الأمن العملي

(١) مقدمة

يُستخدم مصطلح «التشفير القوي» على نطاق واسع، لكنه يمكن أن يشير، دون عجب، إلى معانٍ مختلفة حسب كل شخص. عادةً يُفهم المصطلح بمعنى «عملية تشفير غير قابلة للكسر»، على الرغم من أن هذا التعريف في ذاته يعتبر تعريفًا أقل موضوعية مما قد يكون متوقعًا.

لعدة سنوات ساد الاعتقاد بأن نظام دفتر المرة الواحدة هو نظام التشفير الوحيد غير القابل للكسر. أثبت كلود شانون ذلك في بحثين مهمين في عامَيْ ١٩٤٨ و١٩٤٩. يعتبر هذان البحثان الأساس لنظرية الاتصالات الحديثة، بما في ذلك التشفير. في الواقع، لا يمكن التأكيد بما يكفي على أهمية إسهام شانون.

رأينا كيف أن استخدام دفتر المرة الواحدة لا يمكن تطبيقه عمليًّا في معظم الحالات. من هنا، تستخدم معظم الأنظمة العملية خوارزميات يمكن كسرها من الناحية النظرية. لكن هذا لا يعني بالضرورة أن هذه الخوارزميات غير آمنة. على سبيل المثال، إذا كانت جميع عمليات الاعتراض النظرية للخوارزميات صعبة جدًّا لدرجةِ تعذُّر تنفيذها، فربما يجد المستخدمون تبريرًا في النظر إلى خوارزميتهم على أنها غير قابلة للكسر. حتى إن لم يكن الأمر كذلك، ففي بعض التطبيقات تتخطى الموارد اللازمة لحل الخوارزمية قيمة الفائدة المحتملة كثيرًا بالنسبة إلى أي طرف معترض. في مثل هذه الحالة، سيُنظر إلى الخوارزمية باعتبارها «آمنة بما يكفي». هب — على سبيل المثال — أن أحد الأشخاص ينتوي استخدام التشفير لتحقيق السرية لبعض البيانات؛ يجب على هذا الشخص أولًا أن يجري عملية تقييم للبيانات التي تجري حمايتها، وهي عملية ربما لا تكون بسيطة؛ إذ قد لا تكون قيمة البيانات نقدية بل شخصية محضة. من الأمثلة الواضحة على البيانات التي قد يستحيل وضع قيمة كمية لها، السجلاتُ الطبية والتفاصيل الشخصية الأخرى. يجب على هذا الشخص أيضًا إجراء نوع من التقييم حول هوية مَن يريد الاطلاع على بياناته، ولماذا. تتمثل العوامل الأخرى المهمة في التأثير على عملية حماية البيانات في الفترة التي يلزم الحفاظ على سرية البيانات خلالها، فضلًا عن تكلفة الخوارزمية وتوفرها وسهولة استخدامها.

بداهةً، من الأهمية بمكان بالنسبة إلى المنفذين توفُّر معرفة جيدة لديهم بمستوى الأمن الذي توفره الخوارزمية، وهو ما نتناوله في الأجزاء الأخيرة من هذا الفصل. تركِّز المناقشة في الأساس على عمليات البحث الشاملة عن المفتاح في أنظمة الخوارزميات المتناظرة، وعلى عمليات الاعتراض التي تستهدف العمليات الرياضية الأساسية في أنظمة المفتاح المعلن. بطبيعة الحال، مثلما أكدنا سابقًا، فإن زمن عملية البحث الشاملة عن المفتاح المعلن يعطي حدًّا علويًّا لقوة الخوارزمية. توجد طرق أخرى للاعتراض أكثر سهولة. ومع ذلك نعتقد أن تصميم الخوارزميات متطور بما يكفي كي تكون هناك خوارزميات تشفير متعددة جيدة التصميم، بمعنى أن عملية البحث الشاملة عن المفتاح تمثِّل أسهل صور الاعتراض المعروفة. بالإضافة إلى ذلك، يكون تنفيذ هذه الخوارزميات على الأرجح سريعًا جدًّا.

في الماضي، غالبًا ما كانت اعتبارات التنفيذ تجبر المستخدمين على تبنِّي سياسة استخدام أقل مستويات الأمن الممكنة. وسرعان ما سايرت التكنولوجيا المتقدمة سياسات التنفيذ؛ وهو ما أدى إلى نتائج كارثية في كثير من الأحيان.

(٢) الأمن الواقعي

بيَّن شانون أن نظام دفتر المرة الواحدة يعتبر نظام الشفرة الوحيد الآمن تمامًا. وهكذا، نعرف على الأقل من الناحية النظرية أن معظم الأنظمة العملية يمكن كسرها. لكن هذا لا يشير إلى أن معظم الأنظمة العملية غير ذات جدوى. قد يكون أحد أنظمة التشفير (القابلة للكسر نظريًّا) مناسبًا لأحد التطبيقات، إذا كان المستخدمون يشعرون بالثقة في استبعاد وقوع عملية اعتراض ناجحة قبل انقضاء فترة التغطية لهذا التطبيق.

تعتبر عملية البحث الشاملة عن المفتاح إحدى الصور الرئيسية للاعتراض التي ناقشناها سابقًا. والوقت التقديري اللازم لإجراء بحث شامل عن المفتاح، والذي يكون أطول بكثير من زمن التغطية، هو أحد «العقبات» الواضحة الواجب تخطيها في أنظمة التشفير قبل اعتبارها أنظمة مناسبة للاستخدام في تطبيقات محددة. بطبيعة الحال، رأينا كيف أنَّ توفر عدد كبير من المفاتيح لا يضمن توفر نظام آمن؛ وبناءً عليه، يعتبر اجتياز هذا الشرط أول اختبار بين اختبارات عديدة يجب إجراؤها قبل اعتبار أحد أنظمة التشفير نظامًا مقبولًا. ومع ذلك فإن الفشل في اجتياز هذا الاختبار علامة واضحة على عدم إمكانية استخدام الخوارزمية. من هنا، يتمثل «اختبارنا» الأول في أي نظام تشفير في محاولة معرفة أن الوقت اللازم لإجراء عملية بحث شاملة عن المفتاح يكون طويلًا بما يكفي، أو بطريقة أخرى مكافئة، أن عدد المفاتيح كبير بما يكفي.

لتنفيذ ذلك، يحتاج المصمم إلى وضع عدد من الافتراضات حول موارد الطرف المعترض وقدراته. تتمثل المهمة الأولى للمصمم في محاولة وضع تقدير للوقت اللازم الذي يستغرقه الطرف المعترض في تجربة مفتاح واحد. بداهةً، يعتمد هذا الوقت على ما إذا كان الطرف المعترض يستخدم أجهزة أو برامج. ففي حال الاعتراض باستخدام أجهزة، قد يستخدم الطرف المعترض جهازًا مصممًا لغرض معين. وعلى الأرجح سيؤدي سوء تقدير هذا الوقت نقصانًا إلى عدم تحقيق الأمن، فيما سيؤدي سوء تقدير الوقت زيادة إلى جعل عملية توفير الأمن عبئًا أكبر مما ينبغي.

ربما يتوصل أحد الأطراف المعترضة المحظوظة، عند إجرائه عملية بحث شاملة عن المفتاح إلى المفتاح من أول عملية تخمين. تتمثل إحدى نتائج توفر عدد كبير من المفاتيح في جعل احتمال حدوث ذلك ضئيلًا للغاية. على النقيض، ربما لا يكتشف الطرف المعترض غير المحظوظ المفتاح إلا عند المحاولة الأخيرة. عمليًّا، يُستبعد إجراء الطرف المعترض عملية بحث كاملة عن المفتاح قبل العثور عليه. ويقترب الوقت المتوقع لاكتشاف المفتاح من خلال عملية بحث اقترابًا كبيرًا من نصف الوقت اللازم لإجراء عملية بحث شاملة وكاملة.

ربما تجدر الإشارة في هذه المرحلة — على سبيل المثال — إلى أنه في حال توفر بيانات كافية لدى الطرف المعترض، ربما سيشعر بالثقة في أن مفتاحًا واحدًا قد يحوِّل النص الأصلي كاملًا إلى النص المشفر الصحيح. لكنه في العديد من الحالات، قد لا يسفر إجراء عملية بحث شاملة عن تحديد مفتاح واحد صحيح، بل يؤدي إلى تقليص عدد المفاتيح الصحيحة المحتملة، فيما يجب إجراء المزيد من البحث في ظل توفر المزيد من البيانات.

بمجرد تحديد عدد المفاتيح، فإن الوقت اللازم لإجراء عملية بحث شاملة عن المفتاح يعتبر حدًّا أقصى لمستوى الأمن المطلوب. في العديد من الحالات، يتمثل هدف المصمم الرئيسي في محاولة ضمان كون الوقت المتوقَّع لنجاح طرف معترض آخر في التوصل إلى المفتاح الصحيح أطول من هذا الحد الأقصى، وهي ما لا تعد مهمة سهلة. استخدمنا كلمات تشير إلى أن الوقت هو المقياس المناسب لتقييم احتمالية نجاح عملية الاعتراض. ومع ذلك يعتمد الوقت اللازم لإجراء أي عملية حسابية على عدد من المتغيرات؛ منها — على سبيل المثال — القدرة المتاحة لمعالجة البيانات، والقدرة الفنية/الرياضية لدى الأطراف المعترضة. ترتبط القدرة المتاحة لمعالجة البيانات على الموارد المالية المتوفرة لدى الطرف المعترض، وهي الموارد، التي تعتمد بدورها على الفائدة المتوقعة من تنفيذ عملية اعتراض ناجحة. بالإضافة إلى ذلك، في بعض الحالات، تعتبر بعض الأمور الأخرى، مثل توفر ذاكرة كمبيوتر ضخمة لدى الطرف المعترض، أمورًا مهمة. وبأخذ كل ذلك في الاعتبار، تعتبر، مع ذلك، هذه الإجراءاتُ المعقدةُ الطريقةَ المعتادة لتحديد ما إذا كان أحد الأنظمة آمنًا بما يكفي لاستخدامه في أحد التطبيقات.

(٣) العمليات الشاملة العملية للبحث عن المفتاح

على الرغم من عدم رغبتنا في ذكر أي عمليات حسابية معقدة، ربما تجدر الإشارة إلى بعض الحقائق بحيث «نستشعر» عدد المفاتيح المطلوبة في بعض الحالات. بداهةً، ربما يرغب أي شخص يسعى إلى تصميم نظام لتطبيق تجاري في أن يكون هذا النظام آمنًا (على الأقل) لبضع سنوات؛ ومن ثَمَّ يجب أخذ أثر تطور التكنولوجيا في الاعتبار. يجري ذلك من خلال تطبيق قاعدة عملية تسمى «قانون مور» الذي ينص على أن القدرة الحسابية المتاحة في ضوء تكلفة محددة تتضاعف كل ١٨ شهرًا.

معيار تشفير البيانات الثلاثي ثنائي المفاتيح.

لا يزال الباحثون يتوخَّوْن الحيطة فيما يتعلق باحتمالات بناء كمبيوتر كمي. في المقابل، لا يزال البعض متفائلًا ويجب عدم استبعاد إمكانية تحقيق ذلك.

(٤) عمليات اعتراض أنظمة المفاتيح المعلنة

لبيان أثر التطورات الحديثة في العلوم الرياضية على نظام التشفير ذي المفتاح المعلن، نركِّز على نظام آر إس إيه وعملية تحليل العوامل. تنطبق ملاحظات مشابهة على أنظمة مفاتيح معلنة أخرى تعتمد على مسائل رياضية مختلفة.