ilości danych
W nowoczesnych systemach stosuje się zarówno szyfrowanie symetryczne, jak i asymetryczne, ponieważ w niektórych sytuacjach jedno rozwiązanie jest bardziej efektywne od drugiego.
Szyfrowanie symetryczne: zalety
Zastosowanie szyfrowania symetrycznego ma kilka zalet. Należą do nich:
Bezpieczeństwo
Szyfrowanie symetryczne jest bardzo bezpieczne. Na przykład, w przypadku wykorzystania zalecanego przez NIST algorytmu szyfrowania symetrycznego AES, nawet przy użyciu współczesnych komputerów, złamanie klucza metodą brutalnej siły zajęłoby miliardy lat. Oznacza to, że przy prawidłowym zastosowaniu szyfrowanie symetryczne zapewnia bardzo wysoki poziom bezpieczeństwa.
Szybkość
Algorytmy szyfrowania symetrycznego nie wymagają dużej mocy obliczeniowej i są łatwe w użyciu. Dzięki temu szyfrowanie symetryczne jest bardzo szybkie, co czyni je idealnym rozwiązaniem do ochrony dużych ilości danych.
Zgodność z przepisami
Ponieważ bezpieczeństwo jest kluczowym aspektem każdej działalności, istotne jest przestrzeganie obowiązujących przepisów, aby uniknąć sankcji i naruszeń. Algorytmy szyfrowania symetrycznego, takie jak AES, są akceptowane przez organizacje normalizacyjne, takie jak NIST, co umożliwia organizacjom stosującym AES zachowanie zgodności z regulacjami dotyczącymi bezpieczeństwa.
Niskie wymagania obliczeniowe
Szyfrowanie symetryczne nie wymaga dużych zasobów obliczeniowych, co umożliwia jego wykorzystanie nawet w sytuacjach ograniczonej mocy przetwarzania.
Jeżeli podczas wyboru metody szyfrowania ważne są dla Ciebie szybkość, bezpieczeństwo, zgodność z przepisami i niskie wymagania sprzętowe, szyfrowanie symetryczne jest doskonałym wyborem.
Szyfrowanie symetryczne: wady
Główną wadą szyfrowania symetrycznego jest konieczność bezpiecznego udostępniania kluczy szyfrujących. Bezpieczeństwo szyfrowania symetrycznego zależy od możliwości bezpiecznego dzielenia się kluczem szyfrowania przez użytkowników. Nawet wyciek tylko części klucza może pozwolić atakującemu na jego pełną rekonstrukcję.
Jeśli klucz szyfrujący dostanie się w niepowołane ręce, konsekwencje mogą być katastrofalne, ponieważ cyberprzestępcy mogą uzyskać dostęp do wszystkich danych zaszyfrowanych za jego pomocą. Użytkownicy stają się bardziej podatni na szkody w przypadku naruszenia ich klucza.
Pomimo tych wad, szyfrowanie symetryczne pozostaje dobrym sposobem ochrony danych, zwłaszcza gdy chcesz zabezpieczyć je w stanie spoczynku.
Szyfrowanie: materiały edukacyjne
Aby dowiedzieć się więcej o szyfrowaniu symetrycznym, warto zapoznać się z następującymi materiałami:
# 1. Szyfrowanie symetryczne — algorytm, analiza i aplikacje
Ta książka, adresowana do studentów, badaczy i praktyków, omawia różnorodne techniki szyfrowania symetrycznego, które mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa danych i systemów informatycznych.
Książka zawiera wstępne definicje, z którymi czytelnicy spotkają się w kontekście szyfrowania symetrycznego, a następnie omawia i analizuje różne techniki szyfrowania symetrycznego oraz ich zastosowania.
Ta książka, zawierająca liczne przykłady, które ułatwiają zrozumienie skomplikowanych koncepcji, jest godna polecenia każdemu, kto chce poszerzyć swoją wiedzę na temat szyfrowania symetrycznego.
#2. Algorytmy klucza symetrycznego
Ta książka jest doskonałym wyborem dla początkujących zainteresowanych kompleksowym zrozumieniem różnych algorytmów szyfrowania symetrycznego w przystępny sposób.
Książka obejmuje cały zakres terminologii stosowanej w kryptografii i zawiera przykłady rozwijające wyjaśnienia pojęć. Następnie przechodzi do analizy elementów składowych szyfrowania symetrycznego, dostarczając ilustracji i zwięzłych, łatwych do zrozumienia wyjaśnień.
Książka jest szczególnie polecana czytelnikom zainteresowanym ogólnym poznaniem kryptografii i szyfrowania bez zagłębiania się w złożone aspekty tematu.
#3. Kryptografia: poznaj wszystkie algorytmy szyfrowania
Ten kurs na platformie Udemy jest dobrym wyborem dla wszystkich, którzy chcą poznać kryptografię, w szczególności szyfrowanie symetryczne i asymetryczne. Kurs oferuje krótkie wprowadzenie do szyfrowania i zapoznaje studentów z terminami, z którymi mogą się spotkać podczas nauki o szyfrowaniu.
Następnie analizuje różne rodzaje ataków na zaszyfrowane dane i omawia techniki kryptograficzne, które mogą być stosowane w celu zapobiegania atakom. Mając to na uwadze, instruktor przedstawia dogłębną analizę szyfrów i omawia różne ich typy używane do szyfrowania.
#4. Szyfrowanie i kryptografia dla profesjonalistów
Dla osób pragnących zagłębić się w tematykę szyfrowania i kryptografii, ten kurs na Udemy stanowi doskonałą inwestycję. Kurs zakłada, że uczestnicy są zupełnie nowi w temacie kryptografii i szyfrowania, dlatego zaczyna się od wprowadzenia do kryptografii, teorii informacji i elementów składowych szyfrowania.
Następnie przechodzi do tematów o średnim stopniu zaawansowania, obejmując algorytmy szyfrowania symetrycznego i asymetrycznego oraz funkcje i algorytmy mieszające. Kurs omawia również bardziej zaawansowane koncepcje, takie jak kryptografia postkwantowa, sygnatury pierścieniowe, bezpieczne obliczenia wielostronne i dowody z wiedzą zerową.
Podsumowanie
Szyfrowanie symetryczne jest niezwykle przydatne w zabezpieczaniu danych podczas ich przesyłania i przechowywania. Aby chronić się przed kosztownymi naruszeniami danych, warto rozważyć szyfrowanie danych metodą symetryczną, która nie wpłynie na szybkość działania nośnika danych ani nie zwiększy zapotrzebowania na moc obliczeniową. Aby dowiedzieć się więcej o szyfrowaniu symetrycznym, warto rozważyć przeczytanie polecanych książek lub wzięcie udziału w proponowanych kursach.
Możesz również zapoznać się z tematem kryptografii w chmurze, jej rodzajami oraz wdrożeniem w Google Cloud.