التشفير المتماثل وغير المتماثل

ينقسم التشفير الحديث إلى عائلتين استنادًا إلى طريقة عمل المفاتيح:

• متماثل: يُستخدم المفتاح نفسه للتشفير وفك التشفير. مثال: AES.
• غير متماثل: زوج من المفاتيح، يُستخدم أحدهما للتشفير ويُستخدم الآخر المختلف لفك التشفير. مثال: RSA.

تجمع الأنظمة الفعلية بين النوعين. ويُعد فهم المفاضلات بينهما أساسيًا لمهاجمة أنظمة التشفير وحمايتها.

في التشفير المتماثل، يتشارك الطرفان مفتاحًا سريًا واحدًا. ويُستخدم المفتاح نفسه لقفل البيانات وفتحها.

• الميزة: سريع جدًا، ومثالي لكميات البيانات الكبيرة.
• العيب: يجب مشاركة المفتاح بأمان أولًا. وهذه هي مشكلة توزيع المفاتيح.

‏AES (معيار التشفير المتقدم) هو خوارزمية التشفير المتماثل السائدة. وهو تشفير كتلي يعمل على كتل بحجم 128 بت، وبأحجام مفاتيح تبلغ 128 أو 192 أو 256 بت.

يتميز AES بالسرعة، وتدعمه العتادات الحديثة لتسريع العمليات، ويُعد آمنًا عند استخدامه بطريقة صحيحة. ويُعد AES-256 الخيار الشائع للحماية العالية.

يحتاج التشفير الكتلي إلى نمط تشغيل لمعالجة بيانات أكبر من كتلة واحدة:

• ECB: غير آمن؛ فالكتل المتطابقة تنتج نصًا مشفرًا متطابقًا، مما يكشف الأنماط. تجنبه.
• CBC: يربط الكتل باستخدام متجه تهيئة (IV). وهو أفضل، لكنه يتطلب عناية.
• GCM: يوفر التشفير والمصادقة معًا (AEAD). وهو النمط الحديث الموصى به.

من أشهر الأمثلة التوضيحية: لا يزال مخطط البطريق ظاهرًا عند تشفير صورة بطريق باستخدام AES في نمط ECB. إذ يشفر ECB كتل النص الصريح المتطابقة إلى كتل نص مشفر متطابقة، فتتسرب البنية.

لهذا ينبغي أن تتعرف على ECB باعتباره ملاحظة أثناء التقييمات الأمنية. فالتشفير قوي، لكن الضعف يكمن في النمط.

يستخدم التشفير غير المتماثل زوجًا من المفاتيح المرتبطة رياضيًا:

• المفتاح العام: يُشارك بحرية، ويمكن لأي شخص استخدامه للتشفير لك.
• المفتاح الخاص: يُحفظ سريًا، ولا يمكنك أنت وحدك فك التشفير به.

يحل هذا مشكلة توزيع المفاتيح؛ إذ يمكنك نشر مفتاحك العام علنًا من دون المساس بالأمان.

‏RSA هي الخوارزمية غير المتماثلة الكلاسيكية. ويعتمد أمانها على صعوبة تحليل حاصل ضرب عددين أوليين كبيرين إلى عواملهما.

تُعد أحجام المفاتيح التي تبلغ 2048 بت شائعة اليوم؛ بينما توفر أحجام 3072 أو 4096 بت هامش أمان أكبر. ويُعد RSA بطيئًا مقارنةً بـAES، لذلك نادرًا ما يُستخدم لتشفير البيانات الكبيرة مباشرةً.

تؤدي المفاتيح غير المتماثلة وظيفتين متميزتين:

• السرية: شفّر باستخدام المفتاح العام للمستلم؛ ولا يمكن فك التشفير إلا باستخدام مفتاحه الخاص.
• الأصالة (التوقيع): وقّع باستخدام مفتاحك الخاص؛ ويمكن لأي شخص التحقق باستخدام مفتاحك العام، لإثبات أن المحتوى صدر منك.

لاحظ أن المفاتيح تُستخدم بأدوار متعاكسة لهذين الغرضين.

تجمع البروتوكولات الفعلية مثل TLS بين النوعين. ويكون التسلسل كما يلي:

• استخدم التشفير غير المتماثل البطيء مرة واحدة لتبادل مفتاح جلسة عشوائي بأمان.
• استخدم AES المتماثل السريع مع مفتاح الجلسة هذا لتشفير البيانات الفعلية.

يمنحك ذلك سرعة التشفير المتماثل وسهولة توزيع المفاتيح التي يوفرها التشفير غير المتماثل.

يتيح Diffie-Hellman لطرفين الاتفاق على سر مشترك عبر قناة غير آمنة، من دون إرسال السر نفسه في أي وقت. وهو أساس تبادل المفاتيح الحديث في TLS.

تحقق متغيرات المنحنيات الإهليلجية (ECDH وECDSA) مستوى الأمان نفسه الذي يوفره RSA باستخدام مفاتيح أصغر بكثير، مما يجعلها أسرع ويزيد اعتمادها كخيار افتراضي.

قد تفشل الخوارزميات القوية بسبب سوء الاستخدام. انتبه إلى الملاحظات التالية:

• تسريب أنماط النص الصريح في نمط ECB.
• إعادة استخدام IV أو nonce أو إمكانية التنبؤ بهما في CBC أو GCM.
• المفاتيح المضمّنة في الشفرة المصدرية أو ملفات الإعداد.
• مفاتيح RSA الصغيرة (512 أو 1024 بت) التي يمكن تحليلها إلى عوامل.
• سلوك أوراكل الحشو الذي يكشف النص الصريح بايتًا تلو الآخر.

نادرًا ما تكون الرياضيات هي المشكلة؛ فعادةً ما يكمن الخلل في التنفيذ.

قارنت بين عائلتي التشفير:

• المتماثل (AES): مفتاح مشترك واحد، وسريع، لكن توزيع المفتاح صعب. استخدم نمط GCM، ولا تستخدم ECB مطلقًا.
• غير المتماثل (RSA وECC): زوج من المفاتيح العامة والخاصة، يحل مشكلة التوزيع، لكنه بطيء.
• شفّر باستخدام المفتاح العام للمستلم؛ ووقّع باستخدام مفتاحك الخاص.
• تجمع الأنظمة الهجينة وDiffie-Hellman أفضل ما في النوعين ضمن TLS.

التالي: التعرّف على قيم التجزئة وكسرها عمليًا.