Krüptograafia: määratlus, šifreerimine, võtmetüübid ja ajalugu

Krüptograafia on meetodite ja algoritmide kogum, mille abil muudetakse teave loetavast vormist selliseks, et seda saaks lugeda ainult volitatud osapool. See hõlmab nii šifreerimist (kodeerimist), mille eesmärk on muuta lihttekst salakirjaks, kui ka dešifreerimist (dekodeerimist), mille abil salakirjast taastatakse algne teave. Algoritm on täpne sammude jada, mida järgides sooritatakse need teisendused.

Šifreerimine ja dekrüpteerimine

Šifreerimine (kodeerimine) tähendab teabe teisendamist tavatekstist šifreeritud või kodeeritud tekstiks ehk salakirjaks. See salakirjasõnum sisaldab kogu lihtkirjasõnumi informatsiooni, kuid ilma nõuetekohase mehhanismi ja võtmeta seda ei loeta. Dešifreerimine (dekodeerimine) on vastupidine protsess: salakirja teisendamine tagasi arusaadavaks lihttekstiks.

Mittetehnilises kõnepruugis kasutatakse mõnikord sõnu "šiffer" ja "kood" vaheldumisi, kuid krüptograafias tehakse nende vahel selge vahe: šifriga peidetakse teave täht- või bititasandil (näiteks asendamise või permutatsiooni kaudu), samas kui koodid sidusid ajalooliselt laiemad sõnad või fraasid fikseeritud koodimärkidega (näiteks koodiraamatud).

Võtmed ja võtmetüübid

Krüptograafias on võtmel keskne roll: võtmest sõltub, kuidas konkreetne lihttekst teisendatakse salatekstiks ja vastupidi. Ilma õige võtmeta ei saa salakirja õieti lahti murda.

• sümmeetrilise võtme algoritmid (privaatvõtme krüptograafia): krüpteerimiseks ja dekrüpteerimiseks kasutatakse sama võtit. Seda tüüpi šifrid on tavaliselt kiired ja sobivad suurte andmevoogude töötlemiseks (näiteks AES).
• asümmeetrilise võtme algoritmid (avaliku võtme krüptograafia): krüpteerimiseks ja dekrüpteerimiseks kasutatakse kahte erinevat, kuid matemaatiliselt seotud võtit — avalikku ja privaatset. Avalikku võtit võib levitada laialdaselt, privaatne võti jääb omaniku valdusse. Asümmeetrilist krüptograafiat kasutatakse näiteks üldiselt võtmevahetuseks, digiallkirjade loomisel ja autentimisel (näiteks RSA, ECC).

Põhikontseptsioonid ja tüüpilised meetodid

Krüptograafias kasutatakse mitmeid põhimõtteid ja tehnikaid:

• Blokišifrid ja voostšifrid — blokišifrid töötlevad fikseermõõtmelisi andmeplokke (nt AES plokkide kaupa), voostšifrid töötlevad andmeid ühe bitti või baidi kaupa.
• Hash-funktsioonid — ühesuunalised kokkuvõtufunktsioonid (nt SHA-256, SHA-3), mis annavad fikseeritud pikkusega sõnumi "sõrmejälje". Neid kasutatakse andmete terviklikkuse kontrolliks ja parooli säilitamiseks.
• Digitaalsed allkirjad — asümmeetriliste algoritmide alusel loodud allkirjad võimaldavad kinnitada sõnumi autentsust ja terviklikkust.
• Key exchange (võtmevahetus) — meetodid, mis võimaldavad turvalist seansi- või krüpteerimisvõtme kokkuleppimist isegi avatud kanalil (nt Diffie–Hellman, elliptiline Diffie–Hellman).
• Krüptanalüüs — šifrite turvalisuse murdmine, mis hõlmab nii matemaatilist analüüsi kui ka praktilisi ründevaldkondi (nt statistiline analüüs, külma- või kõrge- temperatuuri rünnakud).

Krüptograafia ajalugu

Krüptograafia ajalugu ulatub tagasi iidsetesse tsivilisatsioonidesse. Varased meetodid hõlmasid lihtsaid asendusi ja permutatsioone (nt Seesari šiffer). Keskaegsed koodiraamatud ja diplomaatilised koodid olid laialt kasutusel until 20. sajandini, mil tehnoloogia areng muutis matemaatilise krüptograafia kesksemaks. 20. sajandil, eriti kahe maailmasõja ja külma sõja aegadel, mängis krüptograafia olulist rolli sõjalises ja riiklikus kommunikatsioonis.

Sõna cifre on prantsuse päritolu ning keskaja ladina cifra kaudu tuletatud araabia sõnast sifr, mis tähendab "null". Esmakordselt ilmus sõna zero inglise keeles 1598. aastal. 20. sajandi lõpul muutusid traditsioonilised "koodid" haruldasemaks ja tänapäeval krüptograafia töötab peamiselt bitivoogude ja matemaatiliste algoritmidega (krüptograafia).

Tänapäevased rakendused

Krüptograafiat kasutatakse laialdaselt igapäevastes tehnoloogiates ja infosüsteemides:

• Veebiturvalisus ja privaatne andmevahetus (TLS/HTTPS) — krüpteerib andmeedastuse brauseri ja serveri vahel.
• Digiallkirjad ja autentimine — tagavad dokumentide ja tarkvaraväljastuste usaldusväärsuse.
• Andmete krüpteerimine kettal või serverites — kaitseb andmeid varguse või volitamata juurdepääsu vastu.
• Virtuaalse privaatvõrgu (VPN) ja sõnumside (end-to-end encryption) lahendused — privaatsuse kaitsmine reaalajas suhtluses.
• Krüptorahad ja plokiahel — krüptograafilised primitiivid (hashid, digitaalallkirjad) tagavad tehingute terviklikkuse ja turvalisuse.

Turvalisus, parimad praktikad ja tulevik

Krüptograafia turvalisus sõltub nii algoritmi tugevusest, võtmete pikkusest kui ka rakendusest. Mõned peamised soovitused:

• Kasutada laialt tunnustatud ja analüüsitud algoritme (nt AES-256, RSA-2048/3072 või ECC vastava tugevusega) ning vältida kodus toimetatud šifreid.
• Tagada võtmete turvaline genereerimine, säilitamine ja asendamine ning kasutada võtmehaldust (key management) ja riistvaralisi turvamehhanisme (HSM-id, TPM-id).
• Rakendada sobivaid protokolle (nt TLS 1.2/1.3) ja hoida tarkvara ajakohasena, et vältida teadaolevaid haavatavusi.
• Arvestada tulevikuriskidega: kvantarvutuste areng võib murda mõningaid praegu kasutatavaid asümmeetrilisi skeeme (nt RSA, ECC). Seetõttu töötatakse välja postkvantkrüptograafilisi algoritme, mis peaksid olema resistentsed kvantarünnakute suhtes.

Krüptograafia piirid ja eetika

Kuigi krüptograafia pakub võimsat kaitset, ei ole see universaalne lahendus. Turvarikkumised tekivad sageli valesti implementeeritud süsteemidest, nõrkadest võtmehaldustavadest või inimlikest eksimustest (sotsiaalne manipuleerimine). Samuti tõstatab krüptograafia juriidilisi ja eetilisi küsimusi — näiteks kurjategijate kasutus, eraelu puutumatus ja õiguskaitse nõuded.

Kokkuvõttes on krüptograafia tänapäeva digitaalmaailmas keskne tehnoloogia, mis tagab konfidentsiaalsuse, terviklikkuse ja autentimise. Selle teadlik ja korrektne kasutamine, koos pideva uuendamise ja turvaaudititega, on edaspidi üha tähtsam nii üksikisikute kui ka organisatsioonide jaoks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on küüne?

K: Kuidas krüpteeritakse teavet?

K: Mis vahe on salakirja ja koodi vahel?

K: Kuidas krüpteerimine toimib?

K: Kuidas jagunevad šifrid kasutatava võtme tüübi järgi?

K: Kust pärineb sõna "šifreerimine"?

Otsing