Цель этой публикации – с нуля объяснить ключевые понятия криптографии и крипто-протоколов, подкрепив их примерами из реальной жизни

Каждое наше сообщение в интернете – от сообщения в мессенджере до оплаты покупок – защищено "невидимой силой" под названием криптография. В этой статье я постараюсь простыми словами разобрать, что это такое, зачем нужны ключи и шифры и как работают цифровые подписи и хэш-функции. Вы увидите, где в повседневной жизни встречаются эти технологии (в HTTPS-сайтах, мессенджерах, блокчейне и VPN). Также поговорим о типичных угрозах (прослушка, подделка данных) и о том, как криптография их отражает. И, наконец, заглянем немного в будущее: узнаем, какие вызовы стоят перед защитой информации и как с ними справляются квантовые методы и новые стандарты

Начнём с определения, что вообще такое криптография:

Криптография – это область науки, которая создаёт методы обеспечения конфиденциальности, целостности и подлинности информации. Она использует математические и компьютерные алгоритмы для защиты данных от несанкционированного доступа. Шифрование данных – обязательный элемент информационной безопасности: например, оно защищает финансовые транзакции в банках и личную переписку в мессенджерах. В криптографии строятся протоколы защищённого обмена информацией (например, TLS/SSL для сайтов и SSH для удалённого доступа), а сама технология блокчейн частично основана на криптографических методах для предотвращения подделки записей

Основные понятия криптографии

В криптографии исходное сообщение называют открытым текстом (plaintext), а его зашифрованный вариант — криптограммой. Процесс преобразования открытого текста в «нечитаемый» вид осуществляется по заданному шифру — набору правил и алгоритмов. Шифрование требует специальных данных — ключа, который используется для зашифровки и последующей расшифровки сообщения. Например, Боб может зашифровать «Привет, Алиса!» с помощью секретного ключа, а Алиса, зная этот же ключ, восстановит исходный текст. Также важно знать понятие электронной подписи: с помощью закрытого ключа отправитель шифрует хэш (хэшем называется результат работы хэш‑функции, про неё чуть позже) сообщения, что позволяет получателю проверить авторство и целостность данных.

Основные задачи криптографии сводятся к четырём принципам:

1. Конфиденциальность – никто посторонний не должен иметь возможность узнать содержимое сообщений

2. Аутентификация – проверка личности участников обмена (отправителя, получателя)

3. Целостность – защита данных от подделок и изменений при передаче

4. Неотказуемость – невозможность отрицать факт отправки или получения сообщения

Для решения этих задач используются различные методы: шифрование, хэш-функции (для целостности) и цифровые подписи, а протоколы задают правила их совместного применения

Вернёмся к тому, что такое хэш-функция:

Хэш-функция – это алгоритм, который берёт любые данные (текст, файл) и "сжимает" их в короткий уникальный отпечаток фиксированной длины

Например, при передаче файла можно отправить вместе с ним его хэш; получив файл, мы можем пересчитать хэш и убедиться, что файл не поменялся по дороге

Для примера:

Взяв в качестве входных строку "Привет, Алиса!" и алгоритм хэширования MD5, мы получим строку 8af3f58c6a6b2ef126516bc5a4c74a61

Подробнее про хэш-функции можно почитать, например, здесь

Симметричное и асимметричное шифрование

Криптографические алгоритмы делятся на симметричные и асимметричные. В симметричном шифровании один и тот же секретный ключ используется и для шифрования, и для дешифровки сообщения. Например, алгоритмы AES, GOST и DES используют один общий ключ. Благодаря этому симметричные шифры очень быстрые – они подходят для защиты больших объёмов данных (файлов, каналов связи). Однако перед началом обмена ключ должен быть безопасно передан обеим сторонам (например, заранее договорён или передан через защищённый канал). На рисунке показано, как Боб посылает Алисе сообщение, зашифровывая его общим секретным ключом, а Алиса расшифровывает его тем же ключом:

В асимметричных криптосистемах у каждого участника есть пара ключей: открытый (публичный) и закрытый (секретный). Открытый ключ можно свободно передавать кому угодно – с его помощью любой желающий может зашифровать сообщение или проверить цифровую подпись владельца. Закрытый ключ хранится в секрете и используется для расшифровки сообщений и создания подписи. Классический пример – алгоритм RSA. На схеме ниже Алиса публикует свой открытый ключ (зелёный), а Боб шифрует ей сообщение этим ключом. Лишь Алиса, имея соответствующий закрытый ключ (красный), сможет его расшифровать:

Асимметрические алгоритмы (RSA, Эль-Гамаль, эллиптические схемы) чуть медленнее симметрических, но дают важное преимущество – не требуют личной передачи ключей. Кроме того, криптография с открытым ключом лежит в основе цифровых подписей: отправитель может подписать документ, зашифровав его хэш своим закрытым ключом, а получатель проверит подпись по открытому ключу отправителя

Криптографические протоколы

Криптографический протокол – это набор правил обмена зашифрованной информацией. Во многих сетевых протоколах используются криптографические схемы. Например, протоколы TLS/SSL (которые используются в HTTPS, хотя SSL уже устарел) и SSH для защищённого доступа к серверам используют асимметричное шифрование для обмена ключами и аутентификации. Аналогично, при шифровании электронной почты применяются стандарты PGP и S/MIME (основанные на открытом ключе). Такие протоколы гарантируют, что даже если злоумышленник перехватит трафик, он не сможет прочитать зашифрованные данные или подделать их без обнаружения

Применение криптографии в цифровой жизни

Криптография буквально вездесуща в цифровом мире. Каждый раз, когда вы открываете сайт с адресом https:// или подключаетесь к банковскому терминалу, ваше соединение защищено криптографией. Вот несколько наглядных примеров:

• Любой современный веб-сайт передаёт данные по протоколу HTTPS (TLS), который шифрует трафик между вашим браузером и сервером. Это гарантирует, что логины, пароли и платежные данные не украдут при передаче Аналогично работают VPN-сервисы и защищённые каналы Wi‑Fi (WPA2), которые используют криптографию, чтобы никто не подслушивал вашу активность

• Популярные мессенджеры (WhatsApp, Telegram, Signal и др.) используют сквозное шифрование (end-to-end). Это означает, что только отправитель и получатель имеют ключи для чтения сообщений, и даже серверы посредников их не видят. Криптография гарантирует, что переписку не смогут прочитать посторонние (включая интернет-провайдера)

• Технология блокчейн (стоит в основе таких систем как Bitcoin, Ethereum и т.д.) строится на криптографических принципах. Каждый блок цепочки содержит хэш предыдущего блока и новый хэш своих транзакций. Схема напоминает расчёт цепочки отпечатков: если кто-то изменит хотя бы одну транзакцию в древнем блоке, изменится его хэш и «сломается» дальнейшая цепь. Таким образом подделать историю блокчейна практически невозможно, так как чтобы изменить запись, атакующему нужно было бы пересчитать все последующие блоки и переубедить всю сеть участников (а это невыполнимая задача)

На изображении ниже показана схема работы блокчейна:

• Существуют сети (например, Tor), которые скрывают адреса отправителей и получателей при передаче данных. Tor использует концепцию «лукового маршрута»: сообщение шифруется многослойно и проходит через несколько узлов-серверов, каждый из которых снимает свой слой шифрования (поэтому концепция и называется «луковой»). Благодаря этому ни один промежуточный узел не знает и отправителя, и получателя одновременно. На схеме ниже показан пример «лукового» маршрута: пользователь отправляет данные (левый узел), они проходят через несколько ретрансляторов (минимум три), и лишь на последнем выходном узле расшифровывается последний слой и передаётся на целевой сервер. Это даёт высокий уровень приватности, хотя и не делает передачу мгновенной

  

Основные угрозы и их предотвращение

Криптография противостоит самым разным угрозам:

• Перехват (прослушка). Злоумышленник может пытаться подслушать канал связи. Если сообщение зашифровано сильным алгоритмом, без ключа его невозможно расшифровать — останется лишь набор бессмысленных символов. Например, в протоколе TLS вся передаваемая информация шифруется так, что при перехвате атакующий не узнает ни паролей, ни содержимого переписки. Нужно уточнить, что шифрование защищает только содержимое, но не метаданные (адреса, объём трафика, время передачи и т.п.). Например, даже если злоумышленник видит, что вы зашли на сайт bank.ru, он не узнает ваш пароль или сумму перевода — всё это зашифровано

• Атака «человек посередине» (MITM). При этой атаке злоумышленник тайно встаёт между отправителем и получателем, перехватывает и даже подменяет их сообщения. Например, в открытых Wi-Fi сетях это может выглядеть как посредник, который перехватывает пакеты между устройствами. Криптографические протоколы учитывают такую возможность: для её предотвращения обычно применяется аутентификация сторон через сертификаты или заранее поделённые секреты. Например, TLS проверяет подлинность сайта с помощью сертификата центра сертификации, чтобы убедиться, что клиент шифрует данные для реального сервера, а не для атакующего

• Подделка и изменение. Целью злоумышленника может быть искажение сообщения — изменить транзакцию или письмо так, чтобы получатель в это не подозревал. Здесь на помощь приходят хэш-функции и цифровые подписи. При передаче данных стороны обычно проверяют, совпадает ли хэш полученного сообщения с отправленным (если нет — значит, данные изменились), а цифровая подпись доказывает, что сообщение действительно пришло от отправителя. Таким образом каждый факт изменения становится заметен, а подлинность гарантируется секретным ключом автора

• Перебор ключей (брутфорс) и взлом. Устаревшие алгоритмы с короткими ключами (например, DES с 56 битами) уже не считаются надёжными. Современные системы используют ключи 128/256 бит (AES, например). Даже самый мощный компьютер потребует астрономическое время, чтобы подобрать такой ключ перебором. Квантовые компьютеры ускоряют перебор (алгоритм Гровера примерно «половинит» длину ключа), но в обычных компьютерах криптостойкие алгоритмы с длинными ключами остаются безопасными

• Ошибки реализации. Даже если алгоритм математически надёжен, его программная реализация может содержать уязвимости. Например, существовала уязвимость Heartbleed в библиотеке OpenSSL (2014 год), когда из-за ошибки переполнения буфера секретные ключи сервера могли быть случайно «прочитаны» кем угодно. В результате все механизмы защиты с данной реализацией попросту не работали — секретные ключи оказывались раскрытыми, и злоумышленник мог читать весь трафик и выдавать себя за сервер. Этот случай показывает, что надёжный алгоритм ещё нужно правильно реализовать и обновлять

Квантовые технологии и криптография

Квантовые компьютеры

Развитие квантовых компьютеров ставит под сомнение безопасность многих классических алгоритмов. Квантовые компьютеры потенциально способны эффективно решать задачи, которые для обычных машин неразрешимы за разумное время. В частности, для классических криптосистем (например, RSA) фундаментальное препятствие – факторизация больших чисел – перестаёт быть нерешаемым. С помощью алгоритма Шора квантовый компьютер может быстро разложить большое число на простые множители, то есть взломать ключи RSA намного быстрее, чем классические компьютеры. Это означает, что шифрование с открытым ключом и цифровые подписи на его основе могут стать уязвимы, когда появятся достаточно мощные квантовые машины

На данный момент существующие квантовые компьютеры ещё слишком слабы (в них сотни квантовых бит вместо миллионов, необходимых для реального взлома, например, RSA-2048). Но большинство специалистов считают, что в долгосрочной перспективе постепенный переход к квантово-устойчивым алгоритмам неизбежен. Например, Национальный институт стандартов США (NIST) уже утвердил новые криптографические схемы (Kyber, Dilithium, Falcon и др.), устойчивые к атакам квантовых компьютеров

Квантовая криптография

Квантовые явления открывают и новые возможности защиты. Квантовая криптография использует принципы квантовой механики для создания практически не перехватываемого канала связи. В классическом канале перехват данных остается незаметным для злоумышленников, но в квантовом – каждый акт измерения изменяет состояние передаваемых частиц (например, фотонов). В протоколе BB84 (первом протоколе квантового распределения ключей, появился в 1984 г.) информация кодируется в поляризации фотонов. При попытке подслушать линию (и измерить поляризацию фотона) нарушается исходное состояние, и закон сохранения квантовых свойств выдаёт злоумышленника. Таким образом, если какая-то из сторон обнаружит изменение распределяемого ключа, она поймет о попытке перехвата. В идеале это обеспечивает абсолютно надёжную передачу секретного ключа

Однако квантовая криптография и здесь сталкивается с практическими сложностями. Передача фотонов ограничена расстоянием из-за потерь в волокне: пока можно обеспечить работу канала на сотни километров, но не на тысячи. Кроме того, оборудование (квантовые генераторы и детекторы) очень дорогое. Тем не менее отдельные решения уже внедряются в коммерческих и научных проектах (например, квантовые генераторы случайных чисел в некоторых смартфонах)

Риски и вызовы

Несмотря на мощь и широту применения современных криптосистем, они не гарантируют вечную безопасность. Во-первых, алгоритмы устаревают: как только накапливается много вычислительных ресурсов, старые шифры с короткими ключами становятся уязвимыми к брутфорсу («грубой силе») или криптоанализу (например, MD5 и SHA-1 сейчас считаются небезопасными из-за найденных коллизий). Во-вторых, помимо математических атак, реальную угрозу представляют ошибки в реализации: слабые параметры, ошибки программистов или лазейки («эксплойты») в протоколах (пример – уязвимость Heartbleed в TLS). В-третьих, как уже сказано, грядёт эпоха квантовых компьютеров, способных потенциально сломать многие привычные алгоритмы

Поэтому криптографы непрерывно работают над новыми решениями и стандартами. Разрабатываются и стандартизируются квантово-устойчивые алгоритмы, в основе которых лежат задачи (на решётках, кодах, изогенах), устойчивые даже к квантовым атакам. Переход на эти технологии позволит и дальше сохранять безопасность цифровой информации

Вывод

Криптография является фундаментом современной цифровой безопасности. Каждый день миллионы людей непроизвольно полагаются на её механизмы, часто сами того не подозревая: при входе в почту, совершении покупок онлайн, отправке секретной переписки или использовании платёжных систем. Понимание основ криптографии помогает осознать, как и почему защищаются наши данные. При этом важно помнить о постоянно меняющемся ландшафте угроз: ведь вместе с развитием технологий появляются новые способы атаки (например, квантовые компьютеры), на которые наука должна отвечать обновлением алгоритмов и протоколов. Цифровая безопасность – это непрерывный процесс, и криптография в нём играет ключевую роль