Как криптографические методы, такие как цифровые подписи и шифрование, могут помочь обеспечить целостность и конфиденциальность данных, хранящихся на ненадежных серверах?
Криптографические методы имеют основополагающее значение для обеспечения целостности и конфиденциальности данных, хранящихся на ненадежных серверах. Основные методы, используемые для достижения этих целей, включают цифровые подписи и шифрование. Эти методы обеспечивают надежные механизмы защиты данных от несанкционированного доступа и подделки, а также гарантируют неизменность и подлинность данных.
Цифровые подписи
Цифровые подписи — это криптографические протоколы, которые предоставляют средства проверки подлинности и целостности цифровых сообщений или документов. Они являются цифровым эквивалентом рукописных подписей или печатей, но гораздо более безопасны. Цифровые подписи используют криптографию с открытым ключом (также известную как асимметричная криптография) для создания уникальной подписи для цифрового документа.
Как работают цифровые подписи
1. Генерация ключей: Процесс начинается с генерации пары ключей — закрытого ключа и открытого ключа. Закрытый ключ хранится владельцем в секрете, а открытый ключ передается другим.
2. подписание: Когда владелец хочет подписать документ, он использует свой закрытый ключ для создания подписи. Это делается путем применения к документу криптографической хэш-функции для создания хеш-значения (строки байтов фиксированного размера, которая уникальным образом представляет данные). Затем закрытый ключ используется для шифрования этого значения хеш-функции, создавая цифровую подпись.
3. Проверка: для проверки подписи получатель использует открытый ключ подписавшего. Получатель расшифровывает подпись, используя открытый ключ, чтобы получить значение хеш-функции. Затем они самостоятельно вычисляют хеш-значение полученного документа и сравнивают его с расшифрованным хеш-значением. Если два значения хеш-функции совпадают, подпись проверяется, что указывает на то, что документ не был изменен и является подлинным.
Обеспечение целостности и подлинности
– Честность: Цифровые подписи гарантируют, что данные не были изменены с момента их подписания. Любое изменение данных приведет к изменению значения хеш-функции, что приведет к сбою процесса проверки.
– Подлинность: Цифровые подписи подтверждают личность подписавшего. Поскольку создать подпись может только владелец закрытого ключа, получатель может быть уверен, что данные подписаны законным владельцем.
Пример
Рассмотрим сценарий, в котором компания хранит конфиденциальные контракты на ненадежном облачном сервере. Каждый контракт подписывается с использованием закрытого ключа компании. Когда клиент получает контракт, он может использовать открытый ключ компании для проверки подписи. Если подпись действительна, клиент может быть уверен, что договор не был подделан и действительно принадлежит компании.
Шифрование
Шифрование — это процесс преобразования данных открытого текста в нечитаемый формат, называемый зашифрованным текстом, с использованием криптографического алгоритма и ключа шифрования. Только тот, кто обладает ключом дешифрования, может преобразовать зашифрованный текст обратно в читаемый открытый текст. Шифрование гарантирует, что данные остаются конфиденциальными, даже если они хранятся на ненадежном сервере.
Типы шифрования
1. Симметричное шифрование: При симметричном шифровании один и тот же ключ используется как для шифрования, так и для дешифрования. Этот метод эффективен и подходит для шифрования больших объемов данных. Однако ключ должен быть безопасно разделен между отправителем и получателем.
– Пример: Advanced Encryption Standard (AES) — широко используемый алгоритм симметричного шифрования. Компания может использовать AES для шифрования своей базы данных перед ее сохранением на ненадежном сервере. Только те, у кого есть ключ расшифровки, могут получить доступ к данным.
2. Асимметричное шифрование: Асимметричное шифрование использует пару ключей — открытый ключ для шифрования и закрытый ключ для дешифрования. Этот метод более безопасен для обмена ключами, но требует больше вычислительных ресурсов и медленнее, чем симметричное шифрование.
– Пример: RSA (Ривест-Шамир-Адлеман) — популярный алгоритм асимметричного шифрования. Пользователь может зашифровать конфиденциальные электронные письма, используя открытый ключ получателя, гарантируя, что только получатель сможет расшифровать электронное письмо с помощью своего закрытого ключа.
Обеспечение конфиденциальности
– Данные в состоянии покоя: Шифрование гарантирует, что данные, хранящиеся на ненадежном сервере, остаются конфиденциальными. Даже если посторонняя сторона получит доступ к хранилищу, она не сможет прочитать зашифрованные данные без ключа дешифрования.
– Данные в пути: Шифрование также защищает данные при их передаче по сети. Transport Layer Security (TLS) — это пример протокола, который использует шифрование для защиты данных при передаче, гарантируя, что они не могут быть перехвачены и прочитаны неавторизованными сторонами.
Сочетание цифровых подписей и шифрования
Для максимальной безопасности цифровые подписи и шифрование часто используются вместе. Такое сочетание обеспечивает целостность и конфиденциальность данных.
1. Шифрование данных: Во-первых, данные шифруются с использованием симметричного или асимметричного шифрования. Этот шаг гарантирует, что данные останутся конфиденциальными и не смогут быть прочитаны посторонними лицами.
2. Подписание зашифрованных данных: зашифрованные данные затем подписываются цифровой подписью. Этот шаг гарантирует, что зашифрованные данные не были подделаны, и проверяет личность отправителя.
Пример рабочего процесса
1. Подготовка: Компания хочет хранить конфиденциальные финансовые записи на ненадежном облачном сервере.
2. Шифрование: записи шифруются с использованием AES (симметричное шифрование) для обеспечения конфиденциальности.
3. подписание: зашифрованные записи затем подписываются с использованием закрытого ключа компании для обеспечения целостности и подлинности.
4. Память: подписанные и зашифрованные записи хранятся на облачном сервере.
5. Извлечение и проверка: Когда записи извлекаются, получатель сначала проверяет цифровую подпись, используя открытый ключ компании. Если подпись действительна, получатель затем расшифровывает записи, используя ключ дешифрования.
Этот рабочий процесс гарантирует, что даже если неавторизованная сторона получит доступ к облачному серверу, она не сможет прочитать или изменить записи. Только авторизованные стороны с соответствующим ключом дешифрования и открытым ключом могут получить доступ и проверить записи.
Практические соображения
– Ключевой менеджмент: Эффективное управление ключами важно для безопасности криптографических систем. Ключи должны безопасно генерироваться, распространяться, храниться и при необходимости отзываться. Компрометация ключей может привести к нарушению безопасности.
– Выбор алгоритма: Выбор криптографических алгоритмов и размеров ключей должен основываться на текущих передовых практиках и стандартах. Алгоритмы, которые сегодня считаются безопасными, могут стать уязвимыми в будущем из-за достижений в области вычислительных мощностей и криптоанализа.
– Эффективности: Криптографические операции могут требовать больших вычислительных ресурсов. Следует учитывать влияние на производительность, особенно для крупномасштабных систем или систем с требованиями реального времени.
Заключение
Криптографические методы, такие как цифровые подписи и шифрование, являются важными инструментами для обеспечения целостности и конфиденциальности данных, хранящихся на ненадежных серверах. Цифровые подписи предоставляют средства проверки подлинности и целостности данных, гарантируя, что они не были изменены и получены из законного источника. Шифрование гарантирует, что данные остаются конфиденциальными и не могут быть прочитаны посторонними лицами, даже если они получат доступ к хранилищу. Комбинируя эти методы, организации могут защитить свои данные от несанкционированного доступа и подделки даже при использовании ненадежных серверов хранения.
Другие недавние вопросы и ответы, касающиеся Безопасность передовых компьютерных систем EITC/IS/ACSS:
- Каковы некоторые проблемы и компромиссы, связанные с внедрением аппаратных и программных средств защиты от атак по времени при сохранении производительности системы?
- Какую роль предсказатель ветвления играет в атаках по таймингу процессора и как злоумышленники могут манипулировать им для утечки конфиденциальной информации?
- Как программирование с постоянным временем может помочь снизить риск атак по времени в криптографических алгоритмах?
- Что такое спекулятивное выполнение и как оно повышает уязвимость современных процессоров к атакам по времени, таким как Spectre?
- Как тайминговые атаки используют изменения во времени выполнения для получения конфиденциальной информации из системы?
- Чем концепция согласованности разветвления отличается от согласованности выборки-изменения и почему согласованность разветвления считается самой сильной достижимой согласованностью в системах с ненадежными серверами хранения?
- Каковы проблемы и потенциальные решения для реализации надежных механизмов контроля доступа для предотвращения несанкционированных изменений в общей файловой системе на ненадежном сервере?
- В контексте ненадежных серверов хранения, каково значение ведения согласованного и поддающегося проверке журнала операций и как этого можно достичь?
- Что такое византийские серверы и какую угрозу они представляют для безопасности систем хранения данных?
- Как такие протоколы, как STARTTLS, DKIM и DMARC, способствуют безопасности электронной почты и какова их роль в защите электронной почты?
Посмотреть больше вопросов и ответов в EITC/IS/ACSS Advanced Computer Systems Security