Encriptação

Antiguidade

Uma das primeiras formas de encriptação é a substituição de símbolos, encontrada pela primeira vez na tumba de Khnumhotep II, que viveu em 1900 a.C. no Egito. A encriptação por substituição de símbolos é "não padrão", o que significa que os símbolos exigem uma cifra ou chave para serem compreendidos. Esse tipo de encriptação primordial foi usado em toda a Grécia Antiga e Roma para fins militares. Um dos desenvolvimentos de encriptação militar mais famosos foi a Cifra de César, na qual uma letra do texto puro é deslocada um número fixo de posições ao longo do alfabeto para obter a letra codificada. Uma mensagem codificada com esse tipo de encriptação poderia ser decodificada conhecendo-se o número fixo do deslocamento.

Por volta de 800 d.C., o matemático árabe Alquindi desenvolveu a técnica de análise de frequência – uma tentativa de quebrar cifras sistematicamente, incluindo a cifra de César. Essa técnica analisava a frequência das letras na mensagem encriptada para determinar o deslocamento apropriado: por exemplo, a letra mais comum em um texto em inglês é E e, portanto, é provável que seja representada pela letra que aparece mais frequentemente no texto cifrado. Essa técnica tornou-se menos eficaz com as cifras polialfabéticas, descritas por Alcalcaxandi (1355–1418) e Leon Battista Alberti (em 1465), que variavam o alfabeto de substituição à medida que a encriptação avançava, a fim de confundir tal análise.

Séculos XIX–XX

Por volta de 1790, Thomas Jefferson teorizou uma cifra para codificar e decodificar mensagens a fim de fornecer uma forma mais segura de correspondência militar. A cifra, conhecida hoje como Cifra de Roda ou Disco de Jefferson, embora nunca tenha sido construída por ele, foi concebida como um carretel que poderia embaralhar uma mensagem em inglês de até 36 caracteres. A mensagem poderia ser decriptada inserindo o texto embaralhado em um receptor com uma cifra idêntica.

Um dispositivo semelhante ao Disco de Jefferson, o M-94, foi desenvolvido em 1917 de forma independente pelo major do Exército dos Estados Unidos Joseph Mauborgne. Este dispositivo foi usado nas comunicações militares dos EUA até 1942.

Na Segunda Guerra Mundial, a Alemanha usou a máquina Enigma para comunicações militares encriptadas. A Enigma era mais complexa porque, ao contrário da Roda de Jefferson e do M-94, a cada dia o embaralhamento de letras mudava para uma combinação completamente nova. A combinação de cada dia era conhecida apenas pelas forças do Eixo, então acreditava-se que a única maneira de quebrar o código seria testar mais de 17.000 combinações em 24 horas. Os Aliados combinaram técnicas criptanalíticas com máquinas eletromecânicas para reduzir e testar as configurações plausíveis da Enigma a cada dia.

Era moderna

Hoje, a encriptação é usada na transferência de comunicações pela Internet para fins de segurança e comércio. À medida que o poder de processamento aumenta, a encriptação computacional evolui constantemente para prevenir ataques de escuta clandestina. Uma das primeiras cifras de bloco modernas amplamente adotadas, o Data Encryption Standard (DES), usava uma chave de 56 bits com cerca de ${\displaystyle 7,2\times 10^{16}}$ possibilidades; ela foi quebrada em 1999 pelo decifrador DES da EFF, que levou 22 horas e 15 minutos para fazê-lo.

Os padrões modernos geralmente usam chaves mais robustas, como AES (modo de 256 bits), Twofish, ChaCha20-Poly1305 e Serpent. O AES-128 possui um espaço de chave de ${\displaystyle 2^{128}}$ combinações possíveis, tornando a busca exaustiva por chaves computacionalmente inviável com a tecnologia atual. A opção mais provável para quebrar cifras com chaves longas é encontrar vulnerabilidades no próprio algoritmo, como vieses inerentes e portas dos fundos (backdoors), ou explorando efeitos colaterais físicos por meio de ataques de canal lateral. Por exemplo, o RC4, uma cifra de fluxo, foi descontinuado devido a vieses e vulnerabilidades em sua estrutura.

Tipos

Em esquemas de chave simétrica, as chaves de encriptação e decriptação são idênticas. As partes que se comunicam devem compartilhar a mesma chave secreta para garantir a comunicação.

Em esquemas de criptografia de chave pública, a chave de encriptação é divulgada publicamente para que qualquer pessoa possa encriptar mensagens, mas apenas o destinatário possui a chave privada necessária para a decriptação. A encriptação de chave pública foi descrita originalmente em um documento secreto em 1973; anteriormente, todos os esquemas dependiam exclusivamente de chaves simétricas.^:478 O trabalho publicado por Diffie e Hellman introduziu publicamente a troca de chaves Diffie–Hellman, um método inovador para estabelecer um segredo compartilhado sobre um canal inseguro.

O RSA (Rivest–Shamir–Adleman) é outro criptossistema de chave pública amplamente utilizado, desenvolvido em 1977 e empregado até hoje em aplicações como assinaturas digitais. Utilizando conceitos da teoria dos números, o algoritmo RSA utiliza números primos para gerar tanto a chave pública quanto a privada.

O Pretty Good Privacy (PGP), um software popular de encriptação de chave pública, foi criado em 1991 por Phil Zimmermann e distribuído gratuitamente com código aberto, tendo sido posteriormente adquirido pela Symantec.

Conformidade regulatória

A encriptação é um requisito frequente em legislações de proteção de dados. No contexto da lei norte-americana HIPAA, a encriptação de informações de saúde eletrônicas protegidas (ePHI) é uma medida regulamentada para garantir a privacidade do paciente. De maneira idêntica, o PCI DSS exigido pela indústria de cartões de pagamento estabelece que os números de contas principais (PANs) armazenados sejam mantidos ilegíveis por meio de métodos como a encriptação, além de exigir o uso obrigatório de encriptação para proteger os dados transmitidos por redes abertas e públicas.

Eliminação de dados

Os métodos convencionais de exclusão de dados envolvem a sobrescrita física da mídia de armazenamento, o que pode ser um processo demorado. A criptografia permite o método conhecido como destruição criptográfica (crypto-shredding), no qual o acesso aos dados é permanentemente inviabilizado ao deletar apenas a chave de encriptação correspondente. Um exemplo prático ocorre em dispositivos iOS, nos quais a chave é mantida em um armazenamento apagável dedicado.

Proteção da integridade de textos cifrados

A encriptação, por si só, garante a confidencialidade das mensagens, mas técnicas adicionais são necessárias para assegurar a integridade e a autenticidade dos dados. Isso inclui o uso de códigos de autenticação de mensagem (MAC) ou assinaturas digitais, geralmente gerados por funções hash ou assinaturas PGP. Os algoritmos de encriptação autenticada foram desenvolvidos para fornecer proteção de confidencialidade e integridade simultaneamente.

Apesar dos padrões bem estabelecidos para software e hardware criptográficos, o emprego seguro da encriptação apresenta desafios complexos. Falhas de implementação podem permitir a extração de dados sem a necessidade de quebrar o algoritmo diretamente, como demonstrado em análises de tráfego, ataques TEMPEST ou por meio de cavalos de Troia.

Mecanismos de integridade devem ser aplicados no momento da criação do texto cifrado, preferencialmente no dispositivo de origem, para garantir a proteção ponta a ponta. Se um dispositivo final for levado a confiar em um certificado raiz malicioso, um atacante pode inspecionar e modificar o tráfego encriptado por meio de um ataque do homem no meio (man-in-the-middle). A prática de interceptação TLS em redes corporativas utiliza técnica semelhante de forma autorizada, embora abordagens análogas também já tenham sido empregadas por governos para fins de censura e monitoramento.

Comprimento do texto cifrado e preenchimento

Mesmo quando a encriptação protege o conteúdo da mensagem contra leitura e alteração, o comprimento do texto cifrado atua como um metadado que pode vazar informações confidenciais. Ataques como CRIME e BREACH contra o protocolo HTTPS exploraram essa característica por meio de canais laterais. De maneira mais geral, a análise de tráfego utiliza metadados como tamanho e temporização de pacotes para inferir padrões de comunicação.

A aplicação de preenchimento (padding) antes da encriptação reduz o vazamento de informações sobre o tamanho real do texto claro, ao custo de aumentar o tamanho do arquivo e o consumo de largura de banda. Abordagens como os blobs aleatórios uniformes preenchidos (PURBs) garantem que o texto cifrado não revele estruturas internas, reduzindo o vazamento de metadados a níveis assintoticamente mínimos de ${\displaystyle O(\log \log M)}$ por meio do comprimento.