Шифрування в мобільних застосунках — основи, алгоритми та принцип роботи

Що таке шифрування в мобільних застосунках?

Шифрування в контексті мобільних застосунків — це застосування криптографічних алгоритмів для захисту даних, що зберігаються на пристрої (data at rest) та передаються мережею (data in transit). На рівні пристрою шифрується локальне сховище: файли, бази даних, SharedPreferences та кеш. На рівні мережі шифрується трафік між застосунком і сервером через протоколи TLS/HTTPS. Кінцева мета — гарантувати, що навіть при фізичному доступі до пристрою або перехопленні трафіку зловмисник не зможе прочитати захищені дані без криптографічного ключа.

Навіщо потрібне шифрування в мобільних застосунках

Мобільні пристрої особливо вразливі до втрати даних: телефон легко загубити, вкрасти або заразити шкідливим ПЗ. За даними Ponemon Institute (2023), 42% компаній, постраждалих від витоків даних, пов'язують інциденти з мобільними пристроями. Без шифрування зловмисник може підключитися до пристрою через USB, витягнути SQLite-базу та прочитати всі збережені дані. Шифрування вирішує цю проблему: навіть якщо базу витягнуто, її вміст залишається зашифрованим. Додатково, у США та ЄС діють закони (GDPR, CCPA), що вимагають шифрування персональних даних і вводять штрафи до 4% від річного обороту за їх порушення. Використання шифрування — це не лише технічна, а й юридична необхідність для будь-якого мобільного застосунку, що працює з користувацькими даними.

Симетричне та асиметричне шифрування

Усі алгоритми шифрування поділяються на два основні типи: симетричні (один ключ для шифрування та розшифрування) та асиметричні (пара ключів — відкритий і закритий). Вибір типу залежить від сценарію використання: для шифрування локальних даних частіше застосовують симетричні алгоритми через їх швидкість, а для передачі ключів та автентифікації — асиметричні.

На практиці в мобільних застосунках використовується гібридне шифрування: асиметричним алгоритмом (наприклад, ECDH) сторони обмінюються сесійним ключем, а всі подальші дані шифруються симетричним алгоритмом (AES або ChaCha20). Такий підхід поєднує швидкість симетричного шифрування з безпекою асиметричного обміну ключами. Цей метод лежить в основі TLS 1.3, Signal Protocol та Apple iMessage.

Основні алгоритми шифрування

Сучасна мобільна розробка використовує кілька стандартизованих алгоритмів шифрування, кожен з яких призначений для певних завдань і має свою область застосування.

• AES (Advanced Encryption Standard) — симетричний блоковий шифр, сертифікований NIST у 2001 році. Використовує ключі 128, 192 або 256 біт. Рекомендований режим — GCM (Galois/Counter Mode), що забезпечує автентифіковане шифрування. AES-256 використовується в Android Keystore, iOS Keychain та всіх сучасних протоколах TLS.
• ChaCha20-Poly1305 — симетричний потоковий шифр, розроблений Daniel Bernstein. Забезпечує таку ж безпеку, як AES-256, але працює швидше на пристроях без апаратного прискорення AES (типово для бюджетних Android-смартфонів). ChaCha20 використовується в TLS 1.3 як альтернатива AES-GCM і є основним шифром у Signal Protocol.
• RSA (Rivest-Shamir-Adleman) — асиметричний алгоритм, що використовується для шифрування ключів та цифрових підписів. Мінімальний рекомендований розмір ключа — 2048 біт. RSA повільніший за ECDH, тому в сучасних мобільних застосунках витісняється еліптичною криптографією (ECC).
• ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman) — асиметричний протокол обміну ключами на основі еліптичних кривих. Забезпечує Perfect Forward Secrecy і використовується в TLS 1.3 за замовчуванням. Крива Curve25519 (X25519) є найпоширенішою в мобільних застосунках.

Як шифрування захищає дані користувачів

Шифрування захищає дані в трьох ключових сценаріях: при втраті пристрою (шифрування диска та контейнерів застосунку), при перехопленні трафіку (мережеві протоколи TLS/HTTPS) та при витоку з сервера (наскрізне шифрування). Кожен сценарій потребує свого підходу та інструментів.

Шифрування в стані спокою та в транзиті

Data at rest — дані на пристрої — шифрується через Android Keystore та iOS Keychain. На Android починаючи з 7.0 використовується файлове шифрування (File-Based Encryption), а застосунки можуть додатково шифрувати свої дані через EncryptedSharedPreferences та EncryptedFile з бібліотеки AndroidX Security. На iOS всі застосунки за замовчуванням працюють з Data Protection API, який шифрує файли на рівні файлової системи ключем, прив'язаним до коду пристрою. Для data in transit використовується TLS 1.2/1.3 з обов'язковим Certificate Pinning.

Наскрізне шифрування (End-to-End)

Наскрізне шифрування (E2E) — найвищий рівень захисту даних, при якому повідомлення шифрується на пристрої відправника і розшифровується лише на пристрої отримувача. Сервер зберігання та передачі даних не має доступу до вмісту — він оперує лише зашифрованими блобами. Найбільш відома реалізація E2E для мобільних застосунків — Signal Protocol, що використовує Double Ratchet Algorithm у комбінації з X3DH (Extended Triple Diffie-Hellman) для початкового обміну ключами. Signal Protocol забезпечує Perfect Forward Secrecy та future secrecy: компрометація одного ключа не розкриває попередні та наступні повідомлення. За даними дослідження університету Карнегі — Меллон (2023), E2E-шифрування в месенджерах скорочує ризик витоку листування на 99.7% порівняно з TLS-only шифруванням. Застосування E2E обов'язкове для застосунків категорії Health & Fitness та Finance згідно з вимогами GDPR та HIPAA. Для реалізації E2E у власному проєкті рекомендується використовувати бібліотеку Signal Protocol (Java/Swift) або на основі Olm (Matrix protocol). При виборі E2E-рішення оцініть сумісність із платформою: Signal Protocol потребує підтримки асинхронного надсилання та зберігання ключів на клієнті, що ускладнює реалізацію multi-device сценаріїв — для таких випадків Matrix Protocol з його моделлю кімнат може бути кращим вибором.

val masterKey = MasterKey.Builder(context)
    .setKeyScheme(MasterKey.KeyScheme.AES256_GCM)
    .build()

val encryptedFile = EncryptedFile.Builder(
    context,
    File(context.filesDir, "secret.dat"),
    masterKey,
    EncryptedFile.FileEncryptionScheme.AES256_GCM_HKDF_4KB
).build()

encryptedFile.openFileOutput(applicationContext).use { outputStream ->
    outputStream.write("Sensitive user data".toByteArray(Charsets.UTF_8))
}