خوارزمية المفتاح المتناظر

خوارزميات المفتاح المتناظر ^{[ أ ]} هي خوارزميات تشفير تستخدم نفس مفاتيح التشفير لتشفير النص الأصلي وفك تشفير النص المشفر . قد تكون المفاتيح متطابقة، أو قد يكون هناك تحويل بسيط بينها. ^{[ 1 ]} عمليًا، تمثل المفاتيح سرًا مشتركًا بين طرفين أو أكثر، يُستخدم للحفاظ على سرية المعلومات. ^{[ 2 ]} يُعدّ اشتراط وصول كلا الطرفين إلى المفتاح السري أحد أبرز عيوب التشفير بالمفتاح المتناظر ، مقارنةً بالتشفير بالمفتاح غير المتناظر (المعروف أيضًا بالتشفير بالمفتاح العام). ^{[ 3 ] [ 4 ]} مع ذلك، تُعدّ خوارزميات التشفير بالمفتاح المتناظر أفضل عادةً للتشفير بكميات كبيرة. باستثناء مفتاح التشفير لمرة واحدة، تتميز هذه الخوارزميات بصغر حجم المفتاح، مما يعني مساحة تخزين أقل وسرعة نقل بيانات أعلى. لهذا السبب، يُستخدم التشفير بالمفتاح غير المتناظر غالبًا لاستبدال المفتاح السري في التشفير بالمفتاح المتناظر. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

يمكن استخدام التشفير المتناظر إما تشفير التدفق أو تشفير الكتلة . ^{[ 8 ]}

تقوم خوارزميات التشفير المتدفقة بتشفير الأرقام (عادةً البايتات )، أو الأحرف (في خوارزميات التشفير الاستبدالي) للرسالة حرفًا حرفًا. ومن الأمثلة على ذلك خوارزمية ChaCha20 . تُعد خوارزميات التشفير الاستبدالي من الخوارزميات المعروفة، ولكن يمكن فك تشفيرها بسهولة باستخدام جدول الترددات . ^{[ 9 ]}

تستخدم خوارزميات التشفير الكتلي عددًا من البتات لتشفيرها في وحدة واحدة، مع إضافة حشو إلى النص الأصلي للحصول على حجم مضاعف لحجم الكتلة. وتستخدم خوارزمية معيار التشفير المتقدم (AES)، التي اعتمدها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في ديسمبر 2001، كتلًا بحجم 128 بت.

تشمل أمثلة خوارزميات المفتاح المتناظر الشائعة Twofish و Serpent و AES (Rijndael) و Camellia و Salsa20 و ChaCha20 و Blowfish و CAST5 و Kuznyechik و RC4 و DES و 3DES و Skipjack و Safer و IDEA . ^{[ 10 ]}

تُستخدم التشفيرات المتناظرة بشكل شائع لتحقيق وظائف تشفيرية أخرى غير التشفير فقط.

لا يضمن تشفير الرسالة بقاءها دون تغيير أثناء التشفير. لذا، يُضاف عادةً رمز مصادقة الرسالة إلى النص المشفر لضمان ملاحظة المُستقبِل لأي تغييرات تطرأ عليه. ويمكن إنشاء رموز مصادقة الرسالة من تشفير AEAD (مثل AES-GCM ).

مع ذلك، لا يمكن استخدام التشفير المتناظر لأغراض عدم الإنكار إلا بإشراك أطراف إضافية. ^{[ 11 ]} انظر معيار ISO/IEC 13888-2 .

ومن التطبيقات الأخرى بناء دوال التجزئة من تشفيرات الكتل. انظر دالة الضغط أحادي الاتجاه للاطلاع على وصف لعدة طرق من هذا القبيل.

تعتمد العديد من خوارزميات التشفير الحديثة على بنية اقترحها هورست فيستل . تُمكّن بنية فيستل من بناء دوال قابلة للعكس من دوال أخرى غير قابلة للعكس.

لطالما كانت التشفيرات المتناظرة عرضةً لهجمات النص الصريح المعروف ، وهجمات النص الصريح المختار ، والتحليل التفاضلي للتشفير ، والتحليل الخطي للتشفير . ويمكن للتصميم الدقيق لوظائف كل جولة أن يقلل بشكل كبير من فرص نجاح الهجوم. كما يُمكن زيادة طول المفتاح أو عدد جولات التشفير لتحسين الحماية ضد الهجمات. إلا أن هذا يميل إلى زيادة متطلبات المعالجة وتقليل سرعة تنفيذ العملية نظرًا لكثرة العمليات التي يحتاجها النظام. ^{[ 12 ]}

يبدو أن معظم خوارزميات المفتاح المتناظر الحديثة مقاومة لتهديد التشفير ما بعد الكمومي . ^{[ 13 ]} ستزيد الحواسيب الكمومية سرعة فك تشفير هذه الشفرات بشكل كبير؛ فعلى سبيل المثال، ستستغرق خوارزمية غروفر الجذر التربيعي للوقت اللازم تقليديًا لهجوم القوة الغاشمة ، على الرغم من إمكانية تعويض نقاط الضعف هذه بمضاعفة طول المفتاح. ^{[ 14 ]} فعلى سبيل المثال، لن تكون شفرة AES ذات 128 بت آمنة ضد مثل هذا الهجوم، حيث سيقلل الوقت اللازم لاختبار جميع التكرارات الممكنة من أكثر من 10 كوينتيليون سنة إلى حوالي ستة أشهر. في المقابل، سيستغرق الحاسوب الكمومي نفس الوقت لفك تشفير شفرة AES ذات 256 بت كما يستغرقه الحاسوب التقليدي لفك تشفير شفرة AES ذات 128 بت. ^{[ 15 ]} لهذا السبب، يُعتقد أن AES-256 "مقاوم للكم". ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تتطلب خوارزميات المفتاح المتناظر أن يمتلك كل من مُرسِل الرسالة ومُستقبِلها نفس المفتاح السري. وقد اشترطت جميع أنظمة التشفير المبكرة أن يتلقى أحد المُرسِلين أو المُستقبِلين نسخة من هذا المفتاح السري عبر قناة آمنة فعليًا.

لا تزال جميع أنظمة التشفير الحديثة تقريبًا تستخدم خوارزميات المفتاح المتماثل داخليًا لتشفير الجزء الأكبر من الرسائل، لكنها تلغي الحاجة إلى قناة آمنة ماديًا باستخدام تبادل مفاتيح ديفي-هيلمان أو أي بروتوكول مفتاح عام آخر للتوصل بشكل آمن إلى اتفاق بشأن مفتاح سري جديد لكل جلسة/محادثة (السرية الأمامية).

عند استخدام التشفير غير المتماثل لنقل المفاتيح، تُستخدم مولدات المفاتيح شبه العشوائية في أغلب الأحيان لتوليد مفاتيح جلسة التشفير المتماثل. مع ذلك، يُعدّ غياب العشوائية في هذه المولدات أو في متجهات تهيئتها كارثيًا، وقد أدّى إلى اختراقات في تحليل الشفرات سابقًا. لذا، من الضروري أن يستخدم التطبيق مصدرًا عالي الإنتروبيا لتهيئة مفاتيحه. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

التشفير التبادلي هو نوع من التشفير يسمح، كما هو الحال عند إدخال النص الأصلي في نظام التشفير للحصول على النص المشفر ، بإدخال النص المشفر في نفس المكان في النظام للحصول على النص الأصلي. ويُشار إلى التشفير التبادلي أحيانًا باسم التشفير التبادلي الذاتي . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تُطبّق جميع آلات التشفير الميكانيكية تقريبًا التشفير التبادلي، وهو عبارة عن عملية عكسية رياضية على كل حرف مُدخل. وبدلًا من تصميم نوعين من الآلات، أحدهما للتشفير والآخر لفك التشفير، يمكن أن تكون جميع الآلات متطابقة ويمكن إعدادها (تزويدها بالمفاتيح) بنفس الطريقة. ^{[ 23 ]}

من أمثلة التشفير التبادلي ما يلي:

• أتباش
• شفرة بوفورت ^{[ 24 ]}
• آلة إنجما ^{[ 25 ]}
• الشفرة المتبادلة التي تواصلت بها ماري أنطوانيت وأكسل فون فيرسن . ^{[ 26 ]}
• شفرة بورتا متعددة الأبجدية وهي ذاتية التبادل. ^{[ 27 ]}
• الشفرة الأرجوانية ^{[ 28 ]}
• RC4
• ROT13
• تشفير XOR
• شفرة فاتسيايانا

يمكن تصنيف غالبية جميع التشفيرات الحديثة إما كشفرة تدفق ، والتي يستخدم معظمها مُجمِّع تشفير XOR متبادل ، أو كشفرة كتلة ، والتي يستخدم معظمها تشفير Feistel أو مخطط Lai-Massey مع تحويل متبادل في كل جولة.