التشفير

في علم التشفير ، التشفير هو عملية تحويل (أو بالأحرى ترميز ) المعلومات بطريقة لا يمكن فك شفرتها إلا من قبل الأطراف المصرح لها. تحول هذه العملية التمثيل الأصلي للمعلومات، المعروف باسم النص العادي ، إلى شكل بديل يُعرف باسم النص المشفر . وعلى الرغم من هدفه، فإن التشفير لا يمنع التداخل في حد ذاته ولكنه يحرم المعترض المحتمل من المحتوى المفهوم.

لأسباب فنية، يستخدم مخطط التشفير عادةً مفتاح تشفير شبه عشوائي يتم إنشاؤه بواسطة خوارزمية . من الممكن فك تشفير الرسالة دون امتلاك المفتاح، ولكن بالنسبة لمخطط تشفير مصمم جيدًا، يلزم وجود موارد ومهارات حسابية كبيرة. يمكن للمستلم المعتمد فك تشفير الرسالة بسهولة باستخدام المفتاح الذي قدمه المرسل للمستلمين ولكن ليس للمستخدمين غير المصرح لهم.

تاريخيًا، تم استخدام أشكال مختلفة من التشفير للمساعدة في التشفير. غالبًا ما كانت تقنيات التشفير المبكرة تستخدم في الرسائل العسكرية. ومنذ ذلك الحين، ظهرت تقنيات جديدة وأصبحت شائعة في جميع مجالات الحوسبة الحديثة. ^[1] تستخدم أنظمة التشفير الحديثة مفاهيم المفتاح العام والمفتاح المتماثل . ^[1] تضمن تقنيات التشفير الحديثة الأمان لأن أجهزة الكمبيوتر الحديثة غير فعالة في كسر التشفير.

أحد أقدم أشكال التشفير هو استبدال الرمز، والذي تم العثور عليه لأول مرة في مقبرة خنوم حتب الثاني ، الذي عاش في مصر عام 1900 قبل الميلاد. تشفير استبدال الرمز "غير قياسي"، مما يعني أن الرموز تتطلب شفرة أو مفتاحًا لفهمها. تم استخدام هذا النوع من التشفير المبكر في جميع أنحاء اليونان القديمة وروما لأغراض عسكرية. ^[2] كان أحد أشهر تطورات التشفير العسكري هو شفرة قيصر ، حيث يتم نقل حرف نص عادي إلى عدد ثابت من المواضع على طول الأبجدية للحصول على الحرف المشفر. يمكن فك تشفير الرسالة المشفرة بهذا النوع من التشفير برقم ثابت على شفرة قيصر. ^[3]

حوالي عام 800 بعد الميلاد، طور عالم الرياضيات العربي الكندي تقنية تحليل التردد - والتي كانت محاولة لكسر الشفرات بشكل منهجي، بما في ذلك شفرة قيصر. ^[2] نظرت هذه التقنية إلى تردد الحروف في الرسالة المشفرة لتحديد التحول المناسب: على سبيل المثال، الحرف الأكثر شيوعًا في النص الإنجليزي هو E ومن المرجح أن يتم تمثيله بالحرف الذي يظهر بشكل شائع في النص المشفر. أصبحت هذه التقنية غير فعالة بواسطة التشفير المتعدد الأبجدية ، الذي وصفه القلقشندي (1355-1418) ^[4] وليون باتيستا ألبيرتي (عام 1465)، والذي قام بتغيير أبجدية الاستبدال مع تقدم التشفير من أجل إرباك مثل هذا التحليل.

حوالي عام 1790، وضع توماس جيفرسون نظرية لتشفير الرسائل وفك تشفيرها لتوفير طريقة أكثر أمانًا للمراسلات العسكرية. تم وضع النظرية على أن الشفرة، المعروفة اليوم باسم شفرة العجلة أو قرص جيفرسون ، على الرغم من عدم بنائها فعليًا، عبارة عن بكرة يمكنها خلط رسالة إنجليزية تصل إلى 36 حرفًا. يمكن فك تشفير الرسالة عن طريق توصيل الرسالة المختلطة بجهاز استقبال بشفرة متطابقة. ^[5]

تم تطوير جهاز مماثل لقرص جيفرسون، وهو M-94 ، في عام 1917 بشكل مستقل بواسطة الرائد جوزيف ماوبورن من الجيش الأمريكي. تم استخدام هذا الجهاز في الاتصالات العسكرية الأمريكية حتى عام 1942. ^[6]

في الحرب العالمية الثانية، استخدمت قوى المحور نسخة أكثر تقدمًا من M-94 تسمى آلة إنجما . كانت آلة إنجما أكثر تعقيدًا لأنه على عكس عجلة جيفرسون وM-94، كانت مجموعة الحروف تتحول كل يوم إلى تركيبة جديدة تمامًا. كانت تركيبة كل يوم معروفة فقط من قبل دول المحور، لذلك اعتقد الكثيرون أن الطريقة الوحيدة لكسر الشفرة هي تجربة أكثر من 17000 تركيبة في غضون 24 ساعة. ^[7] استخدم الحلفاء قوة الحوسبة للحد بشدة من عدد التركيبات المعقولة التي يحتاجون إلى التحقق منها كل يوم، مما أدى إلى كسر آلة إنجما.

اليوم، يتم استخدام التشفير في نقل الاتصالات عبر الإنترنت لأغراض الأمان والتجارة. ^[1] مع استمرار زيادة قوة الحوسبة، يتطور تشفير الكمبيوتر باستمرار لمنع هجمات التنصت . ^[8] استخدمت إحدى أولى مجموعات التشفير "الحديثة"، DES ، مفتاحًا بطول 56 بتًا مع 72,057,594,037,927,936 احتمالية؛ تم اختراقه في عام 1999 بواسطة برنامج كسر DES بقوة الغاشمة التابع لـ EFF ، والذي استغرق 22 ساعة و15 دقيقة للقيام بذلك. غالبًا ما تستخدم معايير التشفير الحديثة أحجام مفاتيح أقوى، مثل AES (وضع 256 بت)، و TwoFish ، وChaCha20-Poly1305 ، و Serpent (قابل للتكوين حتى 512 بت). لن تتمكن مجموعات التشفير التي تستخدم مفتاحًا بطول 128 بت أو أعلى، مثل AES، من الاختراق بالقوة الغاشمة لأن إجمالي عدد المفاتيح هو 3.4028237e+38 احتمالًا. الخيار الأكثر ترجيحًا لكسر التشفير بحجم مفتاح كبير هو العثور على نقاط ضعف في التشفير نفسه، مثل التحيزات المتأصلة والأبواب الخلفية أو من خلال استغلال الآثار الجانبية المادية من خلال هجمات القناة الجانبية . على سبيل المثال، تم اختراق RC4 ، وهو تشفير متدفق، بسبب التحيزات المتأصلة والثغرات في التشفير.

في سياق التشفير، يعمل التشفير كآلية لضمان السرية . ^[1] نظرًا لأن البيانات قد تكون مرئية على الإنترنت، فقد تتعرض المعلومات الحساسة مثل كلمات المرور والاتصالات الشخصية للمتطفلين المحتملين . ^[1] تتضمن عملية تشفير وفك تشفير الرسائل مفاتيح . النوعان الرئيسيان من المفاتيح في أنظمة التشفير هما المفتاح المتماثل والمفتاح العام (المعروف أيضًا باسم المفتاح غير المتماثل). ^{[9] [10]}

غالبًا ما تستخدم العديد من خوارزميات التشفير المعقدة حسابات معيارية بسيطة في تنفيذها. ^[11]

في مخططات المفاتيح المتماثلة ، ^[12] تكون مفاتيح التشفير وفك التشفير متماثلة. يجب أن يكون لدى الأطراف المتواصلة نفس المفتاح لتحقيق اتصال آمن. استخدمت آلة إنجما الألمانية مفتاحًا متماثلًا جديدًا كل يوم لتشفير وفك تشفير الرسائل.

في أنظمة التشفير بالمفتاح العام ، يتم نشر مفتاح التشفير ليستخدمه أي شخص وتشفير الرسائل. ومع ذلك، فإن الطرف المتلقي فقط لديه حق الوصول إلى مفتاح فك التشفير الذي يتيح قراءة الرسائل. ^[13] تم وصف تشفير المفتاح العام لأول مرة في وثيقة سرية في عام 1973؛ ^[14] قبل ذلك، كانت جميع أنظمة التشفير ذات مفتاح متماثل (يُطلق عليها أيضًا المفتاح الخاص). ^{[15] : 478} على الرغم من نشره لاحقًا، فقد نُشر عمل ديفي وهيلمان في مجلة ذات عدد كبير من القراء، وتم وصف قيمة المنهجية صراحةً. ^[16] أصبحت الطريقة تُعرف باسم تبادل مفتاح ديفي وهيلمان .

RSA (Rivest–Shamir–Adleman) هو نظام تشفير آخر جدير بالملاحظة يعتمد على المفتاح العام . تم إنشاؤه في عام 1978، ولا يزال يستخدم حتى اليوم في التطبيقات التي تتضمن التوقيعات الرقمية . ^[17] باستخدام نظرية الأعداد ، تختار خوارزمية RSA عددين أوليين ، مما يساعد في توليد مفاتيح التشفير وفك التشفير. ^[18]

تم كتابة تطبيق تشفير المفتاح العام المتاح للجمهور المسمى Pretty Good Privacy (PGP) في عام 1991 بواسطة Phil Zimmermann ، وتم توزيعه مجانًا مع الكود المصدر. تم شراء PGP بواسطة Symantec في عام 2010 ويتم تحديثه بانتظام. ^[19]

لقد تم استخدام التشفير منذ فترة طويلة من قبل الجيوش والحكومات لتسهيل الاتصالات السرية. وهو يستخدم الآن بشكل شائع في حماية المعلومات داخل العديد من أنواع الأنظمة المدنية. على سبيل المثال، أفاد معهد أمن الكمبيوتر أنه في عام 2007، استخدمت 71٪ من الشركات التي شملها الاستطلاع التشفير لبعض بياناتها أثناء النقل، واستخدمت 53٪ التشفير لبعض بياناتها أثناء التخزين. ^[20] يمكن استخدام التشفير لحماية البيانات "في وضع الراحة"، مثل المعلومات المخزنة على أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التخزين (مثل محركات أقراص فلاش USB ). في السنوات الأخيرة، كانت هناك تقارير عديدة عن تعرض البيانات السرية، مثل السجلات الشخصية للعملاء، من خلال فقدان أو سرقة أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو محركات النسخ الاحتياطي؛ يساعد تشفير مثل هذه الملفات في وضع الراحة على حمايتها إذا فشلت تدابير الأمان المادية. ^{[21] [22] [23] تعد أنظمة} إدارة الحقوق الرقمية ، التي تمنع الاستخدام غير المصرح به أو إعادة إنتاج المواد المحمية بحقوق الطبع والنشر وتحمي البرامج من الهندسة العكسية (انظر أيضًا حماية النسخ )، مثالًا آخر مختلفًا إلى حد ما لاستخدام التشفير على البيانات في وضع الراحة. ^[24]

كما يستخدم التشفير لحماية البيانات أثناء النقل، على سبيل المثال البيانات التي يتم نقلها عبر الشبكات (مثل الإنترنت والتجارة الإلكترونية )، والهواتف المحمولة ، والميكروفونات اللاسلكية ، وأنظمة الاتصال الداخلي اللاسلكية ، وأجهزة البلوتوث وأجهزة الصراف الآلي للبنوك . كانت هناك تقارير عديدة عن اعتراض البيانات أثناء النقل في السنوات الأخيرة. ^[25] يجب أيضًا تشفير البيانات عند نقلها عبر الشبكات من أجل الحماية من التنصت على حركة مرور الشبكة من قبل المستخدمين غير المصرح لهم. ^[26]

تتضمن الطرق التقليدية لحذف البيانات بشكل دائم من جهاز تخزين الكتابة فوق محتوى الجهاز بالكامل بالأصفار أو الآحاد أو أنماط أخرى - وهي عملية يمكن أن تستغرق قدرًا كبيرًا من الوقت، اعتمادًا على السعة ونوع وسيط التخزين. تقدم التشفير طريقة لجعل المسح فوريًا تقريبًا. تسمى هذه الطريقة التقطيع المشفر . يمكن العثور على مثال لتنفيذ هذه الطريقة على أجهزة iOS ، حيث يتم الاحتفاظ بالمفتاح التشفيري في "تخزين قابل للمحو" مخصص. ^[27] نظرًا لأن المفتاح مخزن على نفس الجهاز، فإن هذا الإعداد بمفرده لا يوفر الخصوصية الكاملة أو حماية الأمان إذا حصل شخص غير مصرح له على وصول فعلي إلى الجهاز.

يُستخدم التشفير في القرن الحادي والعشرين لحماية البيانات الرقمية وأنظمة المعلومات. ومع زيادة قوة الحوسبة على مر السنين، أصبحت تقنية التشفير أكثر تقدمًا وأمانًا. ومع ذلك، كشف هذا التقدم في التكنولوجيا أيضًا عن قيود محتملة لأساليب التشفير اليوم.

طول مفتاح التشفير هو مؤشر على قوة طريقة التشفير. ^[28] على سبيل المثال، كان مفتاح التشفير الأصلي، DES (معيار تشفير البيانات)، 56 بت، مما يعني أنه كان لديه احتمالات تركيبة 2^56. مع قوة الحوسبة اليوم، لم يعد المفتاح المكون من 56 بت آمنًا، حيث يكون عرضة لهجمات القوة الغاشمة . ^[29]

تستخدم الحوسبة الكمومية خصائص ميكانيكا الكم من أجل معالجة كميات كبيرة من البيانات في وقت واحد. وقد وجد أن الحوسبة الكمومية تحقق سرعات حوسبة أسرع بآلاف المرات من أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم. ^[30] تمثل قوة الحوسبة هذه تحديًا لتكنولوجيا التشفير اليوم. على سبيل المثال، يستخدم تشفير RSA ضرب أعداد أولية كبيرة جدًا لإنشاء عدد شبه أولي لمفتاحه العام. يتطلب فك تشفير هذا المفتاح بدون مفتاحه الخاص تحليل هذا العدد شبه الأولي، والذي قد يستغرق وقتًا طويلاً جدًا للقيام به باستخدام أجهزة الكمبيوتر الحديثة. سيستغرق الأمر من الكمبيوتر العملاق ما بين أسابيع إلى أشهر لتحليل هذا المفتاح. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك، يمكن للحوسبة الكمومية استخدام خوارزميات كمية لتحليل هذا العدد شبه الأولي في نفس الوقت الذي تستغرقه أجهزة الكمبيوتر العادية لتوليده. وهذا من شأنه أن يجعل جميع البيانات المحمية بواسطة تشفير المفتاح العام الحالي عرضة لهجمات الحوسبة الكمومية. ^[31] تقنيات التشفير الأخرى مثل تشفير المنحنى الإهليلجي وتشفير المفتاح المتماثل معرضة أيضًا للحوسبة الكمومية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في حين أن الحوسبة الكمومية قد تشكل تهديدًا لأمن التشفير في المستقبل، فإن الحوسبة الكمومية كما هي حاليًا لا تزال محدودة للغاية. الحوسبة الكمومية غير متاحة تجاريًا حاليًا، ولا يمكنها التعامل مع كميات كبيرة من التعليمات البرمجية، ولا توجد إلا كأجهزة حاسوبية، وليس أجهزة كمبيوتر. ^[32] علاوة على ذلك، سيكون من الممكن استخدام التطورات في الحوسبة الكمومية لصالح التشفير أيضًا. تقوم وكالة الأمن القومي (NSA) حاليًا بإعداد معايير تشفير ما بعد الكم للمستقبل. ^[33] يعد التشفير الكمومي بمستوى من الأمان سيكون قادرًا على مواجهة تهديد الحوسبة الكمومية. ^[32]

التشفير أداة مهمة ولكنه لا يكفي وحده لضمان أمن أو خصوصية المعلومات الحساسة طوال فترة حياتها. تحمي معظم تطبيقات التشفير المعلومات فقط في حالة السكون أو أثناء النقل، مما يترك البيانات الحساسة في نص واضح وقد تكون عرضة للإفصاح غير اللائق أثناء المعالجة، كما هو الحال من خلال خدمة سحابية على سبيل المثال. التشفير المتجانس والحوسبة الآمنة متعددة الأطراف هي تقنيات ناشئة لحساب البيانات المشفرة؛ هذه التقنيات عامة وكاملة تورينج ولكنها تتكبد تكاليف حسابية و/أو اتصالات عالية.

ردًا على تشفير البيانات في وضع السكون، طور الخصوم الإلكترونيون أنواعًا جديدة من الهجمات. تتضمن هذه التهديدات الأحدث لتشفير البيانات في وضع السكون الهجمات التشفيرية، ^[34] وهجمات النص المشفر المسروق ، ^[35] والهجمات على مفاتيح التشفير، ^[36] والهجمات الداخلية ، وهجمات إتلاف البيانات أو سلامتها، ^[37] وهجمات تدمير البيانات، وهجمات برامج الفدية . تحاول تقنيات تجزئة البيانات ^[38] والدفاع النشط ^[39] حماية البيانات مواجهة بعض هذه الهجمات، من خلال توزيع أو نقل أو تحوير النص المشفر بحيث يصعب تحديده أو سرقته أو إتلافه أو تدميره. ^[40]

لقد كان السؤال المتعلق بموازنة الحاجة إلى الأمن القومي مع الحق في الخصوصية محل نقاش لسنوات، منذ أن أصبح التشفير بالغ الأهمية في المجتمع الرقمي اليوم. بدأ نقاش التشفير الحديث ^[41] حوالي التسعينيات عندما حاولت حكومة الولايات المتحدة حظر التشفير لأنه، وفقًا لها، من شأنه أن يهدد الأمن القومي. ينقسم النقاش حول وجهتي نظر متعارضتين. أولئك الذين يرون التشفير القوي كمشكلة تسهل على المجرمين إخفاء أفعالهم غير القانونية عبر الإنترنت وآخرون يزعمون أن التشفير يحافظ على أمان الاتصالات الرقمية. اشتد النقاش في عام 2014، عندما قامت شركات التكنولوجيا الكبرى مثل Apple وGoogle بتعيين التشفير افتراضيًا في أجهزتها. كانت هذه بداية لسلسلة من الخلافات التي تضع الحكومات والشركات ومستخدمي الإنترنت على المحك.

التشفير، في حد ذاته، يمكن أن يحمي سرية الرسائل، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى تقنيات أخرى لحماية سلامة الرسالة ومصداقيتها؛ على سبيل المثال، التحقق من رمز مصادقة الرسالة (MAC) أو التوقيع الرقمي الذي يتم عادةً بواسطة خوارزمية التجزئة أو توقيع PGP . تم تصميم خوارزميات التشفير المصادق عليها لتوفير التشفير وحماية السلامة معًا. تتوفر معايير للبرامج والأجهزة التشفيرية لأداء التشفير على نطاق واسع، ولكن استخدام التشفير بنجاح لضمان الأمان قد يكون مشكلة صعبة. يمكن لخطأ واحد في تصميم النظام أو تنفيذه أن يسمح بهجمات ناجحة. في بعض الأحيان، يمكن للخصم الحصول على معلومات غير مشفرة دون التراجع عن التشفير بشكل مباشر. انظر على سبيل المثال تحليل حركة المرور أو TEMPEST أو حصان طروادة . ^[42]

يجب تطبيق آليات حماية السلامة مثل رموز MAC والتوقيعات الرقمية على النص المشفر عند إنشائه لأول مرة، عادةً على نفس الجهاز المستخدم في تأليف الرسالة، لحماية الرسالة من البداية إلى النهاية على طول مسار إرسالها الكامل؛ وإلا، فإن أي عقدة بين المرسل ووكيل التشفير قد تتلاعب بها. لا يكون التشفير في وقت الإنشاء آمنًا إلا إذا كان جهاز التشفير نفسه يحتوي على مفاتيح صحيحة ولم يتم العبث به. إذا تم تكوين جهاز نقطة النهاية للثقة في شهادة الجذر التي يتحكم فيها المهاجم، على سبيل المثال، فيمكن للمهاجم فحص البيانات المشفرة والتلاعب بها من خلال تنفيذ هجوم الوسيط في أي مكان على طول مسار الرسالة. تمثل الممارسة الشائعة لاعتراض TLS من قبل مشغلي الشبكة شكلاً خاضعًا للرقابة ومعتمدًا مؤسسيًا لمثل هذا الهجوم، لكن الدول حاولت أيضًا استخدام مثل هذه الهجمات كشكل من أشكال التحكم والرقابة. ^[43]

حتى عندما يخفي التشفير بشكل صحيح محتوى الرسالة ولا يمكن العبث بها أثناء السكون أو أثناء النقل، فإن طول الرسالة هو شكل من أشكال البيانات الوصفية التي لا تزال قادرة على تسريب معلومات حساسة حول الرسالة. على سبيل المثال، كانت هجمات CRIME و BREACH المعروفة ضد HTTPS عبارة عن هجمات جانبية تعتمد على تسريب المعلومات عبر طول المحتوى المشفر. ^[44] تحليل حركة المرور هو فئة واسعة من التقنيات التي غالبًا ما تستخدم أطوال الرسائل لاستنتاج التنفيذ الحساس حول تدفقات حركة المرور من خلال تجميع المعلومات حول عدد كبير من الرسائل.

إن حشو حمولة الرسالة قبل تشفيرها يمكن أن يساعد في إخفاء الطول الحقيقي للنص العادي، على حساب زيادة حجم النص المشفر وإدخال أو زيادة النفقات العامة للنطاق الترددي . يمكن حشو الرسائل بشكل عشوائي أو حتمي ، مع وجود مقايضات مختلفة لكل نهج. إن تشفير الرسائل وحشوها لتشكيل كتل عشوائية موحدة مبطنة أو PURBs هي ممارسة تضمن عدم تسريب النص المشفر لأي بيانات وصفية حول محتوى النص العادي، وتسرب معلومات ضئيلة بشكل مقارب عبر طوله. ^[45]${\displaystyle O(\log \log M)}$

• فوشيه جاينز، هيلين (1939)، تحليل الشفرات: دراسة للشفرات وحلها ، نيويورك: شركة دوفر للنشر، رقم ISBN 978-0486200972
• كان، ديفيد (1967)، كاسرو الشفرات - قصة الكتابة السرية ( ISBN 0-684-83130-9 ) 
• برينيل، بارت (2000)، “التقدم في علم التشفير – EUROCRYPT 2000”، سبرينغر برلين هايدلبرغ، ISBN 978-3-540-67517-4 
• سينكوف، أبراهام (1966): التحليل الأولي للشفرات: نهج رياضي ، الجمعية الرياضية الأمريكية. ISBN 0-88385-622-0 
• تينزر، ثيو (2021): SUPER SECRETO - العصر الثالث من التشفير: تشفير متعدد وأسّي وآمن كميًا وفوق كل شيء بسيط وعملي للجميع ، نورديرشتيدت، ISBN 978-3-755-76117-4 . 
• ليندل، يهودا؛ كاتز، جوناثان (2014)، مقدمة في التشفير الحديث ، هول/سي آر سي، رقم ISBN 978-1466570269
• إرموشينا، كسينيا؛ موسياني، فرانشيسكا (2022)، الإخفاء من أجل الحرية: صناعة التشفير والمراسلة الآمنة والحريات الرقمية (مقدمة بقلم لورا دينارديس) (الوصول المفتوح) (PDF) ، مانشستر، المملكة المتحدة: matteringpress.org، ISBN 978-1-912729-22-7, تم أرشفته من الأصل (PDF) في 2022-06-02

• تعريف التشفير في القاموس على ويكاموس
• الوسائط المتعلقة بخوارزميات التشفير في ويكيميديا ​​كومنز