التخطيط للانتقال إلى معايير ما بعد الكم

إن ترحيل البنية التحتية التشفيرية ليس مشروعًا قصير الأجل. وتحتاج المؤسسات الكبيرة إلى 10-15 سنة لتحديث جميع أنظمتها بالكامل. ويقدّر NIST أن حواسيب كمّية قادرة على كسر RSA-2048 قد تكون موجودة خلال 10-30 سنة. ونظرًا إلى تهديد الحصد الآن وفك التشفير لاحقًا، وإلى الجداول الزمنية الطويلة للترحيل، يجب على المؤسسات أن تبدأ التخطيط اليوم، حتى إذا بدا التهديد الكمّي المباشر بعيدًا.

تعني الرشاقة التشفيرية تصميم الأنظمة بحيث يمكن استبدال الخوارزميات التشفيرية دون إعادة تصميم البنية بأكملها. ويُركّز النظام الرشيق اختيار الخوارزمية في الإعدادات، ويستخدم أنواعًا مجردة للمفاتيح، ويفصل منطق البروتوكول عن تنفيذات الشيفرات المحددة. أما الأنظمة التي تثبّت RSA أو ECDH في منطق بروتوكولاتها، فستتطلب عمليات ترحيل أعلى تكلفة بكثير من الأنظمة الرشيقة.

تتمثل الخطوة الأولى في ترحيل النظام في إعداد جرد كامل لكل بدائية تشفيرية فيه: مواضع استخدام RSA وECDH وECDSA والخوارزميات المتماثلة، والسياقات التي تُستخدم فيها (TLS، وتوقيع الشيفرة، وتشفير البيانات الساكنة، ورموز المصادقة)، ومدد صلاحية البيانات المعنية. توصي NIST IR 8547 وإرشادات CISA باستخدام أدوات اكتشاف آلية للعثور على المفاتيح المضمّنة مباشرةً ومعرّفات الخوارزميات في قواعد الشيفرة وملفات الإعداد.

يدعم TLS 1.3 تبادل مفاتيح هجينًا يجمع بين X25519 وML-KEM-768، كما هو محدد في مسودة IETF draft-ietf-tls-hybrid-design. يرسل NamedGroup الهجين X25519MLKEM768 حصتي المفتاح الكلاسيكية وما بعد الكمّية في ClientHello. ويكون السر المشترك هو تجزئة ناتجي العمليتين معًا. ولا يتطلب ذلك أي تغييرات في البروتوكول بالنسبة إلى الخوادم التي تدعم NamedGroup الجديد، كما أنه متوافق عكسيًا مع العملاء الذين لا يدعمونه.

تقدم NIST IR 8413 (2022) إرشادات لترحيل التشفير ما بعد الكمّي. وتصنف الأنظمة إلى ثلاث مناطق: حرجة فورًا (أسرار طويلة الأمد معرضة لخطر الحصاد الآن وفك التشفير لاحقًا)، ومتوسطة الأجل (بيانات تتراوح مدة حساسيتها بين 5 و10 سنوات)، ومنخفضة الأولوية (بيانات مؤقتة أو قصيرة الأمد). وتوصي NIST بإعطاء الأولوية للبنية التحتية لـ PKI والشهادات، لأن تغيير الشهادات الجذرية يؤثر في سلاسل الثقة بأكملها.

يمثل تهديد الحصاد الآن وفك التشفير لاحقًا (HNDL) السبب الأكثر إلحاحًا لنشر التشفير ما بعد الكمّي فورًا، حتى قبل وجود حواسيب كمّية. تسجل الجهات المعادية (الدول القومية) حركة البيانات المشفّرة اليوم، على أمل فك تشفيرها عند توفر حاسوب كمّي. وتتعرض البيانات الحساسة على المدى الطويل (السجلات الطبية، وأسرار الدولة، والبيانات المالية ذات الأهمية الممتدة لعقود) لخطر مباشر من هذا الهجوم.

استنادًا إلى تهديد HNDL، تتمثل الأولوية القصوى للترحيل إلى التشفير ما بعد الكمّي في حماية البيانات التي تتطلب سرية طويلة الأمد. وينبغي ترقية تبادل المفاتيح المؤقت في TLS (ECDHE) إلى X25519+ML-KEM الهجين فورًا. كما يجب إعادة تشفير مفاتيح RSA الخاصة طويلة الأمد (المستخدمة لتوقيع الشهادات أو لتشفير البيانات المخزنة) باستخدام مخططات ما بعد كمّية. أما مفاتيح الجلسات المؤقتة لبث الفيديو فذات أولوية منخفضة، لأنها لا تملك قيمة طويلة الأمد.

قبل نشر PQC، ينبغي للمؤسسات قياس تأثير الأداء على أعباء العمل الخاصة بها. تتميز ML-KEM بالسرعة؛ إذ يستغرق توليد المفاتيح والتغليف أقل من 20 ميكروثانية على الأجهزة الحديثة. غير أن زيادة أحجام المفاتيح والنصوص المشفّرة (ML-KEM-768: 1184 + 1088 بايتًا مقابل X25519: 32 + 32 بايتًا) تزيد أحجام مصافحة TLS. وبالنسبة إلى خوادم TLS عالية الكثافة التي تعالج ملايين الاتصالات في الثانية، يجب قياس هذا العبء الإضافي على النطاق الترددي.

يوفر مشروع Open Quantum Safe (OQS) مكتبة liboqs، وهي مكتبة مفتوحة المصدر تطبق خوارزميات PQC، بما فيها جميع معايير NIST. كما يوفر OQS نسخًا متفرعة من OpenSSL وBoringSSL تضيف دعمًا لـ PQC، وخادم اختبار على test.openquantumsafe.org. ويمكن للمؤسسات استخدام liboqs لإنشاء نموذج أولي لتكامل PQC واختباره قبل نشره في بيئة الإنتاج، من دون انتظار إتاحة الدعم في المكتبات الرئيسية.

يجب على الوكالات الفدرالية الأمريكية والقطاعات الخاضعة للتنظيم استخدام وحدات تشفير معتمدة وفق FIPS. وقد نُشرت الآن معايير NIST FIPS 203 و204 و205، لكن ظهور التطبيقات المعتمدة (الحاصلة على شهادات CMVP) يستغرق وقتًا إضافيًا. وتشغّل NIST برنامج اعتماد مُسرّعًا لـ PQC. وينبغي للمؤسسات في البيئات الخاضعة للتنظيم متابعة حالة اعتماد CMVP والتخطيط لفترة تستخدم فيها عمليات النشر الهجينة للتشفير الكلاسيكي+PQC خوارزميات كلاسيكية معتمدة وفق FIPS إلى جانب تطبيقات PQC المعتمدة.

يُعد ترحيل PKI معقدًا بصفة خاصة. إذ يجب إعادة إصدار الشهادات الجذرية وسلطات الشهادات الوسيطة CAs باستخدام ML-DSA أو مفاتيح هجينة. وتصبح سلاسل الشهادات أكبر حجمًا (فشهادات ML-DSA-65 يبلغ حجمها نحو 4 كيلوبايت، مقابل 1 كيلوبايت لشهادات RSA-2048). كما يجب تحديث مخازن الثقة في المتصفحات وأنظمة تشغيل الأجهزة المحمولة ومخازن الثقة في الأجهزة المضمّنة. وتستكشف بعض المؤسسات الشهادات ثنائية الخوارزمية (PKI الهجين) للحفاظ على التوافق العكسي أثناء الانتقال.

ما نوع البيانات الذي يمثل الأولوية القصوى للترحيل إلى التشفير ما بعد الكمّي بسبب تهديد الحصاد الآن وفك التشفير لاحقًا؟

يتطلب ترحيل PQC مرونة تشفيرية، وجردًا كاملًا للمكونات التشفيرية، وتحديد الأولويات استنادًا إلى مدة صلاحية البيانات. ويجعل تهديد الحصاد الآن وفك التشفير لاحقًا النشر الفوري لـ TLS الهجين (X25519+ML-KEM-768) أمرًا ملحًا لحماية الأسرار طويلة الأمد. ويمكن التحكم في عبء الأداء الإضافي بالنسبة إلى معظم أعباء العمل. وتتيح liboqs الاختبار قبل توفر الدعم في المكتبات الرئيسية. ويتطلب الامتثال لـ FIPS متابعة حالة اعتماد CMVP لتطبيقات PQC.