التشفير في الأمن السيبراني (١)

يقوم علم التشفير على تحويل النص غير المشفر إلى نص مشفر باستخدام مفتاح سري عبر عملية تسمى التشفير، ثم استرجاعه بفك التشفير. يعتمد على مفاهيم أساسية تشمل سرية البيانات، والمصادقة، والسلامة، وعدم الإنكار. ينقسم إلى ثلاثة أنواع رئيسية: تشفير المفتاح المتماثل مثل خوارزمية AES، وتشفير المفتاح غير المتماثل مثل خوارزمية RSA، ودوال الاختزال مثل SHA3. يحمي التشفير البيانات عبر تطبيقات متعددة مثل المراسلة الآمنة وتصفح الويب الآمن، ويواجه هجمات مثل القوة المفرطة وتحليل الشفرات. كمثال بسيط، خوارزمية قيصر تقوم بإزاحة حروف الكلمة بمقدار محدد مثل تحويل كلمة HELLO بمفتاح 3 إلى KHOOR، وفك التشفير يتم بإزاحتها بالعكس للاسترجاع.

الفكرة الأساسية

علم التشفير هو العلم الذي يختص بالكتابة السرية بهدف إخفاء المعنى الحقيقي للرسالة والحفاظ على المعلومات آمنة وسرية باستخدام الترميز والخوارزميات والشفرات. يعتمد في جوهره على مفهومين أساسيين وهما التشفير الذي يحول النص غير المشفر إلى نص مشفر باستخدام مفتاح سري، وفك التشفير الذي يعمل عكس ذلك لتحويل النص المشفر مرة أخرى إلى نص غير مشفر.

الشرح

للتشفير أربعة أهداف أساسية تحمي البيانات والاتصالات: أولا سرية البيانات لحمايتها من وصول غير المصرين، ثانيا المصادقة للتحقق من صحة الرسائل وهوية المرسل، ثالثا السلامة باستخدام تقنيات متقدمة للتحقق واكتشاف أي تغيير، رابعا عدم الإنكار لضمان عدم تمكن الأطراف من إنكار معاملاتهم.

ينقسم التشفير إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

1. تشفير المفتاح المتماثل: يستخدم مفتاحاً سرياً واحداً لعمليتي التشفير وفك التشفير، ومن أمثلته خوارزمية معيار التشفير المتقدم AES. يتميز بالسرعة والكفاءة، ولكنه يواجه تحديات في توزيع المفاتيح وإدارتها.
2. تشفير المفتاح غير المتماثل: يستخدم مفتاحين مرتبطين حسابياً وهما المفتاح العام والمفتاح الخاص. يوزع المفتاح العام علانية بينما يبقى المفتاح الخاص سریاً. من أمثلته خوارزمية آر إس إي RSA وخوارزمية ديفي هيلمان، ويتميز بتسهيل مشاركة المفتاح وتمكين التوقيعات الرقمية، لكنه أبطأ وأكثر صعوبة من الناحية الحسابية.
3. دوال الاختزال: تقوم بتحويل مدخلات ذات طول عشوائي إلى مخرجات بطول ثابت، وتكون أحادية الاتجاه يستحيل استجها هندسياً عكسياً، ومن أمثلتها خوارزمية ملخص الرسائل 5 ومجموعة الاختزال الآمن 3.

تتعرض الأنظمة لهجمات متنوعة مثل هجمات القوة المفرطة التي تعتمد على المحاولة والخطأ لتجربة كافة التراكيب لاكتشاف المفتاح الصحيح، وتحليل الشفرات لمعالجة تشفير البيانات للوصول إلى نقاط الضعف واستخراج البيانات أو تغييرها.

مثال محلول خطوة بخطوة

لتطبيق خوارزمية قيصر لتشفير كلمة HELLO باستخدام مفتاح قيمته 3:

1. حدد الحروف الأصلية للكلمة وهي H وE وL وL وO.
2. طبق عملية الإزاحة لكل حرف بمقدار 3 مواضع إلى اليمين في جدول الحروف الهجائية الإنجليزية.
3. حرف H بالإزاحة بـ 3 يصبح K.
4. حرف E بالإزاحة بـ 3 يصبح H.
5. حرف L بالإزاحة بـ 3 يصبح O.
6. حرف L بالإزاحة بـ 3 يصبح O.
7. حرف O بالإزاحة بـ 3 يصبح R.
8. الناتج النهائي للنص المشفر هو KHOOR.
9. لفك التشفير، يتم إزاحة كل حرف من النص المشفر بمقدار 3 مواضع إلى اليسار لاسترجاع النص الأصلي HELLO.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن استخدام مفتاح قصير في خوارزميات التشفير يوفر حماية كافية، والصواب أن المفاتيح الأطول توفر حماية أقوى ضد الهجمات.
• الخلط بين تشفير المفتاح المتماثل وغير المتماثل من حيث عدد المفاتيح المستخدمة في عمليتي التشفير وفك التشفير.
• محاولة عكس دالة الاختزال هندسياً لاستخراج المدخل الأصل، وهذا مستحيل لأن الدوال أحادية الاتجاه.
• إهمال التحقق من صحة المفتاح العام في التشفير غير المتماثل مما يؤدي إلى ثغرات أمنية.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما الفرق الأساسي بين تشفير المفتاح المتماثل وتشفير المفتاح غير المتماثل من حيث المفاتيح المستخدمة؟ الإجابة: تشفير المفتاح المتماثل يستخدم مفتاحاً سرياً واحداً مشتركاً لعمليتي التشفير وفك التشفير، بينما يستخدم تشفير المفتاح غير المتماثل مفتاحين مرتبطين حسابياً هما المفتاح العام للتشفير والمفتاح الخاص لفك التشفير.

السؤال الثاني: لماذا تعتبر دوال الاختزال أحادية الاتجاه؟ الإجابة: لأنها تقوم بتحويل مدخلات ذات طول عشوائي إلى مخرجات بطول ثابت بطريقة يستحيل معها استجها الهندسة العكسية للوصول إلى النص الأصلي من خلال المخرجات.