Encriptação

Este artigo é sobre algoritmos e processos para encriptação e decriptação. Para uma visão geral da tecnologia criptográfica, ver Criptografia.

Uma ilustração simples de criptografia de chave pública, uma das formas de encriptação mais amplamente utilizadas.

Na criptografia, a encriptação (ou cifragem) é o processo de transformar informações de forma que, idealmente, apenas partes autorizadas possam decodificá-las. Esse processo converte a representação original da informação, conhecida como texto claro (ou texto puro), em uma forma alternativa conhecida como texto cifrado. A encriptação em si não previne a interceptação, mas impede o acesso ao conteúdo inteligível por um potencial interceptador.

Por razões técnicas, um esquema de encriptação geralmente usa uma chave de encriptação pseudoaleatória gerada por um algoritmo. Em um esquema de encriptação moderno e bem projetado, decriptar o texto cifrado sem a chave apropriada deve ser computacionalmente inviável. Um destinatário autorizado pode decriptar facilmente a mensagem com a chave fornecida pelo remetente, enquanto o acesso é negado a usuários não autorizados.

Historicamente, várias formas de encriptação foram usadas para auxiliar na comunicação secreta. As primeiras técnicas eram frequentemente empregadas em mensagens militares. Desde então, novas técnicas surgiram e se tornaram essenciais na computação moderna. Os esquemas modernos utilizam os conceitos de chave pública e chave simétrica.

História

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 al-Kindi 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 $7,2\times 10^{16}$ 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 $2^{128}$ 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.

Encriptação na criptografia

No contexto da criptografia, a encriptação serve como um mecanismo para garantir a confidencialidade. Como os dados navegam pela Internet, informações confidenciais, como senhas e comunicações pessoais, podem ser expostas a interceptações. O processo de encriptar e decriptar mensagens envolve chaves. Os dois tipos principais de esquemas de encriptação são a criptografia de chave simétrica e a de chave pública (ou assimétrica).

Muitos algoritmos criptográficos utilizam aritmética modular em suas implementações.

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. 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.

Usos

A encriptação é historicamente utilizada por forças militares e governos para proteger informações sigilosas. Hoje, é amplamente aplicada na proteção de dados em sistemas civis. Por exemplo, relatórios do Computer Security Institute indicam uso massivo de encriptação tanto para dados armazenados quanto para dados em trânsito. A encriptação protege dados "em repouso" (como arquivos salvos em discos rígidos e unidades USB) contra vazamentos decorrentes de perda ou roubo de hardware. Sistemas de gestão de direitos digitais (DRM) também utilizam técnicas de encriptação para restringir a cópia não autorizada de mídia e softwares.

Na proteção de dados em trânsito, a encriptação impede a interceptação em redes de computadores (como a Internet e o e-commerce), redes móveis, dispositivos Bluetooth e caixas eletrônicos.

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

Ver artigo principal: Destruição criptográfica

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.

Limitações

Embora essencial para a segurança da informação, a encriptação apresenta limitações inerentes, como a dependência do tamanho das chaves e a vulnerabilidade a novos avanços de processamento.

O tamanho da chave determina diretamente a resistência contra ataques de força bruta. Por exemplo, a chave de 56 bits do antigo DES tornou-se obsoleta à medida que a capacidade computacional avançou, permitindo sua quebra rápida.

A emergência da computação quântica representa um desafio relevante para os algoritmos de encriptação atuais. Embora os computadores quânticos não sejam genericamente mais rápidos que os clássicos em todas as tarefas, algoritmos específicos oferecem acelerações substanciais. Com o algoritmo de Shor, um computador quântico de escala suficiente poderia resolver problemas de fatoração de inteiros e logaritmo discreto em tempo polinomial, tornando vulneráveis os criptossistemas assimétricos atuais, como RSA e curva elíptica.

Além disso, o algoritmo de Grover reduz a margem de segurança da encriptação simétrica ao oferecer uma aceleração quadrática para a busca exaustiva de chaves, o que exige a adoção de chaves maiores (como o uso preferencial de chaves de 256 bits). Para mitigar esses riscos, entidades internacionais desenvolvem e padronizam atualmente soluções de criptografia pós-quântica.

Ataques e contramedidas

A encriptação é uma ferramenta importante, mas não é suficiente por si só para garantir a segurança ou a privacidade de informações confidenciais ao longo de seu ciclo de vida. A maioria das aplicações de encriptação protege as informações apenas em repouso ou em trânsito, deixando os dados em texto claro e potencialmente vulneráveis durante o processamento, como por exemplo em serviços de computação em nuvem. A encriptação homomórfica e a computação multiparte segura são técnicas emergentes para processar dados encriptados; embora genéricas e Turing-completas, essas abordagens incorrem em altos custos computacionais e de comunicação.

Em resposta à proteção de dados em repouso, ciberadversários desenvolveram novos tipos de ataques. Essas ameaças incluem ataques criptanalíticos, ataques de oracle de preenchimento (padding oracle), roubo de chaves, ataques internos, corrupção de integridade de dados, destruição de dados e ataques de ransomware.

Tecnologias de proteção baseadas em fragmentação de dados e defesa ativa buscam combater essas ameaças distribuindo, alterando ou reencriptando continuamente o texto cifrado, dificultando sua identificação, roubo ou corrupção.

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

Ver artigo principal: Preenchimento (criptografia)

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 $O(\log \log M)$ por meio do comprimento.

O debate sobre a encriptação

Ver também: VeraCrypt § Uso para fins criminosos

O equilíbrio entre a segurança nacional e o direito à privacidade é objeto de constante debate na sociedade digital. A discussão moderna sobre a encriptação intensificou-se na década de 1990, quando governos tentaram restringir o uso de criptografia forte alegando riscos à segurança pública.

O debate contrapõe duas visões principais: defensores da segurança pública argumentam que a encriptação forte dificulta investigações criminais e o combate ao crime organizado; por outro lado, ativistas e especialistas em segurança sustentam que a encriptação é essencial para a proteção da infraestrutura digital, privacidade do cidadão e liberdade de expressão. As discussões ganharam novo fôlego a partir de 2014, quando empresas de tecnologia como Apple e Google passaram a adotar encriptação padrão em dispositivos móveis, gerando impasse com autoridades policiais e agências de inteligência.

Ver também

• Ataque de canal lateral
• Ataque de dicionário
• Ataque de inicialização a frio
• Bloqueio geográfico
• Cifra de substituição
• Criptografia pós-quântica
• Criptossistema
• Cyberspace Electronic Security Act (EUA)
• Encriptação da camada física
• Encriptação de disco
• Encriptação de televisão
• Encriptação múltipla
• Enigma (máquina)
• Exportação de criptografia
• Função encriptada
• Gerenciamento de chaves
• Lista de softwares de criptografia
• Máquina de rotores
• Ofuscação de indistinguibilidade
• Padrões de criptografia
• Pretty Good Privacy
• Primitiva criptográfica
• Tabela de arco-íris
• Tokenização (segurança de dados)

Leitura adicional

• Fouché Gaines, Helen (1939), Cryptanalysis: A Study of Ciphers and Their Solution, ISBN 978-0486200972, New York: Dover Publications Inc 
• Kahn, David (1967), The Codebreakers - The Story of Secret Writing (ISBN 0-684-83130-9)
• Preneel, Bart (2000), "Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2000", Springer Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-540-67517-4
• Sinkov, Abraham (1966): Elementary Cryptanalysis: A Mathematical Approach, Mathematical Association of America. ISBN 0-88385-622-0
• Lindell, Yehuda; Katz, Jonathan (2014), Introduction to modern cryptography, ISBN 978-1466570269, Hall/CRC 
• Ermoshina, Ksenia; Musiani, Francesca (2022), Concealing for Freedom: The Making of Encryption, Secure Messaging and Digital Liberties (PDF), ISBN 978-1-912729-22-7, Manchester, UK: matteringpress.org, cópia arquivada (PDF) em 2 de junho de 2022 

Ligações externas

• A definição de dicionário de Encriptação no Wikcionário
• Media relacionados com Encriptação no Wikimedia Commons