Средства криптографической защиты информации

Современный мир, насыщенный цифровыми технологиями, требует надежных способов защиты передаваемых и хранимых данных. Одним из наиболее эффективных инструментов является криптографическая защита информации. Эта статья рассматривает основные аспекты применения данной технологии.

План статьи:

1. Понятие средств криптографической защиты информации

2. Основные типы криптографии

3. Правовое регулирование криптографической защиты

4. Примеры использования СКЗИ

5. Заключение

 Понятие средств криптографической защиты информации

Средства криптографической защиты информации (СКЗИ) — это совокупность аппаратных и программных инструментов, предназначенных для обеспечения конфиденциальности, целостности и доступности данных через шифрование с помощью криптографических алгоритмов. Это делает обрабатываемую информацию недоступной для несанкционированного доступа.

Основные задачи СКЗИ:

• Защита данных от несанкционированного доступа.
• Обеспечение целостности передаваемой или хранимой информации.
• Подтверждение подлинности отправителя и получателя данных.

Рассмотрим основные применяемые типы криптографии.

 Основные типы криптографии

Симметричная криптография (криптография с секретным ключом)

Это тип криптографии, который работает с одним и тем же секретным ключом как для шифрования, так и дешифрования передаваемой информации. С его помощью обеспечивается точное декодирование получаемых данных. При этом использование данной криптографии создает необходимость обеспечения безопасной и защищенной передачи этого ключа между участниками процесса обмена информацией, иначе теряется смысл самого шифрования.

Самым популярным алгоритмом симметричной криптографии является современный стандарт Advanced Encryption Standard (AES). Он чаще всего используется для защиты в Wi-Fi (WPA2), мессенджерах, передаче данных через виртуальные частные сети VPN. Прежнее название этого алгоритма — Rijndael.

К устаревшим версиям симметричной криптографии относится  алгоритм Data Encryption Standard (DES), часто используемый до 2000-х годов. 

Примерами такого типа криптографии также являются алгоритмы:

1. DES — Triple DES (3DES), который использует несколько раундов стандарта шифрования данных для повышения безопасности;
2. альтернативные алгоритмы Blowfish, Twofish, чаще применяемые в  системах безопасности;
3. алгоритм ChaCha20 для современных VPN-протоколов.

Плюсы:

• Быстрое шифрование и дешифрование информации.
• Подходит для шифрования огромных массивов данных.
• Высокая эффективность при использовании в потоковой передаче информации.

Минусы:

• Трудности в безопасной передаче ключа-дешифратора.
• Необходимость обеспечения дополнительной защиты канала передачи ключа-дешифратора.
• Компрометация ключа открывает доступ ко всем зашифрованным данным.
• Нет аутентификации отправителя без внедрения дополнительных механизмов безопасности.

Симметричная криптография используется при передаче и хранении информации в различных сферах. В области безопасной передачи данных симметричное шифрование применяется в TLS/SSL (HTTPS), VPN и Wi-Fi (WPA2, WPA3) для защиты сетевого трафика. Оно также активно используется для шифрования данных в состоянии покоя, включая базы данных, облачные хранилища и полное шифрование дисков (BitLocker, FileVault, LUKS).

Симметричное шифрование используется в мессенджерах (WhatsApp, Signal, Telegram) для защиты переписки, а также в файловых архивах (7-Zip, VeraCrypt, WinRAR). В платежных системах оно применяется для шифрования PIN-кодов, банковских транзакций и защиты EMV-чипов.

В области аутентификации и контроля доступа симметричное шифрование используют в протоколе Kerberos, смарт-картах и биометрических системах. В IoT-устройствах — обеспечивает безопасность связи и обновлений прошивки. В блокчейне и криптовалютах — применяется для защиты приватных ключей и конфиденциальных транзакций.

Несмотря на свои преимущества, симметричная криптография часто комбинируется с асимметричной для безопасного обмена ключами и усиления защиты данных.

Асимметричная криптография 

Второй тип — ассиметричная криптография. В противовес симметричной криптографии, в этом алгоритме используются два типа ключей: открытый и закрытый. Открытый ключ — для шифрования отправляемых данных, закрытый ключ — для расшифровки. Открытый ключ может находиться в общем доступе, с его помощью скрывается смысл информации. Но без ключа дешифровки, даже при раскрытии первого, информацию невозможно считать. Другой ключ, закрытый, который находится в руках у получателя информации, расшифровывает передаваемые данные.

Основные примеры асимметричной криптографии:

1. Rivest-Shamir-Adleman (RSA), используемый для шифрования и цифровых подписей;
2. более современный и эффективный, чем RSA, алгоритм Elliptic Curve Cryptography (ECC), алгоритм, используемый в блокчейне и для защиты мобильных устройств;
3. Diffie-Hellman (DH), алгоритм, используемый для обмена ключами шифрования;
4. алгоритм асимметричного шифрования ElGamal, основанный на проблеме дискретного логарифма.

Плюсы:

• Высокий уровень безопасности.
• Удобно использовать для цифровых подписей и аутентификации.

Минусы: 

• Медленнее работает по сравнению с симметричным шифрованием.

Асимметричная криптография применяется в TLS/SSL (HTTPS), VPN и электронной почте (PGP, S/MIME), обеспечивая шифрование данных и защиту от перехвата.

Также применяется для цифровых подписей и аутентификации в PKI-сертификатах, коде и документе подписания (Adobe Sign, DocuSign), а также в протоколах SSH, Kerberos и FIDO2 для безопасного входа в системы.

В блокчейне и криптовалютах асимметричное шифрование используется для хранения приватных ключей, цифровой подписи транзакций и работы смарт-контрактов.

Также ассиметричное шифрование применяется для сквозного шифрования в мессенджерах WhatsApp, Signal, Telegram.

Хэш-функции (криптография одностороннего шифрования)

Хэш-функция — это способ криптографического шифрования с преобразованием входных данных разного формата в уникальную строку фиксированной длины с помощью текста и цифр. Преобразованная строка называется хэшем. Для хэша характерна фиксированная длина, всегда одинаковая для определенного типа шифрования (например, 256 бит для SHA-256), уникальность каждого набора символов, односторонность и невозможность восстановить исходные данные по хэшу, быстрота вычислений даже при применении с большими данными.

Фактически хэш-функции не шифруют и не дешифруют данные, а создают фиксированную цифровую подпись. И если входные данные изменятся хотя бы на 1 бит, хэш изменится полностью.

Важно! Рассмотрим, в чем разница между хэшем и хэш-функцией?

К основным примерам хэш-функции относятся:

1. используемый в блокчейне и цифровых подписях SHA-2 алгоритм (SHA-256, SHA-512);
2. более устойчивый к атакам формат шифрования SHA-3;
3. более устарелый формат MD5, SHA-1;
4. современные хэш-функции для паролей BLAKE2, Argon2 .

Плюсы:

• Скорость вычисления хэша.
• Проверка целостности шифруемых данных.

Минусы:

• Уязвим для атак на коллизии (если алгоритм устарел).
• Хэш-функция чаще всего используется для проверки целостности файлов, хранения паролей, в цифровых валютах на основе блокчейна, для цифровых подписей и аутентификации.

Гибридная криптография (комбинация симметричной и асимметричной криптографии)

Гибридная криптография представлена комбинацией асимметричной криптографии (RSA, ECC), используемой только для передачи ключей, и симметричной (AES), которая шифрует основной объем данных. Данный подход позволяет компенсировать недостатки каждого из выше рассмотренных видов криптошифрования. Асимметричное шифрование обеспечивает высокий уровень безопасности при обмене ключами, но требует значительных вычислительных ресурсов, в то время как симметричное шифрование характеризуется высокой скоростью обработки данных, однако требует предварительной передачи общего секретного ключа. 

Ярким примером гибридной криптографии является протокол Transport Layer Security (TLS), обеспечивающий безопасность интернет-коммуникаций. В TLS для обмена ключами используется механизм с открытым ключом (например, Диффи-Хеллмана), а для шифрования данных — механизм с симметричным ключом (например, AES). Другим ярким примером является стандарт OpenPGP, используемый для шифрования электронной почты и файлов. 

Плюсы:

• Более высокий уровень безопасности.
• Оптимизированная производительность, значительно ускоряется процесс обработки данных.
• Гибкость и масштабируемость — подходит для различных систем.

Минусы:

• Более сложная реализация.
• Более высокие затраты вычислительных ресурсов.
• Риск компрометации ключей и необходимость их надежного хранения.

Квантовая криптография

Квантовая криптография — это инновационная область, основанная на принципах квантовой механики, обеспечивающая высочайший уровень безопасности связи. В отличие от классических криптографических методов, использующих сложные математические вычисления, данный подход опирается на уникальные свойства квантовых частиц, такие как суперпозиция и запутанность. Благодаря этому любые попытки перехвата становятся мгновенно обнаруживаются.

Квантовое распределение ключей применяется в тех областях, где необходимо обеспечить максимальную достоверность и защиту передаваемой информации: 

• в военном, правительственном и финансовом секторах для защиты передачи конфиденциальных данных; 
• для криптографических приложений; 
• в блокчейне и криптовалютах для предотвращения атак со стороны квантовых компьютеров; для квантовой связи через спутники.

Плюсы:

• Непревзойденная безопасность.
• Защита от квантовых атак.
• Любая попытка перехвата в квантовом канале связи нарушает квантовое состояние, что сигнализирует о несанкционированном доступе.
• Масштабируемость для обеспечения кибербезопасности нового поколения.

Минусы:

• Высокая стоимость реализации.
• Существующие системы имеют ограничения по дальности действия.
• Чувствительность к факторам окружающей среды, таким как шум и потеря фотонов в волоконно-оптических кабелях.
• Неполное решение проблемы безопасности, не подходит для передачи данных.

Криптография на основе решеток

Это сегмент криптографии, который опирается на математическую сложность многомерных геометрических решеток, состоящих из точек. В отличие от традиционных методов шифрования, криптография на основе решеток основывается на чрезвычайной сложности решения математических задач на основе решеток. Считается, что эти задачи устойчивы к атакам даже со стороны квантовых компьютеров. Это делает криптографию на основе решеток важнейшим элементом постквантовой безопасности. Также используется для защиты конфиденциальных транзакций в сфере финансов, государственного управления и безопасности предприятий, защиты криптовалют и децентрализованных сетей.

Плюсы: 

• Квантовая устойчивость, способность противостоять атакам квантовых вычислений.
• Широкий спектр применения.
• Эффективный и производительный вариант защиты для реальных приложений.

Минусы:

• Требование значительно больших размеров ключей по сравнению с классическими криптографическими методами. 
• Неопределенность и строгий научный контроль. Со временем могут быть обнаружены новые уязвимости.
• Сложность реализации, требует обширных знаний как в области криптографической теории, так и в области эффективной реализации алгоритмов.

Криптография с нулевым знанием

Криптография с нулевым знанием, также известная как доказательства с нулевым знанием (ZKP) позволяет одной стороне (проверяющему) подтвердить истинность утверждения другой стороне (проверяемому), не раскрывая никакой дополнительной информации. Используется для подтверждения личности без раскрытия паролей или биометрических данных, для проведения криптовалютных транзакций в конфиденциальных валютах типа Zcash, для подтверждения подлинности информации без доступа к фактическим данным и цифровой верификация личности.

Плюсы:

• Максимальная конфиденциальность. Проверяется только достоверность заявления, а все остальные данные остаются нераскрытыми.
• Снижается риск утечки данных и кибератак.
• Безопасная аутентификация между сторонами, не требующая взаимного доверия.

Минусы:

• Высокие вычислительные затраты.
• Сложность реализации для многих компаний.
• Отсутствует возможность восстановления данных, поскольку они не хранятся и не передаются.

Гомоморфное шифрование

Это передовой криптографический метод, который позволяет выполнять вычисления непосредственно на зашифрованных данных, не требуя их расшифровки. После завершения операций зашифрованные результаты могут быть расшифрованы, чтобы получить тот же результат, как если бы вычисления выполнялись с исходными данными в открытом тексте. Эта техника обеспечивает конфиденциальность данных на протяжении всего процесса обработки, что делает ее незаменимым инструментом для приложений, обеспечивающих конфиденциальность.

Применяется для передачи вычислений на облачные серверы, анализа данных с сохранением конфиденциальности в таких отраслях, как здравоохранение и финансы, безопасного онлайн-голосования для обеспечения анонимности избирателей и честности выборов.

Плюсы:

• Надежная защита конфиденциальности, данные остаются зашифрованными на протяжении всего жизненного цикла.
• Обеспечение целостности данных.
• Помогает компаниям соблюдать строгие правила защиты данных.

Минусы:

• Высокие вычислительные затраты.
• Настройка и оптимизация систем гомоморфного шифрования требует специальных знаний.
• Ограниченная гибкость операций, некоторые схемы шифрования поддерживают только определенные математические операции.

 Правовое регулирование криптографической защиты

В большинстве стран использование СКЗИ регулируется на государственном уровне. Рассмотрим на примере Российской Федерации.  Правовая основа применения средств криптографической защиты информации закреплена в нескольких нормативно-правовых актах.

1. Федеральном законе «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» от 27.07.2006 г. № 149-ФЗ. В этом законодательном акте определяются основные принципы защиты информации, включая использование СКЗИ.
2. Федеральном законе №63-ФЗ «Об электронной подписи». Этот закон регламентирует применение ЭЦП для подтверждения подлинности и обеспечения юридической силы электронных документов.
3. В ГОСТах и стандартах, которые устанавливают требования к алгоритмам шифрования и реализации СКЗИ. Например, ГОСТ Р 34.10-2012 описывает алгоритмы цифровой подписи.
4. В лицензировании и сертификации. СКЗИ, используемые в корпоративной или государственной среде, подлежат обязательной сертификации и лицензированию в Федеральной службе по техническому и экспортному контролю (ФСТЭК).

 Примеры использования СКЗИ

Криптография играет ключевую роль в защите данных в различных сферах, предотвращая несанкционированный доступ, подделку и утечку информации. Средства криптографической защиты информации активно применяются в бизнесе, финансах, государственной сфере, здравоохранении, интернет-технологиях и даже в современных системах «умного» дома. Рассмотрим основные области их использования.

Корпоративная безопасность

СКЗИ используются для защиты коммерческих данных и предотвращения утечек информации. Практические области применения:

• Для зашифрованных VPN в корпоративных сетях для соединения между офисами и удаленными сотрудниками, использующими корпоративный трафик.
• Для шифрования электронной почты (PGP, S/MIME).
• Для внедрения электронных цифровых подписей (ЭЦП) и гарантии подлинности документов в деловой переписке и документообороте.
• Для шифрования баз данных, используемого в ERP-системах, CRM и облачных сервисах для защиты информации клиентов.

Финансовый сектор

Криптография играет ключевую роль в обеспечении безопасности транзакций в финансовом секторе. Банки и электронная коммерция активно используют криптографические методы для защиты данных клиентов и предотвращения мошенничества.

При проведении интернет-платежей и работе онлайн-банкинга применяются протоколы SSL/TLS, шифрующие передаваемую информацию и защищающие ее от перехвата. Для дополнительной безопасности банкоматы и POS-терминалы оснащаются аппаратными модулями HSM, которые предотвращают кражу данных при обработке банковских карт.

Чтобы снизить риски несанкционированного доступа к аккаунтам, в финансовых системах широко используются одноразовые пароли (OTP) и двухфакторная аутентификация (2FA). Эти меры делают вход в онлайн-банки более надежным, обеспечивая дополнительный уровень защиты.

Кроме того, криптография активно применяется в сфере цифровых активов, где она обеспечивает безопасность смарт-контрактов и защищает криптовалютные транзакции от атак злоумышленников. Таким образом, современные криптографические технологии становятся неотъемлемой частью финансовых сервисов, гарантируя безопасность и доверие пользователей.

Государственная безопасность и военные технологии

Государственные структуры и военные организации активно используют криптографические технологии для защиты секретной информации поскольку безопасность передачи данных играет критически важную роль в обеспечении общей национальной безопасности.

Так, закрытые коммуникационные каналы, защищенные СКЗИ, используются для обеспечения безопасности переговоров и обмена данными между государственными органами, исключая возможность перехвата информации или взлома путей передачи данных. В правительственных и военных структурах применяются специальные защищенные мобильные устройства, которые предотвращают утечку конфиденциальной информации.

Кроме того, криптографические алгоритмы играют ключевую роль в системах разведки и кибербезопасности. Они помогают предотвращать кибератаки на критически важные информационные системы, защищая государственные секреты и стратегически значимые данные от потенциальных угроз.

Здравоохранение и защита медицинских данных

В эпоху цифровой медицины защита персональных данных пациентов приобретает особую важность. СКЗД используются для:

• шифрования медицинских записей;
• безопасной передачи медицинских данных;
• биометрической идентификации.

Личная защита данных

Криптография помогает пользователям защитить персональную информацию и предотвратить утечку данных. Примеры использования.

• Для шифрования смартфонов и компьютеров и обеспечения защиты данных в случае кражи устройства.
• В менеджерах паролей для хранения учетных данных и генерации сложных паролей.
• В сквозном шифровании в мессенджерах типа Signal, WhatsApp, Telegram (секретных чатах).
• Для шифрования файлов и облачных хранилищ и предотвращения доступа к конфиденциальным данным.

Интернет и технологии связи

Современный интернет немыслим без криптографии, которая обеспечивает защиту данных и безопасность онлайн-коммуникаций. Каждый день пользователи передают огромные объемы информации, совершают покупки, пользуются социальными сетями и банковскими сервисами, а криптографические технологии помогают сохранить конфиденциальность и предотвратить киберугрозы.

Одним из ключевых инструментов защиты являются протоколы HTTPS и TLS. Они шифруют передаваемые данные на веб-сайтах, гарантируя, что информация между пользователем и сервером остается недоступной для злоумышленников.

Не менее важную роль играет криптография в защите Wi-Fi-сетей. Современные протоколы безопасности, такие как WPA2 и WPA3, предотвращают перехват данных при подключении к беспроводным сетям, защищая пользователей от атак посредника (MITM) и других видов взломов.

Еще одним важным элементом защиты интернета является DNSSEC — расширение безопасности системы доменных имен (DNS). Оно предотвращает подмену сайтов и фишинг-атаки, гарантируя, что пользователи попадают именно на тот ресурс, который они запрашивали, а не на мошеннические страницы.

Благодаря этим и многим другим криптографическим технологиям интернет остается безопасной средой для общения, работы и проведения финансовых операций, минимизируя риски взломов и кибератак.

Интернет вещей (IoT) и умные устройства

В эпоху «умного» дома и промышленного интернета вещей (IIoT) криптография предотвращает взлом и несанкционированное управление устройствами через шифрование данных умных устройств, обеспечение безопасности систем «умного дома», предотвращения взлома видеокамер, умных замков и голосовых помощников, для аутентификации устройств в IoT-сетях и предотвращения несанкционированного подключения гаджетов с вредоносным ПО.

Онлайн-голосование и цифровые выборы

В некоторых странах криптографические технологии применяются для обеспечения прозрачности и безопасности электронного голосования.

• Для шифрования голосов избирателей и защиты тайны голосования.
• Для цифровой подписи бюллетеней, предотвращая их подделку и изменение.
• В блокчейне в голосовании и обеспечения неизменности результатов выборов.

Автомобильная безопасность

Современные автомобили становятся все более технологичными, а вместе с этим растет необходимость в надежной защите данных и систем управления. Криптографические технологии играют ключевую роль в обеспечении безопасности транспортных средств, предотвращая несанкционированный доступ и взломы.

Одно из важнейших направлений применения средств криптографической защиты информации (СКЗИ) в автомобилях — предотвращение удаленного вмешательства в управление транспортным средством. Встроенные системы шифрования обеспечивают защиту связи между ключевыми компонентами автомобиля, не позволяя злоумышленникам перехватить или изменить передаваемые команды.

Еще одной важной областью является использование цифровых ключей. Смартфоны и смарт-карты, применяемые для разблокировки и запуска автомобиля, используют криптографические алгоритмы для аутентификации владельца, исключая возможность подмены сигнала или клонирования ключа.

Кроме того, шифрование данных играет важную роль в беспилотных автомобилях. Системы автономного вождения активно взаимодействуют с облачными сервисами, получают обновления карт и обмениваются данными с другими транспортными средствами. Криптография обеспечивает защиту этих данных, предотвращая кибератаки и попытки манипуляции навигационной системой.

 Заключение

СКЗИ продолжают развиваться, предоставляя все более надежные инструменты защиты, что позволяет обеспечивать безопасность данных в условиях растущих киберугроз. Однако важно помнить, что эффективность использования СКЗИ напрямую зависит от их правильного применения и соблюдения нормативных требований.