12. Symetrická kryptografie a hashovací funkce

Co se po vás bude chtít?

Úvod do kryptografie

• Základní pojmy:

  • Kryptologie - věda o šifrách (zahrnuje kryptografii i kryptoanalýzu)
  • Kryptografie - tvorba šifer a šifrování
  • Kryptoanalýza - prolamování šifer
  • Plaintext - nešifrovaný text (čitelný)
  • Ciphertext - šifrovaný text
  • Klíč (key) - tajná informace pro šifrování/dešifrování
  • Keyspace - množina všech možných klíčů

• Cíle kryptografie (CIA triáda):

  • Důvěrnost (Confidentiality) - pouze oprávněné osoby mohou číst data
  • Integrita (Integrity) - detekce neautorizovaných změn dat
  • Autenticita (Authenticity) - ověření původu dat/identity

Historie kryptografie

• Transpozice:

  • Přeuspořádání znaků podle pravidla
  • Příklad: sloupcová transpozice, skytala

• Substituce:

  • Nahrazení znaků jinými znaky
  • Caesarova šifra - posun písmen v abecedě
  • Vigenèrova šifra - polyalfabetická substituce s klíčovým slovem

• Steganografie:

  • Ukrývání zprávy v jiném médiu
  • Příklady: neviditelný inkoust, ukrytí v obrázku, textu

• One-Time Pad (OTP):

  • Teoreticky neprolomitelná šifra
  • Klíč stejně dlouhý jako zpráva, použitý pouze jednou
  • V binárním světě: XOR operace s náhodným klíčem
  • Nevýhoda: distribuce klíčů a délka klíče (1Gb soubor = 1Gb klíče)

Symetrická kryptografie

• Princip:

  • Stejný klíč pro šifrování i dešifrování
  • Odesílatel i příjemce musí znát tajný klíč

• Výhody:

  • Vysoká rychlost šifrování
  • Vhodné pro velké objemy dat

• Nevýhody:

  • Problém distribuce klíčů
  • Pro N uživatelů potřeba N*(N-1)/2 klíčů

Blokové šifry

• Princip:

  • Šifrování dat po blocích pevné velikosti (např. 128 bitů)
  • Stejný vstup = stejný výstup (při stejném klíči)

• AES (Advanced Encryption Standard):

  • Současný standard pro symetrické šifrování
  • Velikost klíče: 128, 192 nebo 256 bitů
  • Velikost bloku: 128 bitů
  • Bezpečný a rychlý

• DES (Data Encryption Standard):

  • Historický standard (1977)
  • Klíč pouze 56 bitů - dnes nebezpečný
  • Velikost bloku: 64 bitů

• 3DES (Triple DES):

  • Trojnásobná aplikace DES
  • Efektivní klíč 112 nebo 168 bitů
  • Pomalejší než AES, postupně nahrazován

• Režimy blokových šifer:

  • ECB (Electronic Codebook) - nebezpečný, stejné bloky = stejný ciphertext
  • CBC (Cipher Block Chaining) - bloky řetězeny, potřeba IV
  • CTR (Counter) - blok jako proudová šifra
  • GCM (Galois/Counter Mode) - šifrování + autentizace

Proudové šifry

• Princip:

  • Šifrování bit po bitu nebo byte po bytu
  • Generátor pseudonáhodné posloupnosti (keystream)
  • XOR s plaintextem

• Vlastnosti:

  • Rychlejší pro menší data
  • Nižší latence (proto využíváme pro real-time komunikaci)
  • Náchylné na zneužití při opakování klíče

• Příklady:

  • RC4 - historicky populární, dnes považován za nebezpečný
  • ChaCha20 - moderní, bezpečná, rychlá (používá Google)
  • Salsa20 - předchůdce ChaCha20

Hashovací funkce

• Princip:

  • Jednosměrná funkce - nelze zpětně získat vstup
  • Libovolně dlouhý vstup → výstup pevné délky (hash/digest)
  • Deterministická - stejný vstup = vždy stejný výstup

• Důležité vlastnosti:

  • Jednosměrnost - z hashe nelze odvodit vstup
  • Odolnost proti kolizím - obtížné najít dva vstupy se stejným hashem
  • Lavinový efekt - malá změna vstupu = velká změna hashe

• Kolize:

  • Dva různé vstupy se stejným hashem
  • U bezpečných funkcí extrémně obtížné najít

Populární hashovací algoritmy

• MD5:

  • Výstup: 128 bitů (32 hex znaků)
  • Nebezpečný - nalezeny kolize
  • Stále používán pro kontrolní součty (ne pro bezpečnost)

• SHA-1:

  • Výstup: 160 bitů
  • Nebezpečný - nalezeny kolize (2017)
  • Deprecated, nepoužívat pro nové aplikace

• SHA-2 (SHA-256, SHA-512):

  • Výstup: 256 nebo 512 bitů
  • Aktuálně bezpečný a široce používaný
  • Standard pro většinu aplikací

• SHA-3:

  • Nejnovější standard (2015)
  • Odlišná konstrukce (Keccak)
  • Alternativa k SHA-2

• BLAKE2/BLAKE3:

  • Moderní, velmi rychlé
  • Bezpečnější než MD5/SHA-1

Využití hashovacích funkcí

• Ukládání hesel:

  • Hesla se neukládají v čitelné podobě
  • Ukládá se pouze hash hesla
  • Při přihlášení se porovnávají hashe
  • Správné funkce: bcrypt, Argon2, scrypt (ne MD5/SHA!)

• Salt (sůl):

  • Náhodná hodnota přidaná k heslu před hashováním
  • Chrání proti rainbow tables (předpočítaným tabulkám s hashy a plaintextem)
  • Každé heslo má unikátní salt

• Kontrola integrity souborů:

  • Ověření, že soubor nebyl změněn
  • Porovnání hashů (checksums)

• Identifikace malware:

  • Porovnání hashe souboru s databází známého malware
  • VirusTotal, malware bazaar

Útoky na hashe

• Brute-force:

  • Zkoušení všech možných kombinací
  • Časově náročné pro silná hesla

• Slovníkový útok (Dictionary attack):

  • Zkoušení běžných slov a hesel
  • Rychlejší než brute-force

• Rainbow tables:

  • Předpočítané hashe pro rychlé vyhledávání
  • Salt je účinná obrana

• Rule-based útoky:

  • Modifikace slov podle pravidel (Password → P@ssw0rd)
  • Nástroje: Hashcat, John the Ripper

• Mask attack:

  • Definování vzoru hesla (?u?l?l?l?d?d)
  • Efektivnější než čistý brute-force

Aplikace symetrické kryptografie

• Šifrování souborů a disků:

  • LUKS (Linux), BitLocker (Windows), FileVault (macOS)
  • VeraCrypt - multiplatformní

• Šifrovaná komunikace:

  • TLS/SSL - symetrické šifrování po výměně klíčů
  • VPN tunely

• Bezpečná správa klíčů:

  • Generování dostatečně náhodných klíčů
  • Bezpečné úložiště klíčů
  • Pravidelná rotace klíčů
  • Key derivation functions (PBKDF2, scrypt)

Připrav se na HAXAGONu

Kryptografie:

• Kryptografie - historické šifry
• Kryptografie - táborové šifry
• Kryptografie - binární soustava
• Kryptografie - hexadecimální soustava
• Enkódování
• Symetrické šifry 1
• Symetrické šifry 2
• CRC32 collision
• Password cracking 1

Digitální základy:

• Binární soustava
• Hexadecimální soustava