§ 19. Защита данных в сетях

Определения и обозначения

Шифрование — преобразование данных в вид, который нельзя прочитать без ключа. Исходный текст — данные до преобразования, шифротекст — результат шифрования, а ключ задаёт правило преобразования. Это нужно, чтобы перехвативший сообщение не смог понять его содержание.

Симметричное шифрование — способ, при котором для шифрования и расшифрования используют один общий секретный ключ. Отправитель и получатель должны иметь одинаковый ключ, поэтому важно не только выбрать надёжный алгоритм, но и защитить сам ключ. Такой способ удобен для обработки больших объёмов данных.

Асимметричное шифрование — способ с парой связанных ключей: открытым и закрытым. Открытый ключ можно передавать по сети, а закрытый должен оставаться у владельца. Такая пара помогает безопаснее организовать обмен секретным ключом, хотя обычно требует больше вычислений.

Электронная цифровая подпись — криптографический способ подтвердить подлинность отправителя и целостность данных. Отправитель создаёт её закрытым ключом, а получатель проверяет открытым. Подпись позволяет выявить изменение документа, но сама по себе не скрывает его содержание.

Как это устроено

Сетевые данные проходят через канал связи, который не всегда контролируют отправитель и получатель. Поэтому злоумышленник может перехватить сообщение, заменить его или нарушить доступ к нему. Средства защиты выбирают с учётом этих разных угроз: конфиденциальность, подлинность и доступность требуют не одного и того же решения.

Шифрование защищает содержимое: даже если посторонний получит шифротекст, без нужного ключа он не сможет прочитать сообщение обычным способом. Отправитель шифрует исходный текст, а получатель выполняет обратное преобразование. Однако получателям ещё нужно договориться о ключе, иначе зашифрованные данные останутся недоступными и им.

При симметричном способе обоим участникам нужен общий секретный ключ. Если отправить его по тому же незащищённому каналу, где передают сообщение, злоумышленник может перехватить и ключ, и данные. Значит, ключ следует передать заранее или использовать отдельный надёжный способ обмена; именно организация этого обмена часто становится сложной частью симметричной схемы.

Асимметричная схема использует два связанных ключа, и каждый выполняет свою роль. Например, отправитель может зашифровать общий секретный ключ открытым ключом получателя: передавать его разрешено, а расшифровать сможет владелец соответствующего закрытого ключа. Так асимметричный способ помогает начать обмен, а затем участники могут применять симметричное шифрование для сообщений.

Подпись решает другую задачу: отправитель формирует её с использованием своего закрытого ключа, а получатель проверяет с помощью открытого ключа отправителя. Успешная проверка показывает, что данные соответствуют подписи и не были незаметно изменены после подписания. Для защиты сети этого недостаточно: нужны также проверка подлинности пользователей, разграничение доступа, межсетевые экраны и резервные копии, чтобы ограничивать подключения и восстанавливать данные.

Сравнение способов защиты данных при передаче по сети

Сначала определите, какую угрозу нужно уменьшить: чтение перехваченного сообщения, подмену документа или нежелательное подключение. Затем выберите соответствующую строку и проверьте её ограничение. На практике несколько средств часто применяют вместе, потому что они защищают разные стороны обмена.

Разбор задач

Защита файла с личными данными

Условие: пользователь отправляет файл с личными данными и хочет, чтобы посторонний не прочитал его содержимое. Значит, главная цель — конфиденциальность, а не подтверждение авторства. Файл следует зашифровать, а ключ организовать так, чтобы он не попал к постороннему вместе с файлом.

1. Выбираем шифрование, потому что оно делает перехваченный файл нечитаемым без ключа.
2. Если применяется симметричный способ, отправитель шифрует файл общим секретным ключом, а получатель расшифровывает его тем же ключом.
3. Участники должны безопасно передать ключ и хранить его отдельно от отправляемого файла.

Ответ: подойдёт шифрование. При симметричном варианте отправителю и получателю нужен один общий секретный ключ, который необходимо безопасно передать; если его уже нет, можно организовать обмен с помощью асимметричной схемы.

Обмен ключом до отправки сообщений

Условие: два пользователя хотят применять симметричное шифрование, но ещё не обменялись ключом. По сети передавать секретный ключ открыто опасно: его может перехватить тот же посторонний, от которого нужно защитить сообщения. Асимметричный способ позволяет передать общий ключ, не раскрывая закрытый ключ получателя.

1. Получатель передаёт отправителю свой открытый ключ; его можно распространять по сети.
2. Отправитель шифрует общий секретный ключ открытым ключом получателя и отправляет результат.
3. Получатель расшифровывает его своим закрытым ключом, который хранит в тайне.
4. После обмена оба используют полученный общий ключ для симметричного шифрования сообщений.

Ответ: асимметричная схема помогает передать общий ключ. Открытый ключ получателя используют для шифрования ключа, а соответствующий закрытый ключ — для расшифрования; пересылать закрытый ключ нельзя.

Проверка подписанного документа

Условие: получатель получил электронный документ с подписью и хочет проверить, кем он подписан и не меняли ли его. Подпись не шифрует документ, поэтому проверка не покажет, был ли он скрыт от посторонних. Для проверки требуется открытый ключ, связанный с отправителем.

1. Получатель проверяет подпись с помощью открытого ключа отправителя.
2. Если проверка успешна, это означает, что подпись соответствует данным документа и закрытому ключу, которым она была создана.
3. Получатель делает вывод о подтверждённом авторстве и целостности, но отдельно оценивает надёжность связи открытого ключа с отправителем.

Ответ: успешная проверка помогает подтвердить авторство и обнаружить изменение данных после подписания. Она не доказывает, что содержимое было конфиденциальным, поскольку подпись сама по себе его не скрывает.

Типичные ошибки

Считать открытый ключ секретным — ошибка: его как раз можно распространять. Путаница возникает из-за слова «ключ», которое ассоциируется с паролем. Проверьте себя: открытый ключ доступен другим, а закрытый хранится у владельца и не передаётся.

Путать шифрование и электронную цифровую подпись — значит приписывать им одну задачу. Шифрование скрывает содержимое, подпись помогает подтвердить авторство и обнаружить изменение данных. Чтобы проверить себя, спросите: сможет ли посторонний прочитать документ без расшифрования? Подпись сама по себе этого не предотвращает.

Надёжный алгоритм не гарантирует защиту, если ключ слабый или раскрыт. Часто внимание сосредотачивают на математическом способе шифрования и забывают, что алгоритму требуется надёжный ключ. Проверьте, кто имеет к нему доступ, как он передаётся и где хранится; секретный ключ нельзя публиковать рядом с зашифрованными данными.

Межсетевой экран не является полной защитой компьютера: он ограничивает сетевые соединения по заданным правилам, но не решает все проблемы безопасности. Его принимают за универсальную защиту, потому что он стоит на границе сети. Проверьте, дополнены ли меры антивирусной защитой, контролем доступа и резервным копированием.

Связь с другими темами

Для понимания защиты нужно знать, как данные передаются по компьютерной сети, кто такие отправитель и получатель и что называют каналом связи. Представления об алгоритмах, кодировании и двоичном представлении информации помогают разобраться, что происходит с данными при преобразовании. Эти знания пригодятся при изучении сетевых протоколов, электронной коммерции и информационной безопасности, где важны шифрование, проверка подлинности и контроль доступа.

Что запомнить

• Сетевые данные могут перехватить, подменить или сделать недоступными.
• Шифрование защищает конфиденциальность данных.
• При симметричном шифровании используется общий секретный ключ.
• В асимметричной криптографии открытый ключ можно передавать, а закрытый хранят в тайне.
• Электронная цифровая подпись помогает проверить авторство и целостность данных, но сама по себе не скрывает их содержимое.
• Надёжность защиты зависит не только от алгоритма, но и от сохранности ключей и правильной организации доступа.