Что такое шифрование? Полное руководство

Краткая история шифрования

Шифрование для широкой публики в интернете является достаточно новым, но сейчас уже относительно привычным. Изначально шифрование данных использовалось исключительно как мера государственной безопасности: для защиты национальных или военных тайн и предотвращения доступа к ним врагов (реальных или потенциальных). С ростом общественного использования интернета в 1990-х годах изменилась терминология и доступность шифрования. Термины «безопасность» и «конфиденциальность» справедливо распространились на широкую аудиторию. Но эта необходимость скрывать информацию на самом деле существует уже давно.

Древние истоки криптографии

Практика скрытия сообщений уходит корнями в древние цивилизации. Геродот рассказывает, как Истей вымолол секретное сообщение на голове раба после того, как его выбрили, пряча его, пока волосы отрастали. Это стеганография — скрытие сообщения, а не его преобразование.

К 700–500 гг. до н. э. появились шифры для кодирования конфиденциальной информации, например, военных сообщений. Ранние методы включали простую замену букв (A=Z, B=Y). Со временем шифрование становилось всё более сложным. Машины «Энигма» нацистской Германии использовали сложные шифры на основе роторного механизма, а их взлом помог союзникам выиграть Вторую мировую войну.

Таким образом, можно сказать, что шифрование настолько же древнее, как момент, когда человеческий язык стал инструментом политики, и настолько же современное, как язык продолжает становиться цифровым.

Шифрование как современная технология безопасности

Современная цифровая и вычислительная криптография была разработана в 1970‑х годах, во многом благодаря финансированию исследований и инициативам правительства США. RSA (Ривест–Шамир–Адлеман) стал одним из результатов этой работы. Эти разработки не были полностью засекречены, так как в них участвовали академические исследователи и технологические компании, такие как IBM, работавшие по государственным контрактам. Но результаты строго охранялись и считались объектами национальной безопасности. Криптографические технологии даже классифицировались в США как «военное вооружение» или оружие, чтобы ограничивать их экспорт и преследовать за нарушение этих ограничений во время Холодной войны.

Шифрование как инструмент публичной защиты приватности

Благодаря судебным разбирательствам, активизму и инициативам технологических сообществ в США законы о шифровании смягчились, что позволило зашифрованной переписке распространяться по всему миру и дало начало цифровой приватности.

К 2010-м годам большинство веб‑сервисов перешли на использование AES или аналогичных протоколов, сделав шифрование стандартом для браузинга, электронной почты и онлайн‑покупок.

Сегодня борьба за надёжное шифрование без «черных ходов» продолжается. Но сначала давайте разберёмся, как работает шифрование.

Что такое шифрование?

Шифрование — это преобразование данных таким образом, чтобы они были нечитаемы, кроме как для тех, у кого есть необходимые криптографические ключи для их расшифровки. Представьте это сначала как помещение вашей конфиденциальной информации в непроницаемую комнату, доступ к которой возможен только с помощью специального ключа, которым владеете только вы. В конце концов, «шифровать» означает запечатывать, защищать или хранить в тайне. Но вместо того чтобы находиться в физически защищённой комнате, ваши данные преобразуются в цифровой код.

Процесс шифрования

Шифрование превращает ваши данные из «открытого текста» (оригинального и читаемого, или «в открытом виде») в «шифртекст» (нечитабельный, скрытый под «шифром» или головоломкой). Специальные алгоритмы преобразуют каждую букву или значение в ваших данных так, что даже если кто‑то перехватит их, они будут нечитаемыми. Современные алгоритмы шифрования, которые мы рассмотрим, включают AES, RSA и ECC (криптография на эллиптических кривых).

Сила ключей шифрования

Сила шифрования определяется числовой длиной (или количеством бит) ключа(ей) шифрования: чем длиннее ключ, тем сложнее его взломать. В 2001 году AES был установлен как шифрование с 128-битным ключом для как чувствительного, так и общего использования, а также поддерживает 256-битные ключи. Шифрование AES фактически сделало устаревшим оригинальный 56-битный DES (Data Encryption Standard).

Для продвинутой защиты 256-битное шифрование стало эталоном, а в особо чувствительных случаях используются ещё более длинные ключи. Чтобы оценить силу шифрования с длиной ключа 256 бит, отметим, что существует примерно 10^77 возможных числовых комбинаций и ключей.

Основные типы шифрования

Основные виды шифрования различаются тем, как ключи и какие именно ключи передаются между доверенными сторонами. На практике сегодня следующие формы шифрования часто комбинируются, образуя гибридные протоколы шифрования.

Симметричное шифрование

Симметричное шифрование использует один и тот же общий ключ для шифрования и расшифровки данных. И отправитель, и получатель должны иметь этот ключ или заранее его разделить, чтобы шифровать и расшифровывать сообщение соответственно. AES — это основной стандарт симметричного шифрования, который преобразует данные в блоки фиксированного размера по 128 бит.

Поскольку симметричное шифрование значительно эффективнее, оно особенно полезно для больших объёмов данных в состоянии покоя, например для защиты хранилищ баз данных. Однако одна из проблем симметричного шифрования заключается в том, что ключ должен быть безопасно передан между несколькими сторонами, что создаёт угрозу безопасности при отсутствии шифрования. Здесь на помощь приходит асимметричное шифрование.

Асимметричное шифрование

Асимметричное шифрование или открытый криптографический ключ использует два связанных ключа: открытый ключ для шифрования и закрытый ключ для расшифровки. Эти ключи математически связаны через большие простые числа, что обеспечивает возможность расшифровки данных, зашифрованных одним ключом, только с помощью другого. Публичные ключи можно свободно распространять, позволяя любому зашифровать сообщение, которое сможет расшифровать только приватный ключ получателя.

Криптография на эллиптических кривых (ECC)

ECC (криптография на эллиптических кривых) — это быстро развивающаяся форма асимметричного шифрования, основанная на эллиптических кривых над конечными полями. Она генерирует публичные и приватные ключи с помощью сложных математических задач, обеспечивая высокую степень безопасности при минимальных вычислительных затратах. 256-битный ключ ECC эквивалентен 3072-битному ключу RSA, что делает ECC идеальным для SSL/TLS-сертификатов, блокчейна, WireGuard и мобильной безопасности.

Новые формы шифрования

Появляются и новые методы шифрования. WireGuard, например, использует ChaCha20 — быстрый и безопасный потоковый шифр, который шифрует данные побитно. Часто в паре с Poly1305 для аутентификации, ChaCha20-Poly1305 отличается высокой эффективностью и устойчивостью к кибератакам.

Гибридное шифрование для интернет-трафика

Шифрование также может быть гибридным и многослойным, чтобы лучше защищать данные в пути. Как мы видели, симметричное шифрование быстрое, но само по себе не обеспечивает безопасного способа обмена ключами. Криптография с публичными ключами решает эту проблему. Гибридные модели (включая ECC) объединяют протоколы симметричного и асимметричного шифрования на разных уровнях, обеспечивая одновременно безопасность ключей и оптимизацию шифрования.

Узнайте больше о протоколах шифрования с VPN в руководстве Nym.

Протоколы безопасности Интернета

Наиболее распространённой формой гибридного шифрования являются те самые протоколы, которые сегодня защищают трафик в интернете: оригинальный SSL (Secure Socket Layer), TLS (Transport Layer Security), который развил и улучшил SSL, и HTTPS, который работает поверх TLS/SSL.

SSL/TLS — это процесс первоначального установления зашифрованного соединения. Процесс начинается с того, что ваш браузер и веб‑сервис аутентифицируют TLS/SSL‑сертификат последнего и проверяют его действительность через доверенный центр сертификации (CA), чтобы убедиться, что это действительно настоящий сервер. Затем симметричный ключ шифрования безопасно передаётся для шифрования и расшифровки ваших данных.

Многоуровневое шифрование

Обычно пользовательские данные шифруются один раз, так как это обеспечивает достаточную безопасность и высокую скорость. Однако существуют методы, при которых данные могут шифроваться несколько раз. Подключение через VPN, скорее всего, приведёт к тому, что ваши данные будут зашифрованы дважды: сначала через HTTPS‑соединение с конечным сервером, а затем ещё раз — через VPN‑туннель. Эти этапы шифрования фактически образуют слои, при этом HTTPS является первым слоем вокруг ядра ваших открытых данных.

Другие маршрутизационные процедуры используют более сложные конструкции многослойного шифрования. Луковое шифрование в сети Tor — ещё один известный пример гибридного шифрования, добавляющий многослойное шифрование для защиты маршрута пакета через сеть из трёх серверов (или нод). Sphinx создан специально для анонимных коммуникаций в микснете, на котором работает NymVPN.

Ускорение оптимизации

Чем более надёжным является процесс шифрования, тем сильнее может проявляться задержка соединения. Более длинные ключи, многоступенчатый обмен ключами, несколько слоёв шифрования и расшифровка с маршрутизацией через несколько нод — всё это увеличивает затраты времени на вычисления. Но безусловно, это повышает уровень безопасности.

В конечном счёте, онлайн‑безопасность и конфиденциальность всегда подразумевают компромисс со скоростью и производительностью. Поэтому при выборе протокола шифрования или сервиса, например VPN, важно учитывать, какие алгоритмы шифрования и протоколы маршрутизации применяются.

Методы взлома шифрования

Возможно ли взломать защиту шифрования? В принципе, да. На практике же прямой «взлом» современных стандартов шифрования на данный момент невозможен. Для этого потребовались бы огромные вычислительные ресурсы, которые на сегодняшний день, как известно, не существуют. Единственная проблема заключается в том, когда эти вычислительные мощности станут практически доступными. В любом случае давайте разберём способы, с помощью которых это теоретически можно сделать.

Получение ключа

Самый прямой способ взломать шифрование — то есть получить несанкционированный доступ к зашифрованным данным — заключается в получении ключей шифрования/расшифровки. Это можно осуществить несколькими способами.

• Ошибка пользователя: Часто приватные ключи становятся доступными из-за неправильного управления, например повторного использования или небезопасного обмена. Как и пароли, если их скомпрометировать, они могут быть использованы злоумышленниками.
• Кибератаки: Хакеры получают ключи через фишинг, атаки «человек посередине» или взломы баз данных. Фишинг заставляет пользователей раскрывать учётные данные, в то время как злоумышленники могут перехватывать обмен ключами или получать доступ к ключам, хранящимся в незашифрованном виде.
• Социальная инженерия: Психологические приёмы, такие как целевой фишинг или приманки, заставляют пользователей раскрывать ключи. Например, поддельное письмо от ИТ-службы может ложно сообщать о нарушении безопасности, заставляя пользователей раскрывать ключи шифрования.

Даже если какая-либо из этих атак окажется успешной, сами по себе эти методы технически не взламывают шифрование, а используют человеческие уязвимости для получения доступа к ключам.

Атаки методом грубой силы (Brute Force)

Атаки методом грубой силы систематически подбирают ключи шифрования методом проб и ошибок. Однако по мере увеличения длины ключа количество возможных комбинаций растёт экспоненциально, что делает такие атаки непрактичными.

В то время как 56-битное шифрование было взломано за считанные часы и снято с использования, 128-битное шифрование остаётся не взломанным. Продвинутые ключи, такие как 256-битное шифрование, делают атаки методом грубой силы практически невозможными, требуя нереалистичного количества времени и вычислительных ресурсов.

Криптоанализ

Где существуют коды, там следуют попытки их взлома. Криптоанализ, уходящий корнями в древние времена, изучает языковые закономерности для взлома шифров путём уменьшения числа возможных кодов и анализа частотных закономерностей.

С цифровым шифрованием это становится значительно сложнее. Современный криптоанализ ищет закономерности в шифротексте, чтобы сузить число возможных ключей, однако существующие методы остаются в значительной степени непрактичными.

Атаки по побочным каналам

Атаки по побочным каналам нацелены не на само шифрование, а на анализ данных, утекающих из процесса шифрования, таких как потребление энергии компьютером и временные задержки. Эти метаданные могут быть использованы для более точного определения типа используемого алгоритма шифрования и параметров ключей. Но снова же, современные алгоритмы шифрования с ключами 128 и 256 бит остаются практически невзламываемыми, даже если алгоритм известен.

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления представляют собой потенциальную угрозу для шифрования, так как способны выполнять множество вычислений одновременно. Хотя в основном это теоретически, эти суперкомпьютеры могут превзойти традиционные системы в атаках методом грубой силы и криптоанализе. Хотя их точное воздействие остаётся спекулятивным, эта угроза стимулировала разработку квантово-устойчивой криптографии для усиления шифрования против потенциального квантового взлома.

Ограничения шифрования для конфиденциальности

Современные методы шифрования практически непроницаемы, что означает, что содержание вашего онлайн-трафика и сообщений, если они защищены сквозным шифрованием, должно быть в безопасности. Однако одного шифрования данных недостаточно: это необходимая, но не достаточная мера защиты.

Даже если содержимое наших данных зашифровано, существует множество агентов и систем на основе ИИ, которые активно отслеживают нас в интернете и собирают наши метаданные — данные, связанные с зашифрованным трафиком всего, что мы делаем.

Утечка метаданных

Метаданные трафика обладают высокой информативностью, даже когда сообщения зашифрованы. Читаемые данные, такие как IP-адреса, тип устройства, местоположение, IP получателя и временные метки активности, всё ещё могут быть раскрыты. Хотя это напрямую не раскрывает личные данные, их можно сопоставить с записями от интернет‑провайдеров или централизованных VPN. Чаще всего третьи стороны анализируют эти данные, чтобы выявлять поведенческие паттерны и интересы пользователей.

Анализ трафика

Анализ трафика собирает данные о частоте подключений, привычках серфинга, интересах и политических взглядах, создавая огромный массив персональных данных. Даже если сообщения или транзакции зашифрованы, системы отслеживания на базе ИИ всё равно могут анализировать и выводить поведение и интересы пользователя, зачастую без его согласия.

Заключение

Современное шифрование необходимо для онлайн‑безопасности, но недостаточно для обеспечения настоящей конфиденциальности. При широком распространении отслеживания данных и наблюдения требуются дополнительные инструменты для защиты конфиденциальности.

Традиционные VPN часто централизуют метаданные пользователей, что делает их уязвимыми к утечкам и наблюдению. Децентрализованные VPN, такие как NymVPN, устраняют эти риски, предотвращая ведение логов и используя маршрутизацию с несколькими узлами для более надёжной защиты от анализа трафика.

Более подробно о шифровании в VPN изучайте в статьях Nym о протоколах WireGuard и OpenVPN.