Всем привет! Моя первая статья тут, просьба строго не судить :-)
Предыстория
Когда-то давным-давно, в прошлом десятилетии, я учился в одном техническом университете по специальности "информационная безопасность автоматизированных систем" и один из предметов, который меня заинтересовал, был криптография. В то время для меня это был какой-то вид магии, сверхспособность - возможность передавать информацию так, чтобы ее понял только тот, кому она предназначалась. Однако после учебы, столкнувшись на практике с данной областью ИБ, романтика ушла на второй план, и осталось практическое понимание необходимости использования криптографии для обмена "конфиденциальной" информацией. Там, на месте работы (одна большая государственная организация), где использовал криптографию в практическом аспекте, и познакомился со своим другом. Почти 9 лет прошло)
Потом я перешел работать в SOC, и с криптографией взаимодействую не так часто, однако идея возможности передачи зашифрованной информации все еще была в уме.
Поэтому в определенный момент решил реализовать это на практике, создав небольшого локального помощника в данном вопросе.
От идеи к реализации
Сначала я рассмотрел имеющиеся методы симметричного шифрования и остановил свой выбор на AES-256-GCM. Для реализации общего механизма шифрования добавил несколько слоев криптопримитивов с возможностью выбора слоя, в котором будет использоваться AES.
Слоев сделал 5 простых и 1 AES:
Слой 1: XOR с константой 0x55
Слой 2: Переворот последовательности байт (реверс)
Слой 3: Циклический сдвиг на 13
Слой 4: XOR с константой 0xAA
Слой 5: Обмен соседних байт местами
AES: AES-256-GCM с аутентификацией
В итоге собрал небольшой скрипт на python, в котором можно было выбирать слой и вводить ключ с шифрованием и дешифрованием текста, чтобы ключи хранились локально в памяти процесса.
Но позже, поговорив с другом, решил попробовать сделать небольшое приложение c использованием flask на локальном сервере. Назвали CryptoBuddy :)
Получился уютный терминал, в котором можно было шифровать и дешифровать полученный текст, используя ключ и номер слоя, о котором знаете только вы с собеседником, плюс можно очень быстро сменить ключ, при подозрении на компрометацию. Опробова��и - заработало, обменивались сообщениями через различные мессенджеры, в частности через telegram. Как выглядит переписка видно на изображении ниже:
В дальнейшем, после успешного тестирования, возникла идея добавить возможность шифровать-дешифровать файлы, для секьюрной пересылки. Провели испытания - завершились успешно! Файлы шифруются/дешифруются тем же способом, какой используется для текста.
По результатам: CryptoBuddy представляет собой автономное десктоп-приложение с веб-интерфейсом, построенное по принципу "все в одном". Приложение запускает локальный веб-сервер и открывает браузер для взаимодействия с пользователем.
Вскоре возникла идея собрать приложения для windows (без установки) и .apk для смартфонов на базе Android. Идея впоследствии была реализована, хоть это и было довольно непросто для меня, как человека не имеющего особого опыта в создании подобных приложений :)
Технологический стек:
Компонент | Технология | Назначение |
|---|---|---|
Язык программирования | Python 3.8+ | Основная логика |
Веб-фреймворк | Flask | Локальный веб-сервер |
Криптография | PyCryptodome | AES-256 шифрование |
Сборка под Windows | PyInstaller | Упаковка в .exe |
Шаблонизация | render_template_string | Встроенный HTML |
Интерфейс | HTML/CSS/JavaScript | Пользовательский интерфейс |
Криптографическая система
1. Многослойное шифрование (Layered Encryption)
Система использует конвейер из последовательных преобразований. Порядок слоев может изменяться, а AES-слой может быть вставлен на любую позицию:
LAYERS = { 1: ('XOR 0x55', SimpleCrypto.xor1, SimpleCrypto.xor1_rev), # Простое XOR-преобразование 2: ('Переворот', SimpleCrypto.reverse, SimpleCrypto.reverse_rev), # Реверс байтов 3: ('Сдвиг +13', SimpleCrypto.shift, SimpleCrypto.shift_rev), # Циклический сдвиг 4: ('XOR 0xAA', SimpleCrypto.xor2, SimpleCrypto.xor2_rev), # Второй XOR-слой 5: ('Обмен пар', SimpleCrypto.swap_pairs, SimpleCrypto.swap_pairs_rev), # Перестановка 'aes': ('AES-256-GCM', SimpleCrypto.aes_encrypt, SimpleCrypto.aes_decrypt) }
2. Криптографические примитивы
XOR-шифрование (слои 1 и 4)
@staticmethod def xor1(data): return bytes([b ^ SimpleCrypto.XOR1 for b in data]) # XOR с 0x55
Использует фиксированные ключи 0x55 (01010101 в двоичной) и 0xAA (10101010 в двоичной) для быстрого побайтового XOR. Эти константы выбраны как взаимно-обратные (инвертирующие все биты).
Реверс (слой 2)
@staticmethod def reverse(data): return data[::-1] # Полный разворот последовательности байт
Простое, но эффективное преобразование, нарушающее структуру данных.
Циклический сдвиг (слой 3)
@staticmethod def shift(data): return bytes([(b + SimpleCrypto.SHIFT) % 256 for b in data]) # Сдвиг на 13
Сдвиг на 13 (0x0D) - простое арифметическое преобразование.
Обмен пар (слой 5)
@staticmethod def swap_pairs(data): result = bytearray(data) for i in range(0, len(result) - 1, 2): result[i], result[i + 1] = result[i + 1], result[i] # Меняем местами соседние байты return bytes(result)
Перестановка байт, нарушающая естественный порядок данных.
3. AES-256-GCM (аутентифицированное шифрование)
Используется режим GCM (Galois/Counter Mode), который обеспечивает:
Конфиденциальность (шифрование)
Аутентичность (проверка целостности)
Защиту от подделки (дополнительная аутентификация)
def aes_encrypt(data, password): salt = os.urandom(16) # Соль для PBKDF2 key = hashlib.pbkdf2_hmac('sha256', password.encode(), salt, 100000, 32) cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM) ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(data) return salt + cipher.nonce + tag + ciphertext # Компоновка результата
Структура зашифрованных AES данных:
Байты 0-15: Соль (salt) - случайное значение для PBKDF2
Байты 16-31: Nonce - уникальное число для режима GCM
Байты 32-47: Тег аутентификации (tag) - 16 байт для проверки целостности
Байты 48+: Зашифрованные данные (ciphertext)
4. Защита метаданных и HMAC
Каждое сообщение содержит метаданные для защиты от повторов и подделки:
metadata = { 'session': self.session_id, # Уникальный ID сессии (8 байт в hex) 'seq': self.message_counter, # Счетчик сообщений (защита от повторов) 'layers': [str(l) for l in self.layer_order], # Конфигурация слоев 'timestamp': datetime.now().isoformat() # Временная метка }
Структура сообщения с метаданными:
[2 байта длина метаданных][JSON метаданные][32 байта HMAC][данные сообщения]
HMAC-SHA256 подпись:
signature = hmac.new(self.hmac_key, meta_bytes + data, hashlib.sha256).digest()
HMAC защищает от модификации данных и подтверждает их подлинность.
5. Управление ключами
PBKDF2-HMAC-SHA256 для генерации ключей из пароля
100,000 итераций (защита от brute-force атак)
Случайная соль для каждого шифрования (16 байт)
Ключ AES: 256 бит (32 байта)
Ключ HMAC: отдельный ключ, производный от пароля
key = hashlib.pbkdf2_hmac('sha256', password.encode(), salt, 100000, 32) hmac_key = hashlib.sha256(f"{password}:hmac".encode()).digest()
Файловая система
1. Структура директорий
При запуске приложение создает следующую структуру папок:
CryptoBuddy.exe (или .py) ├── temp/ # Временные файлы (автоочистка через час) │ └── (временные загруженные файлы) └── static/ # Готовые для скачивания файлы ├── *.cip # Зашифрованные файлы └── (расшифрованные файлы)
2. Форматы файлов
Тип | Расширение | Описание |
|---|---|---|
Зашифрованный файл | .cip | Любые файлы после шифрования |
Временные файлы | - | Удаляются после обработки |
3. Формат зашифрованного файла
Для сохранения информации об исходном файле используется заголовок:
header = f"{filename}|{filesize}|".encode('utf-8') header_len = len(header).to_bytes(2, 'big') data_to_encrypt = header_len_bytes + header + file_data
Структура зашифрованного файла:
Байты 0-1: Длина заголовка (2 байта, максимальная длина 65535)
Байты 2..(2+header_len): Заголовок в формате "имя_файла|размер|"
Остальное: Данные файла (после применения всех слоев шифрования)
4. Процесс шифрования файла
Чтение бинарных данных файла
Создание заголовка с именем и размером
Добавление длины заголовка (2 байта)
Конвертация в текст через latin-1 (сохраняет все байты 0-255)
Шифрование через тот же механизм, что и текст
Сохранение результата в .cip файл
Копирование в static/ для скачивания
5. Процесс расшифровки файла
Чтение зашифрованного .cip файла
Расшифровка через механизм decrypt
Извлечение длины заголовка (первые 2 байта)
Чтение и парсинг заголовка (имя|размер|)
Проверка соответствия размера
Извлечение данных файла
Сохранение в static/ с оригинальным именем
Разрешение конфликтов имен (добавление 1, 2 и т.д.)
Веб-интерфейс
1. Технологии фронтенда
HTML5 - структура страницы
CSS3 - стилизация с градиентами, анимациями и адаптивным дизайном
JavaScript (ES6) - клиентская логика
Fetch API - асинхронные запросы к Flask-серверу
FormData API - отправка файлов
2. Компоненты интерфейса
// Основные функции пользовательского интерфейса - switchTab() // Переключение между режимами (текст/файлы) - applyConfig() // Применение настроек шифрования - encryptText() // Шифрование текста - decryptText() // Расшифровка текста - encryptFile() // Шифрование файла - decryptFile() // Расшифровка файла - copyToClipboard() // Копирование результата в буфер обмена - updateProgress() // Обновление прогресс-бара - handleFile() // Обработка выбранного файла
3. Drag & Drop система
Реализована полноценная поддержка перетаскивания файлов:
// Обработчики drag & drop function handleDragOver(e) { e.preventDefault(); document.getElementById('dropZone').classList.add('dragover'); } function handleDrop(e) { e.preventDefault(); const files = e.dataTransfer.files; if (files.length > 0) { handleFile(files[0]); // Обработка первого файла } }
4. Визуальные элементы
Градиентный фон: линейный градиент от #667eea до #764ba2
Карточки с тенями: для группировки элементов
Адаптивная верстка: медиа-запросы для мобильных устройств
Анимации при наведении: трансформация кнопок
Прогресс-бар: визуализация процесса шифрования файлов
Пошаговый лог: детальное отображение каждого слоя шифрования
Процесс шифрования/расшифровки
Шифрование текста:
Добавление метаданных (session_id, counter, timestamp)
Последовательное применение слоев шифрования в заданном порядке
Base64-кодирование результата для передачи через текстовые каналы
Дешифрование текста:
Base64-декодирование входных данных
Последовательное применение обратных слоев шифрования
Извлечение и проверка метаданных
Проверка соответствия конфигурации слоев
Декодирование UTF-8 текста
Шифрование файла:
Чтение бинарных данных
Создание заголовка (имя|размер|)
Конвертация в текст через latin-1
Шифрование как текст
Сохранение в .cip файл
Дешифрование файла:
Чтение .cip файла
Base64-декодирование
Расшифровка через механизм decrypt
Извлечение заголовка и проверка целостности
Сохранение расшифрованного файла
Безопасность
Защита от атак:
Replay attacks - уникальные session_id и счетчики сообщений
Tampering - HMAC-SHA256 подписи для всех данных
Brute force - PBKDF2 с 100,000 итераций
Dictionary attacks - уникальная соль для каждого сообщения
Bit flipping - GCM режим AES обеспечивает аутентификацию
Криптографическая стойкость:
AES-256: 2^256 комбинаций ключа
HMAC-SHA256: 2^256 комбинаций подписи
PBKDF2: 100,000 итераций замедляют перебор в 100,000 раз
Случайные значения: os.urandom для соли, nonce, session_id
Обработка ошибок
Типы проверок:
Существование файла: проверка перед открытием
Размер файла: не более 100 МБ
Расширение файла: .cip для расшифровки
Длина заголовка: не более 65535 байт
Целостность данных: через HMAC
Кодировка: latin-1 для бинарных данных
Сообщения об ошибках:
return {'success': False, 'error': f"Файл не найден: {file_path}"} return {'success': False, 'error': "Файл должен иметь расширение .cip"} return {'success': False, 'error': "Ошибка аутентификации - данные были изменены!"}
Производительность и ограничения
Ограничения:
Максимальный размер файла: 100 МБ (настраивается)
Максимальная длина имени файла: 64 КБ
Поддерживаемые форматы: любые файлы
Количество слоев: до 6 (5 простых + AES)
Производительность:
AES-256: ~50 МБ/с (зависит от процессора)
Простые слои: ~200 МБ/с
Время запуска: < 2 секунд
Потребление RAM: 50-200 МБ (зависит от размера файла)
Преимущества архитектуры
Автономность - не требует доступа в интернет
Кроссплатформенность - работает везде, где есть Python
Прозрачность - пошаговый лог всех операций
Гибкость - настраиваемая последовательность слоев
Безопасность - многослойная защита с AES и HMAC
Простота использования - веб-интерфейс в браузере
Сделано это для личного использования, используем с другом, шифруем и дешифруем текст и файлы через мессенджеры во время переписки, процесс увлек и теперь общаемся практически только так :-)
Всем спасибо за прочтение! Буду рад обратной связи и комментариям :-)
