Шифрование с открытым ключом: Просто и наглядно

Просто и наглядно о сложном: Ассиметричная криптография с открытым ключом.

Долгое время традиционная криптография использовала шифрование с тайным или симметричным ключом — один и тот же ключ использовался как для зашифровывания, так и для расшифровки (дешифрования) данных.

Наглядно это можно представить в виде замка, которым запирался сундук с тайным сообщением. Пара одинаковых ключей к этому замку была как у отправителя сообщения (шифровальщика), так и у получателя (дешифровальщика).

Разумеется, в действительности никто не отправлял сообщения в запертых сундуках. Тексты, которые надо было зашифровать, особым образом видоизменялись с использованием тайного ключа (шифра) — последовательности символов, которая смешиваясь с передаваемым сообщением особым образом (называемым алгоритмом шифрования), приводила к получению шифровки (шифротекста) — сообщения, которое невозможно было прочитать, не зная алгоритма и шифра (ключа).

Но для наглядности процесса, мы представим, что наше сообщение помещалось в некий прочный сундук и закрывалось надежным навесным замком, одинаковые ключи от которого были у обеих сторон — отправителя и получателя.

Вот этот ключ, которым запиралось (зашифровывалось) и открывалось (дешифровывалось) сообщение, назывался шифром или тайным симметричным ключом.

Проблема была в том, что при смене ключа (шифра) в целях безопасности, его необходимо было доставить получателю, который зачастую находился далеко и на враждебной территории. Передавать шифр открытыми каналами связи было небезопасно.

Долгое время проблема безопасной передачи нового ключа (шифра) оставалась неразрешенной. Как правило, для этого использовали тайных курьеров, что не гарантировало на 100% того, что шифр (ключ) не попадет к нежелательным лицам, которые смогут им воспользоваться для дешифрования тайных сообщений.

Проблема с ключами была решена только в 1975 году, когда Уитфилд Диффи (Bailey Whitfield ‘Whit’ Diffie) и Мартин Хеллман(Martin E. Hellman) предложили концепцию шифрования с парой ключей: открытым (публичным — public key), который зашифровывает данные, и соответствующим ему закрытым (приватным — private key).

Эта ассиметричная система шифрования получила название криптографии с открытым ключом.

Работает эта система так:

  • Генерируется случайный закрытый (приватный) ключ (напомним, что ключ или шифр — это последовательность символов) и по определенному алгоритму подбирается к нему другой — открытый (публичный) ключ. При этом, для любого закрытого ключа существует только один вариант открытого. Т.е. эти ключи (приватный и публичный) всегда работают в паре(связке).
  • Далее полученный открытый (публичный) ключ пересылается по любым открытым каналам связи отправителю тайного сообщения.
  • Получив открытый (публичный) ключ, отправитель при помощи него зашифровывает сообщение и отправляет его получателю у которого есть соответствующий закрытый (приватный) ключ.
  • Получатель расшифровывает секретное сообщение, используя свой закрытый (приватный) ключ из пары с открытым (публичным), которым было зашифровано сообщение.

Следует отметить, что открытым (публичным) ключом можно только зашифровать сообщение, но расшифровать его уже этим ключом не получится. Для дешифрования нужен только закрытый (приватный) ключ из пары. Так работает алгоритм с ассиметричным шифрованием.

Но, вернемся к нашему сундуку с сообщением. Как же теперь наглядно представить ассиметричное шифрование? Как так можно — запирать одним ключом, а отпирать другим?

Представим себе навесной замок с двумя замочными скважинами и двумя ключами (см.рис. ниже) — левый ключ (1) через левую замочную скважину (1) может снимать фиксацию с левой половинки дуги замка, освобождая ее и открывая весь замок. Правый ключ (2) через правую замочную скважину (2) может фиксировать правую половинку дуги в замке, тем самым закрывая замок. Но, после закрытия, этот ключ (2) не может уже освободить от фиксации правую часть дуги и тем самым открыть замок.

Первоначально замок с зафиксированной левой половинкой дуги (1) и расфиксированной правой (2), а также с ключом 2 (открытым) доставляется лицу, которое должно отправить тайное послание.

Получив замок и открытый ключ (2), отправитель навешивает его на сундук с тайным посланием и запирает его полученным ключом 2. Теперь сундук закрыт и даже отправитель не может его открыть, поскольку его ключ (2) может только зафиксировать правую часть дуги в замке, но не может освободить от фиксации.

Запертый замком сундук с тайным посланием отправляется получателю, у которого есть ключ (1), снимающий фиксацию правой половинки дуги и тем самым отпирающий замок. Но, другие лица, даже если они будут иметь копию публичного ключа (2), открыть замок не смогут.

Получатель открывает замок ключом (1) и тайное послание прочитано!

Пользуясь терминологией ассиметричной криптографии с открытым ключом, ключ 1 — это закрытый (приватный) ключ, а ключ 2 — это открытый (публичный) ключ.

В заключение отметим, что асимметричная криптография с открытым ключом получила широкое распространение, и не только в шифровании шпионских и дипломатических посланий. Асимметричную криптографию используют сайты с поддержкой протокола HTTPS, мессенджеры, wifi-роутеры, банковские системы и многое другое. На основе ассиметричной криптографии базируется электронная подпись. Также на ассиметричной криптографии построен алгоритм блокчейна, на котором, в свою очередь построены все криптовалюты, включая биткоин.

© Иллюстрации к тексту:

  • Первые две — из книги «Введение в криптографию», Филипп Циммерман.
  • Остальные — автора (Сергей Базанов)
  • Титульная картинка — Husch Blackwell