هجوم بالقوة الغاشمة

في علم التشفير ، يُعدّ هجوم القوة الغاشمة أو البحث الشامل عن المفتاح هجومًا تحليليًا تشفيريًا يقوم فيه المهاجم بإدخال العديد من المفاتيح أو كلمات المرور المحتملة على أمل التوصل إلى المفتاح الصحيح. نظريًا، يمكن استخدام هذه الاستراتيجية لكسر أي شكل من أشكال التشفير غير الآمن من الناحية المعلوماتية . ^{[ 1 ]} مع ذلك، في نظام تشفير مصمم بشكل صحيح، تكون فرصة تخمين المفتاح بنجاح ضئيلة للغاية.

عند محاولة اختراق كلمات المرور ، تُعدّ هذه الطريقة سريعة جدًا عند استخدامها لفحص جميع كلمات المرور القصيرة، ولكن بالنسبة لكلمات المرور الطويلة، تُستخدم طرق أخرى مثل هجوم القاموس لأن البحث الشامل يستغرق وقتًا طويلاً. تحتوي كلمات المرور والعبارات والمفاتيح الطويلة على عدد أكبر من القيم المحتملة، مما يجعل اختراقها أصعب بكثير من اختراق كلمات المرور القصيرة نظرًا لتنوع الأحرف. ^{[ 2 ]}

يمكن الحد من فعالية هجمات القوة الغاشمة بتطبيق تقنيات تمديد المفاتيح، مما يُصعّب على المهاجم اكتشاف اختراق الشفرة، أو بجعله يبذل جهدًا أكبر لاختبار كل تخمين. ومن مقاييس قوة نظام التشفير المدة الزمنية التي قد يستغرقها المهاجم نظريًا لشن هجوم قوة غاشم ناجح ضده. ^{[ 3 ]}

تُعدّ هجمات القوة الغاشمة تطبيقًا لتقنية البحث الشامل، وهي أسلوب عام لحل المشكلات يعتمد على حصر جميع الاحتمالات وفحص كل منها. يُستخدم مصطلح "الهجوم الشامل" أحيانًا لوصف هجوم القوة الغاشمة، ^{[ 4 ]} بينما يُستخدم مصطلح "الهجوم المضاد" للإشارة إلى التدابير المضادة. ^{[ 5 ]}

تعتمد هجمات القوة الغاشمة على حساب كل تركيبة ممكنة لتكوين كلمة مرور واختبارها للتأكد من صحتها. ومع ازدياد طول كلمة المرور، يزداد الوقت اللازم، في المتوسط، للعثور على كلمة المرور الصحيحة بشكل كبير. ^{[ 6 ]}

تتزايد الموارد اللازمة لهجوم القوة الغاشمة بشكلٍ كبير مع زيادة حجم المفتاح ، وليس بشكلٍ خطي. على الرغم من أن لوائح التصدير الأمريكية كانت تُقيّد تاريخيًا أطوال المفاتيح إلى 56 بت متناظرة (مثل معيار تشفير البيانات )، إلا أن هذه القيود لم تعد سارية، لذا تستخدم الخوارزميات المتناظرة الحديثة عادةً مفاتيح أقوى حسابيًا تتراوح أطوالها بين 128 و256 بت.

هناك حجة فيزيائية تُشير إلى أن المفتاح المتناظر ذو 128 بت آمن حسابيًا ضد هجمات القوة الغاشمة. يحدد حد لانداور، الذي تنص عليه قوانين الفيزياء، حدًا أدنى للطاقة اللازمة لإجراء عملية حسابية مقدارها kT · ln 2  لكل بت يتم مسحه في العملية، حيث T هي درجة حرارة جهاز الحوسبة بالكلفن ، و k هو ثابت بولتزمان ، واللوغاريتم الطبيعي للعدد 2 يساوي تقريبًا 0.693 (0.6931471805599453). لا يمكن لأي جهاز حوسبة غير قابل للعكس أن يستخدم طاقة أقل من ذلك، حتى من حيث المبدأ. ^{[ 7 ]} وبالتالي، فإن مجرد استعراض القيم الممكنة لمفتاح متناظر ذي 128 بت (مع تجاهل إجراء الحساب الفعلي للتحقق منه) يتطلب، نظريًا، 2^ ¹²⁸  -  1 عملية استعراض بت على معالج تقليدي. إذا افترضنا أن الحساب يتم بالقرب من درجة حرارة الغرفة (≈300 كلفن)، فيمكن تطبيق حد فون نيومان-لانداور لتقدير الطاقة المطلوبة بحوالي 10^ ¹⁸ جول ، وهو ما يعادل استهلاك 30 جيجاوات من الطاقة لمدة عام. وهذا يساوي 30 × 10^ ⁹ واط × 365 × 24 × 3600 ثانية = 9.46 × 10^ ¹⁷ جول أو 262.7 تيراواط ساعة (حوالي 0.1% من إنتاج الطاقة العالمي السنوي ). أما الحساب الفعلي الكامل - أي فحص كل مفتاح للتأكد من إيجاد حل - فسيستهلك أضعاف هذه الكمية. علاوة على ذلك، فإن هذه الطاقة المطلوبة هي فقط الطاقة اللازمة لتصفح فضاء المفاتيح؛ ولا يُؤخذ في الاعتبار الوقت الفعلي اللازم لقلب كل بت، وهو بالتأكيد أكبر من الصفر (انظر حد بريمرمان ).

مع ذلك، تفترض هذه الحجة أن قيم السجلات تُغيّر باستخدام عمليات الضبط والمسح التقليدية، والتي تُولّد حتمًا إنتروبيا . وقد ثبت أنه يمكن تصميم أجهزة حاسوبية بحيث لا تواجه هذا العائق النظري (انظر الحوسبة العكسية )، على الرغم من أنه لم يُعرف حتى الآن بناء أي حواسيب من هذا النوع.

مع توفر بدائل تجارية لحلول الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) الحكومية، والمعروفة أيضًا بهجمات الأجهزة المخصصة ، أثبتت تقنيتان ناشئتان قدرتهما على اختراق بعض خوارزميات التشفير باستخدام أسلوب التجربة والخطأ. الأولى هي تقنية وحدات معالجة الرسومات (GPU) الحديثة، ^{[ 8 ]} والثانية هي تقنية مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA). تتميز وحدات معالجة الرسومات بتوفرها الواسع وسعرها المناسب، بينما تتميز مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة بكفاءتها في استهلاك الطاقة لكل عملية تشفير. تسعى كلتا التقنيتين إلى نقل مزايا المعالجة المتوازية إلى هجمات التجربة والخطأ. في حالة وحدات معالجة الرسومات، يصل عدد وحدات المعالجة إلى المئات، وفي حالة مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة إلى الآلاف، مما يجعلها أكثر ملاءمة لكسر كلمات المرور من المعالجات التقليدية. على سبيل المثال، في عام 2022، تم ربط 8 وحدات معالجة رسومات من نوع Nvidia RTX 4090 لاختبار قوة كلمات المرور باستخدام برنامج Hashcat، وأظهرت النتائج إمكانية تجربة 200 مليار تركيبة من كلمات مرور NTLM مكونة من ثمانية أحرف في 48 دقيقة. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

أثبتت العديد من المنشورات في مجال التحليل التشفيري كفاءة استهلاك الطاقة لتقنية FPGA الحالية؛ فعلى سبيل المثال، يستهلك حاسوب COPACOBANA FPGA Cluster نفس الطاقة التي يستهلكها حاسوب شخصي واحد (600 واط)، ولكنه يؤدي أداءً يعادل 2500 حاسوب شخصي في بعض الخوارزميات. وتقدم العديد من الشركات حلولاً لتحليل التشفير تعتمد على تقنية FPGA، بدءًا من بطاقة FPGA PCI Express  واحدة وصولاً إلى حواسيب FPGA مخصصة. وقد تم اختراق تشفير WPA و WPA2 بنجاح باستخدام أسلوب التخمين العشوائي، مما أدى إلى تقليل عبء العمل بمقدار 50 ضعفًا مقارنةً بوحدات المعالجة المركزية التقليدية ^{[ 11 ] [ 12 ]} ، وبمقدار مئات في حالة FPGA.

يسمح معيار التشفير المتقدم (AES) باستخدام مفاتيح بطول 256 بت. ويتطلب كسر مفتاح متماثل بطول 256 بت باستخدام أسلوب التجربة والخطأ قوة حسابية تفوق قوة كسر مفتاح بطول 128 بت بمقدار ²¹²⁸ مرة. أحد أسرع الحواسيب العملاقة في عام 2019 يتمتع بسرعة 100 بيتافلوب ، ما يُمكّنه نظريًا من فحص 100 تريليون (10^ ¹⁴ ) مفتاح AES في الثانية (بافتراض 1000 عملية فحص لكل مفتاح)، ولكنه مع ذلك سيحتاج إلى 3.67 × 10^ ⁵⁵ سنة لاستنفاد مساحة مفاتيح 256 بت. ^{[ 13 ]}

يفترض هجوم القوة الغاشمة ضمنيًا استخدام فضاء المفاتيح بالكامل لتوليد المفاتيح، وهو ما يعتمد على مولد أرقام عشوائية فعال ، وعدم وجود أي عيوب في الخوارزمية أو تطبيقها. على سبيل المثال، تم اختراق عدد من الأنظمة التي كان يُعتقد في الأصل استحالة اختراقها باستخدام القوة الغاشمة، وذلك لأن فضاء المفاتيح المطلوب البحث فيه كان أصغر بكثير مما كان يُعتقد، بسبب نقص الإنتروبيا في مولدات الأرقام شبه العشوائية الخاصة بها . تشمل هذه الأنظمة تطبيق Netscape لبروتوكول طبقة المقابس الآمنة (SSL) (الذي تم اختراقه بواسطة إيان غولدبرغ وديفيد فاغنر عام 1995)، وإصدار Debian / Ubuntu من OpenSSL الذي اكتُشف وجود خلل فيه عام 2008. ^{[ 14 ] [ 15 ]} كما أدى نقص مماثل في الإنتروبيا المُطبقة إلى كسر شفرة Enigma . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

إعادة تدوير بيانات الاعتماد هي ممارسة اختراق تتمثل في إعادة استخدام مجموعات أسماء المستخدمين وكلمات المرور التي تم جمعها في هجمات القوة الغاشمة السابقة. ومن أشكال إعادة تدوير بيانات الاعتماد الخاصة ما يُعرف بـ "تمرير التجزئة" ، حيث تُسرق بيانات الاعتماد المُجزأة غير المُملّحة ويُعاد استخدامها دون الحاجة إلى اختراقها بالقوة الغاشمة أولاً. ^{[ 18 ]}

بعض أنواع التشفير، بحكم خصائصها الرياضية، لا يمكن اختراقها بالقوة الغاشمة. ومن الأمثلة على ذلك تشفير المفتاح لمرة واحدة ، حيث يقابل كل بت من النص الواضح مفتاحٌ من تسلسل عشوائي تمامًا من بتات المفاتيح. فعند تعريض سلسلة نصية مُشفّرة بمفتاح لمرة واحدة مكونة من 140 حرفًا لهجوم القوة الغاشمة، ستكشف في النهاية عن جميع السلاسل النصية الممكنة المكونة من 140 حرفًا، بما في ذلك الإجابة الصحيحة، ولكن من بين جميع الإجابات المُعطاة، لن يكون هناك سبيل لمعرفة الإجابة الصحيحة. إن اختراق مثل هذا النظام، كما فعل مشروع فينونا ، لا يعتمد عمومًا على التشفير البحت، بل على أخطاء في تنفيذه، مثل عدم عشوائية لوحات المفاتيح، أو اعتراض لوحات المفاتيح، أو ارتكاب المشغلين أخطاءً. ^{[ 19 ]}

في حالة الهجوم غير المتصل بالإنترنت، حيث يتمكن المهاجم من الوصول إلى البيانات المشفرة، يمكنه تجربة تركيبات المفاتيح دون خطر الكشف أو التدخل. أما في حالة الهجمات المتصلة بالإنترنت ، فيمكن لمسؤولي قواعد البيانات والفهارس اتخاذ تدابير مضادة، مثل تحديد عدد محاولات إدخال كلمة المرور، وإضافة فترات زمنية بين المحاولات المتتالية، وزيادة تعقيد الإجابة (كطلب إجابة CAPTCHA أو استخدام المصادقة متعددة العوامل )، و/أو قفل الحسابات بعد محاولات تسجيل دخول فاشلة. ^{[ 20 ]} كما يمكن لمسؤولي المواقع الإلكترونية منع عنوان IP معين من تجربة أكثر من عدد محدد مسبقًا من كلمات المرور ضد أي حساب على الموقع. ^{[ 21 ]} بالإضافة إلى ذلك، يوفر إطار عمل MITRE D3FEND توصيات منظمة للدفاع ضد هجمات القوة الغاشمة من خلال تطبيق استراتيجيات مثل تصفية حركة مرور الشبكة، ونشر بيانات اعتماد وهمية، وإبطال ذاكرة التخزين المؤقت للمصادقة. ^{[ 22 ]}

في هجوم القوة الغاشمة العكسي (المعروف أيضًا باسم رش كلمات المرور)، تُجرَّب كلمة مرور واحدة (عادةً ما تكون شائعة) على عدة أسماء مستخدمين أو ملفات مشفرة. ^{[ 23 ]} وقد تُكرَّر هذه العملية لعدد قليل من كلمات المرور المختارة. في هذه الاستراتيجية، لا يستهدف المهاجم مستخدمًا محددًا.

• تعدين البيتكوين
• طول مفتاح التشفير
• Distributed.net
• يا سحابة مريم العذراء
• دالة اشتقاق المفتاح
• MD5CRK
• ميتا سبلويت إكسبريس
• هجوم القناة الجانبية
• تألقي وتألقي​
• مسافة يونيسيتي
• تحدي RSA للتحليل المالي
• صدفة آمنة

• مسابقة فك تشفير DES-III برعاية RSA
• عرض توضيحي لجهاز يعتمد على أسلوب التجربة والخطأ مصمم لتخمين رمز مرور أجهزة آيفون المقفلة التي تعمل بنظام iOS 10.3.3
• كيف فككنا شفرات كتاب الشفرات - مقال بقلم الفريق الفائز في تحدي كتاب الشفرات