Шифрование данных — это преобразование информации в нечитаемый вид, чтобы посторонний человек не смог понять ее содержание. Исходный текст, файл, пароль, фотография или платежные данные проходят через алгоритм и превращаются в набор символов, который выглядит случайным. Вернуть данные в нормальный вид можно только с помощью ключа. 

• Шифровать можно текст, файлы, фото, пароли, платежные данные, базы, архивы и данные на устройстве.
• В шифровании есть три базовых элемента: данные, алгоритм и ключ.
• Данные защищают в трех состояниях: при передаче по сети, при хранении на устройстве или сервере, внутри приложений.
• Симметричное шифрование быстро работает с большими объемами данных, но требует безопасной передачи общего ключа.
• Асимметричное шифрование использует пару ключей и подходит для обмена секретами, сертификатов и цифровых подписей.

Что такое шифрование данных

Шифрование данных — это способ защитить информацию при хранении, передаче или обработке. Данные остаются на том же носителе или идут по той же сети, но без ключа выглядят как бессмысленная последовательность символов. Если злоумышленник перехватит зашифрованный файл или сетевой пакет, он увидит не исходное сообщение, а шифртекст.

В шифровании есть три базовых элемента:

1. Данные. Это то, что нужно защитить: сообщение, пароль, база клиентов, медицинская карта, архив с документами, фото, видео, платежная информация.

2. Алгоритм. Это правило преобразования данных. В древних шифрах правило могло быть простым: заменить каждую букву следующей. В современных системах алгоритм строится на математике и работает с битами.

3. Ключ. Это секретный параметр, без которого нельзя правильно расшифровать данные. Один и тот же алгоритм с разными ключами дает разные результаты.

Простой пример: фразу можно зашифровать, сдвинув каждую букву на две позиции вперед в алфавите. Тогда ключом будет число 2. Такой способ легко взломать, поэтому сейчас его не используют, но общий принцип остается: есть исходный текст, есть правило замены, есть ключ, по которому можно восстановить сообщение.

В реальных системах все сложнее. Алгоритмы работают не с буквами, а с цифровым представлением данных. Файл разбивается на блоки или обрабатывается потоком, ключ задает порядок преобразований, а результат нельзя прочитать без вычислений. Для пользователя это выглядит просто: он вводит пароль, открывает сайт или отправляет сообщение, а шифрование происходит внутри системы.

Шифрование защищает данные в разных состояниях:

• при передаче — когда информация идет по сети между браузером и сайтом, приложением и сервером, двумя пользователями;
• при хранении — когда данные лежат на диске, телефоне, флешке, сервере или в облаке;
• в приложении — когда программа отдельно защищает пароли, токены, локальные базы и служебные файлы.

Шифрование не заменяет все остальные меры безопасности. Если пароль от аккаунта украли, человек сам отправил код из СМС мошеннику или на устройстве работает вредоносная программа, один шифр проблему не решит. Но шифрование снижает ущерб при перехвате, краже устройства, утечке базы или несанкционированном доступе к файлам. 

Современные методы шифрования данных

Современное шифрование делят на несколько групп. Две ключевых — симметричное и асимметричное. Они решают разные задачи, поэтому могут использоваться вместе. 

Симметричное шифрование использует один ключ. Им данные шифруют и им же расшифровывают. Это быстрый и относительно простой способ, который подходит для работы с большими объемами — например, базами данных или потоками трафика. Проблема в передаче ключа. Если отправитель и получатель находятся в разных местах, им нужно безопасно договориться об общем секрете.

Симметричное шифрование легко представить на примере сейфа, от которого есть одинаковые ключи. Один человек кладет туда документ, второй открывает таким же ключом. Сейф удобный и сам по себе прочный, но если ключ скопировали, защита пропала.

К симметричным алгоритмам относятся AES, ChaCha20, DES, 3DES, Blowfish, Twofish. DES и 3DES использовались ранее, но для новых систем их не выбирают: длина ключей и стойкость уже не соответствуют современным требованиям. 

Асимметричное шифрование использует два ключа: открытый и закрытый. Открытый можно передавать другим людям. Закрытый хранится только у владельца. Если сообщение зашифровали открытым ключом, расшифровать его может только тот, у кого есть закрытый.

Такой подход решает проблему передачи секрета: общий ключ не нужно заранее пересылать по незащищенному каналу. Но асимметричные алгоритмы тяжелее для вычислений, поэтому ими не шифруют большие массивы данных напрямую. Их чаще используют для обмена ключами, цифровых подписей, сертификатов и проверки подлинности.

К асимметричным методам относятся RSA, ECC и ElGamal. RSA известен с 1977 года и до сих пор встречается в инфраструктуре сертификатов и подписей. ECC основана на эллиптических кривых и дает сопоставимую стойкость при меньшей длине ключа. Поэтому ее используют в мобильных устройствах, мессенджерах, TLS, электронных подписях и системах с ограниченными ресурсами.

В реальности часто применяется гибридная схема. Она объединяет сильные стороны двух подходов:

• Асимметричное шифрование помогает сторонам безопасно договориться о сеансовом ключе.
• Симметричное шифрование быстро защищает основной поток данных.
• После завершения сеанса временный ключ больше не используется.

Так работает защищенное соединение в интернете. Когда браузер открывает сайт по HTTPS, он проверяет сертификат сервера, стороны согласуют параметры, получают общий сеансовый ключ и уже им шифруют дальнейший обмен. Пользователь видит только значок защищенного соединения, но внутри происходит несколько этапов проверки и обмена ключами.

По способу обработки данных симметричные алгоритмы бывают блочными и поточными.

Блочный шифр делит данные на фрагменты фиксированной длины и обрабатывает каждый блок. Такой подход подходит для файлов, архивов, баз, дисковых разделов. AES относится к блочным шифрам.

Поточный шифр работает с непрерывным потоком данных. Он шифрует информацию по мере поступления и не ждет, пока накопится полный блок. Такой принцип удобен для связи, видео, голосового трафика и работы с другими сценариями, где важна скорость. Например, когда вы звоните другу в мессенджере МАКС, используется поточный шифр. 

Отдельный блок современных методов связан не только с классическим шифрованием, но и с защитой данных в конкретных.

Шифрование при передаче защищает трафик между участниками обмена. Его задача — не дать прочитать данные тому, кто стоит между пользователем и сервером: провайдеру, владельцу публичной сети Wi-Fi, злоумышленнику в локальной сети. Главный пример — TLS в HTTPS.

Шифрование при хранении защищает данные на устройстве или сервере. Работает как страховка, если ноутбук украли, диск вынули, резервную копию скачали, облачное хранилище скомпрометировали. Шифроваться может весь диск, отдельная папка, база данных или конкретные поля.

Сквозное шифрование защищает сообщения так, чтобы их могли прочитать только отправитель и получатель. Сервер передает данные, но не должен видеть их содержание в открытом виде. Такой принцип используют защищенные мессенджеры. При этом метаданные — например, время отправки или факт контакта — могут обрабатываться отдельно.

Гомоморфное шифрование позволяет выполнять вычисления над зашифрованными данными, не раскрывая содержимое. Например, облачная система может обработать данные, не получая их в открытом виде. Такой подход сложен и ресурсоемок, но важен для медицины, финансов, аналитики и машинного обучения на чувствительных данных.

История появления методов шифрования информации

Шифрование появилось задолго до компьютеров. Сначала оно защищало тексты: военные приказы, дипломатические письма, религиозные записи, рецепты, торговые сведения. Задача была простой: сделать сообщение непонятным для постороннего и читаемым для того, кто знает правило.

• Один из древних методов — Атбаш. В нем алфавит разворачивали в обратном порядке: первая буква заменялась последней, вторая — предпоследней. 
• Другой известный пример — скитала у спартанцев. Текст писали на ленте, намотанной на жезл определенного диаметра. Когда ленту снимали, буквы превращались в хаотичный набор. Прочитать послание можно было, снова намотав ленту на жезл такого же размера. Здесь ключом выступал не пароль, а физический размер устройства.
• Шифр Цезаря основан на сдвиге алфавита. Каждая буква заменяется другой, расположенной на несколько позиций дальше. Если шаг равен трем, одна буква переходит в четвертую после нее. Количество шагов и есть ключ. Шифр сейчас выглядит примитивным, но для своего времени был понятным инструментом скрытой переписки.
• Позже появились более сложные системы. Шифр Виженера использовал не систему сдвига символов, а ключевое слово. Из-за этого одна и та же буква исходного текста могла превращаться в разные символы. 

Параллельно развивался и криптоанализ — искусство взлома шифров. В IX веке Аль-Кинди описал частотный анализ: в каждом языке одни буквы встречаются чаще других, и это помогает угадывать замены. С этого момента шифрование и взлом начали развиваться вместе. Новый шифр порождал новый способ атаки, а атака заставляла усложнять шифр.

В Новое время появились механические устройства. Шифровальный диск Альберти, цилиндр Джефферсона, а затем роторные машины автоматизировали замену букв и делали количество вариантов огромным. Самый известный пример — «Энигма», которую использовали немецкие военные во время Второй мировой войны. Ее взлом стал важным событием не только для криптографии, но и для истории вычислительной техники.

После появления компьютеров шифрование стало математической и инженерной задачей. В 1970-х годах появился DES — один из первых широко применяемых электронных стандартов. Позже его заменил AES, рассчитанный на более высокий уровень защиты.

В 1976 году Диффи и Хеллман предложили способ договариваться о секретном ключе по открытому каналу. Это стало важным шагом к асимметричной криптографии. В 1977 году появился RSA — алгоритм с открытым ключом, который применяли для шифрования, обмена ключами и цифровых подписей.

Вопросы и ответы

В разделе ответили на вопросы о шифровании данных.

Что такое шифрование данных?

Шифрование данных — это преобразование информации в зашифрованный вид. Без ключа такие данные нельзя прочитать в нормальном виде, даже если получить к ним доступ.

Что такое ключ шифрования?

Ключ — это секретный набор данных, который участвует в шифровании и расшифровке. Даже при известном алгоритме без правильного ключа восстановить исходную информацию должно быть практически невозможно.

Какие алгоритмы шифрования используют сейчас?

Часто встречаются AES, ChaCha20, RSA и ECC. AES и ChaCha20 применяют для быстрого симметричного шифрования, RSA и ECC — для открытых ключей, подписей и обмена секретами.

Где используется шифрование?

В HTTPS, мессенджерах, мобильных устройствах, банковских сервисах, облаках, корпоративных базах, электронных подписях, при создании резервных копий и систем хранения паролей.