Как работает шифрование: руководство по защите цифровой конфиденциальности

Шифрование — это процесс преобразования читаемой информации, известной как открытый текст, в нечитаемую форму, называемую шифротекстом, с использованием математического алгоритма и секретного значения, называемого ключом. Только тот, кто имеет соответствующий ключ, может обратить процесс и восстановить исходные данные. Этот единственный механизм лежит в основе большей части того, что люди сегодня называют «цифровой конфиденциальностью», от защищённого обмена сообщениями до онлайн-банкинга.

Два основных типа: симметричное и асимметричное

Криптографические системы обычно делятся на две категории. Симметричное шифрование использует один секретный ключ как для блокировки, так и для разблокировки данных: и отправитель, и получатель должны уже иметь один и тот же ключ, согласно компании Proton, занимающейся вопросами конфиденциальности. Это делает симметричное шифрование быстрым, но создаёт практическую проблему — сам ключ должен быть передан каким-то образом без перехвата.

Асимметричное шифрование решает эту проблему, используя два математически связанных ключа: открытый ключ, который можно свободно распространять, и приватный ключ, который держится в секрете. Данные, зашифрованные одним ключом, могут быть расшифрованы только другим, поэтому нет необходимости в заранее обмениваться секретом. Компромисс — это скорость: Proton отмечает, что асимметричное шифрование примерно в 1000 раз медленнее, чем симметричное шифрование, потому что его основная математика намного сложнее.

Из-за этого компромисса большинство реальных систем используют гибридный подход: асимметричное шифрование используется кратко для обмена одноразовым симметричным ключом по открытой сети, а затем быстрый симметричный алгоритм обрабатывает основную массу данных. Эта комбинация используется в подключениях веб-сайтов HTTPS, виртуальных частных сетях (VPN) и зашифрованной электронной почте, объясняет Proton.

AES: стандарт, лежащий в основе большинства повседневного шифрования

Наиболее широко используемый симметричный алгоритм — это Стандарт расширенного шифрования (AES), опубликованный Национальным институтом стандартов и технологии США (NIST) 26 ноября 2001 года как Федеральный стандарт обработки информации (FIPS) 197. AES поддерживает длину ключей 128, 192 или 256 бит и обрабатывает данные блоками по 128 бит. NIST описывает его как утверждённый FIPS алгоритм, который можно использовать для защиты электронных данных, и он используется в государственных и коммерческих системах по всему миру.

Что делает шифрование «сквозным»

Не все шифрование обеспечивает одинаковый уровень защиты. Стандартное шифрование «в пути», такое как протокол TLS, используемый в HTTPS, защищает данные только во время передачи между устройством и сервером — но данные всё ещё могут быть читаемы после их поступления на сервер. Сквозное шифрование (E2EE) идёт дальше: согласно IBM, данные остаются зашифрованными в пути и расшифровываются только на устройстве получателя, то есть даже поставщик услуг, передающий сообщение, не может прочитать его содержимое.

IBM описывает E2EE как работающее в четырёх этапах: алгоритм превращает сообщение в шифротекст; шифротекст передаётся по сети, выглядя как случайные символы для любого перехватчика; устройство получателя использует приватный или общий ключ для восстановления исходного сообщения; и затем проверяется целостность данных, чтобы подтвердить, что они не были изменены при передаче. IBM приводит в качестве примеров сервисов, применяющих сквозное шифрование, платформы обмена сообщениями, такие как WhatsApp, Signal и iMessage от Apple, а также менеджеры паролей, такие как 1Password и Bitwarden.

Почему квантовые компьютеры меняют стандарты шифрования

Регуляторы уже готовятся к будущей угрозе: достаточно мощные квантовые компьютеры могли бы, в теории, решить математические задачи, на которых основано сегодняшнее асимметричное шифрование. 13 августа 2024 года NIST одобрил три новых Федеральных стандарта обработки информации, созданные специально для сопротивления атакам как классических, так и квантовых компьютеров, согласно Центру ресурсов безопасности компьютеров NIST (CSRC).

Три стандарта — это FIPS 203, Стандарт механизма инкапсуляции ключей на основе модульной решётки (полученный из заявки CRYSTALS-Kyber); FIPS 204, Стандарт цифровой подписи на основе модульной решётки (полученный из CRYSTALS-Dilithium); и FIPS 205, Стандарт цифровой подписи на основе бесстатусного хеша (полученный из SPHINCS+). CSRC NIST заявляет, что стандарты «предназначены для сопротивления будущим атакам квантовых компьютеров, которые угрожают безопасности текущих стандартов», охватывая как обмен ключами, так и цифровые подписи, используемые для проверки того, что данные не были изменены.

Что это означает для повседневной конфиденциальности

Для большинства людей практический вывод состоит в том, что шифрование уже защищает большую часть повседневной цифровой жизни по умолчанию — HTTPS защищает просмотр веб-сайтов, AES защищает файлы и трафик Wi-Fi, а E2EE защищает многие популярные приложения обмена сообщениями. Текущий переход к стандартам постквантовой криптографии — это в основном изменение фоновой инфраструктуры, управляемое органами по стандартизации, производителями устройств и поставщиками услуг, а не что-то, что должны конфигурировать отдельные пользователи.