رحلة تكنولوجيا التشفير

عندما يتعلق الأمر بالتشفير ، نفكر بسهولة في الأفلام التي تعرض أجزاء طويلة من التعليمات البرمجية تومض على الشاشة مع رسائل مربكة. أو المعركة الأخيرة بين شركة Apple ومكتب التحقيقات الفيدرالي حول المعلومات المشفرة التي أجبرت فيها الحكومة الأمريكية شركة Apple على فك تشفير المعلومات الموجودة على هاتف iPhone الخاص بمرتكب حادث إطلاق النار في سان برناردينو بالولايات المتحدة الأمريكية. ببساطة، التشفير هو أسلوب لجعل المحتوى غير قابل للقراءة لأي شخص لا يملك المفتاح . يستخدم الجواسيس التشفير لإرسال معلومات سرية، ويرسل القادة العسكريون محتوى مشفرًا لتنسيق القتال، ويستخدم المجرمون التشفير لتبادل المعلومات والتخطيط للإجراءات الديناميكية.

تظهر أنظمة التشفير أيضًا في كل مجال متعلق بالتكنولوجيا تقريبًا، ولا يقتصر الأمر على إخفاء المعلومات عن المجرمين أو الأعداء أو الجواسيس فحسب، بل أيضًا التحقق من صحة المعلومات الأساسية والمهمة جدًا وتوضيحها بشكل فردي. تتضمن قصة التشفير في هذه المقالة تقنيات تشفير عمرها قرون، لأنها معقدة مثل الخوارزميات التي تنشئها. تحتوي المقالة أيضًا على تعليقات وتقييمات من خبراء التشفير الرائدين اليوم، والتي تغطي العديد من جوانب التشفير: التاريخ والحالة الحالية وكيف يتسرب التشفير إلى الحياة. .

أصل التشفير الحديث

جلس البروفيسور مارتن هيلمان على مكتبه في وقت متأخر من إحدى الليالي في مايو 1976. وبعد مرور 40 عامًا، تحدث على نفس المكتب عما كتبه في تلك الليلة. كتب هيلمان دراسة بعنوان: " اتجاهات جديدة في التشفير "، وقد غيرت هذه الوثيقة البحثية الطريقة التي نحتفظ بها بالأسرار اليوم، كما أثرت على الأقل العديد من التأثيرات على تشفير الإنترنت في الوقت الحالي.

قبل تلك الوثيقة، كان التشفير مبدأً واضحًا للغاية. لديك مفتاح لفك تشفير المحتوى المشفر وغير القابل للقراءة.

ولكي يعمل التشفير بفعالية، يجب أن يكون المفتاح أو كلمة المرور آمنة . واليوم، مع أنظمة التشفير المعقدة، ينطبق الأمر نفسه. أدى تعقيد التكنولوجيا وأهمية التشفير منذ الحرب العالمية الثانية إلى ظهور العديد من أنظمة التشفير، والتي لا يزال الكثير منها قائمًا حتى اليوم.

لدى الحلفاء نظام SIGSALY ، وهو نظام يمكنه خلط الأصوات في الوقت الفعلي. المفتاح لهذا النظام هو أن التسجيلات الصوتية المتطابقة يتم تشغيلها في وقت واحد بينما يظل الحوار قيد التشغيل. عندما يتحدث شخص ما عبر الهاتف، يصبح صوته رقميًا ويختلط مع أصوات فردية. يتم بعد ذلك إرسال هذه الإشارة المشفرة إلى محطة SIGSALY، التي تقوم بفك تشفير الصوت. بعد كل محادثة، يتم تدمير هذه السجلات ويكون لكل محادثة مجموعة مختلفة من المفاتيح. وهذا يجعل من الصعب جدًا على الخصم فك التشفير على الفور.

اعتمد الفاشيون في ذلك الوقت أيضًا على تقنية مماثلة ولكن لتشفير النص : كان لدى آلة إنجما لوحة مفاتيح صلبة وكابلات توصيل ولوحة توصيل تشبه لوحة المفاتيح الكهربائية والهاتف والأقراص ولوحة دائرة الإخراج. يؤدي الضغط على أحد المفاتيح إلى تشغيل الجهاز لآلية تنتج أحرفًا مختلفة تظهر على لوحة الدائرة الواحدة تلو الأخرى. آلة إنجما التي تم تكوينها بشكل مماثل للجهاز الأصلي ستؤدي أيضًا العملية العكسية ولكن بنفس الطريقة تمامًا مثل الآلة الأصلية. ومن هناك، يمكن تشفير الرسائل وفك تشفيرها بسرعة كبيرة أثناء كتابتها، وتتغير كلمة المرور في كل مرة يتم فيها إدخال حرف ما. على سبيل المثال، إذا قمت بالضغط على المفتاح A، فسيعرض الجهاز الحرف E، ولكن إذا قمت بالضغط على المفتاح A مرة أخرى، فسيعرض الجهاز حرفًا آخر. تعني لوحة الدائرة الكهربائية والتكوينات اليدوية أن هناك اختلافات لا حصر لها ممكنة لهذا النظام.

يمكن اعتبار Enigma و SIGSALY نسختين مبكرتين من الخوارزمية (أو الخوارزميات)، حيث تعرضان دالة رياضية تتكرر مرارًا وتكرارًا. أظهر كسر رمز إنجما على يد عالم الرياضيات البريطاني العبقري آلان تورينج للجميع كيف تبدو طرق التشفير.

ولكن في العديد من النواحي الأخرى، كان عمل هيلمان في مجال التشفير مختلفًا. أحدها هو أنه وزميله عالم الرياضيات ويتفيلد ديفي (أيضًا في جامعة ستانفورد)، لم يعملا في أي حكومة. وكان الاختلاف الآخر في ذلك الوقت هو أن الرموز لم تكن جديدة بالنسبة له.

تشفير المفتاح العام

توصل هيلمان وديفي، بمساعدة متعاون آخر، رالف ميركل، إلى تشفير مختلف تمامًا. وبدلاً من الاعتماد على مفتاح واحد لنظام التشفير بأكمله، توصلوا إلى نظام ذو مفتاحين . المفتاح الأول هو المفتاح الخاص، والذي يتم تخزينه بشكل سري بنفس الطريقة التي يتم بها تخزين كلمة المرور التقليدية. يمكن لأي شخص يعبث بالرسالة أن يرى فقط سلسلة من الأحرف التي لا معنى لها. وسيستخدم هيلمان هذا المفتاح السري لفك تشفير الرسالة.

أثبت هذا الحل على الفور أنه ممكن، ولكن فكر في SIGSALY. لكي يعمل هذا النظام، يحتاج كل من المرسل والمستقبل إلى مفاتيح متطابقة. إذا فقد المستلم المفتاح، فلن يكون لديه أي وسيلة لفك تشفير الرسالة. في حالة سرقة المفتاح أو نسخه، يمكن أيضًا فك تشفير الرسالة. إذا كان لدى الشخص السيئ بيانات كافية حول الرسالة وكان لديه الوقت لتحليل الرسالة، فإن احتمال اختراقه يكون مرتفعًا جدًا أيضًا. وإذا كنت تريد إرسال رسالة ولكن ليس لديك المفتاح الصحيح، فلا يمكنك استخدام SIGSALY لإرسال الرسالة.

يختلف نظام المفتاح العام الخاص بـ Hellman، مما يعني أن مفتاح التشفير لا يحتاج إلى أن يظل سريًا . يمكن لأي شخص يستخدم المفتاح العام إرسال الرسالة، ولكن لا يمكن فك تشفيرها إلا من لديه المفتاح الخاص. يؤدي تشفير المفتاح العام أيضًا إلى إزالة أي وسيلة لضمان أمان مفاتيح التشفير. كانت آلة إنجما وأجهزة التشفير الأخرى تحت حراسة مشددة، وكان النازيون على استعداد لتدمير إنجما إذا اكتشفها الحلفاء. باستخدام نظام المفتاح العام، يمكن لأي شخص تبادل المفاتيح العامة مع بعضهم البعض، دون أي مخاطر. يمكن للمستخدمين مشاركة المفاتيح العامة مع بعضهم البعض بشكل عام ودمجها مع المفاتيح الخاصة (أو المفاتيح السرية) لإنشاء مفتاح مؤقت يسمى السر المشترك. يمكن استخدام هذا النوع من المفتاح المختلط لتشفير الرسائل التي تشاركها مجموعة من منشئي الأسرار المشتركة مع بعضهم البعض.

أحد العوامل التي دفعت هيلمان إلى البرمجة هو شغفه بالرياضيات، وخاصة الحساب المعياري. وفقًا لهيلمان، فإن سبب تطبيقه حساب التطابق على التشفير هو أن هذه الطريقة تحول البيانات بسهولة إلى بيانات متقطعة، والتي يصعب تحويلها مرة أخرى، وهذا مهم جدًا للتشفير.

ولذلك، فإن أبسط طريقة لفك التشفير هي "التخمين". يمكن تطبيق هذه الطريقة، والتي تسمى أيضًا التأثير الغاشم، على أي شيء آخر، وليس فقط التشفير. على سبيل المثال، تريد فتح هاتف شخص ما عن طريق الجمع بين 4 مفاتيح أرقام من 0 إلى 9. إذا قمت بالبحث بشكل متسلسل، فقد يستغرق الأمر الكثير من الوقت.

في الواقع، كان ميركل قد طور سابقًا نظام تشفير للمفتاح العام قبل أن ينشر ديفي وهيلمان عملهما " اتجاهات جديدة في التشفير "، ولكن في ذلك الوقت كان نظام ميركل معقدًا للغاية بالنسبة لمصوري التشفير أنفسهم، ولم يتحدثوا بعد عن المستخدمين. وتم حل هذه المشكلة بواسطة هيلمان وديفي.

مشكلة جيدة

يعتبر بروس شناير أحد علماء الرياضيات القلائل المشهورين في عالم التشفير، لكنه شخصية مجهولة بالنسبة للكثير من الناس. شناير واضح جدًا ويفهم قيمة المشكلة الجيدة. ويرى أن نظام التشفير عبارة عن مشكلة مختلطة للعديد من أنواع الرياضيات المختلفة، المنطقية مع بعضها البعض ووفقًا لنظام معقد منفصل. " البرمجة هي نظرية أرقام، إنها نظرية التعقيد. هناك الكثير من البرمجة السيئة لأن الأشخاص الذين أنشأوها لا يفهمون قيمة المشكلة الجيدة. "

ووفقا لشناير، فإن التحدي الأساسي في التشفير هو أمن النظام، والذي يتم إثباته بشكل أفضل من خلال محاولة فك تشفيره. لكن نظام التشفير هذا لا يتم الاعتراف به كنظام جيد حقًا إلا عندما يثبته المجتمع بمرور الوقت، من خلال التحليل ومن خلال سمعته.

وبطبيعة الحال، الرياضيات أكثر جدارة بالثقة من البشر. قال شناير: "ليس للرياضيات وحدة إدارة. لكي يكون لنظام التشفير وحدة إدارة، يجب تضمينه في برنامج، ووضعه في تطبيق، وتشغيله على جهاز كمبيوتر مزود بنظام تشغيل ومستخدمين. والعوامل المذكورة أعلاه هي ثغرات نظام التشفير ."

هذه مشكلة كبيرة لصناعة التشفير. يمكن لشركة معينة أن تقدم نظام تشفير وتعد المستخدمين بأنه " لا تقلق، لا أحد يعرف محتوى رسالتك " لأنها مشفرة. لكن بالنسبة للمستخدم العادي، الذي يعرف ما يمكن أن تفعله تلك الشركة بنظام التشفير ذلك، خاصة عندما يكون نظام التشفير هذا مرخصًا بملكية فكرية خاصة به، ولا يسمح للغرباء بالتحكم فيه، فهو يقوم بالتحقيق والاختبار. لا يستطيع خبراء التشفير إثبات ما إذا كان النظام جيدًا أم لا، ناهيك عن ما إذا كان نظام التشفير مثبتًا عليه باب خلفي أم لا.

التوقيعات الرقمية

أحد التطبيقات الشائعة لحلول تشفير المفتاح العام هو التوقيعات الرقمية للتحقق من صحة البيانات. على غرار التوقيع المكتوب بخط اليد، فإن الغرض من التوقيع الرقمي هو التأكد من صحة محتوى البيانات لمنشئها.

عادةً، عند تأمين رسالة باستخدام مفتاح عام، يجب عليك استخدام المفتاح العام للمستلم لتشفير الرسالة بحيث لا يتمكن أي شخص من قراءة الرسالة بدون المفتاح الخاص للمستلم. لكن التوقيعات الرقمية تعمل بطريقة معاكسة. تقوم بإنشاء عقد واستخدام مفتاحك الخاص لتشفيره. ويمكن لأي شخص لديه مفتاحك العام الاطلاع على هذا العقد ولكن لا يمكنه تعديل أي شيء (لأنه لا يحتوي على مفتاحك الخاص). ويؤكد التوقيع الرقمي كاتب هذا العقد، مثل التوقيع، لتأكيد أن المحتوى لم يتغير.

غالبًا ما تُستخدم التوقيعات الرقمية مع البرامج للتحقق من أن المحتوى مأخوذ من مصدر موثوق به ولم يتم التلاعب به من قبل الجهات الفاعلة السيئة. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك حالة فتح iPhone 5c بواسطة مكتب التحقيقات الفيدرالي (FBI) وشركة Apple. بعد أن حاول مكتب التحقيقات الفيدرالي 10 محاولات فاشلة لإجبار رقم التعريف الشخصي على تسجيل الدخول، قام الجهاز تلقائيًا بمسح محتوياته. قامت شركة Apple بتخصيص مفتاح سري خاص لنظام تشغيل الجهاز ولكل جهاز iPhone مفتاح عام مختلف عن Apple. يتم استخدام المفتاح السري لمصادقة تحديثات البرامج.

Blockchain ينمو

لا يقتصر التشفير على إخفاء المحتوى فحسب، بل يهدف أيضًا إلى التحقق مما إذا كان المحتوى أصليًا أم لا . ولذلك ظهرت تقنية blockchain، وهي تقنية تعتبر ذات شعبية كبيرة مثل التشفير.

Blockchain عبارة عن دفتر أستاذ ثابت وموزع، مصمم ليكون محصنًا تمامًا ضد أي تأثير رقمي، سواء كنت تستخدمه للعملة الرقمية أو للعقود. نظرًا لأنها لا مركزية من خلال العديد من المستخدمين، فلا داعي لهجوم الأشرار. قوتها تكمن في الأرقام.

لا يوجد اثنان من blockchains متماثلان. التطبيق الأكثر شهرة لهذه التكنولوجيا هو العملات الرقمية، مثل البيتكوين (هذه هي العملة التي يستخدمها مجرمون الإنترنت ومنشئو برامج الفدية أكثر من غيرها اليوم). لكن شركة IBM والعديد من الشركات الكبرى الأخرى تعمل أيضًا على تعميم العملات الرقمية في عالم الأعمال.

لا يوجد حتى الآن العديد من الشركات التي تستخدم تقنية blockchain، ولكن ميزاتها جذابة للغاية. على عكس أنظمة تخزين المعلومات الأخرى، تستخدم أنظمة blockchain مجموعة مختلطة من حلول التشفير وتصميمات قواعد البيانات الموزعة.

تسمح تقنية blockchain الخاصة بشركة IBM لأعضاء blockchain بالمصادقة على معاملات الأشخاص الآخرين دون معرفة من يقوم بالمعاملة على blockchain، ويمكن للمستخدمين تعيين قيود الوصول ومن يمكنه إجراء المعاملات. تتمثل فكرة تصميم blockchain في أن هوية الشخص الذي يقوم بالمعاملة مشفرة، ولكنها مشفرة بمفتاح عام . في المنتصف، يوجد شخص يقوم بتدقيق المعاملات ولديه مفتاح عام لتتبع المعاملات ومعالجة المشكلات بين أعضاء التداول على blockchain. يمكن مشاركة مفتاح التدقيق الخاص بالوسيط بين أطراف التدقيق.

لذلك، باستخدام هذا النظام، يمكن للمتنافسين التداول مع بعضهم البعض، على نفس blockchain. قد لا يبدو هذا أمرًا بديهيًا للغاية في البداية، لكن تقنية blockchain تصبح أقوى وأكثر أمانًا عندما يكون هناك عدد أكبر من الأشخاص الذين يتعاملون. كلما زاد عدد الأشخاص، أصبح من الصعب كسر blockchain. تخيل لو شاركت جميع البنوك في بلد ما في تقنية blockchain، ستكون المعاملات أكثر أمانًا.

تشفير التطبيق

يعد تشفير المحتوى لإرسال رسالة آمنة إحدى التقنيات الأساسية. لكن التشفير اليوم لا يقتصر على ذلك فحسب، بل يمكن تطبيقه أيضًا على العديد من الوظائف الأخرى، وأبرزها التسوق عبر الإنترنت.

لأن كل مرحلة في المعاملة المالية تنطوي على نوع من التشفير، أو شكل من أشكال المصادقة للتأكد مما إذا كانت الرسالة من الشخص المناسب أم لا. وأصبحت أهمية تشفير المعلومات الحساسة لضمان عدم تدخل أي طرف ثالث أكثر وضوحًا. تدعم العديد من المؤسسات مستخدمي الإنترنت الذين يستخدمون شبكة افتراضية خاصة (VPN) لتشفير اتصالهم بالإنترنت، خاصة عندما يتعين عليهم استخدام شبكة Wi-Fi عامة. يمكن للأشرار إنشاء شبكة Wi-Fi غير آمنة لسرقة المعلومات الموجودة على شبكة Wi-Fi تلك.

بالإضافة إلى ذلك، لا يقوم تشفير التطبيق بتشفير المعلومات الحساسة والبيانات الشخصية فحسب، بل يتيح للمستخدمين أيضًا إثبات هويتهم "أنا" حقًا. على سبيل المثال، إذا ذهبت إلى موقع ويب خاص بالبنك، فسيكون لدى البنك مفتاح تشفير لا يمكن التعرف عليه إلا من قبل أجهزة الكمبيوتر الموجودة في هذا البنك. إنه مفتاح خاص مقابل مفتاح عام. في شريط عنوان موقع URL الخاص بموقع الويب، يوجد رمز قفل صغير في بداية عنوان URL، مما يعني أنه عند الوصول إلى موقع البنك، يوجد تبادل مفاتيح تحت الأرض للاتصال من جهاز الكمبيوتر الخاص بك بأجهزة كمبيوتر أخرى. مستمر.

تُستخدم التوقيعات المشفرة أيضًا على نطاق واسع في المعاملات المالية. تستخدم بطاقات الائتمان/الخصم تقنية الرقائق المدمجة (وليس البطاقات المغناطيسية)، كما أنها تطبق حلول التوقيع المشفرة.

وفقًا للخبراء، فإن التشفير هو تقنية يستخدمها مستخدمونا كثيرًا حاليًا ولكنهم لا يفهمون عنها سوى القليل، بدءًا من الأجهزة التقنية وحتى المعاملات المصرفية والنقل...

التشفير الكمي يمكن أن يغير كل شيء

في عام 1970، قال مارتن هيلمان إنه كان عام الاختراق في التحليل الحسابي (التخصيم)، المعروف أيضًا باسم التحليل المستمر. إن صعوبة تحليل الأعداد الكبيرة هي ما يجعل أنظمة التشفير أقوى وأصعب في الاختراق. لذا فإن أي تقنية تقلل من تعقيد عملية التخصيم تقلل أيضًا من أمان نظام التشفير. ثم، في عام 1980، حدث إنجاز رياضي آخر جعل التخصيم أسهل، وذلك بفضل المنخل التربيعي لبوميرانس وعمل ريتشارد شروبيل. وبطبيعة الحال، في ذلك الوقت لم يكن هناك تشفير للكمبيوتر. تضاعف حجم مفتاح التشفير في عام 1970، وبحلول عام 1980 تضاعف مرة أخرى. وبحلول عام 1990، تضاعف القفل مرة أخرى. كل 10 سنوات من عام 1970 إلى عام 1990، أصبح حجم مفتاح التشفير أكبر. ولكن بحلول عام 2000، لم يكن هناك أي تقدم رياضي في مفاتيح التشفير، واقترح هيلمان أن علماء الرياضيات قد وصلوا إلى الحد الأقصى لنماذج مفاتيح التشفير.

لكن الحوسبة الكمومية تفتح آفاقًا جديدة، لأنه مع نظام تحليل التشفير الكمي، يمكنها في الواقع كسر جميع آليات التشفير الحالية. تعتمد الحوسبة اليوم على النظام الثنائي 0-1 للعمل. أما النظام الكمي، فهو على العكس من ذلك، يعتمد على خصائص كمية محددة للغاية للعمل، وليس فقط حالة إما 0 أو 1 مثل الثنائية، مما يسمح لهذا النظام بإجراء العديد من الحسابات في وقت واحد.

مع نظام تشفير مثل اليوم، قد يستغرق الأمر ملايين وملايين السنين حتى يتمكن جهاز كمبيوتر عادي من فك التشفير. ولكن مع الكمبيوتر الكمي، بنفس خوارزمية فك التشفير، يمكن للنظام أن يستغرق من بضع دقائق إلى بضع ثوانٍ فقط لحلها. نستخدم على الإنترنت عددًا قليلاً من الخوارزميات لتشفير الأشياء. لذلك، مع وجود نظام كمي مثالي، تبدو أنظمة التشفير الحالية مجرد درع رقيق.

إذا كنت تتساءل لماذا تنفق العديد من الدول الكبيرة مثل الولايات المتحدة والصين الكثير من الأموال للاستثمار في الحوسبة الكمومية، فقد يكون ما ورد أعلاه جزءًا من الإجابة. النتائج التي تجلبها الحوسبة الكمومية بعيدة عن متناول أنظمة الحوسبة الحالية.

ولكن مع انتشار الحوسبة الكمومية، يظهر فرع جديد من الرياضيات، يستخدم المزيد من الأساليب الإحصائية، لضمان عدم فقدان التشفير عندما يأتي الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر.

لقد كان الكم هو الذي تسبب في إصابة أينشتاين بنوبة قلبية، لكن هذا مجرد واحد من عدة تهديدات للتشفير الحديث. المشكلة الحقيقية اليوم هي أن العديد من الحكومات والمنظمات الكبيرة تحاول إيجاد طرق لإضعاف التشفير لأسباب تتعلق بالأمن القومي. في الواقع، كان هذا الصراع موجودًا منذ عقود، مثل حروب العملات المشفرة في التسعينيات، مثل شريحة CLIPPR في نظام وكالة الأمن القومي التي تم تصميمها كباب خلفي للتشفير في نظام الاتصالات المحمولة الأمريكي. وبالطبع، في السنوات القليلة الماضية، قمنا بتحويل تركيزنا من إزالة أنظمة التشفير إلى تقديم أبواب خلفية أو " مفاتيح رئيسية " لاختراق الرسائل الآمنة لتطبيقات وأنظمة المراسلة الشائعة.