Перейти к основному содержимому

5.05. Безопасность

В РАЗРАБОТКЕНЕ ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО
Разработчику Архитектору

Безопасность​

Безопасность программного обеспечения — это системная дисциплина, направленная на защиту данных, ресурсов и поведения приложений от несанкционированного доступа, модификации или разрушения. В экосистеме .NET и языке C# безопасность реализуется на нескольких уровнях: от криптографических примитивов до высокоуровневых механизмов аутентификации и авторизации. Эта глава охватывает ключевые аспекты безопасности, актуальные для разработчиков на C#, включая хеширование, шифрование, цифровые подписи и управление идентификацией пользователей.

Хеширование​

Хеширование — это процесс преобразования произвольного объема данных в фиксированную последовательность байтов, называемую хешем или дайджестом. Этот процесс односторонний: восстановить исходные данные из хеша невозможно. Хеш-функции используются для проверки целостности данных, хранения паролей и создания уникальных идентификаторов.

В C# хеширование реализуется через абстрактный класс HashAlgorithm, входящий в пространство имен System.Security.Cryptography. Этот класс предоставляет единый интерфейс для всех криптографических хеш-функций, таких как SHA1, SHA256, SHA384, SHA512 и MD5.

Наиболее рекомендуемым алгоритмом в современных приложениях является SHA256 — член семейства SHA-2, обеспечивающий высокий уровень стойкости к коллизиям и предвычислительным атакам. Для его использования применяется класс SHA256, который можно создать через статический метод Create():

using var sha256 = SHA256.Create();
byte[] hash = sha256.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes("данные"));

Алгоритм MD5, хотя и доступен в .NET, считается устаревшим. Он уязвим к коллизиям и не подходит для задач, требующих криптографической надежности, таких как хранение паролей или цифровые подписи.

Особое внимание заслуживает хеширование паролей. Обычное применение SHA256 к паролю недостаточно, поскольку злоумышленник может использовать радужные таблицы или перебор (брутфорс) для восстановления исходного значения. Для защиты паролей применяются специализированные функции, предназначенные для замедления вычислений и добавления случайности.

В .NET стандартным решением является PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function 2), реализованный в классе Rfc2898DeriveBytes. Эта функция многократно применяет хеш-алгоритм (обычно HMAC-SHA256) к паролю в сочетании со случайной солью. Количество итераций задается явно и должно быть достаточно высоким (от 100 000 и выше), чтобы затруднить массовый перебор.

Пример использования PBKDF2:

byte[] salt = new byte[16];
RandomNumberGenerator.Fill(salt); // генерация криптографически стойкой соли

using var pbkdf2 = new Rfc2898DeriveBytes(
    password: "пароль",
    salt: salt,
    iterations: 100_000,
    hashAlgorithm: HashAlgorithmName.SHA256
);
byte[] hash = pbkdf2.GetBytes(32); // 256 бит

Помимо PBKDF2, в современной практике широко применяются алгоритмы Argon2 и BCrypt. Они обладают дополнительными свойствами: Argon2 защищает от атак с использованием GPU и ASIC, а BCrypt включает встроенную соль и адаптивную сложность. Эти алгоритмы не входят в стандартную библиотеку .NET, но доступны через сторонние пакеты, такие как Isopoh.Cryptography.Argon2 или BCrypt.Net-Next.

Хеширование паролей всегда должно включать:

  • Соль — уникальное случайное значение, добавляемое к каждому паролю.
  • Высокую вычислительную сложность — большое количество итераций или потребление памяти.
  • Хранение соли вместе с хешем — для последующей верификации при входе пользователя.

Симметричное шифрование​

Симметричное шифрование — это метод защиты данных, при котором один и тот же секретный ключ используется как для зашифровки, так и для расшифровки информации. Этот подход обеспечивает высокую производительность и подходит для обработки больших объемов данных, таких как файлы, сетевые потоки или временные сессии. В экосистеме .NET симметричное шифрование реализовано через абстрактный класс SymmetricAlgorithm, от которого наследуются конкретные реализации алгоритмов, включая AES, DES, TripleDES и другие.

Наиболее современным и рекомендуемым стандартом является AES (Advanced Encryption Standard). Он заменил устаревший DES и обеспечивает высокий уровень криптографической стойкости при поддержке ключей длиной 128, 192 и 256 бит. В .NET AES представлен классом Aes, который следует использовать вместо устаревших реализаций, таких как DESCryptoServiceProvider или RC2CryptoServiceProvider.

Пример базового использования AES:

using var aes = Aes.Create();
aes.KeySize = 256; // Указание размера ключа в битах
aes.GenerateKey(); // Генерация случайного криптографически стойкого ключа
aes.GenerateIV();  // Генерация вектора инициализации (IV)

// Шифрование
using var encryptor = aes.CreateEncryptor(aes.Key, aes.IV);
byte[] encrypted = encryptor.TransformFinalBlock(plainTextBytes, 0, plainTextBytes.Length);

// Расшифровка
using var decryptor = aes.CreateDecryptor(aes.Key, aes.IV);
byte[] decrypted = decryptor.TransformFinalBlock(encrypted, 0, encrypted.Length);

Ключевые компоненты симметричного шифрования:

  • Секретный ключ — должен храниться в защищенном месте и никогда не передаваться в открытом виде.
  • Вектор инициализации (IV) — случайное значение, которое предотвращает появление идентичных шифротекстов при шифровании одинаковых данных. IV не является секретным и может храниться или передаваться вместе с зашифрованными данными.
  • Режим работы шифра — например, CBC (Cipher Block Chaining) или GCM (Galois/Counter Mode). Режим CBC требует дополнительного механизма проверки целостности (например, HMAC), тогда как GCM обеспечивает одновременно конфиденциальность и аутентификацию.

Важно помнить: повторное использование одного и того же ключа с одним и тем же IV приводит к уязвимостям. Каждая операция шифрования должна использовать уникальный IV, даже если данные и ключ остаются прежними.

Для безопасного хранения ключа рекомендуется использовать системные средства защиты, такие как Windows Data Protection API (DPAPI) через класс ProtectedData, или внешние хранилища, например Azure Key Vault. Хранение ключа в коде, конфигурационных файлах или в виде обычной строки недопустимо.

Симметричное шифрование применяется в следующих сценариях:

  • Защита локальных данных на устройстве (например, шифрование файлов или кэша).
  • Обеспечение конфиденциальности данных при передаче внутри доверенной среды.
  • Временная защита сессионных данных, когда ключ известен только участникам взаимодействия.

Однако симметричное шифрование не решает проблему безопасного обмена ключами между сторонами, не имеющими предварительного доверия. Для этих случаев применяется асимметричная криптография.

Асимметричное шифрование​

Асимметричное шифрование — это криптографическая система, использующая пару ключей: открытый и закрытый. Открытый ключ может быть свободно распространен и используется для шифрования данных или проверки подписи. Закрытый ключ хранится в секрете и применяется для расшифровки данных или создания цифровой подписи. Эта модель решает фундаментальную проблему безопасного обмена ключами, присущую симметричным системам.

В .NET асимметричное шифрование реализовано через абстрактные классы AsymmetricAlgorithm, RSA, DSA, ECDsa и другие. Наиболее распространенным алгоритмом остается RSA (Rivest–Shamir–Adleman), который поддерживает как шифрование, так и цифровые подписи. Для современных приложений также доступны эллиптические кривые через классы ECDiffieHellman (обмен ключами) и ECDsa (подписи).

Пример генерации ключевой пары RSA:

using var rsa = RSA.Create();
rsa.KeySize = 2048; // Минимальный рекомендуемый размер ключа

// Экспорт открытого ключа (безопасен для передачи)
string publicKey = rsa.ExportRSAPublicKeyPem();

// Экспорт закрытого ключа (требует строгой защиты)
string privateKey = rsa.ExportRSAPrivateKeyPem();

Шифрование с использованием открытого ключа:

byte[] encrypted = rsa.Encrypt(data, RSAEncryptionPadding.OaepSHA256);

Расшифровка с использованием закрытого ключа:

byte[] decrypted = rsa.Decrypt(encrypted, RSAEncryptionPadding.OaepSHA256);

Важно: RSA не предназначен для шифрования больших объемов данных. Его максимальная длина входных данных ограничена размером ключа (например, ~190 байт для 2048-битного ключа с OAEP). Поэтому на практике RSA часто используется для шифрования симметричного ключа, который затем применяется для защиты основного потока данных. Такой подход называется гибридным шифрованием и сочетает преимущества обеих систем.

Цифровые подписи​

Цифровая подпись — это криптографический механизм, подтверждающий целостность данных и авторство отправителя. Подпись создается с использованием закрытого ключа и может быть проверена любым обладателем соответствующего открытого ключа. Если данные изменены после подписания, проверка завершится неудачей.

Процесс создания подписи:

  1. Вычисляется хеш исходных данных (например, с помощью SHA256).
  2. Хеш шифруется закрытым ключом отправителя.
  3. Полученная последовательность байтов — это цифровая подпись.

В .NET создание подписи с использованием RSA:

byte[] signature = rsa.SignData(data, HashAlgorithmName.SHA256, RSASignaturePadding.Pkcs1);

Проверка подписи:

bool isValid = rsa.VerifyData(data, signature, HashAlgorithmName.SHA256, RSASignaturePadding.Pkcs1);

Для повышения эффективности и безопасности в современных системах всё чаще применяются подписи на основе эллиптических кривых (ECDSA). Они обеспечивают тот же уровень защиты, что и RSA, но при значительно меньших размерах ключей (например, 256-битный ECDSA эквивалентен 3072-битному RSA). Это особенно важно для мобильных устройств и высоконагруженных API.

Пример использования ECDSA:

using var ecdsa = ECDsa.Create(ECCurve.NamedCurves.nistP256);
byte[] signature = ecdsa.SignData(data, HashAlgorithmName.SHA256);
bool isValid = ecdsa.VerifyData(data, signature, HashAlgorithmName.SHA256);

Цифровые подписи находят применение в:

  • Аутентификации запросов к API (например, webhook-вызовы от внешних сервисов).
  • Обеспечении целостности программного обеспечения (подписанные сборки, установщики).
  • Юридически значимых документах и транзакциях.
  • Безопасном обмене метаданными в распределенных системах.

Важно хранить закрытые ключи в защищенных средах: аппаратных модулях безопасности (HSM), защищенных хранилищах операционной системы или облачных сервисах управления ключами (например, Azure Key Vault, AWS KMS). Никогда не встраивайте закрытые ключи в исходный код или конфигурационные файлы.

Аутентификация и авторизация​

Аутентификация — это процесс подтверждения личности пользователя или системы. Авторизация — это определение прав доступа субъекта к ресурсам после успешной аутентификации. В современных приложениях на C#, особенно в веб-среде, эти процессы реализуются через стандартизированные протоколы, фреймворки и инфраструктурные компоненты, обеспечивающие гибкость, масштабируемость и совместимость с внешними системами.

Протоколы и стандарты​

Основой современной аутентификации служат протоколы OAuth 2.0, OpenID Connect (OIDC) и JWT (JSON Web Token). OAuth 2.0 — это фреймворк делегирования авторизации, позволяющий приложению запрашивать ограниченный доступ к ресурсам от имени пользователя без передачи учетных данных. OpenID Connect — это надстройка над OAuth 2.0, добавляющая возможность аутентификации через ID-токен. JWT — это компактный, самодостаточный формат токена, используемый для передачи утверждений между участниками.

В ASP.NET Core эти стандарты поддерживаются «из коробки». Приложение может выступать как клиент (например, веб-фронтенд, обращающийся к внешнему провайдеру), так и сервер (например, API, выдающий собственные токены).

Токены и заголовки​

Наиболее распространенный способ передачи токена в HTTP-запросах — использование заголовка Authorization с префиксом Bearer:

Authorization: Bearer <токен>

Этот подход применяется в RESTful API, где каждый запрос должен содержать действительный токен. Сервер проверяет подпись токена, срок его действия и права доступа, закодированные в утверждениях (claims).

ASP.NET Core Identity​

ASP.NET Core Identity — это встроенная система управления пользователями, ролями, подтверждением электронной почты, двухфакторной аутентификацией и восстановлением паролей. Она предоставляет готовые модели (IdentityUser, IdentityRole), хранилища (UserManager, SignInManager) и механизмы защиты, такие как хеширование паролей с использованием PBKDF2.

Identity интегрируется с системой аутентификации ASP.NET Core через middleware. После настройки можно использовать атрибуты, такие как [Authorize], для защиты контроллеров или методов:

[Authorize(Roles = "Admin")]
public IActionResult AdminPanel() { ... }

Система поддерживает cookie-аутентификацию для веб-приложений и токен-базированную аутентификацию для API. Cookie-аутентификация хранит сессионный идентификатор в зашифрованном cookie, автоматически отправляемом браузером при каждом запросе. Этот подход удобен для традиционных MVC-приложений.

Внутренние системы единого входа (iSSO)​

В корпоративной среде часто развертываются внутренние решения единого входа (Single Sign-On, SSO), позволяющие пользователям проходить аутентификацию один раз и получать доступ ко всем связанным сервисам. Такие системы могут быть построены на базе OpenID Connect с использованием специализированных серверов, таких как IdentityServer, Auth0, Keycloak или Ory Hydra.

Например, Ory Hydra — это open-source сервер OAuth 2.0 и OpenID Connect, соответствующий стандартам IETF и OpenID Foundation. Он не управляет пользователями напрямую, но интегрируется с внешними системами аутентификации (например, через собственный микросервис входа). ASP.NET Core приложение может выступать в роли клиента OIDC, перенаправляя пользователя на Hydra для входа и получая ID-токен и access-токен после успешной аутентификации.

Управление доступом к API​

При публикации API важна не только аутентификация, но и контроль использования. Это достигается через:

  • API-ключи — простые секретные строки, передаваемые в заголовке или параметре запроса. Подходят для базовой идентификации клиента, но не обеспечивают безопасность без HTTPS.
  • Квоты и ограничения скорости (rate limiting) — предотвращают злоупотребление ресурсами.
  • Области действия (scopes) — определяют, какие действия разрешены токену (например, read:profile, write:orders).

В ASP.NET Core политики авторизации позволяют декларативно описывать сложные правила доступа на основе утверждений, ролей или пользовательской логики:

services.AddAuthorization(options =>
{
    options.AddPolicy("RequirePremium", policy => 
        policy.RequireClaim("subscription", "premium"));
});

Затем политика применяется через атрибут:

[Authorize(Policy = "RequirePremium")]
public IActionResult PremiumContent() { ... }

Безопасность по умолчанию​

Современные версии ASP.NET Core включают механизмы защиты «из коробки»:

  • Защита от CSRF (Cross-Site Request Forgery) через анти-подделочные токены.
  • ВалидацияAntiForgeryToken в формах.
  • Настройка CORS (Cross-Origin Resource Sharing) для контроля междоменных запросов.
  • Автоматическая защита cookie (HttpOnly, Secure, SameSite).
  • Поддержка HTTPS через перенаправление и строгую транспортную безопасность (HSTS).

Эти меры снижают риск распространенных уязвимостей, таких как XSS, CSRF, session fixation и insecure direct object references.

Аутентификация и авторизация — это не разовые настройки, а непрерывный процесс. Регулярное обновление зависимостей, аудит прав доступа, мониторинг подозрительной активности и использование принципа минимальных привилегий — обязательные практики для поддержания безопасности приложения.