Jak działa szyfrowanie: przewodnik po ochronie prywatności cyfrowej

Szyfrowanie to proces przekształcania czytelnych informacji, znanych jako tekst jawny, w nieczytelną formę zwaną szyfrotekstem, za pomocą algorytmu matematycznego i tajnej wartości zwanej kluczem. Tylko osoba posiadająca pasujący klucz może odwrócić proces i odzyskać oryginalne dane. Mechanizm ten stanowi podstawę większości tego, co ludzie dzisiaj nazywają «prywatnością cyfrową», od bezpiecznej obsługi wiadomości po bankowość internetową.

Dwa podstawowe typy: symetryczne i asymetryczne

Systemy kryptograficzne na ogół dzielą się na dwie kategorie. Szyfrowanie symetryczne używa jednego tajnego klucza zarówno do blokowania, jak i odblokowywania danych: zarówno nadawca, jak i odbiorca muszą już posiadać ten sam klucz, zgodnie z firmą Proton zajmującą się prywatnością. Powoduje to, że szyfrowanie symetryczne jest szybkie, ale stwarza praktyczny problem — sam klucz musi być jakoś udostępniony bez przechwycenia.

Szyfrowanie asymetryczne rozwiązuje ten problem, używając dwóch matematycznie powiązanych kluczy: klucza publicznego, który można swobodnie udostępniać, i klucza prywatnego, który jest utrzymywany w tajemnicy. Dane zaszyfrowane jednym kluczem mogą być odszyfrowane tylko drugim, więc nie ma potrzeby wymiany sekretu z wyprzedzeniem. Kompromisem jest prędkość: Proton zauważa, że szyfrowanie asymetryczne jest około 1000 razy wolniejsze niż szyfrowanie symetryczne, ponieważ jego podstawowa matematyka jest znacznie bardziej złożona.

Z powodu tego kompromisu większość rzeczywistych systemów stosuje podejście hybrydowe: szyfrowanie asymetryczne jest używane krótko do wymiany jednorazowego klucza symetrycznego przez otwartą sieć, a następnie szybki algorytm symetryczny obsługuje rzeczywiste dane. Ta kombinacja napędza połączenia stron internetowych HTTPS, wirtualne sieci prywatne (VPN) i zaszyfrowaną pocztę elektroniczną, wyjaśnia Proton.

AES: standard leżący u podstaw większości codziennego szyfrowania

Najszerzej używanym algorytmem symetrycznym jest Advanced Encryption Standard (AES), opublikowany przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii USA (NIST) 26 listopada 2001 roku jako Federal Information Processing Standard (FIPS) 197. AES obsługuje długości kluczy 128, 192 lub 256 bitów i przetwarza dane w blokach 128-bitowych. NIST opisuje go jako zatwierdzony przez FIPS algorytm, który można wykorzystać do ochrony danych elektronicznych, i jest używany w systemach rządowych i komercyjnych na całym świecie.

Co sprawia, że szyfrowanie jest "end-to-end"

Nie wszystkie szyfrowanie zapewnia taki sam poziom ochrony. Standardowe szyfrowanie «w trakcie przesyłania», takie jak protokół TLS używany w HTTPS, chroni dane tylko podczas przesyłania między urządzeniem a serwerem — ale dane mogą być nadal czytelne po dotarciu na serwer. Szyfrowanie end-to-end (E2EE) idzie dalej: zgodnie z IBM, dane pozostają zaszyfrowane podczas przesyłania i są odszyfrowane tylko na urządzeniu odbiorcy, co oznacza, że nawet dostawca usług przekazujący wiadomość nie może przeczytać jej zawartości.

IBM opisuje E2EE jako działające w czterech etapach: algorytm zamienia wiadomość na szyfrotekst; szyfrotekst podróżuje przez sieć, wyglądając jak znaki losowe dla każdego przechwytywacza; urządzenie odbiorcy używa klucza prywatnego lub udostępnianego do przywrócenia oryginalnej wiadomości; a następnie dane są sprawdzane pod kątem integralności, aby potwierdzić, że nie zostały zmienione podczas przesyłania. IBM wymienia platformy do wysyłania wiadomości, takie jak WhatsApp, Signal i iMessage od Apple, a także menedżery haseł takie jak 1Password i Bitwarden, jako przykłady usług, które stosują szyfrowanie end-to-end.

Dlaczego komputery kwantowe zmieniają standardy szyfrowania

Regulatorzy już przygotowują się na przyszłe zagrożenie: wystarczająco potężne komputery kwantowe mogły by w teorii rozwiązać problemy matematyczne, na których opiera się dzisiejszego szyfrowanie asymetryczne. 13 sierpnia 2024 roku NIST zatwierdził trzy nowe Federalne Standardy Przetwarzania Informacji zbudowane specjalnie, aby opierać się atakom zarówno klasycznych, jak i kwantowych komputerów, zgodnie z Centrum Zasobów Bezpieczeństwa Komputerów NIST (CSRC).

Trzy standardy to FIPS 203, Standard mechanizmu hermetyzacji klucza opartego na modułowej sieci (pochodzący z zgłoszenia CRYSTALS-Kyber); FIPS 204, Standard podpisu cyfrowego opartego na modułowej sieci (pochodzący z CRYSTALS-Dilithium); i FIPS 205, Standard podpisu cyfrowego opartego na bezstanowej funkcji skrótu (pochodzący z SPHINCS+). CSRC NIST stwierdza, że standardy są «zaprojektowane, aby opierać się przyszłym atakom komputerów kwantowych, które zagrażają bezpieczeństwu obecnych standardów», obejmując zarówno wymianę kluczy, jak i podpisy cyfrowe używane do weryfikacji, że dane nie zostały zmienione.

Co to oznacza dla codziennej prywatności

Dla większości ludzi praktycznym wnioskiem jest to, że szyfrowanie już chroni wiele aspektów codziennego życia cyfrowego domyślnie — HTTPS zabezpiecza przeglądanie sieci, AES zabezpiecza pliki i ruch Wi-Fi, a E2EE chroni wiele popularnych aplikacji do wysyłania wiadomości. Bieżący przejście na standardy postkwantowe to głównie zmiana infrastruktury tła, zarządzana przez organy normalizacyjne, producentów urządzeń i dostawców usług, a nie coś, co użytkownicy indywidualni muszą konfigurować sami.