آشنایی با کلید عمومی و کلید خصوصی؛ رمز و راز ارتباطات امن در عصر دیجیتال

در عصر دیجیتال، که حجم زیادی از اطلاعات به شکلی آزادانه و سریع در جریان است، مسئله امنیت به یک نگرانی اساسی تبدیل شده‌است. در قلب این امنیت، کلیدهای عمومی و خصوصی ابزارهای رمزنگاری اصلی برای برقراری ارتباطات ایمن را تشکیل می دهند. این جفت قدرتمند، ما را قادر می‌سازند علاوه‌بر محافظت از هویت دیجیتال خود، اطمینان یابیم که پیام‌های ما در شبکه‌های پیچیده اینترنت، محرمانه باقی می‌مانند.

در این مقاله از بلاگ صرافی ارز دیجیتال او ام پی فینکس، به چالش‌های امنیتی حاضر می‌پردازیم، با کلید عمومی و کلید خصوصی آشنا می‌شویم و نحوه عملکرد و اهمیت این کلیدها در امنیت دیجیتال مدرن و ضرورت وجود آن‌ها برای حفاظت از تعاملات آنلاین را بررسی می‌کنیم.

رمزنگاری غیرمتقارن چیست و چگونه کار می‌کند؟

پیش از آنکه با مفهوم کلید عمومی آشنا شویم و بفهمیم کلید خصوصی چیست، لازم است با یک مفهوم کلی‌تر تحت عنوان رمزگذاری نامتقارن (asymmetric encryption) آشنا شویم. رمزگذاری نامتقارن که با عنوان رمزنگاری کلید عمومی (public key cryptography) نیز شناخته می‌شود، روشی نوین برای رمزگذاری است که از یک جفت کلید ریاضی مرتبط یعنی یک کلید عمومی و کلید خصوصی استفاده می‌کند.

برخلاف رمزگذاری متقارن، که در آن از یک کلید خصوصی، هم برای رمزگذاری و هم برای رمزگشایی استفاده می‌شود، در رمزگذاری نامتقارن، کلید عمومی برای رمزگذاری داده‌ها و کلید خصوصی برای رمزگشایی آنها کاربرد دارند. این سیستم رمزگذاری تضمین می‌کند که کلید خصوصی محرمانه باقی می‌ماند، درحالی‌که کلید عمومی می‌تواند آزادانه به‌اشتراک گذاشته شود. این روش به‌طور گسترده برای برقراری ارتباط امن، احراز هویت و یکپارچگی داده‌ها در محیط‌های باز یا ناامن استفاده می‌شود.

لازم به ذکر است که رمزگذاری نامتقارن با برقراری ارتباط امن و احراز هویت در برنامه‌های مختلف مانند بانکداری آنلاین، تجارت الکترونیک و سیستم‌های مبتنی بر بلاک ‌چین، نقشی حیاتی در تامین امنیت دیجیتال مدرن ایفا می‌کند.

نحوه عملکرد رمزگذاری نامتقارن

ارسال امن اطلاعات از طریق سیستم رمزنگاری نامتقارن به‌طور کلی طی ۵ مرحله‌ی تولید کلید، تبادل کلید، رمزگذاری داده‌ها، ارسال داده‌های رمزنگاری‌شده و رمزگشایی صورت می‌گیرد. در ابتدا، یک جفت کلید (کلید عمومی و کلید خصوصی) با استفاده از الگوریتم‌هایی مثل رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC) یا RSA تولید می‌شود. این کلیدها از نظر ریاضی به هم مرتبط هستند، اما نمی‌توانند از یکدیگر مشتق شوند. یعنی امکان پیداکردن کلید خصوصی از روی کلید عمومی با کمک مهندسی معکوس وجود ندارد.

در پروسه رمزنگاری، ابتدا فرستنده، کلید عمومی گیرنده را از یک منبع قابل اعتماد بازیابی می‌کند. سپس، از این کلید عمومی برای رمزگذاری پیام متنی ساده یا پلین تکست (plaintext) استفاده کرده و آن را به متن رمزی یا سایفر تکست (ciphertext) تبدیل می‌کند. سپس ciphertext برای گیرنده ارسال می شود.

در فرآیند رمزگشایی، گیرنده از کلید خصوصی خود برای رمزگشایی ciphertext و تبدیل مجدد آن به plaintext استفاده می‌نماید. نکته مهم اینجاست که فقط دارنده کلید خصوصی قادر به رمزگشایی پیام خواهد بود.

در این فرایند، می‌توان برای احراز هویت فرستنده، از کلید خصوصی برای امضای پیام استفاده کرد. در این شرایط، گیرنده این امضا را با استفاده از کلید عمومی فرستنده تأیید کرده و از صحت و یکپارچگی داده‌ها اطمینان حاصل می‌کند.

کلید عمومی چیست و چه کاربردی دارد؟

اکنون که با مفهوم رمزگاری نامتقارن آشنا شدیم، به این پرسش می‌پردازیم که کلید عمومی چیست و چه کاربردی دارد. پابلیک کی یا کلید عمومی (public key) یک کد رمزنگاری در قالب یک رشته از حروف و اعداد است که در رمزگذاری نامتقارن (asymmetric encryption) استفاده می‌شود. کلیدهای عمومی با اطمینان به‌اشتراک گذاشته شده و برای رمزگذاری داده‌ها استفاده می‌شوند. با توجه به لزوم وجود کلید خصوصی برای رمزگشایی، این سیستم تضمین می‌کند که فقط گیرنده موردنظر می‌تواند به داده‌های اصلی دسترسی داشته باشد، حتی اگر کلید عمومی به‌طور گسترده در دسترس همه قرار داشته باشد.

کلیدهای عمومی با استفاده از توابع هش و الگوریتم‌های ریاضی مانند RSA یا رمزنگاری منحنی بیضی (ECC) تولید شده و اغلب از طریق مراجع معتبر صدور گواهی دیجیتال (CAs) یا دایرکتوری‌های عمومی توزیع می‌شوند. این کلیدها نقشی اساسی در ایمن‌سازی ارتباطات دیجیتال، احراز هویت و فعال‌کردن تراکنش‌های رمزگذاری‌شده ایفا می‌کنند.

بخوانید: تابع هش، هشینگ و هش ریت چیست؟

کلیدهای عمومی مزایای قابل‌توجهی در ایمن‌سازی ارتباطات دیجیتال و یکپارچگی داده‌ها دارند. یکی از مزایای اصلی آنها افزایش محرمانگی است، زیرا پیام‌های رمزگذاری‌شده با یک کلید عمومی فقط با استفاده از کلید خصوصی مربوط به آن رمزگشایی می‌شوند. علاوه بر این، کلیدهای عمومی با امکان‌پذیرکردن امضاهای دیجیتال و تایید هویت فرستنده صحت و اعتبار پیام را تضمین می‌کنند.

یکی دیگر از مزایای اصلی کلید عمومی، مقیاس‌پذیر بودن آن است. کلیدهای عمومی را می‌توان به‌طور گسترده و بدون به‌خطرانداختن امنیت داده‌ها، به‌اشتراک گذاشت. این ویژگی آنها را برای برنامه‌های کاربردی در مقیاس بزرگ مانند ارتباطات وب امن (مثل HTTPS)، تراکنش‌های مبتنی بر بلاک‌چین و رمزگذاری ایمیل ایده‌آل می‌کند.

به‌طور کلی، کلیدهای عمومی با ترکیب قابلیت دسترسی با ویژگی‌های امنیتی قوی، ستون اصلی سیستم‌های رمزنگاری مدرن را تشکیل می‌دهند و اعتماد و حریم خصوصی را در دنیای دیجیتالی امروز تقویت می‌کنند.

موارد استفاده از کلید عمومی

رمزگذاری داده‌ها:

کلیدهای عمومی اطلاعات حساس را رمزگذاری می‌کنند و اطمینان می‌دهند که تنها دارنده کلید خصوصی به آن‌ها دسترسی دارد. به عنوان مثال، هنگامی که شخصی برای شما یک ایمیل رمزگذاری‌شده ارسال می‌کند، از کلید عمومی شما برای ایمن‌سازی پیام استفاده می‌کند.

امضاهای دیجیتال:

کلیدهای عمومی امضاهای دیجیتال و صحت پیام‌ها یا اسناد را تأیید می‌کنند. این ویژگی تضمین می‌کند که فرستنده معتبر بوده و محتوا تغییر نکرده‌است.

اتصال و ارتباطات امن (TLS/SSL):

کلیدهای عمومی در پروتکل‌های HTTPS ضروری هستند، چراکه به ایجاد ارتباطات ایمن بین مرورگرهای وب و سرورها کمک می‌کنند.

بلاک‌چین و ارزهای دیجیتال:

در سیستم‌های مبتنی بر بلاک‌چین، کلیدهای عمومی آدرس‌های کیف پول را تولید کرده و مالکیت تراکنش‌ها را بدون افشای کلیدهای خصوصی تأیید می‌کنند. در واقع پابلیک کی به‌عنوان امضای دیجیتال برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها عمل می‌کند. برای مثال، در یک کیف پول بیت کوین، کلید عمومی به شکل زیر نوشته می‌شود:

شما می‌توانید برای دریافت بیت‌کوین (BTC)، این کلید عمومی را در اختیار سایرین قرار دهید.

کلید خصوصی چیست و چه کاربردی دارد؟

پرایوت کی یا کلید خصوصی (Private key) یک کد رمزنگاری به شکل یک رشته الفبایی طولانی، تصادفی یا شبه تصادفی است که در فرآیندهای رمزگذاری و رمزگشایی، برای ایمن‌سازی ارتباطات دیجیتال استفاده می‌شود. درحالی‌که می‌توان کلید عمومی را برای رمزگذاری داده‌ها با بقیه به‌اشتراک گذاشت، کلید خصوصی باید محرمانه باقی بماند و برای رمزگشایی داده‌ها استفاده شود.

کلیدهای خصوصی چندین مزیت حیاتی در سیستم‌های رمزنگاری به‌همراه دارند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به حفظ محرمانه‌بودن اطلاعات، تسهیل احراز هویت از طریق امضای دیجیتال و جلوگیری از جعل هویت و کلاهبرداری، حفظ یکپارچگی داده‌ها و کنترل مالکیت در سیستم‌های ارز دیجیتال اشاره کرد.

موارد استفاده از کلید خصوصی

رمزگشایی:

در رمزنگاری نامتقارن، داده‌هایی که با کلید عمومی مربوطه رمزگذاری شده‌اند، با کمک کلیدهای خصوصی رمزگشایی می‌شوند. مثلاً، در مثال ارسال یک ایمیل رمزگذاری‌شده، تنها گیرنده دارای کلید خصوصی می‌تواند پیام را رمزگشایی کرده و بخواند.

امضاهای دیجیتال:

از کلیدهای خصوصی برای ایجاد امضای دیجیتال استفاده می‌شود که صحت پیام‌ها یا تراکنش‌ها را تأیید می‌کند.

معاملات ارزهای دیجیتال:

در سیستم‌های بلاک‌چین، کلیدهای خصوصی امکان تایید تراکنش‌ها را فراهم کرده و مالکیت دارایی‌های دیجیتالی را اثبات می‌کنند. گم کردن یا افشای کلید خصوصی می‌تواند منجر به ازدست‌دادن دسترسی شما به این دارایی‌ها شود. به عنوان مثال، اگر یک کیف پول بیت کوین با یک کلید خصوصی به این شکل داشته باشید:

بعد از آغاز تراکنش، کیف پول شما از این کلید خصوصی برای ایجاد یک امضای دیجیتال منحصربه‌فرد استفاده می‌کند. این امضا به تراکنش مربوطه متصل می‌شود و به شبکه اجازه می‌دهد مالکیت قانونی شما بر وجوه ارسالی را تایید کند.

ارتباطات وب امن (TLS/SSL):

در سرورهای وب از کلیدهای خصوصی برای رمزگشایی داده‌های رمزگذاری‌شده با کلیدهای عمومی استفاده می‌شود تا از وجود اتصالات امن برای وب‌سایت‌هایی که از HTTPS استفاده می‌کنند، اطمینان حاصل گردد.

اهمیت کلید عمومی و کلید خصوصی در بلاک‌چین

کلید عمومی و کلید خصوصی امکان انجام تراکنش‌های امن و تأیید مالکیت را در فضای بلاک‌چین فراهم می‌کنند. کلید عمومی برای تولید یک آدرس بلاک‌چین، مشابه شماره حساب بانکی، استفاده می‌شود و به شما اجازه می‌دهد با به‌اشتراک‌گذاری آن با دیگران، نقل‌وانتقال ارزهای دیجیتال را انجام دهید. کلید خصوصی مانند رمز عبور یا پین عمل می‌کند و به کاربر اجازه می‌دهد تراکنش‌ها را امضا و مالکیت دارایی‌های موجود در بلاک‌چین را اثبات کند.

این مکانیسم تضمین می‌کند که حتی اگر تراکنش‌ها به صورت عمومی در بلاک‌چین قابل مشاهده باشند، فقط کاربران مجاز دارای کلید خصوصی، می‌توانند دارایی‌ها را کنترل کنند. به‌طور کلی، کلید عمومی و کلید خصوصی برای ایمن‌سازی کیف پول‌های رمزارزی، برقراری ارتباطات رمزگذاری‌شده و اطمینان از یکپارچگی سیستم‌های مبتنی بر بلاک‌چین، بدون اتکا به مقامات مرکزی ضروری هستند.

روش تولید کلید عمومی و کلید خصوصی

تولید کلید عمومی و کلید خصوصی یکی از فرآیندهای اساسی در رمزنگاری نامتقارن به‌شمار می‌رود که ارتباطات ایمن و حفاظت از داده‌ها را تضمین می‌کند. مراحل تولید کلید عمومی و کلید خصوصی شامل ۶ رکن اصلی به شرح زیر است:

۱. الگوریتم تولید کلید

کلیدهای عمومی و خصوصی با استفاده از چندین الگوریتم‌ ریاضی تولید می شوند که برای رمزگذاری نامتقارن طراحی شده‌اند. این الگوریتم‌ها عبارتند از:

• الگوریتم RSA  (آراس‌اِی: ریوست-شمیر-ادلمن) یا (Rivest-Shamir-Adleman): که از اعداد اول بزرگ برای تولید کلیدها استفاده می‌کند.
• رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC): برای کلیدهای کوچکتر و کارآمدتر به معادلات منحنی بیضوی متکی است.
• الگوریتم امضای دیجیتال (DSA): که برای تولید امضای دیجیتال استفاده می‌شود.

این الگوریتم‌ها تضمین می‌کنند که کلیدها از نظر ریاضی به هم مرتبط هستند، اما نمی‌توان آن‌ها را از یکدیگر استنباط کرد.

۲. ایجاد کلید خصوصی

کلید خصوصی ابتدا به صورت یک عدد تصادفی یا شبه تصادفی ایجاد می‌شود. این عدد باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که حدس‌زدن آن از نظر محاسباتی برای مهاجمان غیرممکن شود. تصادفی بودن، امنیت کلید را تضمین می‌کند.

۳. استخراج کلید عمومی

هنگامی که کلید خصوصی تولید شد، کلید عمومی با استفاده از یک تابع ریاضی خاص برای الگوریتم موردنظر مشتق می‌شود. به‌عنوان مثال در الگوریتم RSA، توان مدولار با کلید خصوصی و سایر پارامترها برای محاسبه کلید عمومی استفاده می‌شود.

۴. اعتبارسنجی کلید

پس از تولید، هر دو کلید اعتبارسنجی می‌شوند تا اطمینان حاصل گردد که الزامات خاص الگوریتم را برآورده می‌کنند. برای مثال، در الگوریتم RSA، بررسی‌ها برای تایید اعتبار اعداد اول منتخب و تایید مطابقت مدول مطابق با استانداردهای امنیتی انجام می‌شود.

۵. توزیع کلید عمومی

کلید عمومی از طریق کانال‌های قابل اعتماد به‌اشتراک گذاشته می‌شود.

۶. ذخیره ایمن کلید خصوصی

کلید خصوصی باید به‌طور ایمن ذخیره شود تا از دسترسی غیرمجاز جلوگیری به‌عمل آید. استفاده از ماژول‌های امنیتی سخت افزاری (HSM) یا دستگاه‌های رمزنگاری امن از رایج‌ترین روش‌ها برای ذخیره امن کلیدهای خصوصی هستند.

تفاوت بین کلید عمومی و خصوصی

تفاوت بین کلیدهای عمومی و خصوصی از چندین جنبه قابل بررسی است. در این بخش ویژگی‌های اصلی هر یک را با هم بررسی خواهیم کرد:

کلیدهای عمومی و خصوصی هر دو در رمزنگاری استفاده می‌شوند، اما به روش‌های مختلفی عمل می‌کنند. کلید عمومی برای رمزگذاری داده‌ها استفاده می‌شود و به‌طور آزادانه در دسترس همه قرار می‌گیرد. این کلید به فرستنده امکان می‌دهد تا داده‌ها را به‌صورت رمزگذاری‌شده برای گیرنده ارسال کند و تنها گیرنده با استفاده از کلید خصوصی متناظر می‌تواند آن را رمزگشایی کند.

در مقابل، کلید خصوصی برای رمزگشایی داده‌های رمزگذاری‌شده با کلید عمومی و همچنین برای ایجاد امضای دیجیتال استفاده می‌شود. این کلید باید به‌طور محرمانه نگهداری شود و فقط در اختیار مالک باشد. از نظر عملکرد، کلیدهای خصوصی در سیستم‌های متقارن سریع‌تر عمل می‌کنند، درحالی‌که کلیدهای عمومی کندتر هستند.

از نظر مکانیزم، کلیدهای عمومی در رمزنگاری نامتقارن کاربرد دارند و به‌طور گسترده برای امنیت نشست‌های وب و ایمیل‌ها استفاده می‌شوند، درحالی‌که کلیدهای خصوصی معمولاً برای محافظت از درایوهای دیسک و دستگاه‌های ذخیره‌سازی به کار می‌روند. در جدول زیر می‌توانید مقایسه دقیق میان کلید عمومی و کلید خصوصی را مشاهده کنید:

کلیدهای عمومی و خصوصی چگونه کار می‌کنند؟

کلیدهای عمومی و خصوصی به‌صورت جفت کار می‌کنند. برای درک بهتر نحوه عملکرد کلید عمومی و کلید خصوصی فرض کنید یک کاربر قصد دارد برای یک کاربر دیگر، یک ایمیل رمزگذاری‌شده ارسال کند. برای این کار، کاربر شماره ۱ کلید عمومی کاربر شماره ۲ را دریافت می‌کند و پیام را با آن رمزگذاری می‌کند.

کاربر شماره ۲ با استفاده از کلید خصوصی خود، که فقط برای او شناخته شده‌است، پیام را رمزگشایی می‌کند و می‌خواند. هیچ شخص دیگری، حتی شرکت‌های صاحب سرور، نمی‌توانند پیام را بخوانند، زیرا کلید خصوصی را در اختیار ندارند. اگر کاربر شماره ۲ بخواهد به این پیام پاسخ دهد، با استفاده از کلید عمومی کاربر شماره ۱، پیام خود را رمزگذاری و ارسال می‌کند. این فرآیند امنیت و محرمانگی را در ارتباطات دیجیتال تضمین می‌کند.

مزایا و معایب کلید عمومی و کلید خصوصی

مثل هر فناوری کاربردی دیگری، کلید عمومی و کلید خصوصی نیز از مزایا و معایب خاصی برخوردار هستند که ویژگی‌های منحصربه‌فرد هر یک را شکل می‌دهند. در این بخش با این نقاط قوت و ضعف بیشتر آشنا می‌شویم.

نقاط قوت کلیدهای عمومی:

• ارتباط امن

• مقیاس‌پذیری

• عدم انکار (Non-repudiation)

• صداقت

نقاط‌ ضعف کلیدهای عمومی:

• عملکرد کندتر

• وابستگی به مراجع معتبر صدور گواهی دیجیتال (CAs)

• مدیریت پیچیده

نقاط قوت کلیدهای خصوصی

• سرعت و کارایی

• محرمانه‌بودن

• کنترل بیشتر روی داده‌ها

نقاط‌ ضعف کلیدهای خصوصی:

• خطر افشای کلید

• عدم مقیاس‌پذیری

• محدودیت احراز هویت

چگونه از کلیدهای خصوصی خود محافظت کنیم؟

حفاظت از کلیدهای خصوصی برای حفظ امنیت دیجیتال و جلوگیری از دسترسی غیرمجاز به اطلاعات حساس ضروری است. یکی از روش‌های مؤثر برای محافظت از کلیدهای خصوصی شامل استفاده از ماژول‌های امنیتی سخت‌افزار (HSM) است که امکان ذخیره‌سازی مقاوم در برابر دستکاری را فراهم می‌کنند و برای محیط‌های مستلزم امنیت بالا ایده‌آل هستند.

علاوه بر این، ماژول‌های پلتفرم مورد اعتماد (TPM) تضمین می‌کنند که عملیات کلید خصوصی به‌طور ایمن در دستگاه‌ها انجام می‌شود و از دسترسی غیرمجاز جلوگیری می‌کند. دستگاه‌های قابل حمل مانند یواس‌بی توکنز (USB Tokens) و اسمارت کارت (Smart Cards) نیز امکان ذخیره‌سازی امن را فراهم می‌کنند. علاوه بر این، رمزگذاری کلیدهای خصوصی با عبارات عبور قوی و ذخیره ایمن آنها می‌تواند یک لایه حفاظتی اضافی ایجاد کند.

برای افزایش بیشتر امنیت، اجرای کنترل‌های دسترسی و محدودیت‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. محدود‌کردن دسترسی به کلیدهای خصوصی با استفاده از کنترل دسترسی نقش‌محور (RBAC) و احراز هویت چند عاملی(2FA) ازجمله این اقدامات است. با استفاده از مجموعه‌ای از این روش‌ها و اقدامات امنیتی، سازمان‌ها می‌توانند به‌طور موثر از کلیدهای خصوصی خود محافظت و یکپارچگی سیستم‌های دیجیتال خود را حفظ کنند.

پابلیک کی و پرایوت کی، پایه‌های رمزگذاری مدرن

کلید عمومی و کلید خصوصی ستون اصلی امنیت دیجیتال را تشکیل می‌دهند و امکان برقراری ارتباطات ایمن، احراز هویت و حفاظت از داده‌ها را در برنامه‌های مختلف امکان‌پذیر می‌کنند. با درک نحوه کار این کلیدها، افراد و سازمان‌ها می‌توانند از قدرت رمزنگاری نامتقارن برای محافظت از اطلاعات حساس خود و ایجاد اعتماد در دنیای دیجیتال استفاده کنند.

سوالات متداول درباره کلید عمومی و کلید خصوصی