Criptografia pe scurt: criptare simetrică, asimetrică și chei

Criptografia este știința de a transforma un mesaj astfel încât doar cine deține o anumită cheie să-l poată citi sau să-i poată verifica autenticitatea. Există două mari familii: criptarea simetrică, în care expeditorul și destinatarul folosesc aceeași cheie secretă, și criptarea asimetrică, în care fiecare are o pereche de chei, una publică, pe care o poate afla oricine, și una privată, pe care nu o dă nimănui.

Folosești criptografie de zeci de ori pe zi fără să o observi: când deschizi un site cu lacăt în bara de adrese, când îți deblochezi telefonul, când plătești cu cardul sau când trimiți un mesaj. Mai jos vezi ce face fiecare tip de criptare, de ce sunt folosite împreună, ce sunt semnăturile digitale și unde cedează de fapt sistemele de securitate.

Ce este criptografia și ce probleme rezolvă

Criptografia modernă rezolvă patru probleme distincte, nu doar pe aceea a păstrării secretului. Mulți o asociază doar cu ascunderea mesajelor, dar la fel de important este să știi că mesajul nu a fost modificat și că vine de la cine pretinde.

Câțiva termeni de bază, folosiți în tot articolul:

• textul clar este mesajul original, citibil;
• textul cifrat este rezultatul criptării, care arată ca o înșiruire aleatorie de octeți;
• algoritmul (sau cifrul) este rețeta matematică de transformare;
• cheia este un număr secret, de obicei foarte lung, care personalizează rețeta.

Cifrul, cheia și principiul lui Kerckhoffs

Securitatea unui sistem criptografic modern stă în cheie, nu în secretul algoritmului. Ideea a fost formulată în secolul al XIX-lea de criptograful Auguste Kerckhoffs: un sistem trebuie să rămână sigur chiar dacă adversarul știe totul despre el, mai puțin cheia.

Un exemplu vechi: cifrul lui Cezar

Cifrul atribuit lui Iulius Cezar înlocuia fiecare literă cu cea aflată la un număr fix de poziții mai departe în alfabet. Cu deplasarea 3, „A” devine „D”, iar „ATAC” devine „DWDF”. Algoritmul este deplasarea, cheia este numărul 3. Problema: există doar 25 de chei posibile într-un alfabet latin de 26 de litere, deci oricine le poate încerca pe toate în câteva minute, cu creionul.

De ce algoritmii publici sunt mai siguri

Algoritmii folosiți astăzi sunt publici, analizați ani la rând de cercetători din toată lumea și standardizați de organisme internaționale. Un algoritm secret, inventat „în casă”, n-a trecut prin această verificare și ascunde de obicei slăbiciuni pe care nimeni nu le-a căutat. Expresia folosită de specialiști este că securitatea prin obscuritate nu este securitate.

Sfat: Când un produs sau un serviciu se laudă cu „criptare proprie, unică, secretă”, tratează afirmația ca pe un semnal de alarmă, nu ca pe un avantaj. Sistemele serioase folosesc algoritmi standardizați și publici.

Criptarea simetrică: o singură cheie pentru ambele sensuri

În criptarea simetrică, aceeași cheie secretă servește atât la criptare, cât și la decriptare. Este ca un lacăt cu două chei identice: tu și prietenul tău aveți câte una, deci oricare dintre voi poate închide și deschide cutia.

Cel mai folosit algoritm simetric este AES (Advanced Encryption Standard), adoptat ca standard de institutul american de standarde NIST după un concurs public internațional. AES este un cifru pe blocuri: împarte datele în blocuri de 128 de biți și le amestecă în mai multe runde de substituții și permutări, controlate de cheie. Cheile au 128, 192 sau 256 de biți.

Puncte forte

• Viteză mare: multe procesoare au instrucțiuni dedicate pentru AES, așa că poate cripta discuri întregi și conexiuni video fără întârzieri vizibile.
• Chei relativ scurte pentru un nivel de securitate foarte ridicat.
• Potrivit pentru volume mari: fișiere, discuri, fluxuri de date continue.

Problema principală: distribuirea cheii

Dacă tu și o persoană aflată pe alt continent vreți să comunicați criptat simetric, trebuie mai întâi să aveți amândoi aceeași cheie. Dar cum i-o trimiți fără ca altcineva să o intercepteze? Dacă ai avea deja un canal sigur, n-ai mai avea nevoie de criptare. Mai mult, într-o rețea de 100 de persoane care vor să vorbească toate cu toate, ar fi nevoie de 4.950 de chei diferite. Această dilemă a blocat criptografia timp de secole și a fost rezolvată abia în anii 1970, cu ideile din secțiunile următoare.

Criptarea asimetrică: perechea de chei publică și privată

Criptarea asimetrică folosește două chei legate matematic: ce criptezi cu cheia publică poate fi decriptat doar cu cheia privată pereche. Cheia publică poate fi afișată oriunde, fără niciun risc, pentru că din ea nu se poate deduce, în practică, cheia privată.

O analogie utilă este cutia poștală cu fantă. Oricine poate strecura o scrisoare prin fantă (cheia publică), dar doar proprietarul cu cheia cutiei (cheia privată) o poate deschide și citi scrisorile. Nu e nevoie să te fi întâlnit vreodată cu proprietarul ca să-i lași un mesaj pe care doar el îl poate citi.

Pe ce se bazează matematica

Algoritmii asimetrici se bazează pe probleme ușor de calculat într-un sens și extrem de greu de inversat:

• RSA se sprijină pe dificultatea de a descompune în factori primi produsul a două numere prime foarte mari. Înmulțirea este instantanee, descompunerea ar dura, cu metodele cunoscute, mai mult decât vârsta universului pentru chei suficient de lungi.
• Criptografia pe curbe eliptice (ECC) se bazează pe o problemă înrudită, definită pe puncte ale unei curbe matematice, și oferă aceeași securitate cu chei mult mai scurte, ceea ce o face potrivită pentru telefoane și carduri.

Dezavantajul: lentoarea

Operațiile asimetrice sunt de sute sau mii de ori mai lente decât cele simetrice. Nimeni nu criptează un film întreg cu RSA. De aceea, cum vei vedea mai jos, criptarea asimetrică este folosită doar pentru pasul delicat, stabilirea unei chei, iar restul muncii îl face criptarea simetrică.

Schimbul de chei: cum se pun de acord doi străini

Schimbul de chei este procedura prin care două părți care nu au niciun secret comun ajung la aceeași cheie secretă, comunicând doar pe un canal ascultat de oricine. Cea mai cunoscută metodă este schimbul Diffie-Hellman, publicat în 1976 și considerat nașterea criptografiei cu cheie publică.

Analogia cu vopselele

Imaginează-ți că Ana și Bogdan vor să obțină aceeași culoare secretă, iar Eva vede tot ce își trimit.

1. Ana și Bogdan aleg public o culoare de bază, de exemplu galben. Eva o vede.
2. Fiecare alege în secret o culoare proprie: Ana roșu, Bogdan albastru.
3. Fiecare amestecă galbenul cu culoarea secretă și trimite amestecul celuilalt. Eva vede cele două amestecuri.
4. Ana adaugă roșul ei peste amestecul primit de la Bogdan; Bogdan adaugă albastrul lui peste amestecul primit de la Ana.
5. Amândoi obțin același amestec final: galben, roșu și albastru.

Eva are galbenul și cele două amestecuri, dar nu poate „desface” vopseaua ca să afle roșul sau albastrul. În versiunea matematică, „amestecarea” este o operație cu numere mari ușor de calculat și foarte greu de inversat.

Secretul înainte (forward secrecy)

Conexiunile moderne generează chei temporare noi la fiecare sesiune și le distrug după aceea. Proprietatea se numește secret înainte: chiar dacă cheia pe termen lung a unui server este furată peste câțiva ani, conversațiile înregistrate în trecut rămân imposibil de decriptat, pentru că cheile lor nu mai există nicăieri.

Semnăturile digitale și certificatele

O semnătură digitală dovedește că un mesaj vine de la deținătorul unei anumite chei private și că nu a fost modificat după semnare. Funcționează invers față de criptare: semnezi cu cheia ta privată, iar oricine verifică semnătura cu cheia ta publică.

În practică, nu se semnează tot documentul, ci amprenta lui, calculată cu o funcție hash. Dacă se schimbă chiar și o virgulă în document, amprenta se schimbă complet și semnătura nu mai corespunde. Mecanismul amprentelor este explicat în articolul despre funcțiile hash.

Problema încrederii: a cui este cheia publică?

Semnătura dovedește doar că mesajul vine de la deținătorul unei chei. Dar de unde știi că acea cheie publică aparține cu adevărat băncii tale, și nu unui impostor? Aici intervin certificatele digitale: documente electronice în care o autoritate de certificare atestă, prin propria semnătură, că o anumită cheie publică aparține unui anumit domeniu sau unei anumite persoane. Browserul are preinstalată o listă de autorități în care are încredere. Cum se văd toate acestea în bara de adrese afli în ghidul despre HTTPS și certificate.

Semnătura electronică calificată, folosită în relația cu instituțiile și în mediul de afaceri din România, se bazează pe același principiu, cu certificate emise de prestatori de servicii de încredere acreditați la nivel european.

Criptarea hibridă: cum se folosesc împreună în practică

Aproape toate sistemele reale folosesc o schemă hibridă: criptografia asimetrică autentifică părțile și stabilește o cheie, apoi criptografia simetrică protejează datele. Fiecare tip face ce știe mai bine.

Pașii unei conexiuni securizate

Când deschizi un site prin HTTPS, protocolul TLS face, simplificat, următoarele:

1. Browserul și serverul își spun ce algoritmi acceptă.
2. Serverul își trimite certificatul, iar browserul verifică semnătura autorității și numele domeniului.
3. Cele două părți fac un schimb de chei de tip Diffie-Hellman și obțin o cheie simetrică temporară.
4. Tot traficul care urmează este criptat simetric, rapid, și verificat pentru integritate.

Totul durează de obicei sub o zecime de secundă. Aceeași schemă stă la baza mesageriei protejate, explicată în articolul despre criptarea end-to-end, și a registrelor distribuite prezentate în ghidul despre blockchain.

Cât de sigure sunt cheile: lungime și forță brută

Securitatea unei chei bine generate se măsoară prin numărul de încercări necesare pentru a o ghici. O cheie de 128 de biți are 2 la puterea 128 de valori posibile, un număr cu 39 de cifre. Chiar dacă toate calculatoarele de pe planetă ar încerca miliarde de chei pe secundă, timpul necesar ar depăși cu mult vârsta universului.

Calculatorul cuantic

Un calculator cuantic suficient de mare ar putea, teoretic, să spargă RSA și criptografia pe curbe eliptice folosite astăzi, prin algoritmul lui Shor. Pentru criptarea simetrică, efectul estimat este mult mai mic: practic, înjumătățește securitatea efectivă a cheii, motiv pentru care cheile AES de 256 de biți sunt considerate suficiente pe termen lung. Comunitatea criptografică a dezvoltat deja algoritmi post-cuantici, rezistenți la astfel de atacuri, iar NIST a publicat standarde pentru ei, care sunt introduse treptat în browsere, sisteme de operare și servicii de mesagerie.

Important: Riscul cuantic contează mai ales pentru datele care trebuie să rămână secrete zeci de ani, pentru că un adversar poate înregistra azi trafic criptat și să încerce să-l decripteze peste ani. Pentru utilizatorul obișnuit, pericolele reale de azi sunt altele, descrise mai jos.

Unde cedează de fapt sistemele

Algoritmii moderni sunt rareori spărți direct; aproape toate incidentele vin din felul în care sunt folosiți cheile și oamenii. Matematica este cel mai solid zid al casei, iar atacatorii intră pe geam.

• Parolele slabe: multe chei sunt derivate din parole. O parolă scurtă sau refolosită reduce o cheie de 256 de biți la câteva milioane de variante de încercat. Vezi ghidul despre parole și managere de parole.
• Cheile furate de pe dispozitiv: un program malițios care rulează pe telefon citește mesajele înainte de criptare sau după decriptare.
• Implementările greșite: numere aleatorii previzibile, verificări omise ale certificatului, biblioteci neactualizate.
• Păcălirea omului: un mesaj care te convinge să introduci codul sau parola pe un site fals ocolește toată criptografia.

De aceea au apărut metode de autentificare în care cheia privată nu părăsește niciodată dispozitivul și nu poate fi tastată pe un site fals; le găsești explicate în articolul despre passkey-uri. Pentru imaginea de ansamblu asupra felului în care toate aceste mecanisme se sprijină pe biți și procesoare, vezi ghidul despre tehnologia digitală, de la biți la aplicații.

Ideile principale despre chei și criptare

Criptografia modernă combină două familii de algoritmi: cea simetrică, rapidă, care protejează volumele mari de date, și cea asimetrică, mai lentă, care rezolvă schimbul de chei între necunoscuți și permite semnăturile digitale. Algoritmii sunt publici și verificați, iar securitatea depinde de cheile secrete și de modul în care sunt păstrate.

Pe scurt:

• simetric înseamnă o cheie comună; asimetric înseamnă cheie publică plus cheie privată;
• cheia publică criptează sau verifică, cheia privată decriptează sau semnează;
• schimbul Diffie-Hellman creează un secret comun pe un canal ascultat;
• certificatele leagă o cheie publică de o identitate reală;
• punctul slab este aproape întotdeauna parola, dispozitivul sau omul, nu matematica.