022.1 Lição 1

Cifras simétricas, como o amplamente utilizado no algoritmo AES (Advanced Encryption Standard), dependem da mesma chave para a criptografia e a descriptografia. Essa abordagem é altamente eficiente, especialmente para criptografar grandes volumes de dados, pois as operações de criptografia e descriptografia são relativamente rápidas e com baixo custo computacional.

O algoritmo AES é particularmente favorecido devido às suas fortes características de segurança e desempenho rápido, tornando-o uma escolha padrão para proteger informações sensíveis em uma ampla gama de aplicações. Ele é comumente utilizado para proteger dados em redes sem fio através de protocolos como o WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2), além de ser empregado por governos e organizações para proteger informações confidenciais.

A troca de chaves simétricas geralmente envolve o compartilhamento seguro de uma chave secreta entre as partes antes que possam se comunicar. Como tanto o remetente quanto o destinatário usam a mesma chave para criptografar e descriptografar, essa chave deve ser transmitida de uma maneira que evite a interceptação por partes não autorizadas.

Um método comum para troca segura de chaves é o uso de um meio físico confiável ou chave pré-compartilhada (pre-shared key - PSK), onde a chave é trocada manualmente entre as partes com antecedência. No entanto, em comunicações digitais, um método mais seguro e eficiente envolve o uso de criptografia assimétrica ou protocolos de troca de chaves como o Diffie-Hellman para estabelecer a chave simétrica.

O protocolo Diffie-Hellman permite que duas partes estabeleçam uma chave secreta compartilhada em um canal inseguro, como a internet, sem transmitir diretamente a chave. Isso é alcançado por meio de um processo matemático envolvendo números primos grandes, o que torna computacionalmente inviável para um invasor determinar a chave secreta compartilhada. Uma vez que a chave secreta é estabelecida, ela pode ser usada para criptografia simétrica, garantindo a comunicação subsequente entre as partes. Esse método é fundamental para muitos protocolos criptográficos modernos e é crucial para estabelecer comunicações seguras em ambientes onde métodos tradicionais de troca de chaves não são viáveis.

Aqui está um exemplo simples de como o algoritmo simétrico AES funciona na prática:

No entanto, a criptografia simétrica enfrenta um desafio de distribuição de chaves. Ambas as partes devem obter a mesma chave de forma segura. No entanto, transmitir essa chave de forma segura, especialmente por meio de redes inseguras, é uma tarefa complexa. A criptografia assimétrica surgiu para resolver esse problema.

Em contraste com a criptografia simétrica, que exige que ambas as partes tenham a mesma chave, a criptografia assimétrica utiliza duas chaves diferentes: uma para criptografia (chave pública) e outra para descriptografia (chave privada).

Esse par de chaves é crucial para a comunicação segura, pois permite que qualquer pessoa criptografe uma mensagem usando a chave pública, mas apenas o proprietário da chave privada pode descriptografá-la. Essa abordagem resolve efetivamente o desafio de trocar chaves de forma segura por meio de um canal inseguro, tornando-se uma ferramenta essencial para a troca segura de chaves e assinaturas digitais.

O algoritmo RSA (Rivest-Shamir-Adleman) é um exemplo proeminente de criptografia assimétrica, frequentemente utilizado em certificados digitais e comunicações de e-mail seguras para garantir que os dados possam ser trocados de forma segura sem a necessidade de pré-compartilhar uma chave.

O RSA baseia-se na dificuldade computacional de fatorar números grandes, o que o torna altamente seguro e adequado para várias aplicações, incluindo comunicação de e-mail segura através do PGP (Pretty Good Privacy) e autenticação de usuários no SSH (Secure Shell).

Um desafio na criptografia assimétrica é verificar se uma chave pública realmente pertence ao destinatário pretendido. Sem essa verificação, um invasor poderia interceptar e substituir uma chave pública pela sua, levando a um ataque man-in-the-middle (ataque de intermediário).

Para prevenir isso, existe um sistema de Infraestrutura de Chave Pública (PKI, na sigla em inglês) que fornece uma estrutura para autenticar chaves públicas por meio de certificados digitais emitidos por Autoridades Certificadoras (CAs, na sigla em inglês) confiáveis. Isso garante que as chaves públicas sejam legítimas e não tenham sido adulteradas, permitindo comunicações seguras e confiáveis através das redes.

Além do RSA, outros algoritmos assimétricos, como o Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH), oferecem segurança semelhante, mas com tamanhos de chave menores, tornando-os mais eficientes para dispositivos com poder de processamento limitado, como smartphones. O ECDH utiliza a matemática das curvas elípticas para facilitar trocas seguras de chaves, proporcionando uma segurança robusta com uma sobrecarga computacional reduzida em comparação com o RSA tradicional.

A criptografia híbrida combina efetivamente as vantagens da criptografia simétrica e assimétrica para alcançar uma comunicação segura e eficiente. Dessa forma, a criptografia híbrida aproveita os benefícios de cada uma. Uma aplicação típica da criptografia híbrida é encontrada em protocolos amplamente utilizados, como Secure Sockets Layer/Transport Layer Security (SSL/TLS), que protegem a transmissão de dados pela internet.

A criptografia híbrida é uma excelente escolha porque combina as vantagens dos métodos de criptografia simétrica e assimétrica para criar um sistema robusto e eficiente para a proteção de dados. A criptografia simétrica, como o AES, é altamente eficiente e rápida, tornando-a ideal para criptografar grandes volumes de dados. Ela requer menos poder computacional do que a criptografia assimétrica. Essa eficiência é essencial para aplicações que exigem transferência de dados em alta velocidade, como streaming de vídeo ou compartilhamento de arquivos grandes. Por outro lado, a criptografia assimétrica, como o RSA, é mais intensiva em recursos computacionais, mas oferece um método seguro para a troca de chaves em redes não confiáveis.

Na criptografia híbrida, a criptografia assimétrica é usada para transmitir de forma segura a chave simétrica, que é então utilizada para a criptografia real dos dados. Essa estratégia aproveita os melhores aspectos de ambos os métodos: a segurança robusta da criptografia assimétrica para a troca de chaves e o alto desempenho da criptografia simétrica para a transmissão de dados.

Aqui está como funciona: Durante a fase inicial da comunicação, o remetente gera uma chave simétrica temporária, conhecida como chave de sessão, para criptografar os dados reais. Essa chave de sessão é então criptografada usando a chave pública do destinatário e enviada junto com os dados criptografados. Ao receber a mensagem, o destinatário usa sua chave privada para descriptografar a chave de sessão e, em seguida, utiliza a chave simétrica descriptografada para descriptografar os dados. Esse processo garante que a criptografia e a descriptografia reais dos dados sejam eficientes, enquanto a troca de chaves permanece segura.

Por exemplo, ao visitar um site seguro via HTTPS, o navegador de um usuário e o servidor realizam uma troca de chaves Diffie-Hellman para estabelecer uma chave simétrica compartilhada, que é então usada para criptografar todos os dados trocados durante a sessão. Isso garante que, mesmo que um invasor intercepte a comunicação, ele não consiga ler o conteúdo criptografado sem a chave simétrica, que não pode ser derivada apenas dos dados interceptados.

A criptografia híbrida é um pilar da comunicação segura moderna. Ela possibilita a transmissão segura de dados em cenários que vão desde bancos online e e-commerce até e-mails seguros e conexões VPN. Ao combinar os melhores aspectos de ambos os tipos de criptografia, a criptografia híbrida fornece uma estrutura robusta para proteger dados em trânsito, garantindo tanto desempenho quanto segurança em diversos ambientes digitais.