Что такое симметричное шифрование? Как и где оно применяется? Примеры

Одним из популярных методов шифрования является шифрование с симметричным ключом. Это базовый метод в области криптографии, позволяющий шифровать и дешифровать данные с помощью одного открытого ключа.

Что такое симметричное шифрование?

Шифрование с симметричным ключом — это метод шифрования, при котором один и тот же ключ используется для шифрования и дешифрования данных.

Этот ключ называется симметричным ключом — поскольку обе стороны, участвующие в обмене информацией, используют один общий ключ как для процессов шифрования, так и для дешифрования.

В контексте рынков криптовалют и блокчейнов симметричные ключи широко используются для защиты конфиденциальных данных.

Приложение отличается безопасностью информации о транзакциях, защитой данных криптовалютного кошелька и помогает системе безопасно обмениваться информацией.

Механизм работы симметричного шифрования

Суть симметричного шифрования заключается в использовании одного ключа как для процессов шифрования, так и для дешифрования.

В этом самая большая разница между симметричным шифрованием и асимметричным шифрованием, при котором требуются два ключа (один общедоступный и один закрытый).

Механизм шифрования будет сосредоточен на двух основных частях:

• Шифрование: исходные данные (открытый текст) преобразуются в зашифрованные данные (зашифрованный текст) с использованием открытого ключа.
• Процесс расшифровки - Расшифровка: для восстановления исходных данных принимающая сторона использует тот же открытый ключ для расшифровки зашифрованных данных обратно в исходную форму.

Предположим, пользователь A хочет отправить сообщение пользователю B. «A» зашифрует это сообщение, используя открытый ключ, который знают и «A», и «B».

Получив зашифрованное сообщение, «B» будет использовать этот открытый ключ для расшифровки и чтения исходного сообщения. Однако если у третьей стороны нет этого открытого ключа, она не сможет расшифровать информацию.

Симметричные ключи часто используются в ситуациях, когда требуется высокая скорость и обработка больших объемов данных, поскольку это быстрее, чем асимметричное шифрование.

Однако одним из основных ограничений является безопасная передача ключей. Если ключ скомпрометирован, все данные могут быть раскрыты.

В отчете Chainalysis показано, что более 60% атак на рынке криптовалют связаны с компрометацией симметричных ключей шифрования или отсутствием надежной безопасности при управлении ключами.

Популярные алгоритмы симметричного шифрования

В симметричном шифровании используется множество алгоритмов, но ниже приведены наиболее популярные на крипторынке:

• AES (расширенный стандарт шифрования): AES сегодня является одним из наиболее широко используемых алгоритмов симметричного шифрования. Он предлагает три варианта длины ключа: 128, 192 и 256 бит, при этом AES-256 является самым высоким уровнем безопасности и обычно используется во многих системах безопасности, включая криптовалютные кошельки, такие как Ledger и Trezor.
• DES (стандарт шифрования данных). Несмотря на то, что сейчас он устарел, DES когда-то был одним из самых популярных методов симметричного шифрования.
• Blowfish и Twofish: эти два алгоритма также часто используются в приложениях безопасности для защиты конфиденциальных данных. Они часто используются в качестве альтернативы AES в некоторых приложениях.

Применение симметричного шифрования на рынке криптовалют

Основное внимание при применении различных типов шифрования уделяется обеспечению безопасности.

Используя один и тот же ключ для шифрования и дешифрования, симметричное шифрование помогает обеспечить надежную защиту конфиденциальной информации, такой как закрытые ключи, данные транзакций и личная информация пользователя.

Например, когда пользователи совершают транзакции на криптовалютных биржах или взаимодействуют с криптокошельками, симметричное шифрование помогает зашифровать информацию, чтобы предотвратить кражу или взлом данных.

Решения масштабирования уровня 2, такие как Optimism и Arbitrum на рынке криптовалют, используют симметричные ключи для шифрования и защиты транзакций вне цепочки, прежде чем они будут проверены и возвращены в основной блокчейн.

Это не только помогает увеличить скорость транзакций, но и обеспечивает безопасность данных.

Кроме того, эта технология также используется для защиты данных вне сети в децентрализованных приложениях (dApps) и при хранении конфиденциальной пользовательской информации.

Многие крупные биржи и платформы DeFi, такие как Aave или Compound, также интегрируют симметричное шифрование для защиты активов пользователей от кибератак.

Согласно отчету, Cointelegraph за 2023 год, более 80% крупных криптовалютных кошельков и бирж используют алгоритмы симметричного шифрования, такие как AES, для защиты информации о клиентах и ​​транзакциях.

Симметричное шифрование доказало свою эффективность в минимизации рисков безопасности и создании безопасных условий для все более сильного рынка криптовалют.

Проблемы использования симметричного ключа в криптографии

Ключевые проблемы совместного использования и управления

При симметричном шифровании обеим сторонам нужен один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации. Для этого необходимо, чтобы ключ был безопасно передан между сторонами.

Однако этот процесс может привести к уязвимостям безопасности, если ключ будет украден во время передачи. Как только секретный ключ будет раскрыт, вся зашифрованная информация может быть расшифрована.

Одним из способов решения этой проблемы является объединение симметричного и асимметричного шифрования. В нем для безопасного обмена симметричными ключами используется асимметричное шифрование.

Например, протоколы безопасности, такие как SSL/TLS, используют симметричное шифрование для передачи данных после безопасного обмена ключами с помощью асимметричного шифрования.

Уязвимость к атакам грубой силы (Brute-force)

Хотя симметричное шифрование, такое как AES, обладает высокой степенью безопасности, все же существует риск атак методом перебора, особенно если ключ шифрования короткий (например, 56 бит DES).

Это требует от пользователей и организаций использовать методы шифрования с ключами большей длины (например, AES-256) для обеспечения безопасности цифровых активов.

В конце 1990-х годов Electronic Frontier Foundation (EFF) создала машину под названием Deep Crack, специально предназначенную для грубой атаки на шифрование DES.

DES использует длинный ключ длиной 56 бит, и хотя ранее он считался безопасным, развитие технологий сделало возможными атаки методом перебора.

Deep Crack доказал это, когда успешно расшифровал зашифрованное сообщение DES всего за 22 часа. Стоимость создания машины Deep Crack составляет около 250 000 долларов, и она может перебирать 88 миллиардов ключей в секунду.

Эта успешная атака методом перебора продемонстрировала, что DES больше не защищен от злоумышленников, что привело к переходу на стандарт шифрования AES, который обеспечивает гораздо более высокий уровень защиты.

Риск раскрытия ключа

При симметричном шифровании для шифрования и дешифрования используется только один секретный ключ.

Если этот ключ раскрыт, злоумышленник может получить доступ ко всем данным, зашифрованным с помощью этого ключа.

Это особенно опасно на рынке криптовалют, где информация о транзакциях и личные данные очень чувствительны.

Регулярная смена ключей — одно из решений, позволяющих минимизировать этот риск. Кроме того, применение механизмов безопасности, таких как многофакторная аутентификация (MFA) и аппаратные модули безопасности (HSM) для управления ключами, также может помочь снизить риски.

Также рекомендуются такие инструменты, как системы управления ключами (KMS), которые поддерживают безопасное хранение и управление ключами.

Несколько случаев взлома криптобирж произошли из-за ошибок в управлении закрытыми ключами. Например, Mt. Gox потеряла более 850 000 BTC из-за утечки приватных ключей.

Внутренняя угроза

Если сотрудник или пользователь имеет доступ к симметричному ключу и ведет себя злонамеренно, зашифрованные данные могут быть легко скомпрометированы изнутри.

Особенно это опасно в финансовых учреждениях и крупных криптобиржах.

Используйте архитектуру нулевого доверия и децентрализованную систему контроля доступа, чтобы минимизировать внутренние риски.

В то же время использование многофакторной аутентификации и строгого управления доступом может помочь минимизировать этот риск.

Угроза со стороны квантовых компьютеров

Одной из самых больших проблем симметричного шифрования в будущем является развитие квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры могут быстро взломать существующие алгоритмы шифрования. Это вызывает опасения по поводу безопасности систем на основе симметричных ключей в ближайшем будущем.

Сравните симметричный ключ и асимметричный ключ

Чтобы лучше понять роль симметричных ключей на крипторынке, очень важно провести сравнение с асимметричными ключами (асимметричным шифрованием).

В асимметричном ключе есть два отдельных ключа: открытый ключ и закрытый ключ.

Открытый ключ используется для шифрования данных, а расшифровать их можно только с помощью закрытого ключа.

Асимметричный ключ часто используется в криптотранзакциях, поскольку он не требует от пользователя делиться ключом безопасности с другими.

Однако, поскольку асимметричный ключ работает значительно медленнее, чем симметричный, в криптографических приложениях его часто комбинируют с симметричным ключом для достижения максимальной эффективности.

Например, асимметричный ключ можно использовать для безопасной передачи симметричного ключа.

• Симметричный ключ: подходит, когда вам нужно зашифровать большие данные и требуется скорость, но возникают трудности с безопасным обменом ключами.
• Асимметричный ключ: подходит для приложений, которым требуется безопасный обмен ключами без совместного использования закрытых ключей, но неэффективен при шифровании больших объемов данных из-за низкой скорости.

Ожидается, что в будущем симметричные ключи по-прежнему будут играть важную роль на рынке криптовалют.

С развитием таких технологий, как zk-SNARK в системах доказательства с нулевым разглашением, симметричные ключи могут быть интегрированы в более совершенные протоколы безопасности, помогая повысить анонимность и безопасность пользователей.

Кроме того, с появлением децентрализованных приложений (dApps) и сетей блокчейнов нового поколения объединение симметричных и асимметричных ключей станет еще более популярным.