وظيفة الإسفنج

📅 آخر تحديث: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
رسم توضيحي لبنية الإسفنج
بنية الإسفنج لوظائف التجزئة. P i هي كتل من سلسلة الإدخال، Z i هي كتل الإخراج المُجزأة.

في علم التشفير ، تُعرف دالة الإسفنج أو بنية الإسفنج بأنها أي خوارزمية من فئة الخوارزميات ذات الحالة الداخلية المحدودة ، والتي تأخذ سلسلة بتات إدخال بأي طول وتُنتج سلسلة بتات إخراج بأي طول مطلوب. لدوال الإسفنج استخدامات نظرية وعملية، إذ يُمكن استخدامها لنمذجة أو تنفيذ العديد من العناصر التشفيرية الأساسية ، بما في ذلك التجزئات التشفيرية ، ورموز مصادقة الرسائل ، ودوال توليد الأقنعة ، وتشفير التدفق ، ومولدات الأرقام شبه العشوائية ، والتشفير المصادق عليه . [ 1 ]

بناء

تتكون دالة الإسفنج من ثلاثة مكونات: [ 2 ]

  • ذاكرة حالة، S ، تحتوي على b بت،
  • دالةو:{0،1}ب→{0،1}ب{\displaystyle f:\{0,1\}^{b}\rightarrow \{0,1\}^{b}}
  • دالة الحشو P

ينقسم S إلى قسمين: أحدهما بحجم r (معدل نقل البيانات) والجزء المتبقي بحجم c (السعة). ويرمز لهذين القسمين بالرمزين R و C على التوالي.

ينتج f تبديلاً شبه عشوائي لـ2ب{\displaystyle 2^{b}}الولايات من الجنوب .

يقوم P بإضافة عدد كافٍ من البتات إلى سلسلة الإدخال بحيث يكون طول الإدخال المضاف إليه عدداً صحيحاً من مضاعفات معدل البت، r . وهذا يعني أن الإدخال يتم تقسيمه إلى كتل من r بت.

عملية

تقوم دالة الإسفنج "بامتصاص" (باستخدام استعارة الإسفنج ) جميع كتل سلسلة الإدخال المبطنة على النحو التالي:

  • يتم تهيئة S إلى الصفر
  • لكل كتلة بتية r من P ( سلسلة)
    • يتم استبدال R بـ R XOR B (باستخدام عملية XOR الثنائية )
    • يتم استبدال S بـ f ( S )

أصبح ناتج وظيفة الإسفنج جاهزًا الآن للإنتاج ("العصر") على النحو التالي:

  • كرر العملية حتى يمتلئ الناتج
    • أخرج الجزء R من S
    • يتم استبدال S بـ f ( S )

إذا تبقى أقل من r بت للإخراج، فسيتم اقتطاع R ( سيتم إخراج جزء فقط من R ).

يصف استعارة أخرى ذاكرة الحالة بأنها " مجمع إنتروبيا "، حيث يتم "صب" المدخلات في هذا المجمع، وتشار إلى وظيفة التحويل بأنها "تحريك مجمع الإنتروبيا". [ 3 ]

لاحظ أن بتات الإدخال لا تُدمج أبدًا في الجزء C من ذاكرة الحالة باستخدام عملية XOR، كما لا تُخرج أي بتات من C مباشرةً. يعتمد مدى تأثر C بالإدخال كليًا على دالة التحويل f. في تطبيقات التجزئة، تعتمد مقاومة هجمات التصادم أو هجمات الصورة العكسية على C ، وحجمها (السعة c ) عادةً ما يكون ضعف مستوى المقاومة المطلوب.

بناء دوبلكس

من الممكن أيضًا امتصاص البيانات وضغطها بالتناوب. [ 1 ] تُسمى هذه العملية بالبناء المزدوج أو الازدواج. ويمكن أن تكون أساسًا لنظام تشفير موثق أحادي المرور. كما استُخدمت هذه الطريقة كبديل فعال لتحويل فيات-شامير لبعض البروتوكولات. [ 4 ]

  • يتم تهيئة الحالة S إلى الصفر
  • لكل كتلة بتات r من المدخلات B
    • يتم إجراء عملية XOR بين R و B
    • يتم استبدال S بـ f ( S )
    • R الآن عبارة عن كتلة إخراج بحجم r بت.

وضع الكتابة فوق

من الممكن حذف عمليات XOR أثناء الاستيعاب، مع الحفاظ على مستوى الأمان المُختار . [ 1 ] في هذا الوضع، خلال مرحلة الاستيعاب، تستبدل الكتلة التالية من المدخلات الجزء R من الحالة. يسمح هذا بالحفاظ على حالة أصغر بين الخطوات. بما أن الجزء R سيُستبدل على أي حال، فيمكن تجاهله مسبقًا، ويجب الاحتفاظ بالجزء C فقط.

التطبيقات

تُستخدم دوال الإسفنج نظريًا وعمليًا. في التحليل التشفيري النظري، تُعرَّف دالة الإسفنج العشوائية بأنها بنية إسفنجية حيث f عبارة عن تبديل أو تحويل عشوائي، حسب الاقتضاء. وتُجسِّد دوال الإسفنج العشوائية قيودًا عملية أكثر من تلك التي تُجسِّدها نماذج أوراكل العشوائية الشائعة الاستخدام ، ولا سيما حالة التشفير الداخلية المحدودة. [ 5 ]

يمكن استخدام بنية الإسفنج أيضًا لبناء أدوات تشفير عملية. على سبيل المثال، اختار المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) إسفنجة التشفير Keccak، ذات الحالة 1600 بت، كفائزة في مسابقة SHA-3 . تستمد Keccak قوتها من التبديل المعقد متعدد الجولات f الذي طوره مؤلفوها. [ 6 ] يشير تصميم RC4 المُعاد تصميمه ، المسمى Spritz، إلى بنية الإسفنج لتحديد الخوارزمية.

على سبيل المثال، يمكن استخدام دالة الإسفنج لبناء تشفير موثق مع بيانات مرتبطة (AEAD)، [ 3 ] بالإضافة إلى مخططات تجزئة كلمات المرور . [ 7 ]

مراجع

  1. 1 2 3 بيرتوني، غيدو؛ دايمين، جوان؛ بيترز، مايكل؛ فان آش، جايلز. "ازدواجية الإسفنجة: التشفير المصادق عليه أحادي المرور وتطبيقات أخرى" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-03-2023 .
  2. ^ بيرتوني، جويدو. دايمن، جوان؛ بيترز، مايكل. فان آش، جايلز. "الاسفنج والإنشاءات المزدوجة" . تم الاسترجاع بتاريخ 27-03-2023 .
  3. 1 2 ريفست، رون؛ شولت، جاكوب (27-10-2014). "سبريتز - تشفير تدفقي يشبه RC4 ودالة تجزئة" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-12-2014 .
  4. ^ كييزا، اليساندرو. أورو، ميشيل (2025)، تحول فيات شامير من الإسفنج المزدوج ، 2025/536 ، استرجاعها 2025-04-09
  5. ^ بيرتوني، جويدو. دايمن، جوان؛ بيترز، مايكل. فان آش، جايلز. “حول عدم التمييز في بناء الإسفنج” (PDF) . تم الاسترجاع في 27 مارس 2023 .
  6. ↑ بوتين، تشاد (2 أكتوبر 2012). "المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا يختار الفائز في مسابقة خوارزمية التجزئة الآمنة (SHA-3)" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 أكتوبر 2012 .
  7. ^ فان بيريندونك، م. ترودو، إل. جيارد، P.؛ بالاتسوكاس ستيمينج، أ. (29/05/2019). نواة Lyra2 FPGA للعملات المشفرة المستندة إلى Lyra2REv2 . ندوة IEEE الدولية حول الدوائر والأنظمة (ISCAS). سابورو، اليابان: IEEE. ص 1 – 5. أرخايف : 1807.05764 . دوى : 10.1109/ISCAS.2019.8702498 .