Szyfrowanie symetryczne, szyfrowanie asymetryczne i funkcje skrótu

Ludzie często mówią „to jest zaszyfrowane”, jakby to rozstrzygało kwestię bezpieczeństwa. Nie rozstrzyga, ponieważ szyfrowanie nie jest jedną rzeczą. Ta lekcja omawia trzy elementy składowe stojące za niemal każdym twierdzeniem o cyfrowej ochronie: szyfrowanie symetryczne, szyfrowanie asymetryczne i funkcje skrótu. Każde gwarantuje coś innego, a wiedza, które z nich jest w grze, mówi, co faktycznie jest chronione.

Szyfrowanie symetryczne: jeden współdzielony klucz

Cloudflare Learning Center opisuje szyfrowanie symetryczne prosto: „istnieje tylko jeden klucz, a wszystkie komunikujące się strony używają tego samego (tajnego) klucza zarówno do szyfrowania, jak i odszyfrowywania”. Advanced Encryption Standard (AES) jest dziś standardowym przykładem, po tym jak zastąpił starszy Data Encryption Standard (DES), którego krótka długość klucza uczyniła go łamalnym metodą brute force. Szyfrowanie symetryczne jest szybkie i to ono faktycznie miesza większość twoich danych, czy to plik na dysku, czy treść strony internetowej wczytywanej przez HTTPS. Jego głównym problemem jest dystrybucja: obie strony potrzebują tego samego tajnego klucza, a dostarczenie go drugiej stronie tak, by nikt inny go nie zobaczył, to dokładnie problem, który rozwiązuje szyfrowanie asymetryczne.

Szyfrowanie asymetryczne: dwa klucze działające jako para

W szyfrowaniu asymetrycznym, czyli szyfrowaniu z kluczem publicznym, istnieją dwa matematycznie powiązane klucze: „jeden klucz służy do szyfrowania, a inny klucz do odszyfrowywania”, według Cloudflare. Klucz szyfrujący można opublikować dla każdego — stąd „klucz publiczny” — podczas gdy pasujący klucz odszyfrowujący pozostaje prywatny. Dane zablokowane kluczem publicznym można odblokować wyłącznie kluczem prywatnym. To właśnie to pozwala dwóm osobom, które nigdy się nie spotkały, uzgodnić wspólny sekret przez otwartą sieć, co dokładnie dzieje się na początku każdego połączenia HTTPS (kolejna lekcja szczegółowo omawia to uzgadnianie). RSA i kryptografia krzywych eliptycznych to popularne algorytmy stojące dziś za tym mechanizmem.

Funkcje skrótu: odcisk palca, a nie zamek

Funkcja skrótu nie jest żadną z powyższych rzeczy: niczego nie zamyka i nie ma klucza, którym można by ją otworzyć. NIST definiuje ją jako funkcję, która „odwzorowuje ciąg bitów o dowolnej długości na ciąg bitów o stałej długości” — mówiąc prościej, zamienia dowolny plik lub wiadomość w krótki odcisk palca o stałym rozmiarze. NIST określa właściwości, jakie musi mieć zatwierdzona funkcja skrótu: musi być obliczeniowo niewykonalne znalezienie danych wejściowych dających określony wynik (jednokierunkowość) oraz niewykonalne znalezienie dwóch różnych danych wejściowych dających ten sam wynik (odporność na kolizje). Dlatego funkcje skrótu sprawdzają integralność — czy ten plik się zmienił? — i chronią przechowywane hasła: usługa może sprawdzić hasło względem przechowywanego skrótu, nigdy nie przechowując samego hasła. Starsze funkcje skrótu, takie jak MD5 i SHA-1, nie są już uznawane za bezpieczne wobec zdeterminowanego atakującego, dlatego nowoczesne systemy używają zamiast nich rodzin SHA-2 lub SHA-3.

Co każde z nich faktycznie gwarantuje

Jak łączą się w praktyce

Niemal nic nie korzysta tylko z jednego z nich. Typowe bezpieczne połączenie krótko używa szyfrowania asymetrycznego, by uzgodnić wspólny sekret, a potem przechodzi na szybkie szyfrowanie symetryczne dla właściwych danych, podczas gdy funkcja skrótu działa przez cały czas, by upewnić się, że nic wysłanego nie zostało zmienione po drodze. Rozpoznanie tych trzech ról sprawia, że reszta tego kursu — podpisy, certyfikaty, TLS i szyfrowanie end-to-end — ma sens jako kombinacje tego samego niewielkiego zestawu narzędzi, a nie jako osobna magia.