Kriptogrāfija: šifrēšana, atšifrēšana un kriptoanalīze
Kriptogrāfija: uzzini par šifrēšanu, atšifrēšanu un kriptoanalīzi — metodes, algoritmi un drošības stratēģijas, lai aizsargātu datus.
Šifrēšana (encryption) ļauj slēpt informāciju tā, lai to nevarētu nolasīt bez īpašām zināšanām — parasti tas nozīmē piekļuvi atslēgai vai parolei. Informāciju pārvērš, izmantojot slepenu kodu jeb šifru, un rezultātu sauc par šifrētu tekstu. Šifrēšanu izmanto, lai nodrošinātu konfidencialitāti (lai tikai tiesīgās personas var lasīt datus), kā arī — kopā ar citiem mehānismiem — datu integritāti un autentifikāciju.
Atšifrēšana un kriptogrāfijas mērķi
Atšifrēšana ir process, kurā šifrētu informāciju pārvērš atpakaļ atklātā tekstā izmantojot atslēgu vai citu nepieciešamo informāciju; atguvums saucas atšifrētā forma. Vispārīgais kriptogrāfijas mērķis ir izveidot šādas funkcijas, kuras ir drošas pret nesankcionētu piekļuvi. Šifrēšanas pētījumus un metodes kopumā sauc par kriptogrāfiju.
Kriptoanalīze — kā šifrēšanu uzlauž
Kriptoanalīzi izmanto, lai pārbaudītu šifrēšanas drošību vai — ļaunprātīgi — atšifrētu datus bez atslēgas. Vienkāršus šifrus, piemēram, Cežara (Caesar) šifru vai vienkāršas burtu aizvietošanas, var analizēt un uzlauzt ar rokām, izmantojot frekvenču analīzi vai vienkāršus noteikumus. Mūsdienu sarežģītākos algoritmus parasti ir iespējams uzlauzt tikai ar datoru palīdzību, dažkārt pat ar milzīgiem resursiem.
Kriptoanalīzē izšķir vairākas pieejas, piemēram:
- ciphertext-only (tikai šifrteksts) — uzbrucējs redz tikai šifrēto tekstu;
- known-plaintext — uzbrucējam ir daļa atklātā teksta un atbilstošais šifrteksts;
- chosen-plaintext un chosen-ciphertext — uzbrucējs var izvēlēties teksta fragmentus un iegūt to šifrētas vai atšifrētas versijas;
- side-channel uzbrukumi — informācijas noplūde caur laiku, enerģijas patēriņu, elektromagnētisku starojumu u.c., kas nav tiešs kriptoteksts.
Simetriskā un asimetriskā kriptogrāfija
Svarīgs sadalījums ir starp simetrisko un asimetrisko šifrēšanu:
- Simetriskā kriptogrāfija izmanto vienu kopīgu atslēgu šifrēšanai un atšifrēšanai (piemērs: AES). Tā parasti ir ātra un efektīva lielu datu apstrādē, bet atslēgas droša apmaiņa ir izaicinājums.
- Asimetriskā (publiskās atslēgas) kriptogrāfija izmanto atslēgu pārus — publisku atslēgu, ar kuru šifrē, un privātu atslēgu, ar kuru atšifrē (piemēri: RSA, ECC). To izmanto atslēgu apmaiņai, digitālajām parakstiem un autentifikācijai.
Algoritmu un metožu piemēri
- Vēsturiskas metodes: Cežara šifrs, vienkārša burtu aizvietošana un transpozīcija — viegli uzlaužamas ar analīzi.
- Mūsdienu simetriskie algoritmi: AES (Advanced Encryption Standard) — plaši izmantots datu šifrēšanai.
- Mūsdienu asimetriskie algoritmi: RSA, ECC (eliptisko līkņu kriptogrāfija) — izmanto sevišķi pie drošas atslēgu apmaiņas un digitāliem parakstiem.
- Maisījuma un integritātes funkcijas: SHA-2 (piem. SHA-256), SHA-3 — kriptogrāfiskie haši, kas pārveido datus uz fiksēta garuma kodu.
- Digitālie paraksti: nodrošina autentiskumu un nemainību (non-repudiation) — parakstītāja identitāte un tas, ka ziņa nav mainīta.
Lietojumi un prakse
Kriptogrāfija ir bāze daudzām drošības tehnoloģijām: droša interneta pārlūkošana (TLS/HTTPS), e-pasts, datu glabāšana mākonī, kriptovalūtas, digitālie paraksti, VPN un mobilā sakaru aizsardzība. Lai tā darbotos droši praksē, svarīgi:
- izmantot pārbaudītus un atbalstītus algoritmus un bibliotēkas;
- nodrošināt spēcīgas, nejaušas atslēgas un drošu to glabāšanu (piem., HSM, drošas atslēgu veikalu sistēmas);
- regulāri atjaunināt programmatūru, jo atklātas ievainojamības var kompromitēt kriptogrāfiju;
- nekad neizmantot pašu izgudrotus šifrus vai vājus nejaušības avotus;
- pārzināt atslēgu dzīves ciklu — ģenerēšana, apmaiņa, glabāšana, revokācija un iznīcināšana.
Kriptoanalīzes sarežģītība un nākotnes izaicinājumi
Daudzu mūsdienu šifrēšanas drošība balstās uz skaitļošanas problēmu sarežģītību — piemēram, lielu skaitļu faktorizēšanas vai diskretā logaritma problēmu grūtību. Tomēr jauni tehnoloģiski atklājumi var mainīt šo līdzsvaru: kvantu skaitļošana teorētiski apdraud daudzas publiskās atslēgas shēmas (piem., RSA, ECC), tāpēc izstrādā un ievieš postkvantu kriptogrāfiju — algoritmus, kuri ir droši arī pret kvantu uzbrukumiem.
Noslēgums — labas prakses īss kopsavilkums
- Izmantojiet standartizētus un plaši pārbaudītus algoritmus (piem., AES, RSA/ECC ar atbilstošiem parametriem).
- Rūpīgi pārvaldiet atslēgas un paroles; izmantojiet garas, nejaušas atslēgas un daudzfaktoru autentifikāciju.
- Izvairieties no “māju” šifru risinājumiem — kriptogrāfijai ir nepieciešama rūpīga matemātiska pārbaude.
- Sekojiet nozares attīstībai, it īpaši kvantu skaitļošanas jomā, un plānojiet pāreju uz postkvantu risinājumiem, kad tas kļūs nepieciešams.
Kriptogrāfija ir gan praktiska rīcība datu aizsardzībai, gan aktīva zinātnes nozare, kas apvieno matemātiku, datorzinātnes un inženieriju, lai radītu drošas komunikācijas un datu apstrādes risinājumus.
Piemēri
Vienkāršs vārdu šifrēšanas veids ir ROT13. ROT13 gadījumā alfabēta burti tiek mainīti viens ar otru, izmantojot vienkāršu shēmu. Piemēram, A mainās uz N, B mainās uz O, C mainās uz P utt. Katrs burts tiek "pagriezts" par 13 atstarpēm. Izmantojot ROT13 šifru, vārdi Simple English Wikipedia kļūst par Fvzcyr Ratyvfu Jvxvcrqvn. ROT13 šifru ir ļoti viegli atšifrēt. Tā kā angļu valodas alfabētā ir 26 burti, ja burtu pagriež divas reizes pa 13 burtiem katru reizi, iegūsim sākotnējo burtu. Tādējādi, piemērojot ROT13 šifru otrreiz, tiek iegūts oriģinālais teksts. Sazinoties ar savu armiju, Jūlijs Cēzars dažkārt izmantoja tā dēvēto Cēzara šifru. Šis šifrs darbojas, mainot burtu pozīciju: katrs burts tiek pagriezts par 3 pozīcijām.
Lielākā daļa šifrēšanas veidu tiek padarīti sarežģītāki, tāpēc kriptoanalīze būs apgrūtināta. Daži no tiem ir paredzēti tikai tekstam. Citi ir paredzēti binārajiem datorfailiem, piemēram, attēliem un mūzikai. Mūsdienās daudzi cilvēki izmanto asimetrisko šifrēšanas sistēmu, ko sauc par RSA. Ar RSA var šifrēt jebkuru datora datni. AES ir izplatīts simetriskais algoritms.
Vienreizējs spilventiņš
Lielāko daļu šifrēšanas veidu teorētiski var uzlauzt: ienaidnieks var atšifrēt ziņojumu, nezinot paroli, ja viņam ir gudri matemātiķi, jaudīgi datori un daudz laika. Vienreizējais bloķētājs ir īpašs, jo, ja to izmanto pareizi, to nav iespējams uzlauzt. Ir jāievēro trīs noteikumi:
- Slepenajai atslēgai (parolei) jābūt tikpat garai kā slepenajai ziņai: ja ziņai ir 20 burti, tad arī atslēgai jābūt vismaz 20 burtiem.
- slepenajai atslēgai jābūt nejaušai (piemēram, KQBWLDA...).
- Slepeno atslēgu drīkst izmantot tikai vienu reizi. Lai nosūtītu vairāk nekā vienu ziņojumu, katram ziņojumam jāizmanto cita atslēga.
Ja tiek ievēroti šie trīs noteikumi, tad nav iespējams nolasīt slepeno ziņojumu, nezinot slepeno atslēgu. Šā iemesla dēļ aukstā kara laikā vēstniecības un lielas militārās vienības bieži izmantoja vienreizējās ievades, lai slepeni sazinātos ar savām valdībām. Tām bija mazas grāmatiņas ("blociņi"), kas bija piepildītas ar nejauši izvēlētiem burtiem vai nejauši izvēlētiem skaitļiem. Katru lapu no blociņa varēja izmantot tikai vienu reizi: tāpēc to sauc par "vienreizēju blociņu".
Šifrēšana internetā
Šifrēšanu bieži izmanto internetā, jo daudzas vietnes to izmanto, lai aizsargātu privātu informāciju. Internetā tiek izmantoti vairāki šifrēšanas protokoli, piemēram, Secure Sockets Layer (SSL), IPsec un SSH. Tajos izmanto RSA šifrēšanas sistēmu un citas. Aizsargātas tīmekļa pārlūkošanas protokolu sauc par HTTPS. URL šifrēšanai galvenokārt izmanto MD5 algoritmu. Atkarībā no nepieciešamības interneta tirgū tiek izmantoti dažādi algoritmi.
Saistītās lapas
- FreeOTFE - Disku šifrēšana
- Pretty Good Privacy (PGP) - e-pasta šifrēšana
- PuTTY - SSH šifrēšana
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir šifrēšana?
A: Šifrēšana ir process, kurā, izmantojot slepenu kodu vai šifru, paslēpj informāciju tā, lai to nevarētu izlasīt bez īpašām zināšanām, piemēram, paroles.
J: Ko nozīmē atšifrēšana?
A: Dešifrēšana ir process, kurā šifrēta informācija tiek pārveidota atpakaļ atklātā tekstā, kas ir atšifrētā veidā.
J: Kas ir kriptogrāfija?
A: Kriptogrāfija ir pētījums par šifrēšanu un to, kā padarīt informāciju drošu.
J: Vai šifrus var analizēt ar rokām?
A: Vienkāršus šifrus var analizēt ar rokām, un šo procesu sauc par kriptoanalīzi.
J: Kāda veida šifru uzlaušanai ir nepieciešams dators?
A: Sarežģītiem šifriem ir nepieciešams dators, lai meklētu iespējamās atslēgas.
J: Kā sauc datorzinātņu nozari, kas pēta atšifrēšanu?
A: Dešifrēšana ir datorzinātnes un matemātikas nozare, kurā pētī, cik grūti ir uzlauzt šifru.
J: Kāds ir šifrēšanas mērķis?
A: Šifrēšanas mērķis ir aizsargāt sensitīvu informāciju, padarot to nelasāmu bez īpašām zināšanām vai paroles.
Meklēt