دروس من DES: ما الذي تعلمناه؟

صُمم مفتاح DES البالغ طوله 56 بتًا مع مراعاة قدرة الحوسبة في عام 1977. وكان المصممون يتوقعون أن يظل آمنًا لمدة تتراوح بين 10 و15 عامًا على الأقل. وبحلول عام 1997، أي بعد 20 عامًا، أصبح من الممكن كسره خلال أشهر، ثم خلال ساعات بحلول عام 1999.

والدرس المستفاد هو أن أطوال مفاتيح التشفير يجب أن تراعي تطورات الحوسبة المستقبلية. وتوصي NIST الآن بأن تتمتع الأنظمة بهامش أمان يبلغ 112 بتًا على الأقل للحفاظ على أمانها حتى عام 2030، وبـ128 بتًا أو أكثر لتحقيق أمان طويل الأمد.

ذكر أوغست كيركهوفس عام 1883 أن الشيفرة ينبغي أن تظل آمنة حتى لو كانت جميع تفاصيل النظام، باستثناء المفتاح، معروفة للعامة. وكانت DES أول شيفرة قياسية حكومية صُممت مع مراعاة هذا المبدأ صراحةً.

أدى نشر المواصفات الكاملة لـDES إلى تمكين مجتمع التشفير من تحليل نقاط ضعفها على مدى 20 عامًا. وقد أثبتت الشيفرة صمودًا أكبر أمام التدقيق العلني من البدائل التي اعتمدت على سرية الخوارزمية.

عندما نُشرت DES لأول مرة، أبقت NSA معايير تصميم S-box سرية. وقد غذّى ذلك نظريات المؤامرة حول وجود أبواب خلفية. وفي تسعينيات القرن العشرين، كُشف عن هذه المعايير، فأظهر ذلك أن S-boxes صُممت خصيصًا لمقاومة التحليل التشفيري التفاضلي.

أدى هذا الدرس المتعلق بالشفافية إلى اعتماد مسابقات الشفرات الحديثة شرط نشر المسوغات الكاملة للتصميم. وقد نشر المرشحون لـAES معايير التصميم الكاملة والحجج الأمنية، مما أتاح إجراء تحليل علني شامل.

أدى تدخل NSA في خفض طول مفتاح DES من 128 إلى 56 بتًا وتعديل S-boxes إلى ترسيخ انعدام الثقة المؤسسي في تدخل الحكومات في معايير التشفير.

وتفاقم انعدام الثقة هذا بسبب فضيحة الباب الخلفي المرتبطة بـDual_EC_DRBG عام 2013، حين تبيّن أن NSA أضعفت عمدًا معيارًا لمولّد أرقام عشوائية تابعًا لـNIST. وقد أرست تجربة DES نمطًا من التشكيك الصحي في تدخلات الحكومات في الشفرات.

من دروس DES أهمية مرونة الخوارزميات: ينبغي تصميم الأنظمة بحيث يسهل استبدال خوارزميات التشفير عند تقادمها. أما الأنظمة المبرمجة على DES بشكل ثابت، فقد تطلب ترحيلها عمليات استبدال شاملة ومكلفة.

تتفاوض البروتوكولات التشفيرية الحديثة مثل TLS على اختيار الخوارزمية في بداية كل اتصال، مما يتيح للطرفين الاتفاق على أقوى الخوارزميات التي يدعمانها معًا. وهذا يعني إمكانية نشر خوارزميات جديدة من دون كسر التوافق مع الإصدارات السابقة.

تعلمت NIST من تجربة DES أن العملية الحكومية المغلقة تولّد انعدام الثقة، وقد تنتج خوارزميات ضعيفة. وكانت مسابقة AES، التي امتدت من عام 1997 إلى عام 2001، مفتوحة بالكامل؛ إذ كان بإمكان أي مؤسسة في العالم تقديم مرشح.

قُدمت خمسة عشر خوارزمية من فرق في الولايات المتحدة وأوروبا ومناطق أخرى. وحُللت الخوارزميات الخمس النهائية علنًا على مدى ثلاث سنوات. وفاز Rijndael، الذي طوّره خبراء تشفير بلجيكيون، استنادًا إلى مزاياه التقنية. وأدت العملية المفتوحة إلى ثقة واسعة النطاق في AES.

طبّقت مسابقة AES دروس DES مباشرةً: خيارات مفاتيح كبيرة بطول 128 و192 و256 بتًا، وحجم كتلة يبلغ 128 بتًا لمعالجة مخاوف هجمات أعياد الميلاد، ونشر معايير التصميم كاملةً على الملأ، وتحليل تشفيري علني على مدى عدة سنوات.

صمد AES أمام أكثر من 20 عامًا من التحليل التشفيري العلني من دون ظهور هجمات عملية. ولا تتفوق أفضل الهجمات المعروفة ضد AES على هجمات القوة الغاشمة إلا بفارق هامشي، مما يؤكد أن عملية المنافسة المفتوحة أنتجت شيفرة قوية.

توجد ملايين التطبيقات العتادية لـDES في أجهزة الصراف الآلي، ومحطات الدفع، وأجهزة فك ترميز الأقمار الصناعية، وأنظمة التحكم الصناعية. ويُعد استبدال العتاد أكثر تكلفة وأبطأ بكثير من تحديث البرمجيات.

والدرس المستفاد هو أن تطبيقات التشفير العتادية يجب أن تخطط لاستبدال الخوارزميات منذ البداية. وقد صُممت وحدات HSM الحديثة وشرائح البطاقات الذكية لدعم خوارزميات متعددة، ويمكن تحديثها عبر البرامج الثابتة لإضافة معايير جديدة.

بعد DES، أصبحت عملية وضع المعايير لدى NIST أكثر شفافية وشمولًا. فتم تمديد فترات إبداء التعليقات العامة، ونُشرت تصاميم الخوارزميات كاملةً قبل وضع المعايير، وشُجعت المشاركة الدولية بنشاط.

طبّقت عملية وضع معايير التشفير ما بعد الكم لدى NIST، التي امتدت من عام 2016 إلى عام 2024، كل هذه الدروس: منافسة دولية مفتوحة، وجولات متعددة من التحليل التشفيري العلني، ومعايير اختيار شفافة، ووضع معايير لعدة خوارزميات في الوقت نفسه لتحقيق التنوع.

حلّ التشفير الحديث مشكلة طول المفتاح؛ إذ يوفر AES-256 هوامش أمان كبيرة إلى حد يجعل هجمات القوة الغاشمة مستحيلة في المستقبل المنظور. أما التحدي المتبقي فهو إدارة المفاتيح.

يمثل توليد المفاتيح (بصورة عشوائية فعلية)، وتخزينها (مع حمايتها من الوصول غير المصرح به)، وتوزيعها (ومشاركتها بأمان مع الأطراف المناسبة)، وتدويرها (وتغييرها من دون تعطيل الخدمة)، وإبطالها (عند اختراقها) مشكلات لم تُحل بعد، وتتسبب في معظم حالات فشل التشفير في العالم الحقيقي.

يمثل انتقال التشفير ما بعد الكم (PQC) النظير الحديث للانتقال من DES إلى AES. فالحواسيب الكمومية تهدد RSA وECC، تمامًا كما هدّد النمو الأُسّي في قدرات العتاد DES.

أقرّت NIST أولى معايير PQC في عام 2024: ‏CRYSTALS-Kyber (المعروف الآن باسم ML-KEM) لتغليف المفاتيح، وCRYSTALS-Dilithium (المعروف الآن باسم ML-DSA) للتوقيعات. وقد طُبقت الدروس المستفادة من DES، بما في ذلك المنافسة المفتوحة ومرونة الخوارزميات، مباشرةً في عملية وضع معايير PQC.

علّمنا DES أن أطوال المفاتيح يجب أن تراعي قانون مور، وأن التدقيق العلني يجعل الشفرات أقوى، وأنه ينبغي نشر معايير تصميم S-box، وأن مشاركة الحكومة في وضع المعايير تتطلب الشفافية.

تمثل مرونة الخوارزميات، والمسابقات المفتوحة (AES وPQC)، والعتاد المصمم لاستبدال الخوارزميات استجابات مباشرة لإرث DES. وأصعب مشكلة في التشفير الحديث ليست طول المفتاح، بل إدارة المفاتيح.