خوارزميات التشفير المتماثل

يستخدم التشفير المتماثل مفتاحًا مشتركًا واحدًا لتشفير البيانات وفك تشفيرها. ويجب أن يمتلك المرسل والمستقبل المفتاح السري نفسه، كما أن الحفاظ على أمان هذا المفتاح أمر بالغ الأهمية — إذ يستطيع أي شخص يمتلكه فك تشفير البيانات. ويتميز التشفير المتماثل بسرعة وكفاءة حسابية، مما يجعله مثاليًا لتشفير كميات كبيرة من البيانات. ويتمثل التحدي الأساسي في التشفير المتماثل في توزيع المفاتيح: كيف يمكن لطرفين مشاركة مفتاح بأمان قبل امتلاك قناة آمنة؟

يُعد معيار التشفير المتقدم (AES) خوارزمية التشفير المتماثل الأوسع استخدامًا اليوم، وقد اعتمدها NIST عام 2001 خلفًا لـ DES. يعمل AES على كتل بحجم 128 بت، ويدعم ثلاثة أحجام للمفاتيح: AES-128 وAES-192 وAES-256، حيث يشير الرقم إلى طول المفتاح بالبت. ويوفر AES-256 أقوى هامش أمان. ويُستخدم AES في TLS ل HTTPS، وتشفير الأقراص بالكامل (BitLocker)، وتشفير الملفات، وتقريبًا في كل تطبيق حديث آمن. ولا توجد له نقاط ضعف عملية معروفة عند تطبيقه تطبيقًا صحيحًا.

معيار تشفير البيانات (DES) هو أول خوارزمية متماثلة حظيت باعتماد واسع، وقد وُحّدت عام 1977 باستخدام مفتاح بطول 56 بت. ويعني المفتاح ذو الطول 56 بت وجود 2^56 مفتاحًا محتملًا فقط؛ ففي عام 1999، نجح مشروع حوسبة موزعة في كسر رسالة مشفّرة باستخدام DES خلال أقل من 24 ساعة. ويُعد DES الآن مكسورًا من الناحية التشفيرية، ويجب عدم استخدامه مطلقًا في الأنظمة الجديدة. ومع ذلك، يظل مهمًا في اختبار Security+، لأن فهم سبب فشل DES، أي عدم كفاية طول المفتاح، يرسّخ سبب استخدام الخوارزميات الحديثة مثل AES مفاتيح بطول 128 إلى 256 بت.

أُنشئ Triple DES (3DES أو TDEA) كحل مؤقت لضعف DES، وذلك بتطبيق خوارزمية DES ثلاث مرات على كل كتلة بيانات. ويوفر استخدام ثلاثة مفاتيح مختلفة بطول 56 بت قوة مفتاح فعلية قدرها 112 بت، وهي قوة عُدّت كافية حتى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. إلا أن 3DES أبطأ بكثير من AES، لأنه يطبّق التشفير ثلاث مرات، كما أنه عرضة لـهجوم عيد الميلاد Sweet32 على الاتصالات الطويلة. وقد صنّف NIST‏ 3DES رسميًا كخوارزمية مهجورة في عام 2023. ويجري استبداله بـ AES في جميع التطبيقات.

تُصنّف الخوارزميات المتماثلة إلى تشفير كتلي أو تشفير بالتدفق. يشفّر التشفير الكتلي، مثل AES وDES، أجزاءً ثابتة الحجم من البيانات، تُسمى «كتلة»؛ ويستخدم AES كتلًا بطول 128 بت. أما التشفير بالتدفق فيشفّر البيانات بتًا واحدًا أو بايتًا واحدًا في كل مرة باستخدام تدفق مفاتيح، مما يجعله أسرع وملائمًا للاتصالات الفورية. كانت RC4 في السابق خوارزمية التشفير بالتدفق المهيمنة، لكنها أصبحت الآن مكسورة ومهجورة. وتُعد ChaCha20 خوارزمية التشفير بالتدفق الحديثة المفضلة، وتُستخدم في TLS 1.3 وWireGuard لما توفره من سرعة وأمان على الأجهزة التي لا تحتوي على تسريع لـ AES.

يحدّد وضع التشغيل كيفية تعامل التشفير الكتلي مع كتل البيانات المتعددة. يشفّر ECB (Electronic Code Book) كل كتلة بشكل مستقل، وينتج نصًا مشفّرًا متطابقًا للكتل ذات النص الصريح المتطابق؛ ويظهر ذلك بوضوح في العرض الشهير لصورة «ECB Penguin». ولذلك فهو غير آمن مطلقًا. يقوم CBC (Cipher Block Chaining) بإجراء XOR بين كل كتلة من النص الصريح وكتلة النص المشفّر السابقة قبل تشفيرها، مما يضيف خاصية الانتشار. ويوفر GCM (Galois/Counter Mode) التشفيرَ والمصادقة على سلامة البيانات معًا (AEAD)، وهو الوضع المفضّل في TLS 1.3.

يرتبط أمان خوارزمية التشفير المتماثل ارتباطًا مباشرًا بـطول المفتاح. فالمفاتيح الأطول تعني عددًا أكبر من التركيبات، وبالتالي جهدًا يتزايد أسيًا على المهاجم الذي يستخدم القوة الغاشمة. ويحتوي المفتاح ذو الطول 128 بت على 2^128 تركيبة محتملة؛ وحتى عند تنفيذ مليار مليار محاولة في الثانية، سيستغرق كسر المفتاح بالقوة الغاشمة وقتًا أطول من عمر الكون. يوصي NIST باستخدام مفاتيح بطول 128 بت كحد أدنى للتشفير المتماثل في الأنظمة الجديدة، مع تفضيل مفاتيح بطول 256 بت للتطبيقات التي تتطلب أمانًا طويل الأمد في مواجهة تهديدات الحوسبة الكمومية المستقبلية.

يتمثل الضعف الأساسي للتشفير المتماثل في إدارة المفاتيح. فأمان التشفير لا يتجاوز أمان المفتاح المستخدم. وتشمل تحديات إدارة المفاتيح: توزيع المفاتيح، أي مشاركة المفتاح بأمان قبل بدء الاتصال؛ وتخزين المفاتيح، أي حماية المفاتيح أثناء السكون باستخدام وحدات أمان الأجهزة أو خزائن المفاتيح؛ وتدوير المفاتيح، أي تغيير المفاتيح دوريًا للحد من مدة التعرض؛ وإتلاف المفاتيح، أي حذف المفاتيح بأمان عند عدم الحاجة إليها. وقد تسببت الإدارة السيئة للمفاتيح في إخفاقات تشفير واقعية أكثر من نقاط الضعف الرياضية في الخوارزميات نفسها.

تُعد AES الخوارزمية التي تقف وراء أكثر أدوات التشفير شيوعًا والتي يتعامل معها اختصاصيو الأمن يوميًا. يستخدم كل من BitLocker (Windows) وFileVault (macOS)‏ AES-128 أو AES-256 لتشفير وحدات الأقراص بأكملها، مما يحمي البيانات في حال سرقة الحاسوب المحمول. ويوفر VeraCrypt تشفيرًا للأقراص عبر مختلف المنصات. ويستخدم موفرو الخدمات السحابية، مثل AWS S3 وGoogle Cloud،‏ AES-256-GCM لتشفير الكائنات أثناء السكون. ويساعدك فهم الخوارزمية التي يستند إليها أحد المنتجات على تقييم مدى ملاءمة تنفيذ التشفير لمستوى حساسية البيانات.

تظهر خوارزميتان متماثلتان أخريان كثيرًا في مواد Security+.‏ Blowfish (1993) هي خوارزمية تشفير كتلي ذات مفتاح متغير الطول (من 32 إلى 448 بت)، صممها Bruce Schneier كبديل متاح للعامة لـ DES. وعلى الرغم من سرعتها ومجانيتها، فإن حجم كتلتها البالغ 64 بت يجعلها عرضة لهجمات أعياد الميلاد في الجلسات الطويلة. أما Twofish (1998) فكانت إحدى الخوارزميات النهائية في مسابقة AES، وتوفر مفاتيح بطول 128 أو 192 أو 256 بت وحجم كتلة يبلغ 128 بت. وعلى الرغم من أن كلتيهما لا تزالان آمنتين، فقد فازت AES بمسابقة NIST وأصبحت مهيمنة في التطبيقات الحديثة. ويساعد التعرف على هذه الخوارزميات على فهم سياق اختيار AES.

يؤدي التشفير المتماثل وغير المتماثل أدوارًا متكاملة. فالتشفير المتماثل، مثل AES، سريع وملائم لتشفير كميات كبيرة من البيانات. أما التشفير غير المتماثل، مثل RSA، فهو بطيء لكنه يحل مشكلة توزيع المفاتيح. وعمليًا، يُجمع بينهما: يُستخدم التشفير غير المتماثل لتبادل مفتاح جلسة متماثل بأمان، ثم يتولى التشفير المتماثل نقل جميع البيانات بالجملة. ويُعد هذا النهج الهجين أساس TLS ‏(HTTPS) والشبكات الافتراضية الخاصة (VPNs) وتشفير البريد الإلكتروني باستخدام PGP، إذ يوفر أمان تبادل المفاتيح غير المتماثل وسرعة تشفير البيانات المتماثل معًا.

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

تعلّمت في هذا الدرس أن التشفير المتماثل يستخدم مفتاحًا مشتركًا واحدًا للتشفير وفك التشفير؛ وأن AES‏ (بطول 128 أو 192 أو 256 بت) هي المعيار الحالي؛ وأن DES‏ (بطول 56 بت) مكسورة ومهجورة؛ وأن أوضاع التشفير الكتلي، ويفضّل منها GCM، تحدد كيفية ربط الكتل؛ وأن إدارة المفاتيح هي التحدي التشغيلي الأساسي. سنستكشف بعد ذلك التشفير غير المتماثل وأزواج المفاتيح.