التشفير والتوقيع

في علم التشفير ، يعد التشفير بالتوقيع عنصرًا أساسيًا للمفتاح العام يقوم في نفس الوقت بوظائف كل من التوقيع الرقمي والتشفير .

التشفير والتوقيع الرقمي أداتان أساسيتان في علم التشفير ، تضمنان السرية والنزاهة وعدم الإنكار . وحتى عام ١٩٩٧، كان يُنظر إليهما على أنهما لبنتان مهمتان، وإن كانتا منفصلتين، في أنظمة التشفير المختلفة. في أنظمة المفتاح العام، تتمثل الطريقة التقليدية في توقيع الرسالة رقميًا ثم تشفيرها (التوقيع ثم التشفير)، وهو ما قد ينطوي على مشكلتين: انخفاض الكفاءة وارتفاع تكلفة هذه العملية، وعدم قدرة أي نظام على ضمان الأمان. أما تقنية التوقيع المشفر، فهي تقنية تشفير حديثة نسبيًا، تهدف إلى أداء وظيفتي التوقيع الرقمي والتشفير في خطوة منطقية واحدة، مما يقلل بشكل فعال من تكاليف الحساب وأعباء الاتصال مقارنةً بأنظمة التوقيع ثم التشفير التقليدية.

يُوفر التشفير المُوقّع خصائص كلٍ من التوقيعات الرقمية وأنظمة التشفير بطريقةٍ أكثر كفاءةً من التوقيع والتشفير بشكلٍ منفصل. هذا يعني أن جانبًا واحدًا على الأقل من كفاءته (مثل وقت الحساب) يكون أفضل من أي نظام هجين يجمع بين التوقيع الرقمي وأنظمة التشفير، وذلك في ظل نموذج أمان مُحدد. تجدر الإشارة إلى أنه في بعض الأحيان يُمكن استخدام التشفير الهجين بدلًا من التشفير البسيط، وإعادة استخدام مفتاح جلسة واحد لعدة عمليات تشفير لتحقيق كفاءة إجمالية أفضل عبر العديد من عمليات التشفير المُوقّع مقارنةً بنظام التشفير المُوقّع، إلا أن إعادة استخدام مفتاح الجلسة تُؤدي إلى فقدان النظام للأمان حتى في ظل نموذج CPA الضعيف نسبيًا . لهذا السبب، يُستخدم مفتاح جلسة عشوائي لكل رسالة في نظام التشفير الهجين، ولكن بالنسبة لمستوى أمان مُحدد (أي نموذج مُحدد، مثل CPA)، يجب أن يكون نظام التشفير المُوقّع أكثر كفاءةً من أي مزيج بسيط من التوقيع والتشفير الهجين.

قدّم يوليانغ تشنغ أول نظام تشفير بالتوقيع عام 1997. ^{[ 1 ]} كما اقترح تشنغ نظام تشفير بالتوقيع قائم على المنحنيات الإهليلجية ، يوفر 58% من تكاليف الحساب و40% من تكاليف الاتصال مقارنةً بأنظمة التوقيع ثم التشفير التقليدية القائمة على المنحنيات الإهليلجية. ^{[ 2 ]} وقد طُرحت العديد من أنظمة التشفير بالتوقيع الأخرى على مر السنين، ولكل منها مشاكلها وقيودها الخاصة، مع توفير مستويات مختلفة من الأمان وتكاليف الحساب.

تتألف خوارزمية التشفير والتوقيع عادةً من ثلاث خوارزميات: توليد المفاتيح (Gen)، والتشفير والتوقيع (SC)، وفك التشفير والتوقيع (USC). تُولّد خوارزمية Gen زوجًا من المفاتيح لأي مستخدم، بينما تُعتبر خوارزمية SC خوارزمية احتمالية في الغالب، أما خوارزمية USC فهي حتمية في أغلب الأحيان. يجب أن تتمتع أي خوارزمية تشفير وتوقيع بالخصائص التالية: ^{[ 3 ]}

1. الصواب : يجب أن يكون أي نظام تشفير وتوقيع صحيحًا بشكل قابل للتحقق.
2. الكفاءة : يجب أن تكون التكاليف الحسابية وتكاليف الاتصال الإضافية لنظام التشفير والتوقيع أصغر من تلك الخاصة بأفضل أنظمة التوقيع ثم التشفير المعروفة بنفس الوظائف المقدمة.
3. الأمان : يجب أن يجمع نظام التشفير والتوقيع بين خصائص الأمان الخاصة بنظام التشفير وخصائص التوقيع الرقمي. تشمل هذه الخصائص الإضافية بشكل أساسي: السرية، وعدم إمكانية التزوير، والنزاهة، وعدم الإنكار. توفر بعض أنظمة التشفير والتوقيع خصائص إضافية مثل إمكانية التحقق العلني وسرية الرسالة، بينما لا توفرها أنظمة أخرى. تُعد هذه الخصائص ضرورية في العديد من التطبيقات، بينما قد لا تتطلبها تطبيقات أخرى. فيما يلي وصف موجز للخصائص المذكورة أعلاه.
   • السرية : ينبغي أن يكون من المستحيل حسابيًا على المهاجم المتكيف الحصول على أي معلومات جزئية حول محتويات نص مشفر وموقع، دون معرفة المفتاح الخاص للمرسل أو المستلم المعين.
   • عدم إمكانية التزوير : ينبغي أن يكون من المستحيل حسابيًا على المهاجم المتكيف أن يتنكر كمرسل صادق في إنشاء نص مشفر أصلي يمكن قبوله بواسطة خوارزمية فك التشفير.
   • عدم الإنكار : يجب أن يكون للمستلم القدرة على إثبات إرسال المرسل للنص المشفر الموقّع أمام طرف ثالث (مثل قاضٍ). وهذا يضمن عدم قدرة المرسل على إنكار نصوصه المشفرة الموقّعة سابقًا.
   • النزاهة : يجب أن يكون المستلم قادراً على التحقق من أن الرسالة المستلمة هي الرسالة الأصلية التي أرسلها المرسل.
   • إمكانية التحقق العامة : يمكن لأي طرف ثالث، دون الحاجة إلى المفتاح الخاص للمرسل أو المستلم، التحقق من أن النص المشفر بتوقيع هو التشفير الصحيح للرسالة المقابلة له.
   • سرية الرسائل : في حال اختراق المفتاح الخاص طويل الأمد للمرسل، لا ينبغي لأحد أن يتمكن من استخراج النص الأصلي للرسائل المشفرة والموقعة مسبقًا. في نظام التشفير والتوقيع التقليدي، عند اختراق المفتاح الخاص طويل الأمد، تفقد جميع التوقيعات الصادرة سابقًا مصداقيتها. ونظرًا لتزايد خطر كشف المفاتيح مع ازدياد وتيرة العمليات الحسابية المشفرة على أجهزة ضعيفة الحماية كالهواتف المحمولة، تبدو سرية الرسائل سمة أساسية في هذه الأنظمة.

تتضمن أمثلة أنظمة التشفير والتوقيع ما يلي:

• نظام Zheng 1997 القائم على تشفير ElGamal ، ^{[ 1 ]} وإصدار المنحنى الإهليلجي لعام 1998. ^{[ 2 ]}

يُلاحظ أن للتشفير بالتوقيع تطبيقات عديدة، بما في ذلك ما يلي:

• بريد إلكتروني آمن وموثوق .
• تطبيقات التجارة الإلكترونية والتجارة عبر الهاتف المحمول التي تتطلب في كثير من الأحيان السرية والمصداقية ، وربما عدم الإنكار .

• تشفير موثق