التشفير ما بعد الكمي: CRYSTALS-Kyber وDilithium

يعتمد تشفير المفتاح العام الحالي، مثل RSA وECC وDiffie-Hellman، على مسائل رياضية يستحيل حلها عملياً باستخدام الحواسيب التقليدية. تستند أمانة RSA إلى صعوبة تحليل الأعداد الصحيحة الكبيرة إلى عواملها، بينما تستند أمانة ECC إلى مسألة اللوغاريتم المتقطع للمنحنى الإهليلجي. ويمكن لـحاسوب كمّي قوي بما يكفي ويشغّل خوارزمية Shor حل كلتا المسألتين في وقت كثير الحدود، ما يؤدي فعلياً إلى كسر جميع خوارزميات تشفير المفتاح العام المستخدمة على نطاق واسع. ورغم عدم وجود حاسوب كمّي كهذا اليوم، فإن التهديد يحظى بجدية كافية دفعت NIST إلى بدء توحيد بدائل مقاومة للحوسبة الكمّية في عام 2016.

قد تجمع الجهات المعادية التابعة لدول قومية حركة المرور المشفرة على الإنترنت اليوم، بهدف فك تشفيرها عند توفر الحواسيب الكمّية؛ وتُسمى هذه الاستراتيجية 'اجمع الآن، فك التشفير لاحقاً' أو SNDL (Store Now, Decrypt Later). وتكون البيانات ذات الحساسية طويلة الأمد، مثل أسرار الحكومات المصنفة والسجلات المالية والبيانات الطبية، معرضة للخطر بشكل خاص، لأنها قد تظل حساسة عند ظهور الحواسيب الكمّية. لذلك تُحث المؤسسات على الانتقال إلى التشفير ما بعد الكمي (PQC) قبل ظهور الحواسيب الكمّية، لا بعده، لأن عملية الانتقال معقدة وتستغرق وقتاً طويلاً.

من المهم التمييز بين التهديد الكمّي الذي يطال فئات الخوارزميات المختلفة. تكسر خوارزمية Shor تشفير RSA وECC غير المتماثل. أما خوارزمية Grover فتوفر تسريعاً تربيعياً لعمليات البحث، ما يخفض طول المفتاح الفعلي للتشفيرات المتماثلة ودوال التجزئة إلى النصف. وهذا يعني أن AES-128 يوفر أماناً بمستوى 64 بت فقط أمام مهاجم كمّي، وهو مستوى غير كافٍ، بينما يحافظ AES-256 على أمان ما بعد كمي بمستوى 128 بت، وهو مستوى مقبول. وبالمثل، ينخفض مستوى أمان SHA-256 إلى النصف، لكنه يظل كافياً؛ ويوصى باستخدام SHA-384 وSHA-512 لتوفير أمان أطول أمداً.

في عام 2016، أطلقت NIST مسابقة لاختيار خوارزميات التشفير ما بعد الكمي، وتلقت 82 مشاركة. وبعد عدة جولات من التقييم، أنهت NIST أول مجموعة من معايير PQC في عام 2024: FIPS 203 (ML-KEM، المشتق من CRYSTALS-Kyber) لتغليف المفاتيح، وFIPS 204 (ML-DSA، المشتق من CRYSTALS-Dilithium) للتوقيعات الرقمية، وFIPS 205 (SLH-DSA، المشتق من SPHINCS+) كبديل للتوقيعات القائمة على التجزئة. تقاوم هذه الخوارزميات الهجمات الصادرة عن الحواسيب التقليدية والكمّية على حد سواء، ويُراد لها أن تحل محل RSA وECDSA في أنظمة PKI.

يُعد كل من CRYSTALS-Kyber وCRYSTALS-Dilithium من مخططات التشفير القائمة على الشبكات. والشبكة هي مجموعة منتظمة من النقاط في فضاء عالي الأبعاد. أما المسألة الصعبة التي تستند إليها الخوارزميتان فهي مسألة التعلم مع الأخطاء (LWE): given مجموعة من المعادلات الخطية أضيفت إليها أخطاء عشوائية صغيرة، أوجد السر الأساسي. ولا توجد خوارزمية كمّية معروفة تحل LWE بكفاءة. ويوفر المتغير Module-LWE (MLWE) المستخدم في CRYSTALS توازناً جيداً بين مستوى الأمان وحجم المفتاح أو النص المشفر.

CRYSTALS-Kyber (المعروف الآن باسم ML-KEM) هو آلية تغليف المفاتيح (KEM)، إذ يتيح لطرفين إنشاء سر مشترك عبر قناة غير آمنة، ليحل محل تبادل المفاتيح باستخدام Diffie-Hellman وRSA. ينشئ Kyber زوجاً من المفاتيح العامة والخاصة؛ ويغلف المرسل مفتاح جلسة عشوائياً باستخدام المفتاح العام للمستلم؛ ثم يفك المستلم التغليف باستخدام مفتاحه الخاص. ويتميز Kyber-768 (بمستوى أمان NIST 3، وهو مكافئ تقريباً لـ AES-192) بمفتاح عام حجمه نحو 1,184 بايت ونص مشفر حجمه نحو 1,088 بايت، وهما أكبر بكثير من مفتاح RSA-2048 حجمه 256 بايت.

CRYSTALS-Dilithium (المعروف الآن باسم ML-DSA) هو خوارزمية توقيع رقمي تحل محل توقيعات ECDSA وRSA. وتُنشئ التوقيعات باستخدام رياضيات الشبكات، كما تتم عملية التحقق بكفاءة. وينشئ Dilithium3 (بمستوى أمان 3) توقيعات حجمها نحو 3,293 بايت، وهي أكبر بكثير من توقيع ECDSA حجمه 64 بايت. وتشكل هذه الزيادة في الحجم التحدي الأساسي أمام ترحيل أنظمة PKI التي تعتمد بكثافة على الشهادات. وعلى الرغم من حجمه، ينشئ Dilithium التوقيعات ويتحقق منها بسرعة على الأجهزة القياسية، كما يقاوم جميع الهجمات الكمّية المعروفة.

SPHINCS+ (المعروف الآن باسم SLH-DSA) هو مخطط توقيعات قائم على التجزئة عديم الحالة، اختارته NIST بديلاً عن Dilithium. ويعتمد أمانه فقط على أمان دالة التجزئة الأساسية له (SHA-256 أو SHAKE)، ما يجعله محافظاً للغاية؛ فإذا كُسرت رياضيات الشبكات بطريقة ما، يظل SPHINCS+ آمناً. أما المقابل فهو حجم التوقيع: إذ يتراوح حجم توقيعات SPHINCS+ بين 8KB و50KB تبعاً لمجموعة المعلمات، ما يجعله غير مناسب لشهادات TLS، لكنه ممتاز لتوقيع التعليمات البرمجية حيث يكون حجم التوقيع أقل أهمية.

تتمثل استراتيجية الانتقال الموصى بها في التشفير الهجين: الجمع بين خوارزمية تقليدية وخوارزمية ما بعد كمية، بحيث يظل الاتصال آمناً ما دامت إحدى الخوارزميتين على الأقل لم تُكسر. فعلى سبيل المثال، يعني استخدام X25519 + Kyber-768 لتبادل المفاتيح أن المهاجم سيحتاج إلى كسر كل من ECDH وKyber لفك تشفير حركة المرور. ويجري بالفعل نشر هذا الأسلوب؛ فقد أضاف متصفح Chrome من Google دعم تبادل المفاتيح الهجين X25519Kyber768 لبروتوكول TLS 1.3 في عام 2023، كما أضافته Apple إلى iMessage. ويسمح النهج الهجين بانتقال سلس دون إجراء انتقال مفاجئ في يوم محدد.

ينطوي ترحيل PKI إلى خوارزميات ما بعد كمية على تعقيد هائل: إذ تزداد أحجام الشهادات بشكل كبير، ما يؤثر في أحجام مصافحة TLS وأدائها؛ ويجب تحديث وحدات أمان الأجهزة (HSMs) أو استبدالها لدعم الخوارزميات الجديدة؛ كما تحتاج البنية التحتية لتوقيع التعليمات البرمجية وسلطات الشهادات إلى تحديثات؛ وقد لا تدعم أجهزة IoT ذات الذاكرة المحدودة المفاتيح الأكبر حجماً الخاصة بالتشفير ما بعد الكمي. وينبغي للمؤسسات أن تبدأ جرد التشفير، أي حصر جميع المواضع التي يُستخدم فيها RSA وECC، باعتباره الخطوة الأولى في خطة ترحيل PQC.

تشير المرونة التشفيرية إلى تصميم الأنظمة بحيث يمكن تبديل الخوارزميات التشفيرية دون الحاجة إلى إعادة تصميم النظام بالكامل. وتخزن الأنظمة المرنة تشفيرياً معرّفات الخوارزميات إلى جانب المفاتيح والنصوص المشفرة، ما يتيح إجراء ترقيات مستقبلية بتغيير معلمة ضبط. وتُظهر TLS وSSH ومعايير الشهادات الحديثة أمثلة على المرونة التشفيرية. وينبغي للمؤسسات فحص بروتوكولاتها وتطبيقاتها المخصصة بحثاً عن اختيارات الخوارزميات المضمّنة بشكل ثابت، إذ ستكون هذه الأنظمة الأعلى تكلفة عند ترحيلها. كما أن اعتماد طبقة تجريد لمكتبة تشفير الآن يجعل ترحيل PQC أسهل بكثير.

اختبر مدى فهمك لمفاهيم CompTIA Security+ (SY0-701) الواردة في هذا الدرس.

تعلمت في هذا الدرس أن خوارزمية Shor تهدد RSA وECC، بينما لا تؤدي خوارزمية Grover إلا إلى خفض أمان المفاتيح المتماثلة إلى النصف، ما يجعل AES-256 وSHA-384 صالحين للاستخدام في مرحلة ما بعد الحوسبة الكمّية، وأن CRYSTALS-Kyber (ML-KEM) يحل محل تبادل المفاتيح، بينما يحل CRYSTALS-Dilithium (ML-DSA) محل التوقيعات الرقمية باعتبارهما من معايير ما بعد الكمية التي اختارتها NIST، وأن التشفير الهجين الذي يجمع بين خوارزميات تقليدية وخوارزميات PQC هو استراتيجية الترحيل الموصى بها أثناء سير عملية الانتقال. بعد ذلك، سنستكشف أمان الحاويات في البيئات السحابية الأصلية.