مسابقة NIST للتشفير ما بعد الكمي: العملية والمعايير

أطلق NIST مشروع توحيد معايير التشفير ما بعد الكم (PQC) في عام 2016 استجابةً مباشرةً للتهديد الذي تشكله الحواسيب الكمومية. إذ تستطيع خوارزمية Shor كسر RSA وتشفير المنحنيات الإهليلجية في زمن كثير الحدود على حاسوب كمومي كبير بما يكفي. وأدرك NIST أن نقل البنية التحتية للتشفير يستغرق عقوداً، فبدأ العملية قبل وقت طويل من تحوّل الحواسيب الكمومية إلى تهديد وشيك.

أصدر NIST دعوة لتقديم المقترحات في ديسمبر 2016، وتلقى 82 مقترحاً مكتملًا بحلول نوفمبر 2017. وبعد المراجعة الأولية، قُبل 69 منها كمرشحين للجولة الأولى. وشملت المقترحات مجموعة واسعة من الافتراضات الرياضية: مسائل الشبكات، ودوال التجزئة، والتشفير القائم على الشفرات، والتشفير القائم على الإيزوجينيات، ومتعددات الحدود متعددة المتغيرات. وكان تنوع الافتراضات هدفاً رئيسياً لتجنب وضع كل البيض في سلة واحدة.

خلال الجولة الأولى، أجرى NIST ومجتمع التشفير الأوسع تحليلاً مكثفاً لجميع المرشحين البالغ عددهم 69. وشملت المعايير الأمان، أي مقاومة الهجمات الكلاسيكية والكمومية، والأداء، أي أحجام المفاتيح والنصوص المشفرة وسرعة الحساب، والمرونة، أي مجموعات المعلمات لمستويات الأمان المختلفة، وبساطة التنفيذ. وبحلول يناير 2019، تأهل 26 مرشحاً للجولة الثانية.

خضع المرشحون الستة والعشرون في الجولة الثانية لتحليل تشفيري أعمق واختبارات معيارية للأداء. وقد كُسر أمان عدة أنظمة أو أُضعفت خلال هذه الجولة، بما في ذلك Rainbow (متعدد المتغيرات) وSIKE (القائم على الإيزوجينيات، رغم أن SIKE لم يُكسر إلا في الجولة الثالثة). وبحلول يوليو 2020، تأهل 15 مرشحاً للجولة الثالثة، موزعين على 7 متأهلين للنهائي و8 بدلاء.

كان المتأهلون السبعة للنهائي في الجولة الثالثة هم Kyber وNTRU وSABER (آليات KEM)، وDilithium وFALCON وRainbow وSPHINCS+ (أنظمة توقيع). وكان SIKE مرشحاً بديلاً، لكنه كُسر بصورة مدوية في عام 2022. اختار NIST Kyber لوضع معيار KEM استناداً إلى تصميمه الواضح وبراهين أمانه القوية وأدائه الممتاز. كما اختيرت Dilithium وFALCON وSPHINCS+ للتوقيعات.

اختار NIST عمداً خوارزميات تستند إلى مسائل رياضية مختلفة للتحوط من الاختراقات المستقبلية. يعتمد ML-KEM وML-DSA على Module-LWE (الشبكات). ويعتمد FALCON على شبكات NTRU وأخذ عينات غاوسية. أما SLH-DSA فيعتمد فقط على أمان دوال التجزئة. وإذا حدث اختراق مهم في مسائل الشبكات، فسيظل SLH-DSA آمناً، مما يوفر تنوعاً خوارزمياً في المجموعة المعيارية.

في عام 2022، فتح NIST جولة رابعة مخصصة لاستقبال مرشحين إضافيين للتوقيع، مدفوعاً بالرغبة في تحقيق تنوع أكبر في أنظمة التوقيع يتجاوز الأنظمة القائمة على الشبكات. وشمل المرشحون MAYO وCROSS وUOV وغير ذلك من الأنظمة القائمة على افتراضات متعددة المتغيرات وافتراضات قائمة على الشفرات. وجرت هذه العملية بالتوازي مع إتمام وضع المعايير الثلاثة الأولية (FIPS 203 و204 و205).

نشر NIST معايير PQC النهائية في أغسطس 2024: FIPS 203 (ML-KEM، المستند إلى Kyber)، وFIPS 204 (ML-DSA، المستند إلى Dilithium)، وFIPS 205 (SLH-DSA، المستند إلى SPHINCS+). ومن المتوقع أن يتبعها FIPS 206 (FN-DSA، المستند إلى FALCON). وأصبحت هذه المعايير الآن موضع اعتبار إلزامي للوكالات الفدرالية الأمريكية، كما تؤثر في المعايير العالمية عبر ISO وETSI وIETF.

أدرج IETF التشفير ما بعد الكم بسرعة في البروتوكولات. وبحلول عام 2024، كانت مسودات RFC لإدراج ML-KEM في TLS 1.3 وSSH وشهادات X.509 قيد الإعداد. وأعلنت Cloudflare وGoogle وAmazon خططاً لنشر ML-KEM في حزم TLS الخاصة بها. كما أعلنت Apple عن PQ3 لـ iMessage، الذي يستخدم ML-KEM لتوفير سرية أمامية لما بعد الكم قائمة على آلية ratchet، وقد نُشر على أكثر من مليار جهاز.

أثبتت مسابقة NIST الخاصة بالتشفير ما بعد الكم أن وضع المعايير التشفيرية المفتوح والتعاوني يعمل بفعالية. فقد كُسر خلال العملية عدد من الأنظمة التي تحظى بتقدير كبير، مثل GeMSS وSIKE وRainbow، مما أكد أهمية التحليل التشفيري العلني الواسع. كما حفزت المسابقة تطوير تنفيذات عتادية فعالة ومكتبات مفتوحة المصدر، مثل liboqs وPQClean، مما سرّع اعتماد هذه التقنيات.

لم يكتمل وضع معايير ما بعد الكم بعد. ويواصل NIST تقييم مخططات توقيع إضافية لتحقيق التنوع. كما تعمل هيئة المعايير المالية X9 على تطوير معايير للتشفير ما بعد الكم في القطاع المصرفي. وتعمل ETSI وISO على مواءمة معاييرهما مع NIST FIPS. ويجري تطوير إرشادات للترحيل خاصة بقطاعات معينة: الرعاية الصحية (تبعات HIPAA)، والدفاع (مجموعة NSA CNSA 2.0)، والاتصالات (3GPP لشبكات 5G/6G).

كم عدد المرشحين الذين انتقلوا من الطلبات الأولية إلى الجولة الثانية من مسابقة NIST PQC؟

أطلق NIST مشروع توحيد معايير PQC في عام 2016، وتلقى 69 طلبًا مكتملًا. أدت ثلاث جولات من التقييم إلى تقليص عدد المرشحين استنادًا إلى الأمان والأداء والتنوع. وكانت الاختيارات النهائية هي Kyber (ML-KEM، FIPS 203) وDilithium (ML-DSA، FIPS 204) وSPHINCS+ (SLH-DSA، FIPS 205) وFALCON (FN-DSA، FIPS 206). أثبتت المسابقة أهمية التحليل التشفيري المفتوح، وأسفرت عن معايير معتمدة على نطاق واسع يجري دمجها الآن في بروتوكولات TLS وSSH والمراسلة.