التشفير من طرف إلى طرف في المراسلة الحديثة

يمثل Signal Protocol الأساس التشفيري الذي يقف وراء Signal وWhatsApp وغيرهما من تطبيقات المراسلة الآمنة. فهو يجمع بين خوارزميتين: X3DH لإنشاء سر مشترك أولي عندما يكون المستلم غير متصل، وDouble Ratchet لاشتقاق مفتاح تشفير جديد لكل رسالة. وتتمثل النتيجة في سرية قوية وخصوصية مستقبلية من دون أن يلاحظ المستخدم ذلك.

يتيح X3DH لطرفين إنشاء سر مشترك حتى عندما يكون أحدهما غير متصل. ويستخدم أربع عمليات حسابية من Diffie-Hellman تجمع بين مفاتيح الهوية طويلة الأجل، ومفاتيح ما قبل التوقيع متوسطة الأجل، ومفاتيح ما قبل الاستخدام لمرة واحدة. ويخزّن الخادم مفاتيح ما قبل الاستخدام التي حمّلها المستلم مسبقًا. وينفّذ المرسل X3DH باستخدام تلك المفاتيح، ويشتق سرًا مشتركًا، ويرسل رسالة أولية مشفّرة من دون انتظار اتصال المستلم.

بعد أن ينشئ X3DH السر المشترك الأولي، تتولى Double Ratchet إدارة المحادثة المستمرة. فهي تجمع بين آلية Diffie-Hellman تتقدم كلما جرى تبادل مفاتيح DH جديدة، وآلية مفاتيح متماثلة تتقدم مع كل رسالة. وتُشفّر كل رسالة باستخدام مفتاح فريد يُحذف فورًا بعد استخدامه، لذا فإن الاستيلاء على مفتاح رسالة واحدة لا يعرض أي رسالة أخرى للخطر.

تعني الخصوصية المستقبلية أنه إذا سجّل مهاجم حركة مرور مشفّرة اليوم ثم تمكّن لاحقًا من اختراق مفتاحك الخاص طويل الأجل، فلن يتمكن مع ذلك من فك تشفير الرسائل القديمة. وتحقق Double Ratchet ذلك لأن المفاتيح الخاصة بكل رسالة مؤقتة وتُحذف فورًا. ولا يمكن فك تشفير الرسائل السابقة إلا من جهاز شارك في المحادثة وقتها، وفقط إذا لم يحذفها محليًا.

توفر Double Ratchet أيضًا التعافي بعد الاختراق، ويُسمى ذلك أحيانًا الأمان بعد اختراق النظام. فإذا تمكّن مهاجم مؤقتًا من اختراق جهاز وقراءة مفاتيحه الحالية، فستُنشئ خطوة آلية DH التالية مفاتيح جديدة لا يستطيع المهاجم التنبؤ بها. وتصبح الرسائل المستقبلية آمنة من جديد من دون أي تدخل يدوي، بخلاف الأنظمة التي يؤدي فيها اختراق مفتاح واحد إلى كشف جميع الرسائل اللاحقة.

في عام 2016، أكملت WhatsApp التعميم الكامل للتشفير من طرف إلى طرف باستخدام Signal Protocol عبر جميع منصاتها، وقد شمل ذلك أكثر من مليار مستخدم في ذلك الوقت. وكان هذا أكبر نشر للتشفير من طرف إلى طرف في التاريخ. وطُوّر التكامل بالشراكة مع Open Whisper Systems، المؤسسة التي تقف وراء Signal. وخضعت آلية WhatsApp للتدقيق المستقل، وأُكدت صحتها.

حتى مع تشفير المحتوى، كان Signal Protocol يكشف في الأصل للخادم هوية مرسل الرسائل والجهة التي يرسلها إليها. وتُعد Sealed Sender إضافةً تشفّر هوية المرسل داخل غلاف الرسالة. ولا يعرف الخادم سوى المستلم، وليس المرسل، مما يقلل البيانات الوصفية المتاحة للخادم أو لأي شخص يحصل على سجلاته بأمر قضائي. ويفك المستلم تشفير الغلاف الخارجي لمعرفة من أرسل الرسالة.

تضيف الرسائل ذاتية الاختفاء مؤقتًا تُحذف بعده الرسائل من جهازي المُرسِل والمستلم. وبالاقتران مع المفاتيح المؤقتة في Double Ratchet، يعني هذا أن الفحص الجنائي الرقمي لجهاز مُصادَر في وقت لاحق قد لا يعثر على أي نص صريح قابل للاسترداد. وتشجع ميزة Note to Self في Signal والإعدادات الافتراضية للرسائل ذاتية الاختفاء على الاحتفاظ بأقل قدر ممكن من البيانات باعتباره ممارسة لحماية الخصوصية.

يستخدم iMessage التشفير من طرف إلى طرف عندما يكون iMessage مفعّلًا لدى الطرفين، ويعود إلى SMS عندما لا يكون مفعّلًا لدى أحدهما. ويخزن iMessage مفاتيح الرسائل المشفّرة في iCloud Keychain، مما يتيح الوصول إليها من أجهزة متعددة، لكنه يعني أيضًا أن Apple تستطيع تقنيًا الوصول إلى الرسائل إذا أُلزمت بذلك قانونيًا وكان النسخ الاحتياطي في iCloud مفعّلًا. وعلى خلاف Signal، لا يستخدم iMessage تقنية Double Ratchet، ولذلك لا يوفر ضمانات السرية المستقبلية نفسها.

تكون Double Ratchet فعّالة في محادثة بين طرفين. أما في مجموعة تضم N أعضاء، فيجب تشفير كل رسالة على حدة لكل عضو، أو إدارة مفتاح مشترك للمجموعة. وتُعد إدارة مفاتيح المجموعة بأمان أمرًا معقدًا؛ فعندما يغادر أحد الأعضاء، يجب على جميع الأعضاء المتبقين تحديث مفاتيحهم، ويُعرف ذلك باسم أمن ما بعد الاختراق للمجموعات. ويعالج بروتوكول Messaging Layer Security ‏(MLS/RFC 9420) هذه المشكلة من خلال تحديثات مفاتيح ذات تعقيد لوغاريتمي.

Signal مفتوح المصدر بالكامل، ويجمع حدًا أدنى من البيانات الوصفية، ويستخدم Signal Protocol في جميع مراحل عمله. ويستخدم WhatsApp‏ Signal Protocol للرسائل، لكنه مملوك لشركة Meta ويجمع قدرًا كبيرًا من البيانات الوصفية. أما Telegram فيستخدم بروتوكول MTProto المخصص في Secret Chats فقط؛ فالمحادثات العادية ليست مشفّرة من طرف إلى طرف، وتُخزّن على خوادم Telegram. وللحصول على أقصى قدر من الخصوصية، يُنصح باستخدام Signal مع الرسائل ذاتية الاختفاء.

ما الخاصية في Double Ratchet التي تضمن أن الحصول على مفتاح رسالة واحدة لا يكشف الرسائل الأخرى؟

يجمع Signal Protocol بين X3DH للاتفاق على المفاتيح دون اتصال، وDouble Ratchet لاشتقاق مفتاح مستقل لكل رسالة. وتحمي السرية المستقبلية الرسائل السابقة، بينما تحمي استعادة الأمان الرسائل المستقبلية بعد حدوث اختراق. وقد طبقت WhatsApp ذلك على نطاق واسع في عام 2016. وتتطلب المراسلة الجماعية بروتوكولات أكثر تعقيدًا لإدارة المفاتيح، مثل MLS. أما حماية البيانات الوصفية فتتطلب تقنيات إضافية مثل sealed sender.