RSA vs. AES: Išsamus šifravimo algoritmų vadovas

Šiuolaikiniame skaitmeniniame pasaulyje duomenų saugumas yra svarbiausias. Šifravimo algoritmai atlieka lemiamą vaidmenį saugant jautrią informaciją nuo neteisėtos prieigos. Du iš plačiausiai naudojamų šifravimo algoritmų yra RSA (Rivest-Shamir-Adleman) ir AES (Advanced Encryption Standard). Nors abu yra būtini saugiam ryšiui, jie veikia skirtingais principais ir tarnauja skirtingiems tikslams. Šiame vadove pateikiamas išsamus RSA ir AES palyginimas, nagrinėjant jų privalumus, trūkumus ir praktinį pritaikymą.

Šifravimo pagrindų supratimas

Prieš gilinantis į RSA ir AES specifiką, svarbu suprasti pagrindines šifravimo sąvokas.

Kas yra šifravimas?

Šifravimas – tai procesas, kurio metu skaitomi duomenys (atviras tekstas) paverčiami neskaitomu formatu (šifruotu tekstu), naudojant algoritmą ir raktą. Tik asmenys, turintys teisingą raktą, gali dešifruoti šifruotą tekstą atgal į pradinę atviro teksto formą.

Šifravimo tipai

Yra du pagrindiniai šifravimo tipai:

• Simetrinis šifravimas: Naudoja tą patį raktą tiek šifravimui, tiek dešifravimui. AES yra puikus simetrinio šifravimo algoritmo pavyzdys.
• Asimetrinis šifravimas: Naudoja du atskirus raktus: viešąjį raktą šifravimui ir privatųjį raktą dešifravimui. RSA yra plačiai naudojamas asimetrinio šifravimo algoritmas.

RSA: Asimetrinio šifravimo paaiškinimas

Kaip veikia RSA

RSA yra asimetrinis šifravimo algoritmas, pagrįstas pirminių skaičių matematinėmis savybėmis. Jis apima šiuos veiksmus:

1. Raktų generavimas: Pasirenkami du dideli pirminiai skaičiai (p ir q). Apskaičiuojama šių pirminių skaičių sandauga, n = p * q. Taip pat apskaičiuojama Eulerio totiento funkcija, φ(n) = (p-1) * (q-1).
2. Viešojo rakto sukūrimas: Pasirenkamas viešasis eksponentas (e) toks, kad 1 < e < φ(n) ir e yra kopraiminis su φ(n) (t. y., jų didžiausias bendras daliklis yra 1). Viešąjį raktą sudaro (n, e).
3. Privataus rakto sukūrimas: Apskaičiuojamas privatusis eksponentas (d) toks, kad (d * e) mod φ(n) = 1. Privatųjį raktą sudaro (n, d).
4. Šifravimas: Norėdamas užšifruoti pranešimą (M), siuntėjas naudoja gavėjo viešąjį raktą (n, e) ir apskaičiuoja šifruotą tekstą (C) taip: C = M^e mod n.
5. Dešifravimas: Norėdamas dešifruoti šifruotą tekstą (C), gavėjas naudoja savo privatųjį raktą (n, d) ir apskaičiuoja pradinį pranešimą (M) taip: M = C^d mod n.

RSA privalumai

• Saugus raktų apsikeitimas: RSA leidžia saugiai apsikeisti raktais per nesaugius kanalus. Viešąjį raktą galima laisvai platinti, nepakenkiant privačiam raktui.
• Skaitmeniniai parašai: RSA gali būti naudojamas skaitmeniniams parašams kurti, kurie užtikrina autentiškumą ir neatšaukiamumą. Siuntėjas naudoja savo privatųjį raktą pranešimui pasirašyti, o gavėjas naudoja siuntėjo viešąjį raktą parašui patikrinti.
• Nereikia iš anksto pasidalintos paslapties: Skirtingai nuo simetrinio šifravimo, RSA nereikalauja, kad siuntėjas ir gavėjas iš anksto pasidalintų paslaptimi.

RSA trūkumai

• Lėtas greitis: RSA yra žymiai lėtesnis nei simetrinio šifravimo algoritmai, tokie kaip AES, ypač šifruojant didelius duomenų kiekius.
• Pažeidžiamumas tam tikroms atakoms: RSA gali būti pažeidžiamas tam tikroms atakoms, pavyzdžiui, bendro modulio atakai, jei nėra tinkamai įdiegtas.
• Rakto dydis svarbus: Stipriam RSA šifravimui reikalingi dideli raktų dydžiai (pvz., 2048 bitų arba 4096 bitų), kurie gali paveikti našumą.

RSA panaudojimo atvejai

• Saugus raktų apsikeitimas: Naudojamas protokoluose, tokiuose kaip TLS/SSL, siekiant saugiai apsikeisti simetriniais raktais.
• Skaitmeniniai sertifikatai: Naudojami svetainių ir programinės įrangos autentiškumui patikrinti.
• El. pašto šifravimas: Naudojamas PGP (Pretty Good Privacy) ir S/MIME (Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions) el. pašto pranešimams šifruoti.
• VPN: Kartais naudojamas pradiniam raktų apsikeitimui VPN (Virtual Private Network) ryšiuose.
• Kriptovaliutos: Naudojamas kai kuriose kriptovaliutų implementacijose transakcijų pasirašymui.

Pavyzdys: Įsivaizduokite pasaulinę įmonę „SecureGlobal“, kuriai reikia saugiai perduoti jautrius finansinius duomenis tarp savo biurų Niujorke ir Tokijuje. Jie naudoja RSA, kad apsikeistų slaptu raktu AES šifravimui. Niujorko biuras užšifruoja AES raktą Tokijo biuro viešuoju RSA raktu ir jį išsiunčia. Tokijo biuras dešifruoja AES raktą savo privačiu RSA raktu, ir nuo to momento visi finansiniai duomenys yra šifruojami AES naudojant bendrą raktą. Tai užtikrina, kad tik Tokijo biuras gali perskaityti duomenis, ir net jei raktų apsikeitimas būtų perimtas, šnipinėtojas negalėtų dešifruoti AES rakto be Tokijo biuro privataus RSA rakto.

AES: Simetrinio šifravimo paaiškinimas

Kaip veikia AES

AES yra simetrinis šifravimo algoritmas, kuris šifruoja duomenis blokais. Jis veikia su 128 bitų duomenų blokais ir naudoja 128, 192 arba 256 bitų raktų dydžius. Šifravimo procesas apima kelis transformacijų raundus, įskaitant:

• SubBytes: Baitų pakeitimo žingsnis, kuris kiekvieną baitą būsenos masyve pakeičia atitinkamu baitu iš pakeitimo lentelės (S-box).
• ShiftRows: Eilučių poslinkio žingsnis, kuris cikliškai pastumia baitus kiekvienoje būsenos masyvo eilutėje.
• MixColumns: Stulpelių maišymo žingsnis, kuris atlieka matricos daugybą kiekvienam būsenos masyvo stulpeliui.
• AddRoundKey: Raundo rakto pridėjimo žingsnis, kuris atlieka XOR operaciją tarp būsenos masyvo ir raundo rakto, gauto iš pagrindinio šifravimo rakto.

Raundų skaičius priklauso nuo rakto dydžio: 10 raundų 128 bitų raktams, 12 raundų 192 bitų raktams ir 14 raundų 256 bitų raktams.

AES privalumai

• Didelis greitis: AES yra žymiai greitesnis nei asimetrinio šifravimo algoritmai, tokie kaip RSA, todėl tinka dideliems duomenų kiekiams šifruoti.
• Stiprus saugumas: AES laikomas labai saugiu šifravimo algoritmu ir yra priimtas kaip standartas JAV vyriausybės.
• Techninės įrangos spartinimas: Daugelyje modernių procesorių yra techninės įrangos spartinimas AES šifravimui, kas dar labiau pagerina našumą.

AES trūkumai

• Rakto paskirstymas: AES reikalauja saugaus metodo simetriniam raktui paskirstyti tarp siuntėjo ir gavėjo. Tai gali būti iššūkis kai kuriose situacijose.
• Pažeidžiamumas „brute-force“ atakoms: Nors AES paprastai laikomas saugiu, teoriškai jis yra pažeidžiamas „brute-force“ atakoms, ypač su trumpesniais raktų dydžiais. Tačiau su pakankamai dideliais raktų dydžiais (pvz., 256 bitų), „brute-force“ atakos skaičiavimo kaina yra per didelė.

AES panaudojimo atvejai

• Ramybės būsenos duomenų šifravimas: Naudojamas šifruoti duomenims, saugomiems kietuosiuose diskuose, duomenų bazėse ir kitose saugojimo laikmenose.
• Failų šifravimas: Naudojamas atskiriems failams ir aplankams šifruoti.
• Tinklo ryšys: Naudojamas protokoluose, tokiuose kaip TLS/SSL ir IPsec, tinklo srautui šifruoti.
• VPN: Naudojamas duomenims, perduodamiems per VPN ryšius, šifruoti.
• Mobiliųjų įrenginių saugumas: Naudojamas duomenims, saugomiems išmaniuosiuose telefonuose ir planšetiniuose kompiuteriuose, šifruoti.
• Debesų saugykla: Naudojamas debesų saugyklų tiekėjų duomenims, saugomiems jų serveriuose, šifruoti.

Pavyzdys: Tarptautinė bankininkystės korporacija „GlobalBank“ turi kasdien apsaugoti milijonus klientų transakcijų. Ji naudoja AES-256 šifravimą visiems transakcijų duomenims, tiek perduodamiems, tiek saugomiems. Tai užtikrina, kad net jei duomenų bazė būtų pažeista ar tinklo srautas perimtas, transakcijų duomenys liktų neskaitomi be AES rakto. Bankas naudoja techninės įrangos saugumo modulį (HSM), kad saugiai valdytų ir apsaugotų AES raktus, pridėdamas dar vieną saugumo lygį.

RSA vs. AES: Pagrindiniai skirtumai

Šioje lentelėje apibendrinami pagrindiniai RSA ir AES skirtumai:

Savybė	RSA	AES
Šifravimo tipas	Asimetrinis	Simetrinis
Rakto tipas	Viešasis ir privatus	Vienas bendras raktas
Greitis	Lėtas	Greitas
Raktų apsikeitimas	Saugus raktų apsikeitimas	Reikalingas saugus rakto paskirstymas
Pagrindiniai panaudojimo atvejai	Raktų apsikeitimas, skaitmeniniai parašai	Duomenų šifravimas
Saugumo aspektai	Pažeidžiamas kai kurioms atakoms, jei netinkamai įdiegtas; rakto dydis svarbus	Rakto paskirstymas yra kritiškai svarbus; teoriškai pažeidžiamas „brute-force“ atakoms (sušvelninama dideliais raktų dydžiais)

RSA ir AES derinimas: hibridinis šifravimas

Daugelyje realaus pasaulio scenarijų RSA ir AES yra naudojami kartu hibridinio šifravimo schemoje. Šis požiūris išnaudoja abiejų algoritmų privalumus.

Štai kaip paprastai veikia hibridinis šifravimas:

1. Sugeneruojamas atsitiktinis simetrinis raktas (pvz., AES raktas).
2. Simetrinis raktas užšifruojamas naudojant gavėjo viešąjį RSA raktą.
3. Užšifruotas simetrinis raktas ir duomenys, užšifruoti simetriniu raktu, siunčiami gavėjui.
4. Gavėjas dešifruoja simetrinį raktą naudodamas savo privatųjį RSA raktą.
5. Gavėjas naudoja dešifruotą simetrinį raktą duomenims dešifruoti.

Šis požiūris užtikrina RSA saugumą raktų apsikeitimui ir AES greitį duomenų šifravimui. Tai yra labiausiai paplitęs metodas, naudojamas saugaus ryšio protokoluose, tokiuose kaip TLS/SSL.

Tinkamo algoritmo pasirinkimas

Pasirinkimas tarp RSA ir AES priklauso nuo konkrečios programos ir saugumo reikalavimų.

• Naudokite RSA, kai: Jums reikia saugaus raktų apsikeitimo ar skaitmeninių parašų, o našumas nėra pagrindinis rūpestis.
• Naudokite AES, kai: Jums reikia greitai užšifruoti didelius duomenų kiekius ir turite saugų metodą simetriniam raktui paskirstyti.
• Naudokite hibridinį šifravimą, kai: Jums reikia ir saugaus raktų apsikeitimo, ir greito duomenų šifravimo.

Saugumo gerosios praktikos

Nepriklausomai nuo pasirinkto šifravimo algoritmo, svarbu laikytis saugumo gerųjų praktikų:

• Naudokite stiprius raktus: Pasirinkite pakankamai didelius raktų dydžius (pvz., 2048 bitų ar 4096 bitų RSA raktus, 128 bitų, 192 bitų ar 256 bitų AES raktus).
• Saugiai valdykite raktus: Apsaugokite savo privačius ir simetrinius raktus nuo neteisėtos prieigos. Apsvarstykite galimybę naudoti techninės įrangos saugumo modulius (HSM) raktų saugojimui.
• Teisingai įdiekite šifravimą: Laikykitės gerųjų praktikų diegiant šifravimo algoritmus, kad išvengtumėte pažeidžiamumų.
• Atnaujinkite programinę įrangą: Reguliariai atnaujinkite savo programinę įrangą ir bibliotekas, kad ištaisytumėte saugumo pažeidžiamumus.
• Naudokite kriptografiškai saugų atsitiktinių skaičių generatorių (CSPRNG): Raktų ir kitų atsitiktinių verčių generavimui.
• Apsvarstykite postkvantinę kriptografiją: Vystantis kvantiniams kompiuteriams, esami šifravimo algoritmai gali tapti pažeidžiami. Ištirkite postkvantinės kriptografijos algoritmus, kurie yra atsparūs kvantinių kompiuterių atakoms.

Šifravimo ateitis

Kriptografijos sritis nuolat vystosi. Kuriami nauji algoritmai ir technikos, siekiant spręsti kylančias grėsmes ir gerinti saugumą. Postkvantinė kriptografija yra ypač svarbi tyrimų sritis, nes jos tikslas – sukurti šifravimo algoritmus, atsparius kvantinių kompiuterių atakoms.

Tobulėjant technologijoms, labai svarbu būti informuotiems apie naujausius šifravimo ir kibernetinio saugumo pokyčius, siekiant užtikrinti, kad jūsų duomenys liktų saugūs.

Išvada

RSA ir AES yra du pagrindiniai šifravimo algoritmai, kurie atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį saugant duomenis šiuolaikiniame skaitmeniniame pasaulyje. Nors RSA puikiai tinka saugiam raktų apsikeitimui ir skaitmeniniams parašams, AES yra žinomas dėl savo greičio ir efektyvumo duomenų šifravime. Suprasdami kiekvieno algoritmo privalumus ir trūkumus bei laikydamiesi saugumo gerųjų praktikų, galite veiksmingai apsaugoti savo jautrią informaciją nuo neteisėtos prieigos. Hibridinės šifravimo schemos, derinantčios RSA ir AES, siūlo tvirtą sprendimą daugeliui realaus pasaulio programų, užtikrindamos ir saugumą, ir našumą.

Šis vadovas suteikia tvirtą pagrindą suprasti RSA ir AES. Toliau mokykitės ir prisitaikykite prie nuolat kintančio kibernetinio saugumo kraštovaizdžio, kad išlaikytumėte tvirtą saugumo poziciją.

Papildoma literatūra

• NIST specialioji publikacija 800-57 - Rekomendacija raktų valdymui
• RFC 5246 - Transporto lygmens saugumo (TLS) protokolo 1.2 versija
• „Cryptography Engineering“, autoriai Niels Ferguson, Bruce Schneier ir Tadayoshi Kohno