Un sistema crittografico ibrido combina due paradigmi crittografici in un singolo meccanismo per proteggere le comunicazioni digitali. Sfrutta i punti di forza complementari della crittografia a chiave simmetrica e a chiave pubblica, garantendo sia velocità che distribuzione sicura delle chiavi senza affidarsi esclusivamente a un singolo metodo crittografico.
Cos'è il crittosistema ibrido?
Un sistema crittografico ibrido combina una chiave simmetrica crittografia algoritmo con crittografia a chiave pubblica (asimmetrica) algoritmoLa crittografia a chiave simmetrica gestisce il grosso lavoro di trasformazione del testo in chiaro in testo cifrato. La crittografia a chiave pubblica protegge la chiave simmetrica assicurando che solo le parti autorizzate possano recuperarla. I sistemi crittografici ibridi sfruttano quindi il meglio di entrambi i mondi: crittografia dei dati ad alta produttività da algoritmi simmetrici e distribuzione sicura delle chiavi da algoritmi asimmetrici.
Componenti del sistema crittografico ibrido
Di seguito sono riportati gli elementi fondamentali dei crittosistemi ibridi.
Algoritmo a chiave simmetrica
Gli algoritmi a chiave simmetrica, come l'Advanced Encryption Standard (AES) o ChaCha20, trasformano i dati leggibili (testo in chiaro) in testo cifrato illeggibile utilizzando un chiave segretaSia il mittente che il destinatario utilizzano la stessa chiave per crittografare e decifrare. Questi algoritmi operano ad alta velocità e funzionano bene per grandi set di dati o ambienti che richiedono un throughput rapido. Esistono diverse modalità di funzionamento, come Cipher Block Chaining (CBC) o Galois/Counter Mode (GCM), ciascuna delle quali fornisce diversi compromessi tra sicurezza e prestazioni.
Algoritmo a chiave pubblica
Algoritmi a chiave pubblica, come Rivest-Shamir-Adleman (RSA) encryption o Elliptic Curve Cryptography (ECC), controllano la distribuzione della chiave simmetrica. In questo metodo, ogni partecipante detiene una coppia di chiavi composta da una chiave pubblica e una privata. La chiave pubblica può essere condivisa apertamente, consentendo a chiunque di crittografare una chiave simmetrica o verificare le firme digitali, mentre la chiave privata deve rimanere segreta. L'uso di algoritmi a chiave pubblica assicura che non sia necessario alcun segreto pre-condiviso tra le parti comunicanti.
Strumenti di gestione delle chiavi
Uso delle organizzazioni gestione delle chiavi strumenti per gestire l'intero ciclo di vita delle chiavi crittografiche. Questi strumenti generano nuove chiavi, le archiviano in modo sicuro (spesso all'interno di un modulo di sicurezza hardware), le distribuiscono alle parti autorizzate e le revocano o le ruotano quando necessario. La gestione delle chiavi aiuta a mantenere livelli di sicurezza coerenti impedendo alle chiavi obsolete o compromesse di rimanere attive.
Random Number Generator
Un generatore di numeri casuali crittograficamente sicuro (CSPRNG) fornisce l'entropia necessaria per la generazione di chiavi, nonce, vettori di inizializzazione e altri valori crittografici critici. La casualità di alta qualità impedisce agli avversari di prevedere chiavi o altri parametri, il che rafforza la sicurezza complessiva di un sistema crittografico ibrido.
Meccanismi di integrità e autenticazione
I sistemi crittografici ibridi spesso includono interezza assegni e autenticazione metodi. Gli implementatori possono utilizzare codici di autenticazione dei messaggi (MAC) o firme digitali per confermare che un messaggio non è stato manomesso e che proviene da una fonte legittima. I MAC si basano su un segreto condiviso, mentre le firme digitali utilizzano chiavi asimmetriche. Entrambi gli approcci migliorano la fiducia e proteggono dalla manipolazione dei dati.
Come funziona un criptosistema ibrido?
Un sistema crittografico ibrido funziona attraverso una serie di passaggi, ciascuno dei quali introduce una funzione essenziale, garantendo che solo i destinatari previsti possano visualizzare le informazioni originali.
Passaggio 1: generazione di una chiave simmetrica
Il mittente genera una nuova chiave simmetrica utilizzando una fonte affidabile di entropia. Un'adeguata casualità a questo punto impedisce agli aggressori di indovinare o forza bruta il tasto.
Fase 2: crittografia dei dati con chiave simmetrica
Il mittente crittografa il testo in chiaro utilizzando la chiave simmetrica appena creata e un algoritmo simmetrico efficiente. Questo processo produce un testo cifrato che rimane incomprensibile a chiunque non abbia la chiave corretta.
Fase 3: Protezione della chiave simmetrica con una chiave pubblica
Il mittente prende la chiave simmetrica e la crittografa con la chiave pubblica del destinatario. Questa misura mantiene la chiave simmetrica riservata, poiché solo la chiave privata del destinatario può sbloccarla.
Fase 4: Invio del testo cifrato e della chiave simmetrica crittografata
Il mittente trasmette sia il testo cifrato che la chiave simmetrica criptata su un canale di comunicazione. Anche se un aggressore intercetta questi elementi, non può decriptare la chiave simmetrica senza possedere la chiave privata corrispondente.
Fase 5: Decifratura della chiave simmetrica
Il destinatario utilizza una chiave privata per decifrare la chiave simmetrica. Questa chiave privata deve rimanere protetta, perché l'esposizione consentirebbe a parti non autorizzate di sbloccare qualsiasi messaggio destinato a quel destinatario.
Fase 6: Recupero del messaggio originale
Il destinatario applica la chiave simmetrica sbloccata al testo cifrato. Dopo la decifratura riuscita, il destinatario ottiene il testo in chiaro originale senza alcuna perdita di fedeltà.
Esempio di criptosistema ibrido
Lo scenario seguente illustra come due parti possono stabilire una comunicazione sicura senza conoscere preventivamente la chiave segreta dell'altro.
1. Impostazione della chiave Alice e Bob
Alice genera una coppia di chiavi asimmetriche: una chiave pubblica e una chiave privata. Conserva la chiave privata in un luogo sicuro e distribuisce la chiave pubblica tramite un canale attendibile o una chiave pubblica depositoBob acquisisce la chiave pubblica di Alice per poterle inviare messaggi criptati.
2. Bob prepara un messaggio
Bob scrive un messaggio riservato che solo Alice dovrebbe leggere. Crea una chiave simmetrica casuale utilizzando un generatore di numeri casuali di alta qualità. Bob crittografa il suo messaggio con la chiave simmetrica, quindi crittografa quella chiave simmetrica utilizzando la chiave pubblica di Alice.
3. Trasmissione
Bob invia due pezzi di dati ad Alice: il testo cifrato (criptato con la chiave simmetrica) e la chiave simmetrica (criptata con la chiave pubblica di Alice). Se un aggressore intercetta questi pezzi, l'aggressore non può decifrare la chiave simmetrica senza la chiave privata di Alice.
4. Alice decifra
Alice usa la sua chiave privata per decifrare la chiave simmetrica. Quindi applica quella chiave simmetrica al testo cifrato, che ripristina il messaggio originale di Bob. Questa procedura assicura che solo Alice possa leggere il messaggio di Bob perché solo Alice detiene la chiave privata necessaria per la fase di decifratura della chiave.
Casi d'uso del sistema crittografico ibrido
I crittosistemi ibridi servono molti settori che hanno bisogno di proteggere informazioni sensibili. Ogni settore trae vantaggio dall'efficienza combinata e dalla distribuzione sicura delle chiavi che la crittografia ibrida fornisce.
E-mail e messaggistica sicure
Sistemi di posta elettronica come S/MIME e vari sistemi di messaggistica end-to-end applicazioni implementano la crittografia ibrida. Utilizzano chiavi asimmetriche per lo scambio di un chiave di sessione e si affidano alla crittografia simmetrica per criptare i messaggi inviati tra utenti, riducendo al minimo il sovraccarico computazionale.
Cloud File Storage
Compila il i sistemi di archiviazione spesso crittografano grandi set di dati a riposoUn sistema crittografico ibrido consente ai clienti di mantenere una chiave simmetrica crittografata relativamente piccola per una rapida crittografia e decrittografia dei dati. Cloud fornitori proteggere la chiave simmetrica utilizzando la crittografia a chiave pubblica e conservarla o distribuirla in modo sicuro.
Comunicazioni Web (TLS/SSL)
Web servers e di browser utilizzare la sicurezza del livello di trasporto (TLS) durante HTTPS stretta di mano. Il cliente e server utilizzare un processo asimmetrico per scambiare una chiave simmetrica temporanea (effimera), quindi affidarsi a quella chiave simmetrica per una crittografia dei dati più rapida nel corso della sessione. Questa disposizione protegge il traffico web in modo efficiente e lo protegge dagli intercettatori.
Reti private virtuali (VPN)
VPN i protocolli utilizzano la crittografia ibrida per stabilire tunnel sicuri tra client e serversLe tecniche a chiave pubblica autenticano e scambiano le chiavi di sessione, mentre la crittografia simmetrica gestisce il flusso continuo di dati una volta stabilita la sessione.
Come implementare un criptosistema ibrido?
Quando si implementa un sistema crittografico ibrido, gli sviluppatori devono prima scegliere algoritmi e dimensioni di chiave appropriati. Molte implementazioni utilizzano AES con 128-bit o chiavi a 256 bit per la parte simmetrica. Per quanto riguarda gli algoritmi a chiave pubblica, sono comuni RSA con dimensioni di chiave di 2048 bit (o superiori) e crittografia a curva ellittica con curve standardizzate.
Le organizzazioni dovrebbero considerare hardware accelerazione, come moderna CPU e di GPU spesso includono set di istruzioni ottimizzati per attività crittografiche. Inoltre, le organizzazioni dovrebbero valutare i requisiti normativi che regolano la lunghezza della chiave e la scelta dell'algoritmo.
Ecco come implementare un criptosistema ibrido:
- Generare o ottenere una coppia di chiavi asimmetriche. Ogni partner di comunicazione o server in genere genera una coppia di chiavi, memorizza la chiave privata in modo sicuro e pubblica la chiave pubblica tramite un autorità di certificazione o meccanismo simile.
- Crea una chiave di sessione simmetrica. Utilizzare un generatore di numeri casuali crittografico che produca chiavi ad alta entropia. Evitare seed prevedibili o casualità insufficiente.
- Crittografare i dati. Crittografa il messaggio o il file con un cifrario simmetrico come AES-GCM. Questo produce un testo cifrato e spesso include un tag di autenticazione se la modalità scelta supporta la crittografia autenticata.
- Criptare la chiave simmetrica. Criptare la chiave simmetrica con la chiave pubblica del destinatario. Questo passaggio assicura che gli individui non autorizzati che intercettano la trasmissione non possano recuperare la chiave.
- Trasmettere sia il testo cifrato che la chiave crittografata. Invia il testo cifrato e la chiave simmetrica crittografata al destinatario previsto. Canali sicuri come TLS o un protocollo di crittografia e-mail possono fornire livelli di protezione aggiuntivi.
- Il destinatario decifra. Il destinatario decifra la chiave simmetrica con la corrispondente chiave privata. Quindi usa la chiave simmetrica recuperata per decifrare il testo cifrato e recuperare i dati originali.
Quali sono i vantaggi di un criptosistema ibrido?
Ecco i vantaggi di un criptosistema ibrido:
- Alte prestazioni. Gli algoritmi simmetrici crittografano dati di grandi dimensioni o in streaming con un overhead minimo. Questa efficienza è ideale per trasmissioni frequenti e set di dati di grandi dimensioni.
- Distribuzione sicura delle chiavi. Gli algoritmi asimmetrici eliminano la necessità di condividere una chiave segreta in anticipo. I destinatari pubblicano la loro chiave pubblica, rendendo più semplice per i mittenti condividere i dati in modo sicuro senza un canale prestabilito.
- Scalabilità. Puoi aggiungere rapidamente nuovi destinatari distribuendo nuove chiavi pubbliche. Molti partecipanti possono facilmente crittografare i messaggi per un singolo detentore di chiave privata, oppure ogni utente può mantenere una coppia di chiavi individuale.
- Flexbilità nella scelta dell'algoritmoGli sviluppatori possono passare da un algoritmo asimmetrico o simmetrico a un altro senza riprogettare l'intera architettura del sistema. Questo flexLa compatibilità si adatta ai futuri miglioramenti crittografici o ai cambiamenti nei requisiti di sicurezza.
Quali sono le sfide di un criptosistema ibrido?
Ecco le sfide di un criptosistema ibrido:
- Complessità della gestione delle chiaviLe attività chiave del ciclo di vita, tra cui generazione, archiviazione sicura, rotazione e revoca, comportano spese generali amministrative e potenziali singoli punti di guasto.
- Spese di calcolo generali per la chiave pubblica. Le operazioni asimmetriche richiedono più risorse computazionali di quelle simmetriche. I dispositivi con potenza di elaborazione limitata potrebbero aver bisogno di acceleratori hardware o algoritmi ottimizzati per mantenere prestazioni ragionevoli.
- Implementazione/Attuazione vulnerabilità. Seed casuali mal scelti o perdite di canali laterali possono sovvertire l'intero sistema crittografico. I progetti devono seguire le best practice crittografiche ed evitare scorciatoie.
- Vincoli normativi e di conformità. Certi settori devono far fronte a leggi che impongono dimensioni minime delle chiavi o algoritmi consentiti. Le organizzazioni devono rimanere conformi a questi requisiti, il che potrebbe limitare alcune scelte crittografiche.
