علم التشفير

تُعدّ أنواع التشفير الكلاسيكية الرئيسية هي تشفير التبديل ، الذي يُعيد ترتيب حروف الرسالة (مثلاً، تُصبح عبارة "hello world" هي "ehlol owrdl" في عملية إعادة ترتيب بسيطة للغاية)، وتشفير الاستبدال ، الذي يستبدل الحروف أو مجموعات الحروف بشكل منهجي بحروف أو مجموعات حروف أخرى (مثلاً، تُصبح عبارة "fly at once" هي "gmz bu podf" باستبدال كل حرف بالحرف الذي يليه في الأبجدية اللاتينية ). ^{[ 22 ]} لم تُوفر النسخ البسيطة من أيٍّ من هذين النوعين قدراً كبيراً من السرية ضد الخصوم المُغامرين. كان تشفير قيصر أحد أنواع تشفير الاستبدال المبكرة ، حيث كان يُستبدل كل حرف في النص الأصلي بحرف يقع بعده بثلاثة مواضع في الأبجدية. ^{[ 23 ]} يذكر سويتونيوس أن يوليوس قيصر استخدمه مع إزاحة مقدارها ثلاثة للتواصل مع جنرالاته. يُعدّ تشفير أتباش مثالاً على التشفير العبري المبكر. إن أقدم استخدام معروف للتشفير هو بعض النصوص المشفرة المنحوتة على الحجر في مصر ( حوالي 1900 قبل الميلاد )، ولكن ربما تم ذلك من أجل تسلية المراقبين المتعلمين بدلاً من كونه وسيلة لإخفاء المعلومات.

يُقال إن الإغريق في العصور الكلاسيكية كانوا على دراية بالشفرات (مثل شفرة النقل "سكيتال" التي يُزعم أن الجيش الإسبرطي استخدمها ). ^{[ 24 ]} كما طُوِّرت تقنية إخفاء المعلومات (أي إخفاء وجود الرسالة نفسها للحفاظ على سريتها) لأول مرة في العصور القديمة. ومن الأمثلة المبكرة على ذلك، ما ذكره هيرودوت عن رسالة وُشمت على رأس عبد محلوق وأُخفيت تحت الشعر الذي نما مجددًا. ^{[ 13 ]} وتشمل طرق إخفاء المعلومات الأخرى "الإخفاء في وضح النهار"، مثل استخدام شفرة موسيقية لإخفاء رسالة مشفرة داخل نوتة موسيقية عادية. ومن الأمثلة الحديثة على إخفاء المعلومات استخدام الحبر السري ، والنقاط الدقيقة ، والعلامات المائية الرقمية لإخفاء المعلومات.

في الهند، يتحدث كتاب كاماسوترا لفاتسيايانا ، الذي يعود تاريخه إلى ألفي عام، عن نوعين مختلفين من التشفير يُسميان كوتيليام ومولافيديا. في كوتيليام، تعتمد استبدالات حروف التشفير على العلاقات الصوتية، مثل تحويل حروف العلة إلى حروف ساكنة. أما في مولافيديا، فتتكون أبجدية التشفير من أزواج من الحروف واستخدام الحروف المقابلة لها. ^{[ 13 ]}

في بلاد فارس الساسانية ، كان هناك نوعان من الخطوط السرية، وفقًا للمؤلف المسلم ابن النديم : الشاه دبيرية (وتعني حرفيًا "خط الملك") التي كانت تستخدم للمراسلات الرسمية، والراز صحارية التي كانت تستخدم لتوصيل الرسائل السرية إلى البلدان الأخرى. ^{[ 25 ]}

يشير ديفيد كان في كتابه "فك الشفرات" إلى أن علم التشفير الحديث نشأ بين العرب ، الذين كانوا أول من وثّق أساليب تحليل الشفرات بشكل منهجي. ^{[ 26 ]} كتب الخليل (717-786) كتاب الرسائل المشفرة ، الذي يتضمن أول استخدام للتباديل والتوافيق لسرد جميع الكلمات العربية الممكنة مع الحركات وبدونها. ^{[ 27 ]}

تكشف النصوص المشفرة الناتجة عن التشفير الكلاسيكي (وبعض التشفيرات الحديثة) معلومات إحصائية عن النص الأصلي، ويمكن استخدام هذه المعلومات غالبًا لفك التشفير. بعد اكتشاف تحليل التردد ، أصبح من الممكن فك جميع هذه التشفيرات تقريبًا بواسطة مهاجم مُلِمٍّ بالتقنيات. ^{[ 28 ]} لا تزال هذه التشفيرات الكلاسيكية تحظى بشعبية حتى اليوم، وإن كان ذلك في الغالب على شكل ألغاز (انظر: التشفير ) . ألّف العالم العربي الموسوعي الكندي كتابًا في علم التشفير بعنوان "رسالة في استخارج المعمدان " ، وصف فيه أول استخدام معروف لتقنيات تحليل التشفير القائمة على تحليل التردد. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

قد لا تُفيد ترددات حروف اللغة كثيرًا في بعض تقنيات التشفير التاريخية المُطوّلة، مثل التشفير المتجانس ، التي تميل إلى تسطيح توزيع الترددات. بالنسبة لهذه التشفيرات، قد تُشكّل ترددات مجموعات حروف اللغة (أو n-gram) ثغرةً للهجوم.

ظلت جميع الشفرات تقريبًا عرضة للتحليل باستخدام تقنية تحليل التردد حتى تطوير الشفرة متعددة الأبجديات ، على يد ليون باتيستا ألبيرتي حوالي عام 1467، مع وجود بعض الدلائل على أن الكندي كان على دراية بها بالفعل. ^{[ 30 ]} تمثلت ابتكارات ألبيرتي في استخدام شفرات مختلفة (أي أبجديات استبدال) لأجزاء مختلفة من الرسالة (ربما لكل حرف متتالٍ من النص الأصلي عند الحد الأقصى). كما اخترع ما يُرجح أنه أول جهاز تشفير آلي ، وهو عبارة عن عجلة تُجسد جزءًا من اختراعه. في شفرة فيجنير ، وهي شفرة متعددة الأبجديات ، يستخدم التشفير كلمة مفتاحية تتحكم في استبدال الأحرف بناءً على الحرف المستخدم من الكلمة المفتاحية. في منتصف القرن التاسع عشر، أثبت تشارلز باباج أن شفرة فيجنير عرضة لفحص كاسيسكي ، ولكن نُشر هذا لأول مرة بعد حوالي عشر سنوات على يد فريدريك كاسيسكي . ^{[ 31 ]}

على الرغم من أن تحليل التردد يُعدّ أسلوبًا قويًا وعامًا ضد العديد من الشفرات، إلا أن التشفير ظل فعالًا في كثير من الأحيان عمليًا، نظرًا لجهل العديد من محللي الشفرات المحتملين بهذه التقنية. كان فك تشفير رسالة دون استخدام تحليل التردد يتطلب معرفة الشفرة المستخدمة، وربما المفتاح المستخدم، مما جعل التجسس والرشوة والسرقة والانشقاق، وغيرها، أساليب أكثر جاذبية لمن يفتقرون إلى المعرفة بتحليل الشفرات. أُقرّ صراحةً في القرن التاسع عشر أن سرية خوارزمية الشفرة ليست ضمانة منطقية أو عملية لأمن الرسائل؛ بل أُدرك أيضًا أن أي نظام تشفير مناسب (بما في ذلك الشفرات) يجب أن يظل آمنًا حتى لو فهم الخصم خوارزمية الشفرة نفسها فهمًا كاملًا. يجب أن يكون أمان المفتاح المستخدم وحده كافيًا لكي تحافظ الشفرة الجيدة على سريتها في حال تعرضها للهجوم. وقد صاغ أوغست كيركوفس هذا المبدأ الأساسي صراحةً لأول مرة عام 1883 ، ويُعرف عمومًا باسم مبدأ كيركوفس . وبصورة أكثر صراحة، أعاد كلود شانون ، مخترع نظرية المعلومات وأساسيات التشفير النظري، صياغتها على أنها قاعدة شانون - "العدو يعرف النظام".

استُخدمت أجهزة ووسائل مساعدة مادية متنوعة للمساعدة في فك الشفرات. ولعلّ من أقدمها عصا "سكيتالي" اليونانية القديمة، وهي عصا يُزعم أن الإسبرطيين استخدموها كوسيلة مساعدة في شفرة التبديل. وفي العصور الوسطى، اختُرعت وسائل مساعدة أخرى مثل شبكة التشفير ، التي استُخدمت أيضًا لنوع من أنواع إخفاء المعلومات. ومع اختراع الشفرات متعددة الأبجديات، ظهرت وسائل مساعدة أكثر تطورًا مثل قرص التشفير الخاص بألبرتي ، ونظام " تابولا ريكتا " ليوهانس تريثيميوس ، وشفرة العجلة لتوماس جيفرسون (غير معروفة للعامة، وأعاد بازيريس اختراعها بشكل مستقل حوالي عام 1900). وقد اختُرعت العديد من أجهزة التشفير/فك التشفير الميكانيكية في أوائل القرن العشرين، وحصل العديد منها على براءات اختراع، من بينها آلات الدوّار - وأشهرها آلة إنجما التي استخدمتها الحكومة والجيش الألمانيان منذ أواخر عشرينيات القرن الماضي وخلال الحرب العالمية الثانية . ^{[ 32 ]} أدت الشفرات التي تم تنفيذها بواسطة نماذج ذات جودة أفضل من تصميمات هذه الآلات إلى زيادة كبيرة في صعوبة تحليل الشفرات بعد الحرب العالمية الأولى. ^{[ 33 ]}

أثبت تحليل الشفرات لأجهزة التشفير الميكانيكية الجديدة أنه أمرٌ صعبٌ وشاق. في المملكة المتحدة، حفّزت جهود تحليل الشفرات في بليتشلي بارك خلال الحرب العالمية الثانية تطوير وسائل أكثر كفاءة لتنفيذ المهام المتكررة، مثل فك الشفرات العسكرية . وقد تُوّج ذلك بتطوير جهاز كولوسوس ، أول حاسوب إلكتروني رقمي قابل للبرمجة بالكامل في العالم ، والذي ساعد في فك الشفرات التي أنشأها جهاز لورنز SZ40/42 التابع للجيش الألماني .

يُعدّ البحث الأكاديمي المفتوح والواسع النطاق في مجال التشفير حديثًا نسبيًا، إذ بدأ في منتصف سبعينيات القرن الماضي. في أوائل السبعينيات، صمّم موظفو شركة IBM خوارزمية معيار تشفير البيانات (DES) التي أصبحت أول معيار تشفير حكومي فيدرالي في الولايات المتحدة. ^{[ 34 ]} في عام 1976، نشر ويتفيلد ديفي ومارتن هيلمان خوارزمية تبادل مفاتيح ديفي-هيلمان. ^{[ 35 ]} وفي عام 1977 ، نُشرت خوارزمية RSA في عمود مارتن غاردنر في مجلة ساينتفك أمريكان . ^{[ 36 ]} ومنذ ذلك الحين، أصبح التشفير أداةً شائعة الاستخدام في الاتصالات وشبكات الحاسوب وأمن الحاسوب عمومًا.

لا تستطيع بعض تقنيات التشفير الحديثة الحفاظ على سرية مفاتيحها إلا إذا كانت بعض المسائل الرياضية عصية على الحل ، مثل تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية أو مسائل اللوغاريتمات المنفصلة ، ​​مما يدل على وجود ارتباط وثيق بينها وبين الرياضيات المجردة . هناك عدد قليل جدًا من أنظمة التشفير التي ثبت أمانها المطلق. يُعدّ مفتاح التشفير لمرة واحدة أحد هذه الأنظمة، وقد أثبت كلود شانون أمانه. توجد بعض الخوارزميات المهمة التي ثبت أمانها في ظل افتراضات معينة. على سبيل المثال، يُعدّ استحالة تحليل الأعداد الصحيحة الكبيرة جدًا إلى عواملها الأولية أساسًا للاعتقاد بأمان خوارزمية RSA، وبعض الأنظمة الأخرى، ولكن مع ذلك، لا يتوفر دليل قاطع على عدم إمكانية اختراقها لأن المسألة الرياضية الأساسية لا تزال مفتوحة. في الواقع، تُستخدم هذه الأنظمة على نطاق واسع، ويعتقد معظم المراقبين المختصين أنها غير قابلة للاختراق عمليًا. توجد أنظمة مشابهة لخوارزمية RSA، مثل نظام مايكل أو. رابين، والتي يمكن إثبات أمانها بشرط استحالة تحليل n = pq إلى عواملها الأولية ؛ إلا أنها غير قابلة للاستخدام عمليًا. تُعتبر مسألة اللوغاريتم المنفصل أساسًا للاعتقاد بأن بعض أنظمة التشفير الأخرى آمنة، ومرة ​​أخرى، هناك أنظمة ذات صلة، أقل عملية، يمكن إثبات أمانها بالنسبة لمسألة اللوغاريتم المنفصل من حيث قابلية الحل أو عدم قابليته. ^{[ 37 ]}

إلى جانب الإلمام بتاريخ التشفير، يجب على مصممي خوارزميات وأنظمة التشفير مراعاة التطورات المستقبلية المحتملة أثناء تصميماتهم. فعلى سبيل المثال، أدى التحسن المستمر في قدرة معالجة الحواسيب إلى زيادة نطاق هجمات القوة الغاشمة ، وبالتالي، عند تحديد أطوال المفاتيح ، تتزايد أطوال المفاتيح المطلوبة بالتوازي. ^{[ 38 ]} ويدرس بعض مصممي أنظمة التشفير الذين يطورون التشفير ما بعد الكمومي التأثير المحتمل للحوسبة الكمومية . وقد يجعل الإعلان عن قرب ظهور تطبيقات مصغرة لهذه الأجهزة الحاجة إلى توخي الحذر الاستباقي أكثر من مجرد تكهنات. ^{[ 5 ]}

يشير التشفير المتناظر إلى أساليب التشفير التي يتشارك فيها كل من المرسل والمستقبل نفس المفتاح (أو، في حالات أقل شيوعًا، التي تكون فيها مفاتيحهم مختلفة، ولكنها مرتبطة بطريقة يسهل حسابها). كان هذا النوع الوحيد من التشفير المعروف للعامة حتى يونيو 1976. ^{[ 35 ]}

تُنفذ خوارزميات التشفير المتناظر إما كخوارزميات تشفير كتلية أو خوارزميات تشفير متدفقة . تقوم خوارزمية التشفير الكتلية بتشفير المدخلات على شكل كتل من النص العادي بدلاً من الأحرف الفردية، وهو شكل الإدخال الذي تستخدمه خوارزمية التشفير المتدفقة.

يُعدّ كلٌّ من معيار تشفير البيانات ( DES) ومعيار التشفير المتقدم (AES) من تصميمات تشفير الكتل التي اعتمدتها الحكومة الأمريكية كمعايير تشفير (مع أن اعتماد DES سُحب نهائيًا بعد اعتماد AES). ^{[ 46 ]} ورغم توقف اعتماده كمعيار رسمي، لا يزال DES (وخاصةً نسخته الثلاثية DES، التي لا تزال معتمدة وأكثر أمانًا بكثير ) شائعًا جدًا؛ إذ يُستخدم في نطاق واسع من التطبيقات، بدءًا من تشفير أجهزة الصراف الآلي ^{[ 47 ]} وصولًا إلى خصوصية البريد الإلكتروني ^{[ 48 ]} والوصول الآمن عن بُعد . ^{[ 49 ]} وقد صُممت ونُشرت العديد من خوارزميات تشفير الكتل الأخرى، مع تفاوت كبير في الجودة. وقد تم اختراق العديد منها، حتى تلك التي صممها خبراء متمكنون، مثل FEAL . ^{[ 5 ] [ 50 ]}

تُنشئ خوارزميات التشفير المتدفقة، على عكس خوارزميات التشفير الكتلية، سلسلة طويلة من بيانات المفاتيح، تُدمج مع النص الأصلي بتًا بتًا أو حرفًا حرفًا، على غرار تقنية التشفير لمرة واحدة . في خوارزمية التشفير المتدفقة، تُنشأ سلسلة الإخراج بناءً على حالة داخلية مخفية تتغير أثناء عملية التشفير. تُهيأ هذه الحالة الداخلية مبدئيًا باستخدام بيانات المفاتيح السرية. تُعدّ خوارزمية RC4 من خوارزميات التشفير المتدفقة الشائعة الاستخدام. ^{[ 5 ]} يمكن استخدام خوارزميات التشفير الكتلية كخوارزميات تشفير متدفقة عن طريق توليد كتل من سلسلة المفاتيح (بدلاً من مولد الأرقام العشوائية الزائفة ) وتطبيق عملية XOR على كل بت من النص الأصلي مع كل بت من سلسلة المفاتيح. ^{[ 51 ]}

تُشبه رموز مصادقة الرسائل (MACs) إلى حد كبير دوال التجزئة التشفيرية ، باستثناء إمكانية استخدام مفتاح سري لمصادقة قيمة التجزئة عند استلامها؛ ^{[ 5 ] [ 45 ]} هذا التعقيد الإضافي يُعيق أي هجوم على خوارزميات التجزئة المجردة ، ولذا اعتُبر جديرًا بالاهتمام. تُعد دوال التجزئة التشفيرية نوعًا ثالثًا من خوارزميات التشفير. فهي تأخذ رسالة بأي طول كمدخل، وتُخرج تجزئة قصيرة ثابتة الطول ، يُمكن استخدامها (على سبيل المثال) في التوقيع الرقمي. بالنسبة لدوال التجزئة الجيدة، لا يستطيع المهاجم العثور على رسالتين تُنتجان نفس التجزئة. MD4 هي دالة تجزئة مُستخدمة منذ فترة طويلة، ولكنها الآن مُخترقة؛ MD5 ، وهي نسخة مُحسّنة من MD4، تُستخدم على نطاق واسع أيضًا، ولكنها مُخترقة عمليًا. طوّرت وكالة الأمن القومي الأمريكية سلسلة خوارزميات التجزئة الآمنة (SHA-0) من دوال التجزئة الشبيهة بـ MD5: كانت SHA-0 خوارزمية معيبة سحبتها الوكالة. يُستخدم SHA-1 على نطاق واسع وهو أكثر أمانًا من MD5، لكن محللي التشفير رصدوا هجمات ضده؛ أما عائلة SHA-2 فتُحسّن من SHA-1، لكنها عُرضة للاختراقات منذ عام 2011؛ ​​ورأت هيئة المعايير الأمريكية أنه من "الحكمة" من منظور أمني تطوير معيار جديد "لتحسين متانة مجموعة أدوات خوارزميات التجزئة الشاملة التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بشكل كبير". ^{[ 52 ]} ولذلك، أُجريت مسابقة لتصميم دوال التجزئة لاختيار معيار وطني أمريكي جديد، يُسمى SHA-3 ، بحلول عام 2012. وانتهت المسابقة في 2 أكتوبر 2012، عندما أعلن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) أن Keccak ستكون خوارزمية التجزئة الجديدة لـ SHA-3. ^{[ 53 ]} وعلى عكس تشفيرات الكتل والتدفقات القابلة للعكس، تُنتج دوال التجزئة المشفرة مُخرجات مُجزأة لا يُمكن استخدامها لاستعادة بيانات الإدخال الأصلية. تُستخدم وظائف التجزئة المشفرة للتحقق من صحة البيانات المسترجعة من مصدر غير موثوق به أو لإضافة طبقة من الأمان.

تستخدم أنظمة التشفير المتناظرة نفس المفتاح لتشفير وفك تشفير الرسائل، مع إمكانية اختلاف مفتاح رسالة أو مجموعة رسائل عن غيرها. ومن أبرز عيوب التشفير المتناظر إدارة المفاتيح اللازمة لضمان استخدامه بأمان. إذ يجب على كل طرفين متواصلين، من الناحية المثالية، استخدام مفتاح مختلف، وربما لكل نص مشفر يتم تبادله أيضًا. ويزداد عدد المفاتيح المطلوبة بمربع عدد أعضاء الشبكة، مما يستلزم سريعًا أنظمة معقدة لإدارة المفاتيح للحفاظ على اتساقها وسريتها.

في ورقة بحثية رائدة نُشرت عام ١٩٧٦، اقترح ويتفيلد ديفي ومارتن هيلمان مفهوم التشفير بالمفتاح العام (أو ما يُعرف عمومًا بالمفتاح غير المتماثل )، حيث يُستخدم مفتاحان مختلفان ولكنهما مرتبطان رياضيًا: مفتاح عام ومفتاح خاص . ^{[ ٥٤ ]} يُبنى نظام المفتاح العام بحيث يكون حساب أحد المفتاحين (المفتاح الخاص) مستحيلاً حسابيًا من الآخر (المفتاح العام)، على الرغم من ارتباطهما بالضرورة. وبدلًا من ذلك، يُولّد كلا المفتاحين سرًا، كزوج مترابط. ^{[ ٥٥ ]} وصف المؤرخ ديفيد كان التشفير بالمفتاح العام بأنه "المفهوم الجديد الأكثر ثورية في هذا المجال منذ ظهور استبدال الأحرف المتعددة في عصر النهضة". ^{[ ٥٦ ]}

في أنظمة التشفير بالمفتاح العام، يُمكن توزيع المفتاح العام بحرية، بينما يجب أن يبقى المفتاح الخاص المقابل له سراً. يُستخدم المفتاح العام للتشفير، بينما يُستخدم المفتاح الخاص أو السري لفك التشفير. على الرغم من أن ديفي وهيلمان لم يتمكنا من إيجاد نظام كهذا، فقد أثبتا إمكانية استخدام التشفير بالمفتاح العام من خلال تقديم بروتوكول تبادل مفاتيح ديفي-هيلمان ، وهو حل يُستخدم الآن على نطاق واسع في الاتصالات الآمنة لتمكين طرفين من الاتفاق سراً على مفتاح تشفير مشترك . ^{[ 35 ]} يُحدد معيار X.509 التنسيق الأكثر شيوعاً لشهادات المفتاح العام . ^{[ 57 ]}

أثار منشور ديفي وهيلمان جهودًا أكاديمية واسعة النطاق لإيجاد نظام تشفير عملي بالمفتاح العام. وقد فاز بهذا السباق أخيرًا في عام 1978 رونالد ريفست ، وآدي شامير ، ولين أدلمان ، الذين أصبح حلهم يُعرف منذ ذلك الحين باسم خوارزمية RSA . ^{[ 58 ]}

تُعدّ خوارزميات ديفي -هيلمان و RSA ، بالإضافة إلى كونها أول أمثلة معروفة للعامة لخوارزميات المفتاح العام عالية الجودة، من بين أكثر الخوارزميات استخدامًا. وتشمل خوارزميات المفتاح غير المتماثل الأخرى نظام تشفير كرامر-شوب ، وتشفير إلجامال ، وتقنيات المنحنيات الإهليلجية المختلفة .

كشفت وثيقة نشرتها مقر الاتصالات الحكومية البريطانية ( GCHQ ) عام 1997 أن خبراء التشفير في المقر توقعوا العديد من التطورات الأكاديمية. ^{[ 59 ]} ويُقال إن جيمس إتش. إليس وضع مبادئ التشفير باستخدام المفتاح غير المتماثل حوالي عام 1970. وفي عام 1973، ابتكر كليفورد كوكس حلاً مشابهاً جداً في أساسه المنطقي لخوارزمية RSA. ^{[ 59 ] [ 60 ]} وفي عام 1974، يُزعم أن مالكولم جيه. ويليامسون قد طور خوارزمية تبادل مفاتيح ديفي-هيلمان. ^{[ 61 ]}

تُستخدم التشفير بالمفتاح العام أيضًا لتنفيذ أنظمة التوقيع الرقمي . يُشبه التوقيع الرقمي التوقيع العادي؛ فكلاهما يتميز بسهولة إنشائه من قِبل المستخدم، وصعوبة تزويره من قِبل أي شخص آخر . كما يمكن ربط التوقيعات الرقمية بشكل دائم بمحتوى الرسالة المُوقّعة؛ فلا يُمكن نقلها من مستند إلى آخر، لأن أي محاولة لذلك ستكون قابلة للكشف. في أنظمة التوقيع الرقمي، توجد خوارزميتان: الأولى للتوقيع ، حيث يُستخدم مفتاح سري لمعالجة الرسالة (أو تجزئة الرسالة، أو كليهما)، والثانية للتحقق ، حيث يُستخدم المفتاح العام المطابق مع الرسالة للتحقق من صحة التوقيع. تُعدّ RSA و DSA من أشهر أنظمة التوقيع الرقمي. ^{[ 62 ]} تُعتبر التوقيعات الرقمية أساسية لتشغيل بنى المفاتيح العامة والعديد من أنظمة أمان الشبكات (مثل SSL/TLS ، والعديد من شبكات VPN ، إلخ). ^{[ 50 ]}

تعتمد خوارزميات المفتاح العام في أغلب الأحيان على التعقيد الحسابي للمسائل "الصعبة"، والتي غالبًا ما تكون من نظرية الأعداد . على سبيل المثال، ترتبط صعوبة خوارزمية RSA بمسألة تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية ، بينما ترتبط خوارزميتا Diffie-Hellman وDSA بمسألة اللوغاريتم المنفصل . ويعتمد أمان تشفير المنحنيات الإهليلجية على مسائل نظرية الأعداد التي تتضمن هذه المنحنيات . ونظرًا لصعوبة المسائل الأساسية، فإن معظم خوارزميات المفتاح العام تتضمن عمليات مثل الضرب المعياري والرفع الأسي، وهي عمليات أكثر تكلفة حسابية بكثير من التقنيات المستخدمة في معظم خوارزميات التشفير الكتلي، خاصةً مع أحجام المفاتيح النموذجية. ونتيجةً لذلك، غالبًا ما تكون أنظمة التشفير بالمفتاح العام أنظمة تشفير هجينة ، حيث تُستخدم خوارزمية تشفير متناظرة عالية الجودة وسريعة للرسالة نفسها، بينما يُرسل المفتاح المتناظر ذو الصلة مع الرسالة، ولكنه مُشفّر باستخدام خوارزمية المفتاح العام. وبالمثل، تُستخدم أنظمة التوقيع الهجينة في كثير من الأحيان، حيث يتم حساب دالة تجزئة تشفيرية، ويتم توقيع التجزئة الناتجة فقط رقميًا. ^{[ 5 ]}

دوال التشفير التجزئية هي دوال تأخذ مدخلات متغيرة الطول وتُرجع مخرجات ثابتة الطول، والتي يمكن استخدامها، على سبيل المثال، في التوقيع الرقمي. لكي تكون دالة التجزئة آمنة، يجب أن يكون من الصعب حساب مدخلين يُجزئان إلى نفس القيمة ( مقاومة التصادم ) وحساب مدخل يُجزئ إلى مخرجات مُحددة ( مقاومة الصورة الأصلية ). MD4 هي دالة تجزئة مستخدمة منذ فترة طويلة، ولكنها الآن مُخترقة؛ MD5 ، وهي نسخة مُحسّنة من MD4، تُستخدم على نطاق واسع أيضًا ولكنها مُخترقة عمليًا. طورت وكالة الأمن القومي الأمريكية سلسلة خوارزميات التجزئة الآمنة (SHA-0) من دوال التجزئة الشبيهة بـ MD5: SHA-0 كانت خوارزمية معيبة سحبتها الوكالة؛ SHA-1 منتشرة على نطاق واسع وأكثر أمانًا من MD5، لكن محللي التشفير رصدوا هجمات ضدها؛ عائلة SHA-2 تُحسّن من SHA-1، ولكنها عُرضة للتصادمات اعتبارًا من عام 2011. ورأت هيئة المعايير الأمريكية أنه من "الحكمة" من منظور أمني تطوير معيار جديد "لتحسين متانة مجموعة أدوات خوارزميات التجزئة الشاملة التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST ) بشكل ملحوظ". ^{[ 52 ]} ولذلك، أُجريت مسابقة لتصميم دوال التجزئة لاختيار معيار وطني أمريكي جديد، يُسمى SHA-3 ، بحلول عام 2012. وانتهت المسابقة في 2 أكتوبر 2012، عندما أعلن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا أن Keccak ستكون خوارزمية التجزئة الجديدة لـ SHA-3. ^{[ 53 ]} وعلى عكس تشفيرات الكتل والتدفقات القابلة للعكس، تُنتج دوال التجزئة المشفرة مخرجات مُجزأة لا يمكن استخدامها لاستعادة بيانات الإدخال الأصلية. وتُستخدم دوال التجزئة المشفرة للتحقق من صحة البيانات المسترجعة من مصدر غير موثوق أو لإضافة طبقة أمان.

الهدف من تحليل الشفرات هو إيجاد بعض نقاط الضعف أو عدم الأمان في نظام التشفير، مما يسمح بتخريبه أو التحايل عليه.

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن جميع طرق التشفير قابلة للكسر. ففي سياق عمله خلال الحرب العالمية الثانية في مختبرات بيل ، أثبت كلود شانون أن تشفير المفتاح لمرة واحدة غير قابل للكسر، شريطة أن تكون مادة المفتاح عشوائية تمامًا ، ولا يُعاد استخدامها أبدًا، وأن تبقى سرية عن جميع المهاجمين المحتملين، وأن يكون طولها مساويًا أو أكبر من طول الرسالة. ^{[ 63 ]} يمكن كسر معظم أنواع التشفير ، باستثناء تشفير المفتاح لمرة واحدة، ببذل جهد حسابي كافٍ عن طريق هجوم القوة الغاشمة ، ولكن مقدار الجهد المطلوب قد يعتمد بشكل كبير على حجم المفتاح، مقارنةً بالجهد اللازم لاستخدام التشفير. في مثل هذه الحالات، يمكن تحقيق أمان فعال إذا ثبت أن الجهد المطلوب (أي "عامل العمل"، بتعبير شانون) يتجاوز قدرة أي خصم. وهذا يعني أنه يجب إثبات عدم وجود طريقة فعالة (على عكس طريقة القوة الغاشمة التي تستغرق وقتًا طويلاً) لكسر التشفير. بما أنه لم يُعثر على أي دليل من هذا القبيل حتى الآن، فإن التشفير باستخدام مفتاح لمرة واحدة يبقى التشفير الوحيد الذي لا يمكن اختراقه نظرياً. مع أن التشفير باستخدام مفتاح لمرة واحدة المُطبق بشكل جيد لا يمكن اختراقه، إلا أن تحليل حركة البيانات لا يزال ممكناً.

تتنوع هجمات تحليل الشفرات بشكل كبير، ويمكن تصنيفها بعدة طرق. ويعتمد التمييز الشائع بينها على ما تعرفه إيف (المهاجمة) وما هي القدرات المتاحة لها. في هجوم النص المشفر فقط ، لا تملك إيف سوى النص المشفر (عادةً ما تكون أنظمة التشفير الحديثة الجيدة محصنة فعليًا ضد هجمات النص المشفر فقط). في هجوم النص الصريح المعروف ، تملك إيف النص المشفر والنص الصريح المقابل له (أو العديد من هذه الأزواج). في هجوم النص الصريح المختار ، قد تختار إيف نصًا صريحًا وتتعرف على نصه المشفر المقابل (ربما عدة مرات)؛ ومن الأمثلة على ذلك كلمة " البستنة " التي استخدمها البريطانيون خلال الحرب العالمية الثانية. في هجوم النص المشفر المختار ، قد تتمكن إيف من اختيار النصوص المشفرة والتعرف على نصوصها الصريحة المقابلة. ^{[ 5 ]} وأخيرًا، في هجوم الوسيط، تتدخل إيف بين أليس (المرسلة) وبوب (المستلم)، وتصل إلى البيانات وتعدلها ثم تعيد توجيهها إلى المستلم. ^{[ 64 ]} كما أن الأخطاء (عادةً في تصميم أو استخدام أحد البروتوكولات المعنية) مهمة للغاية، وغالبًا ما تكون بالغة الأهمية.

يتضمن تحليل التشفير باستخدام المفتاح المتناظر عادةً البحث عن هجمات ضد تشفيرات الكتل أو تشفيرات التدفق، تكون أكثر فعالية من أي هجوم محتمل ضد تشفير مثالي. على سبيل المثال، يتطلب هجوم القوة الغاشمة البسيط ضد خوارزمية DES نصًا عاديًا معروفًا واحدًا و2^ ⁵⁵ عملية فك تشفير، مع تجربة ما يقارب نصف المفاتيح الممكنة، للوصول إلى نقطة تكون فيها احتمالات العثور على المفتاح المطلوب أفضل من احتمالات العثور عليه. لكن هذا قد لا يكون كافيًا؛ إذ يتطلب هجوم التحليل الخطي ضد خوارزمية DES نصوصًا ^عادية معروفة (مع نصوصها المشفرة المقابلة) وما يقارب 2 ^{^43} عملية DES. ^{[ 65 ]} وهذا يُعد تحسنًا كبيرًا مقارنةً بهجمات القوة الغاشمة.

تعتمد خوارزميات المفتاح العام على الصعوبة الحسابية لمختلف المسائل. ومن أشهرها صعوبة تحليل الأعداد شبه الأولية إلى عواملها الأولية ، وصعوبة حساب اللوغاريتمات المنفصلة ، ​​وكلاهما لم يُثبت بعد إمكانية حلهما في وقت متعدد الحدود ( P ) باستخدام حاسوب تورينج كامل فقط . ويركز جزء كبير من تحليل التشفير بالمفتاح العام على تصميم خوارزميات في وقت متعدد الحدود ( P) قادرة على حل هذه المسائل، أو استخدام تقنيات أخرى، مثل الحواسيب الكمومية . فعلى سبيل المثال، تستغرق أفضل الخوارزميات المعروفة لحل النسخة القائمة على المنحنى الإهليلجي من اللوغاريتم المنفصل وقتًا أطول بكثير من أفضل الخوارزميات المعروفة للتحليل إلى عوامل، على الأقل بالنسبة للمسائل ذات الحجم المماثل تقريبًا. وبالتالي، لتحقيق قوة تشفير مكافئة، تتطلب التقنيات التي تعتمد على صعوبة تحليل الأعداد المركبة الكبيرة إلى عواملها الأولية، مثل نظام تشفير RSA، مفاتيح أكبر من تلك المستخدمة في تقنيات المنحنى الإهليلجي. لهذا السبب، أصبحت أنظمة التشفير بالمفتاح العام القائمة على المنحنيات الإهليلجية شائعة منذ اختراعها في منتصف التسعينيات.

بينما يستغل التحليل التشفيري البحت نقاط الضعف في الخوارزميات نفسها، تعتمد هجمات أخرى على أنظمة التشفير على الاستخدام الفعلي للخوارزميات في أجهزة حقيقية، وتُعرف بهجمات القنوات الجانبية . فإذا تمكن محلل التشفير، على سبيل المثال، من الوصول إلى المدة التي استغرقها الجهاز لتشفير عدد من النصوص العادية أو الإبلاغ عن خطأ في كلمة مرور أو رمز PIN، فقد يتمكن من استخدام هجوم التوقيت لكسر تشفير يصعب تحليله. وقد يدرس المهاجم أيضًا نمط الرسائل وطولها لاستخلاص معلومات قيّمة؛ وهذا ما يُعرف بتحليل حركة البيانات ^{[ 66 ]،} ويمكن أن يكون مفيدًا للغاية للمهاجم المتيقظ. إن سوء إدارة نظام التشفير، كالسماح بمفاتيح قصيرة جدًا، يجعل أي نظام عرضة للاختراق، بغض النظر عن مزاياه الأخرى. عادة ما يتم استخدام الهندسة الاجتماعية وغيرها من الهجمات ضد البشر (مثل الرشوة والابتزاز والتهديد والتجسس وتحليل الشفرات المرن أو التعذيب) نظرًا لكونها أكثر فعالية من حيث التكلفة وأكثر جدوى في التنفيذ في فترة زمنية معقولة مقارنة بتحليل الشفرات البحت بهامش كبير.

يركز جزء كبير من العمل النظري في علم التشفير على العناصر التشفيرية الأساسية - وهي خوارزميات ذات خصائص تشفيرية جوهرية - وعلاقتها بمسائل التشفير الأخرى. ومن ثم، تُبنى أدوات تشفير أكثر تعقيدًا انطلاقًا من هذه العناصر الأساسية. توفر هذه العناصر خصائص جوهرية تُستخدم لتطوير أدوات أكثر تعقيدًا تُسمى أنظمة التشفير أو بروتوكولات التشفير ، والتي تضمن خاصية أو أكثر من خصائص الأمان عالية المستوى. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن التمييز بين العناصر التشفيرية الأساسية وأنظمة التشفير هو تمييز اعتباطي إلى حد كبير؛ فعلى سبيل المثال، تُعتبر خوارزمية RSA أحيانًا نظام تشفير، وأحيانًا عنصرًا أساسيًا. ومن الأمثلة الشائعة على العناصر التشفيرية الأساسية: الدوال شبه العشوائية ، والدوال أحادية الاتجاه ، وما إلى ذلك.

غالبًا ما تُستخدم واحدة أو أكثر من العناصر التشفيرية الأساسية لتطوير خوارزمية أكثر تعقيدًا، تُسمى نظامًا تشفيريًا . تُصمم الأنظمة التشفيرية (مثل تشفير إل-جامال ) لتوفير وظائف محددة (مثل تشفير المفتاح العام) مع ضمان خصائص أمنية معينة (مثل أمان هجوم النص الصريح المُختار في نموذج أوراكل العشوائي ). تستخدم الأنظمة التشفيرية خصائص العناصر التشفيرية الأساسية لدعم خصائص أمان النظام. ولأن التمييز بين العناصر الأساسية والأنظمة التشفيرية تعسفي إلى حد ما، يمكن اشتقاق نظام تشفيري متطور من خلال دمج عدة أنظمة تشفيرية أساسية. في كثير من الحالات، يتضمن هيكل النظام التشفيري اتصالًا متبادلًا بين طرفين أو أكثر مكانيًا (مثلًا، بين مُرسِل رسالة آمنة ومُستقبِلها) أو زمنيًا (مثلًا، بيانات النسخ الاحتياطي المحمية تشفيريًا ). تُسمى هذه الأنظمة التشفيرية أحيانًا بالبروتوكولات التشفيرية .

تتضمن بعض أنظمة التشفير المعروفة على نطاق واسع RSA، وتوقيع Schnorr ، وتشفير ElGamal ، و Pretty Good Privacy (PGP). وتشمل أنظمة التشفير الأكثر تعقيدًا أنظمة النقود الإلكترونية ^{[ 67 ]} ، وأنظمة التشفير بالتوقيع ، وما إلى ذلك. وتشمل بعض أنظمة التشفير "النظرية" أنظمة الإثبات التفاعلية ^{[ 68 ]} (مثل إثباتات المعرفة الصفرية ) ^{[ 69 ]} وأنظمة مشاركة الأسرار ^{[ 70 ] [ 71 ]} .

يهتم التشفير الخفيف (LWC) بخوارزميات التشفير المصممة لبيئة ذات قيود صارمة. وقد أدى نمو إنترنت الأشياء (IoT) إلى زيادة ملحوظة في الأبحاث المتعلقة بتطوير خوارزميات خفيفة أكثر ملاءمة لهذه البيئة. تتطلب بيئة إنترنت الأشياء قيودًا صارمة على استهلاك الطاقة، وقدرة المعالجة، والأمان. ^{[ 72 ]} تُعد خوارزميات مثل Ascon و SPECK أمثلة على العديد من خوارزميات التشفير الخفيف التي طُوّرت لتلبية معايير مسابقة CAESAR والمعيار الذي وضعه المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . ^{[ 73 ]}

يمكن استخدام التشفير لتأمين الاتصالات عن طريق تشفيرها. تستخدم مواقع الويب التشفير عبر بروتوكول HTTPS . ^{[ 76 ]} يُطبَّق التشفير "من طرف إلى طرف"، حيث لا يمكن قراءة الرسائل إلا من قِبَل المُرسِل والمُستقبِل، في البريد الإلكتروني في تطبيق Pretty Good Privacy ، وفي المراسلة الآمنة بشكل عام في تطبيقات WhatsApp و Signal و Telegram . ^{[ 76 ]}

تستخدم أنظمة التشغيل التشفير للحفاظ على سرية كلمات المرور، وإخفاء أجزاء من النظام، والتأكد من أن تحديثات البرامج صادرة فعلاً من الشركة المصنعة للنظام. ^{[ 76 ]} بدلاً من تخزين كلمات المرور كنص عادي، تخزن أنظمة الحاسوب تجزئتها؛ ثم، عند تسجيل دخول المستخدم، يمرر النظام كلمة المرور المُدخلة عبر دالة تجزئة تشفيرية ويقارنها بالقيمة المُجزأة المخزنة. وبهذه الطريقة، لا يمكن للنظام ولا للمهاجم الوصول إلى كلمة المرور كنص عادي في أي وقت. ^{[ 76 ]}

يُستخدم التشفير أحيانًا لتشفير محرك الأقراص بالكامل. على سبيل المثال، قامت جامعة كوليدج لندن بتطبيق برنامج BitLocker (من مايكروسوفت) لجعل بيانات محرك الأقراص غير شفافة دون تسجيل دخول المستخدمين. ^{[ 76 ]}

تُمكّن تقنيات التشفير تقنيات العملات المشفرة ، مثل تقنيات السجلات الموزعة (مثل سلاسل الكتل )، التي تموّل تطبيقات الاقتصاد الرقمي مثل التمويل اللامركزي . تشمل تقنيات التشفير الرئيسية التي تُمكّن العملات المشفرة والاقتصاد الرقمي، على سبيل المثال لا الحصر: مفاتيح التشفير ، ودوال التجزئة التشفيرية، والتشفير غير المتماثل (المفتاح العام) ، والمصادقة متعددة العوامل ، والتشفير من طرف إلى طرف ، وإثباتات المعرفة الصفرية .

تشير التقديرات إلى أن الحاسوب الكمومي قد يقلل الجهد المطلوب لكسر أقوى مفاتيح RSA أو مفاتيح المنحنى الإهليلجي الحالية من آلاف السنين إلى ثوانٍ معدودة، مما يجعل البروتوكولات الحالية (مثل إصدارات TLS التي تعتمد على هذه المفاتيح) غير آمنة. ^{[ 77 ]}

للتخفيف من هذا "التهديد الكمي"، يعمل الباحثون على تطوير خوارزميات مقاومة للحوسبة الكمية، والتي يعتمد أمانها على مشاكل يُعتقد أنها لا تزال صعبة على كل من الحواسيب التقليدية والكمومية. ^{[ 78 ]}

لطالما حظي علم التشفير باهتمام وكالات الاستخبارات وإنفاذ القانون . ^{[ 9 ]} قد تُعتبر الاتصالات السرية جريمة أو حتى خيانة عظمى . ونظرًا لما يوفره التشفير من حماية للخصوصية ، وما يترتب على حظره من انتهاك لها، فإنه يحظى أيضًا باهتمام كبير من قبل المدافعين عن الحقوق المدنية. وبناءً على ذلك، شهد علم التشفير تاريخًا من القضايا القانونية المثيرة للجدل، لا سيما منذ ظهور الحواسيب الرخيصة التي أتاحت الوصول على نطاق واسع إلى برامج تشفير عالية الجودة.

في بعض الدول، حتى الاستخدام المحلي للتشفير مقيد، أو كان مقيدًا. ففرنسا ، حتى عام ١٩٩٩، فرضت قيودًا مشددة على استخدام التشفير محليًا، إلا أنها خففت العديد من هذه القيود لاحقًا. وفي الصين وإيران ، لا يزال الحصول على ترخيص شرطًا لاستخدام التشفير. ^{[ ٧ ] وتفرض دول عديدة} قيودًا صارمة على استخدام التشفير، ومن بين أكثرها صرامة ^قوانين بيلاروسيا وكازاخستان ومنغوليا وباكستان وسنغافورة وتونس وفيتنام . [ ٧٩ ]

في الولايات المتحدة، يُعدّ استخدام التشفير قانونيًا للاستخدام المحلي، إلا أن هناك جدلًا واسعًا حول المسائل القانونية المتعلقة به. ^{[ 9 ]} ومن أبرز هذه المسائل تصدير التشفير وبرامجه وأجهزته. ولعلّ السبب في ذلك يعود إلى أهمية تحليل الشفرات خلال الحرب العالمية الثانية، وتوقع استمرار أهمية التشفير للأمن القومي، ما دفع العديد من الحكومات الغربية إلى فرض قيود صارمة على تصدير التشفير في مرحلة ما. فبعد الحرب العالمية الثانية، أصبح بيع أو توزيع تقنية التشفير في الخارج غير قانوني في الولايات المتحدة؛ بل صُنّف التشفير ضمن المعدات العسكرية المساعدة وأُدرج في قائمة الذخائر الأمريكية . ^{[ 80 ]} وحتى ظهور الحاسوب الشخصي، وخوارزميات المفتاح غير المتماثل (أي تقنيات المفتاح العام)، والإنترنت، لم تكن هذه المسألة تُشكّل إشكالية كبيرة. إلا أنه مع نمو الإنترنت وانتشار الحواسيب، أصبحت تقنيات التشفير عالية الجودة معروفة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم.

في تسعينيات القرن الماضي، واجهت قوانين تصدير التشفير الأمريكية عدة تحديات. فبعد تسريب الشفرة المصدرية لبرنامج التشفير " بريتي غود برايفسي " (PGP) الخاص بفيليب زيمرمان إلى الإنترنت في يونيو 1991، أدت شكوى من شركة RSA Security (التي كانت تُعرف آنذاك باسم RSA Data Security, Inc.) إلى تحقيق جنائي مطول مع زيمرمان من قِبل مصلحة الجمارك الأمريكية ومكتب التحقيقات الفيدرالي ، على الرغم من عدم توجيه أي تهم رسمية. ^{[ 81 ] [ 82 ]} ورفع دانيال ج. بيرنشتاين ، الذي كان حينها طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، دعوى قضائية ضد الحكومة الأمريكية طعنًا في بعض جوانب القيود استنادًا إلى حرية التعبير . وأسفرت قضية بيرنشتاين ضد الولايات المتحدة، التي رُفعت عام 1995، في نهاية المطاف عن قرار صدر عام 1999 يقضي بحماية الشفرة المصدرية المطبوعة لخوارزميات وأنظمة التشفير باعتبارها حرية تعبير بموجب دستور الولايات المتحدة. ^{[ 83 ]}

في عام 1996، وقّعت تسع وثلاثون دولة اتفاقية فاسينار ، وهي معاهدة للحد من التسلح تتناول تصدير الأسلحة والتقنيات "ذات الاستخدام المزدوج" مثل التشفير. نصّت المعاهدة على أن استخدام التشفير ذي المفاتيح القصيرة (56 بت للتشفير المتناظر، و512 بت لخوارزمية RSA) لن يخضع بعد الآن لضوابط التصدير. ^{[ 84 ]} أصبحت صادرات التشفير من الولايات المتحدة أقل صرامةً نتيجةً لتخفيف القيود بشكل كبير في عام 2000؛ ^{[ 85 ]} ولم تعد هناك قيود تُذكر على أحجام المفاتيح في برامج السوق الشامل المُصدّرة من الولايات المتحدة . وبما أن معظم أجهزة الكمبيوتر الشخصية المتصلة بالإنترنت تتضمن متصفحات ويب أمريكية المصدر مثل فايرفوكس أو إنترنت إكسبلورر ، فإن كل مستخدم إنترنت تقريبًا في العالم لديه إمكانية الوصول إلى تشفير عالي الجودة عبر متصفحه (على سبيل المثال، عبر بروتوكول أمان طبقة النقل ). يستطيع برنامجا البريد الإلكتروني موزيلا ثندربيرد ومايكروسوفت أوتلوك إرسال واستقبال الرسائل عبر بروتوكول TLS، كما يمكنهما إرسال واستقبال رسائل مشفرة باستخدام بروتوكول S/MIME . لا يدرك العديد من مستخدمي الإنترنت أن برامجهم الأساسية تحتوي على أنظمة تشفير متطورة كهذه . تنتشر هذه المتصفحات وبرامج البريد الإلكتروني على نطاق واسع لدرجة أن الحكومات التي تسعى لتنظيم استخدام التشفير بين المدنيين لا تجد عادةً من العملي فرض قيود فعّالة على توزيع أو استخدام التشفير بهذه الجودة، لذا حتى في حال وجود قوانين سارية، غالباً ما يكون تطبيقها الفعلي مستحيلاً.

Another contentious issue connected to cryptography in the United States is the influence of the National Security Agency on cipher development and policy.^[9] The NSA was involved with the design of DES during its development at IBM and its consideration by the National Bureau of Standards as a possible Federal Standard for cryptography.^[86] DES was designed to be resistant to differential cryptanalysis,^[87] a powerful and general cryptanalytic technique known to the NSA and IBM, that became publicly known only when it was rediscovered in the late 1980s.^[88] According to Steven Levy, IBM discovered differential cryptanalysis,^[82] but kept the technique secret at the NSA's request. The technique became publicly known only when Biham and Shamir re-discovered and announced it some years later. The entire affair illustrates the difficulty of determining what resources and knowledge an attacker might actually have.

Another instance of the NSA's involvement was the 1993 Clipper chip affair, an encryption microchip intended to be part of the Capstone cryptography-control initiative. Clipper was widely criticized by cryptographers for two reasons. The cipher algorithm (called Skipjack) was then classified (declassified in 1998, long after the Clipper initiative lapsed). The classified cipher caused concerns that the NSA had deliberately made the cipher weak to assist its intelligence efforts. The whole initiative was also criticized based on its violation of Kerckhoffs's Principle, as the scheme included a special escrow key held by the government for use by law enforcement (i.e. wiretapping).^[82]

يُعدّ علم التشفير أساسيًا لإدارة الحقوق الرقمية (DRM)، وهي مجموعة من التقنيات للتحكم التكنولوجي في استخدام المواد المحمية بحقوق الطبع والنشر ، والتي تُطبّق وتُستخدم على نطاق واسع بناءً على طلب بعض أصحاب حقوق الطبع والنشر. في عام 1998، وقّع الرئيس الأمريكي بيل كلينتون قانون الألفية الرقمية لحقوق الطبع والنشر (DMCA)، الذي جرّم إنتاج ونشر واستخدام تقنيات وتكنولوجيا معينة لتحليل التشفير (المعروفة حاليًا أو التي ستُكتشف لاحقًا)؛ وتحديدًا تلك التي يُمكن استخدامها للتحايل على أنظمة إدارة الحقوق الرقمية. ^{[ 89 ]} كان لهذا القانون أثرٌ ملحوظ على مجتمع أبحاث التشفير، إذ يُمكن القول بأن أي بحث في تحليل التشفير يُعدّ انتهاكًا لقانون الألفية الرقمية لحقوق الطبع والنشر. ومنذ ذلك الحين، سُنّت قوانين مماثلة في العديد من البلدان والمناطق، بما في ذلك تطبيقها في توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن حقوق الطبع والنشر . كما تدعو معاهدات وقّعتها الدول الأعضاء في المنظمة العالمية للملكية الفكرية إلى فرض قيود مماثلة.

لم تُطبّق وزارة العدل الأمريكية ومكتب التحقيقات الفيدرالي قانون الألفية الرقمية لحقوق المؤلف (DMCA) بالصرامة التي كان يخشاها البعض، إلا أن القانون لا يزال مثيرًا للجدل. وقد صرّح نيلز فيرغسون ، الباحث المرموق في مجال التشفير، علنًا بأنه لن ينشر بعضًا من أبحاثه حول تصميم أمني لشركة إنتل خوفًا من الملاحقة القضائية بموجب قانون الألفية الرقمية لحقوق المؤلف. ^{[ 90 ]} ويرى عالم التشفير بروس شناير أن قانون الألفية الرقمية لحقوق المؤلف يشجع على احتكار الموردين ، بينما يعيق اتخاذ تدابير فعلية للأمن السيبراني. ^{[ 91 ]} وقد واجه كل من آلان كوكس ( مطور نواة لينكس المخضرم) وإدوارد فيلتن (وبعض طلابه في جامعة برينستون) مشاكل تتعلق بهذا القانون. فقد أُلقي القبض على ديمتري سكلياروف خلال زيارة للولايات المتحدة قادمًا من روسيا، وسُجن لمدة خمسة أشهر في انتظار المحاكمة بتهمة انتهاكات مزعومة لقانون الألفية الرقمية لحقوق المؤلف ناتجة عن عمل قام به في روسيا، حيث كان هذا العمل قانونيًا. في عام 2007، تم اكتشاف مفاتيح التشفير المسؤولة عن تشفير محتوى أقراص بلو راي وأقراص الفيديو الرقمية عالية الدقة ، ونُشرت على الإنترنت . وفي كلتا الحالتين، أرسلت رابطة الأفلام الأمريكية العديد من إشعارات إزالة المحتوى بموجب قانون الألفية الرقمية لحقوق المؤلف، مما أثار ردود فعل غاضبة واسعة النطاق على الإنترنت ^{[ 10 ]} بسبب التأثير المُتصوَّر لهذه الإشعارات على الاستخدام العادل وحرية التعبير .

في المملكة المتحدة، يمنح قانون تنظيم صلاحيات التحقيق الشرطة البريطانية سلطة إجبار المشتبه بهم على فك تشفير الملفات أو تسليم كلمات المرور التي تحمي مفاتيح التشفير. ويُعدّ عدم الامتثال جريمة بحد ذاتها، يُعاقب عليها بالسجن لمدة عامين، أو حتى خمس سنوات في القضايا المتعلقة بالأمن القومي. ^{[ 8 ]} وقد سُجّلت ملاحقات قضائية ناجحة بموجب هذا القانون؛ أولها، في عام 2009، ^{[ 92 ]} أسفرت عن حكم بالسجن لمدة 13 شهرًا. ^{[ 93 ]} وتُلزم قوانين مماثلة للكشف الإلزامي في أستراليا وفنلندا وفرنسا والهند المشتبه بهم الخاضعين للتحقيق بتسليم مفاتيح التشفير أو كلمات المرور أثناء التحقيق الجنائي.

في الولايات المتحدة، تناولت القضية الجنائية الفيدرالية " الولايات المتحدة ضد فريكوسو" مسألة ما إذا كان بإمكان أمر التفتيش إجبار شخص ما على الكشف عن عبارة مرور أو كلمة مرور مشفرة. ^{[ 94 ]} جادلت مؤسسة الحدود الإلكترونية (EFF) بأن هذا يُعد انتهاكًا لحق الحماية من تجريم الذات الذي يكفله التعديل الخامس للدستور . ^{[ 95 ]} في عام 2012، قضت المحكمة بأنه بموجب قانون جميع الأوامر القضائية ، كان على المدعى عليه تقديم قرص صلب غير مشفر للمحكمة. ^{[ 96 ]}

في العديد من الولايات القضائية، لا يزال الوضع القانوني للإفصاح القسري غير واضح.

يتعلق النزاع المتعلق بالتشفير بين مكتب التحقيقات الفيدرالي وشركة أبل في عام 2016 بقدرة المحاكم في الولايات المتحدة على إجبار الشركات المصنعة على تقديم المساعدة في فتح الهواتف المحمولة التي تتم حماية محتوياتها باستخدام التشفير.

كإجراء مضاد محتمل للكشف القسري، تدعم بعض برامج التشفير الإنكار المعقول ، حيث لا يمكن تمييز البيانات المشفرة عن البيانات العشوائية غير المستخدمة (على سبيل المثال مثل بيانات محرك الأقراص الذي تم مسحه بشكل آمن ).