ما هو علم التشفير (Cryptography)؟

ليست كل المعلومات مُعدّة للمشاركة. في الواقع، تتطلب العديد من أنواع التفاعلات الخصوصية لإتمامها. على سبيل المثال، هل ترغب في أن يعترض طرف ثالث رسائلك الإلكترونية؟ أو أن يرى شخص غريب بياناتك المصرفية عند قيامك بعملية شراء عبر الإنترنت؟ إذا كانت الإجابة لا، فتابع القراءة.

نحن اليوم، أكثر من أي وقت مضى، بحاجة إلى تقنيات تشفير قوية لحماية بياناتنا، بما في ذلك معلومات بطاقات الائتمان والحسابات المصرفية، وهويتنا، وتفاعلاتنا الخاصة.

ووفقًا لشركة IBM، بلغت تكلفة اختراقات البيانات 4.44 مليون دولار أمريكي في 2025، وهو انخفاض بنسبة نحو 9% مقارنة بعام 2024. يعود هذا الانخفاض بشكل رئيسي إلى اكتشاف واحتواء الاختراقات بشكل أسرع.

في هذه المقالة، سنبسط مفهوم التشفير للمبتدئين، بدءًا من تعريفه وصولًا إلى تطبيقاته العملية، مع مناقشة أنواعه المختلفة، ومخاطره، وكيفية التخفيف من مخاطر التشفير.

تعريف التشفير

التشفير مصطلحٌ متطور يُستخدم لحفظ الأسرار بأمان. وهو يتعلق باستخدام أساليب خاصة لحماية المعلومات من الأشخاص غير المصرح لهم بالاطلاع عليها.

يقوم التشفير بتحويل الرسائل إلى صيغة غير قابلة للقراءة، تُعرف بالنص المشفر، مما يضمن سلامتها وسريتها ومصداقيتها.

تُستخدم الخوارزميات والمفاتيح لتشفير البيانات وفك تشفيرها، وقد اعتمد المعهد الوطني للمعايير والمقاييس الخوارزميات الأكثر موثوقية كمعيار صناعي. يُؤمّن علم التشفير الاتصالات، ويحمي المعلومات الحساسة أثناء نقلها وتخزينها، ويدعم المعاملات الآمنة في جميع القطاعات. لهذا السبب، تخضع جميع أنشطتك تقريبًا على الإنترنت لنوع من أنواع التشفير، إما قبل الإرسال أو أثناءه.

أصول علم التشفير

في حين أن علم التشفير الحديث متجذر بقوة في مبادئ علوم الحاسوب والرياضيات والهندسة، فإن ممارسة تشفير المعلومات قديمة.

1. استخدم الإغريق القدماء أدوات السكيتال (scytale devices)

منذ عام 600 قبل الميلاد، استخدم القادة اليونانيون أجهزة السكيتال (أدوات التشفير المبكرة) لإرسال رسائل خاصة أثناء المعركة.

2. استخدمت الإمبراطورية الرومانية الشفرات

في حوالي عام 50 قبل الميلاد، ابتكر يوليوس قيصر نظام تشفير خاصًا به، حيث كان كل حرف من حروف الأبجدية يتقدم ثلاثة خانات. بمعنى آخر، يصبح الحرف A هو D، والحرف B هو E، وهكذا. وقد أثبتت هذه الطريقة فعاليتها في التشفير في ذلك الوقت.

3. شهدت العصور الوسطى تطوير مفاتيح التشفير

بحلول القرن السادس عشر، وضع الأكاديمي الإيطالي جيوفان باتيستا بيلاسو مفهوم “مفتاح التشفير” الأول. وتتلخص الفكرة في أن “مفتاحًا” محددًا مسبقًا يتشاركه الطرفان المتواصلان سيمكن كليهما من الوصول الحصري إلى الرسالة الأساسية.

4. شهدت الحرب العالمية الثانية أول اتصال إلكتروني آمن

خلال الحرب العالمية الثانية، شاركت الممثلة هيدي لامار في تطوير نوع من الاتصالات اللاسلكية التي تفادت اكتشاف العدو، وهي تقنية أصبحت بمثابة النواة الأولى لتقنية الواي فاي والبلوتوث.

5. شهدت سبعينيات القرن العشرين انتشارًا واسعًا لعلم التشفير

بحلول سبعينيات القرن العشرين، كان القطاع الرقمي يشهد ازدهارًا كبيرًا، وبدأت الصناعات الكبرى تولي علم التشفير اهتمامًا جادًا.

شكلت شركة IBM فريقًا متخصصًا في التشفير، كُلِّف بتطوير خوارزمية تشفير كتلية لحماية بيانات عملاء IBM. وقد اعتُمد الحل، وهو معيار تشفير البيانات (DES)، كمعيار وطني لأمن البيانات.

في غضون ذلك، طوّر الباحثان ويتفيلد ديفي ومارتن هيلمان طريقة آمنة لتبادل مفاتيح التشفير. وهذا من شأنه أن يسمح بمشاركة مفتاح فك تشفير الرسائل المشفرة بأمان بين الأطراف، دون أن يتم اعتراضها.

6. معايير التشفير الحالية

يُعدّ معيار التشفير المتقدم (AES) المعيار السائد اليوم في مجال التشفير. ويعتمد هذا المعيار على امتلاك كل طرف مفتاحًا عامًا ومفتاحًا خاصًا مرتبطين ببعضهما. وهذا يُمكّن من فك تشفير البيانات دون أن يُشارك أيٌّ من الطرفين مفتاح التشفير الخاص به، مما يمنع هجمات الوسيط. ويُعتبر هذا المعيار حتى الآن المعيار الذهبي للتشفير.

لماذا نستخدم علم التشفير؟

مع التقدم التكنولوجي، أصبح من الأسهل ابتكار أدوات ملائمة. فعلى سبيل المثال، أصبح تواصلنا يتم في الغالب عن بُعد بفضل البنية التحتية التي تُسهّل التواصل.

يعتمد نظامنا بأكمله على التواصل عبر الإنترنت، بدءًا من طلب الطعام وصولًا إلى العمل وإجراء المدفوعات. ونتيجةً لذلك، يُعدّ تطبيق التشفير أمرًا بالغ الأهمية لحماية اتصالاتنا ومعاملاتنا وتفاعلاتنا الأخرى عبر الإنترنت من الجهات الخبيثة.

1️⃣ الخصوصية والسرية

يحمي الأفراد والشركات خصوصيتهم ويحافظون على سرية المحادثات والبيانات باستخدام تقنيات التشفير. يقوم التشفير بتشفير الرسائل باستخدام خوارزمية ومفتاح لا يعرفه إلا المرسل والمستقبل، مما يجعل من المستحيل تقريبًا على أي شخص خارجي قراءة المعلومات.

تُؤمّن تقنية التشفير أيضًا تصفح الإنترنت من خلال الشبكات الخاصة الافتراضية (VPN). تستخدم هذه الشبكات أنفاقًا مشفرة، وعمليات حسابية معقدة، ومفاتيح سرية مشتركة للحفاظ على خصوصية النشاط عبر الإنترنت وحمايته من المتسللين أو الهاكرز.

2️⃣ المصادقة

يؤكد علم التشفير الهويات، ويتحقق من هوية مرسل ومستقبل المعلومات. كما يساعد في التحقق من هوية المستخدم وتوثيق صلاحيات الوصول الخاصة به عند الضرورة، مثل تسجيل الدخول إلى حساب مصرفي عبر الإنترنت أو الوصول إلى شبكة آمنة.

– السلامة

السلامة هي اليقين بأن المعلومات ظلت دون تغيير أثناء نقلها بين المرسل والمستلم المقصود، أو أثناء تخزينها.

تحافظ تقنيات التشفير على سلامة المعلومات باستخدام خوارزميات التجزئة وملخصات الرسائل لحماية خصوصية البيانات. على سبيل المثال، يمكن للتوقيعات الرقمية كشف التزوير أو التلاعب في توزيع البرامج والمعاملات المالية. وتتيح أساليب التشفير للمستلمين التحقق من سلامة البيانات من خلال توفير بصمة رقمية فريدة لها.

– عدم الإنكار

مبدأ عدم الإنكار هو أحد مبادئ أمن المعلومات والتشفير، ويضمن مصدر البيانات وسلامتها. فهو يمنع المرسل أو المستلم من إنكار الإجراءات أو المعاملات التي قاموا بها. ويستخدم مبدأ عدم الإنكار التوقيعات الرقمية، وهي بنى رياضية تتحقق من صحة الرسالة أو المستند، لتحقيق وظيفته.

3️⃣ تبادل المفاتيح

تتضمن عملية تبادل المفاتيح تبادل مفاتيح تشفير بين طرفين لتمكين اتصال آمن. في هذه العملية، يُنشئ كل طرف زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة، ثم يُوزّع المفتاح العام.

بعد الحصول على نسخة أصلية من المفاتيح العامة للطرف الآخر، يُمكن للطرفين حساب سر مشترك دون اتصال بالإنترنت. يُؤمّن هذا السر المشترك الاتصالات اللاحقة باستخدام تشفير المفتاح المتناظر. يضمن تبادل المفاتيح إمكانية اتصال كلا الطرفين بشكل آمن.

التشفير في أمن الشبكات

أصبح علم التشفير، وهو فن وعلم تأمين الاتصالات، عنصراً لا غنى عنه في المعاملات اليومية. وتتنوع تطبيقاته لتشمل مختلف القطاعات، مما يضمن سرية البيانات وسلامتها ومصداقيتها. دعونا نستكشف القطاعات التي تستفيد من علم التشفير:

1/ الخدمات المصرفية

تعتمد جميع المعاملات الإلكترونية، بدءًا من التحقق من الرصيد وصولًا إلى تحويل الأموال، على التشفير لحماية أرقام الحسابات وكلمات المرور وتفاصيل المعاملات.

وتُستخدم التوقيعات الرقمية لتوثيق هذه المعاملات، ما يمنع المحتالين من الوصول إليها. كما تحافظ دوال التشفير على سلامة السجلات المالية، وتضمن عدم التلاعب بها.

2/ التجارة الإلكترونية

عند إدخال رقم بطاقتك الائتمانية على موقع للتجارة الإلكترونية، تقوم تقنية التشفير بتحويل معلوماتك الحساسة إلى رمز غير قابل للفك. ثم تنتقل البيانات عبر الإنترنت من خلال نفق آمن محمي ببروتوكولات مثل SSL أو TLS.

تُعدّ التوقيعات الرقمية بمثابة بوابات إلكترونية لضمان تسوقك في المكان الصحيح. فهي تتحقق من هوية الموقع الإلكتروني، وتمنع الهاكرز من سرقة معلوماتك.

إلى جانب هذه الحمايات الأساسية، تستخدم منصات التجارة الإلكترونية تقنيات وخوارزميات متقدمة لفحص الأنماط وسلوكيات المستخدمين، مما يضمن بيئة تسوق آمنة.

3/ رسائل البريد الإلكتروني (الايميلات)

توفر امتدادات البريد الإلكتروني الآمنة/ متعددة الأغراض (S/MIME)، طريقةً لتوقيع رسائل الايميل وتشفيرها رقميًا، مما يضمن سلامة الرسائل وسريتها.

يُخفي تشفير البريد الإلكتروني محتوى الرسائل، مما يجعلها غير قابلة للقراءة أثناء انتقالها من صندوق بريد إلى آخر. حتى لو تمكن مخترق من اعتراض الرسائل، فلن يتمكن من فهم محتواها. ويتم تحقيق تشفير البريد الإلكتروني عادةً عبر خوارزمية تُسمى الخصوصية الجيدة جدًا (PGP).

4/ العملات المشفرة

تعتمد تقنية البلوكشين، وهي البنية التحتية الأساسية للعملات المشفرة، على تقنيات التشفير:

• تتيح تقنية التشفير باستخدام المفتاح العام والخاص إجراء معاملات بيانات آمنة والتحقق من الملكية.
• تقوم وظائف التجزئة المشفرة بإنشاء معرفات فريدة لكل كتلة في سلسلة الكتل، مما يضمن عدم قابلية البيانات للتغيير في أنظمة البلوكشين.
• تستخدم آليات الإجماع مثل إثبات العمل (Proof of work) الألغاز المشفرة لتأمين شبكات البلوك تشين.

تحافظ تقنية التشفير على أمان المعاملات، وتتحكم في إنشاء العملات الجديدة، وتؤكد عمليات نقل الأصول لضمان قيام المالكين الشرعيين فقط بإجراء المعاملات ومنع الإنفاق المزدوج.

أنواع الخوارزميات التشفيرية

الخوارزميات التشفيرية هي معادلات رياضية تُستخدم لتشفير البيانات وفك تشفيرها. ويصنفها الناس إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

• تقنية التشفير بالمفتاح السري: تستخدم مفتاحًا واحدًا لقفل البيانات وفتحها. يحتاج كل من المرسل والمستقبل إلى نفس المفتاح السري لتشفير البيانات وفك تشفيرها.
• تقنية التشفير بالمفتاح العام مفتاحين: تستخدم مفتاح عام لقفل البيانات ومفتاح خاص لفك تشفيرها. يمكن لأي شخص استخدام المفتاح العام، بينما يمتلك المالك فقط المفتاح الخاص. وهذا يعني أن تشفير البيانات وفك تشفيرها يتطلبان مفتاحًا مختلفًا.
• دوال التجزئة: هي خوارزميات تحوّل البيانات إلى سلسلة نصية ثابتة الحجم. هذا الناتج، المسمى التجزئة، فريدٌ من نوعه بالنسبة للبيانات المدخلة. يمكنك استخدام خوارزمية تجزئة آمنة للتحقق من سلامة البيانات.

التشفير بالمفتاح السري

تستخدم تقنية التشفير بالمفتاح السري مفتاحًا واحدًا لتشفير البيانات وفك تشفيرها. ويبقى هذا المفتاح سريًا ولا يُشارك إلا بين الأطراف المتصلة.

يوجد نوعان رئيسيان من التشفير بالمفتاح السري: تشفير التدفق وتشفير الكتلة.

1) تشفيرات التدفق

تشفر خوارزميات التشفير المتدفقة البيانات رقمًا رقمًا، وغالبًا بتًا بتًا، في تدفق مستمر. وهي تتفوق في تطبيقات التشفير عالية السرعة.

تشفر هذه الخوارزميات البيانات في الوقت الفعلي، وتناسب تطبيقات الأجهزة، وتتطلب سلسلة مفاتيح فريدة لكل عملية تشفير للحفاظ على الأمان. ومن الأمثلة عليها RC4، التي كانت شائعة الاستخدام ولكنها تُعتبر الآن غير آمنة، وSalsa20/ChaCha، المعروفة بأدائها وأمانها.

يمكنك معرفة المزيد عن تشفيرات التدفق في مقالة GeeksforGeeks المفصلة.

2) التشفير الكتلي

تقوم خوارزميات التشفير الكتلي بتشفير البيانات في أجزاء ذات حجم ثابت. وتُطبّق هذه الخوارزميات خوارزمية التشفير على كتل نصية كاملة في آنٍ واحد، مما يجعلها مناسبة لتشفير كميات كبيرة من البيانات.

تعالج خوارزميات التشفير الكتلي البيانات على شكل أجزاء، وتعمل بأنماط مختلفة لتعزيز الأمان والكفاءة، وتتطلب إضافة حشو للرسائل التي لا تتوافق مع حجم الكتلة. من أمثلة خوارزميات التشفير الكتلي:

• معيار التشفير المتقدم (AES): المعيار الحديث، يوفر أمانًا وكفاءة قويين.
• معيار تشفير البيانات (DES): وهو تشفير قديم، يعتبر الآن غير آمن بسبب قصر طول مفتاحه.
• 3DES: هو إصدار محسّن من DES لزيادة الأمان.

التشفير بالمفتاح العام (Public Key Cryptography)

تُؤمّن تقنية التشفير بالمفتاح العام عمليات تبادل المفاتيح والتوقيعات الرقمية والتشفير دون الحاجة إلى مفتاح سري مشترك. يستخدم كل من المُرسِل والمُستقبِل مفاتيح مختلفة لتشفير البيانات المُرسَلة وفك تشفيرها. ومن خوارزميات المفتاح العام الشائعة ما يلي:

1. نظام RSA – واحدة من أقدم وأشهر خوارزميات التشفير بالمفتاح العام.
2. التشفير بمنحنيات إهليلجية (Elliptic Curve Cryptography, ECC) – خوارزمية توفر أمانًا عاليًا مع مفاتيح أصغر مقارنة بـ RSA.
3. خوارزمية التوقيع الرقمي (Digital Signature Algorithm, DSA) – تستخدم لإنشاء التوقيعات الرقمية للتحقق من أصالة البيانات.
4. التشفير المعتمد على الهوية (Identity-Based Encryption, IBE) – نظام تشفير يعتمد على هوية المستخدم بدلاً من مفتاح عام منفصل.
5. معايير التشفير بالمفتاح العام (Public Key Cryptography Standards, PKCS) – مجموعة من المواصفات لتوحيد طرق استخدام التشفير بالمفتاح العام.
6. تبادل المفاتيح ديفي هيلمان (Diffie-Hellman Key Exchange, DHKE) – خوارزمية تسمح بتبادل مفاتيح سرية بشكل آمن عبر قناة غير مؤمنة.

1. نظام RSA

يُعد نظام RSA (ريفست-شامير-أدلمان) أحد أقدم أنظمة التشفير بالمفتاح العام. وتكمن قوته في الصعوبة الرياضية لتحليل الأعداد الصحيحة الكبيرة إلى عواملها الأولية، مما يجعله مناسبًا للتشفير والتوقيعات الرقمية.

على الرغم من بطئها النسبي مقارنةً بخوارزميات التشفير الحديثة، تُستخدم خوارزمية RSA بشكل أساسي لتبادل المفاتيح والتوقيعات الرقمية بدلاً من تشفير البيانات بكميات كبيرة.

تشمل تطبيقات RSA البريد الإلكتروني الآمن (مثل PGP)، وبروتوكول SSL/TLS للاتصالات الآمنة عبر الإنترنت، والتوقيعات الرقمية في توزيع البرامج.

تعمل خوارزمية RSA عبر ثلاث خطوات رئيسية:

• توليد المفتاح
• التشفير
• فك التشفير

مفتاح التشفير عام، بينما يبقى مفتاح فك التشفير خاصًا. يعتمد أمان RSA على مسألة التحليل إلى عوامل، وهي المهمة الصعبة المتمثلة في تحليل الأعداد الصحيحة الكبيرة إلى عواملها الأولية.

شهدت السنوات الأخيرة نقاشات في مؤتمرات التشفير المختلفة حول مستقبل خوارزمية RSA، لا سيما فيما يتعلق بتطورات الحوسبة الكمومية. وخلال مؤتمر RSA لعام 2024، أكد المتخصصون على أهمية الانتقال إلى التشفير ما بعد الكمومي لمواجهة خطر “السرقة الآن، وفك التشفير لاحقًا”.

2. تشفير المنحنى الإهليلجي (Elliptic Curve Cryptography, ECC)

تعتمد تقنية تشفير المنحنيات الإهليلجية (ECC) في جوهرها على الخصائص الفريدة للمنحنيات الإهليلجية لإنشاء أنظمة تشفير آمنة.

وقد ساهم الجمع بين الأمان القوي وحجم المفاتيح الصغير في تبوّء ECC مكانة رائدة في مجال التشفير الحديث. ويُبرز اعتمادها في مختلف التقنيات فعاليتها في حماية المعلومات الرقمية.

تؤكد الفعاليات المتخصصة، مثل ورشة العمل السنوية حول تشفير المنحنيات الإهليلجية، على أهمية هذا المجال. وتُشكل هذه الورش منصةً للتعاون بين الخبراء والطلاب، مما يُفضي إلى تحقيق إنجازاتٍ رائدة في هذا المجال.

3. خوارزمية التوقيع الرقمي (Digital Signature Algorithm, DSA)

خوارزمية التوقيع الرقمي (DSA) هي أداة تشفيرية تُستخدم للتحقق من صحة الرسائل الرقمية. وتعتمد هذه الخوارزمية على نموذج المفتاح العام، حيث يستخدم المرسلون مفاتيح خاصة لإنشاء توقيعات رقمية. ثم تُرفق هذه التوقيعات بالرسالة وتُرسل إلى المُستلم.

للتحقق من صحة التوقيع، يستخدم المستلم المفتاح العام للمرسل. يعتمد أمان خوارزمية DSA على التعقيد الرياضي لمسألة اللوغاريتم المنفصل، مما يجعل تزوير التوقيعات صعبًا حسابيًا. تضمن خوارزمية DSA عدم الإنكار، مما يمنع المرسلين من إنكار مصدر الرسالة.

على الرغم من أهمية DSA، إلا أن قيود حجم المفتاح أدت إلى استبدالها بخوارزميات أكثر كفاءة مثل ECDSA.

كان معيار DSA في السابق معيارًا فيدراليًا لمعالجة المعلومات، وكان يُستخدم بشكل أساسي للتحقق من صحة الرسائل وسلامتها. ومع ذلك، ووفقًا لمركز موارد أمن الحاسوب (CSRC)، اعتبارًا من فبراير 2023، لم يعد معيار DSA معتمدًا لإنشاء التوقيعات الرقمية.

4. التشفير المعتمد على الهوية (Identity-Based Encryption, IBE)

بدلاً من الشهادات التقليدية، يستخدم التشفير القائم على الهوية (IBE) مفتاحًا عامًا مشتقًا مباشرة من هوية، مثل عنوان البريد الإلكتروني.

يتضمن جوهر IBE أربع خوارزميات رئيسية:

1. خوارزمية الإعداد: تقوم بإنشاء معلمات النظام ومفتاح رئيسي
2. خوارزمية توليد المفاتيح: تقوم بإنتاج مفتاح خاص لهوية محددة
3. التشفير: يستخدم الهوية كمفتاح عام لتأمين الرسالة
4. فك التشفير: يتطلب المفتاح الخاص المقابل

تُسهّل قدرة نظام التشفير القائم على الهوية (IBE) على استخدام أي مُعرّف فريد كمفتاح عام عملية تشفير البيانات وفك تشفيرها. مع ذلك، فإن اعتماده على جهة مركزية لتوليد المفاتيح الخاصة يُنشئ نقطة ضعف واحدة ويُثير مشاكل تتعلق بالثقة.

تُبرز المناقشات الأخيرة في ورشة عمل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) حول التشفير المُعزز للخصوصية (PEC) الاهتمام المتزايد بالتشفير القائم على الهوية (IBE). وقد شجعت الورشة على تطوير مواد مرجعية تُسهم في فهم أفضل للتشفير المُعزز للخصوصية.

5. معايير التشفير بالمفتاح العام (Public Key Cryptography Standards, PKCS)

معايير التشفير بالمفتاح العام (PKCS) هي إرشادات طورتها شركة RSA Security لتوحيد تطبيقات التشفير بالمفتاح العام. تضمن معايير PKCS قابلية التشغيل البيني والأمان من خلال تحديد إجراءات محددة لخوارزميات التشفير وتنسيقاتها.

تتضمن PKCS نطاقًا واسعًا من عمليات التشفير باستخدام المفتاح العام. وهي توفر تعليمات مفصلة لما يلي:

• توليد أزواج المفاتيح العامة والخاصة (Generating public and private key pairs)
• تشفير البيانات باستخدام المفتاح العام (Encrypting data with public keys)
• فك تشفير البيانات باستخدام المفتاح الخاص المقابل (Decrypting data with corresponding private keys)
• التحقق من أصالة البيانات (Verifying data authenticity)
• ضمان السلامة باستخدام التوقيعات الرقمية (Integrity through digital signatures)
• إدارة المفاتيح العامة والخاصة بأمان (Securely managing public and private keys)

إن اعتماد نظام PKCS على نطاق واسع جعله أساسياً للعديد من التطبيقات التشفيرية.

6. تبادل المفاتيح ديفي هيلمان (Diffie-Hellman Key Exchange, DHKE)

بروتوكول تبادل مفاتيح ديفي هيلمان (DHKE) هو بروتوكول تشفير يسمح لطرفين بإنشاء مفتاح سري مشترك عبر قناة عامة غير آمنة. يتضمن بروتوكول DHKE سلسلة من الخطوات:

1. يتفق الطرفان على عدد أولي كبير ومولد. هذه القيم معروفة للجميع.
2. بعد ذلك، يختار كل طرف بشكل مستقل رقماً خاصاً عشوائياً. وبناءً على أرقامهم الخاصة والمعايير المتفق عليها، يقومون بحساب القيم العامة، والتي يتبادلها الطرفان علناً.
3. وأخيرًا، يستخدم كلا الطرفين أرقامهما الخاصة والقيمة العامة المتبادلة لحساب السر المشترك. يعتمد التشفير المتناظر على سر مشترك لإنشاء قناة اتصال آمنة بين الأطراف المعنية.

بروتوكول تبادل المفاتيح المزدوج (DHKE) هو بروتوكول لتبادل المفاتيح، وليس خوارزمية تشفير. يعتمد أمانه على استحالة تحديد الأرقام الخاصة من المعلومات العامة.

ورغم فعاليته ضد التنصت السلبي، إلا أن DHKE عرضة لهجمات الوسيط. لذا، تُعدّ التدابير الأمنية الإضافية، كالمصادقة، ضرورية.

تستضيف جامعة هارفارد مركزًا متخصصًا لدراسة الروابط العميقة بين التكنولوجيا والمجتمع. ويبحث مركز أبحاث الحوسبة والمجتمع (CRCS) في كيفية تأثير علم التشفير، إلى جانب التطورات الرقمية الأخرى، على عالمنا، إيجابًا وسلبًا.

دالة التجزئة

دالة التجزئة (Hash Function) هي خوارزمية تشفيرية تحوّل البيانات مهما كان حجمها إلى ناتج ثابت الحجم، يُعرف بقيمة التجزئة أو الملخص. تأخذ هذه الدالة أي كمية من البيانات، مثل مستند أو صورة أو كلمة مرور، وتحولها إلى سلسلة قصيرة مشوشة من الأحرف، وهي التجزئة.

تُعدّ قيمة التجزئة الفريدة بمثابة البصمة الرقمية لبيانات الإدخال، مما يُمكّن من التحقق الفعال من سلامة البيانات ومصداقيتها. والجدير بالذكر أن التجزئة هي الشكل الوحيد من أشكال التشفير الذي لا يُعدّ تشفيرًا بالمعنى الدقيق.

بينما التشفير هو عملية ثنائية الاتجاه يتم فيها تحويل البيانات إلى تنسيق غير قابل للقراءة ويمكن إعادتها إلى شكلها الأصلي باستخدام مفتاح، فإن التجزئة هي عملية أحادية الاتجاه لا يمكن فيها استعادة البيانات في شكلها الأولي بمجرد تجزئتها.

لماذا تُستخدم دوال التجزئة في الأمن السيبراني؟

تعتبر وظائف التجزئة بالغة الأهمية في الأمن السيبراني لعدة أسباب، وهي عنصر أساسي في التشفير في أمن الشبكات.

عند انتقال البيانات، تقوم دالة التجزئة بإنشاء مُعرّف فريد. حتى أدنى تغيير في البيانات يُغيّر هذه البصمة تمامًا، مما يؤدي إلى تغيير في قيمة التجزئة، وهو ما يُشير إلى احتمال التلاعب.

في مجال أمن كلمات المرور، تقوم خوارزميات التشفير بتحويل كلمات المرور إلى قيم ثابتة الطول تُخزّن في قواعد البيانات. إذا تمكن مخترق من سرقة كلمات المرور المشفرة هذه، فإنها تصبح عديمة الفائدة بدون المفتاح الأصلي، كلمة المرور الفعلية. ولا ننسى التوقيعات الرقمية، التي تستخدم دوال التشفير لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

الغرض	الوصف	الفائدة
التحقق من السلامة (Integrity Verification)	التحقق من سلامة البيانات عبر مقارنة قيم التجزئة (hash values)	يضمن بقاء البيانات دون تعديل أثناء النقل أو التخزين
تخزين كلمات المرور (Password Storage)	تخزين كلمات المرور بشكل مجزأ (hashed) بدلاً من النصوص الواضحة	يحمي بيانات اعتماد المستخدمين من الوصول غير المصرح به، حتى في حالة اختراق قاعدة البيانات
التوقيعات الرقمية (Digital Signatures)	إنشاء توقيعات رقمية للتحقق من أصالة وسلامة الرسائل	يحافظ على الثقة في الاتصالات والمعاملات الإلكترونية
إزالة البيانات المكررة (Data Deduplication)	تحديد البيانات المكررة عن طريق مقارنة قيم التجزئة	يوفر مساحة تخزين ويحسن أداء النظام

حالات استخدام دالة التجزئة

تجد دوال التجزئة تطبيقات في مجالات متنوعة تتجاوز الأمن السيبراني:

1️⃣ هياكل البيانات

تُعدّ جداول التجزئة طريقة شائعة لتخزين البيانات واسترجاعها بسرعة. فهي تستخدم دوال التجزئة لتحويل البيانات إلى أرقام، مما يُسهّل العثور على المكان المناسب لتخزينها. وتُحسّن هياكل البيانات سرعة استرجاع المعلومات.

أتاحت التطورات الحديثة في مجال التعلم الآلي للباحثين تطوير دوال تجزئة أسرع وأكثر كفاءة. فعلى سبيل المثال، في عام 2023، ابتكر باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا دوال تجزئة محسّنة تُسرّع بشكل ملحوظ عمليات البحث في قواعد البيانات الضخمة، مما يُبرهن على الابتكار المستمر في هذا المجال.

2️⃣ تقنية البلوكشين

تتمحور تقنية البلوكشين حول الثقة والأمان. تُنشئ دوال التجزئة بصمة فريدة لكل كتلة بيانات. ترتبط هذه البصمة ببصمة الكتلة السابقة، مما يجعل تغيير البيانات مستحيلاً دون علم الجميع.

3️⃣ معالجة المحتوى

بدلاً من استخدام اسم الملف للعثور على البيانات، يمكنك استخدام رمز التجزئة الخاص به، كما هو الحال عند البحث عن كتاب باستخدام رمزه الشريطي الفريد. يُعدّ هذا مفيدًا للأنظمة التي تحتاج إلى العثور على البيانات بسرعة ودقة.

4️⃣ توليد الأرقام العشوائية

تقوم دوال التجزئة بإنشاء أرقام زائفة، والتي تبدو عشوائية ولكنها ليست كذلك، وهو أمر ضروري للعديد من أدوات وتطبيقات الأمان.

أنواع هجمات مفاتيح التشفير والمخاطر

كما هو الحال مع أي تقنية، فإن التشفير له عيوبه ومخاطره الخاصة. دعونا نتناولها بمزيد من التفصيل:

1/ المفاتيح الضعيفة

تُشكل المفاتيح الضعيفة خطراً في علم التشفير، إذ تُعرّض البيانات للمهاجمين لعدم توفيرها حماية كافية. وقد تؤدي الخوارزميات الضعيفة إلى مفاتيح ضعيفة نتيجةً لعدم قدرتها على توليد عشوائية كافية أثناء عملية توليد المفاتيح، مما يجعل تخمينها أو اختراقها أسهل.

قد يستغل المخترقون المفاتيح الضعيفة عبر هجمات القوة الغاشمة (Brute force attacks)، مجربين العديد من التوليفات حتى يجدوا التوليفة الصحيحة.

على سبيل المثال: يستطيع المهاجمون اختراق مفتاح 56 بت في معيار تشفير البيانات (DES) بسرعة باستخدام القدرات الحاسوبية الحديثة. إذ يمكن للحواسيب الحديثة تجربة مليارات المليارات من الرموز المختلفة كل ثانية. وباستخدام رمز لا يتجاوز طوله 56 رقمًا، يستطيع حاسوب قوي تخمين الرمز الصحيح بسرعة.

2/ سوء تخزين المفاتيح

يُسهم التخزين الآمن لمفاتيح التشفير في الحفاظ على سلامة وسرية البيانات الحساسة. وقد تؤدي ممارسات التخزين غير السليمة للمفاتيح إلى الوصول غير المصرح به وانتهاكات محتملة للبيانات.

على سبيل المثال: لنفترض شركةً تُخزّن مفاتيح التشفير كنص عادي على خادم. إذا تمكن مهاجم من الوصول إلى هذا الخادم، فسيتمكن من الوصول بسهولة إلى هذه المفاتيح. وباستخدام هذه المفاتيح، يستطيع المهاجم فك تشفير البيانات الحساسة، مما يؤدي إلى فقدان السرية وانتهاكات محتملة للبيانات.

3/ إعادة استخدام المفاتيح

عادةً، يكون لديك مفتاح مختلف للمنزل، والسيارة، والمكتب، وصندوق الأمانات. ماذا لو كان لديك مفتاح واحد للوصول إلى كل هذه الأشياء؟ إذا سُرق هذا المفتاح، فسيتمكن السارق من الوصول إلى جميع معلوماتك.

ينطبق المبدأ نفسه على مفاتيح التشفير. إعادة استخدام المفتاح نفسه عبر أنظمة متعددة يزيد من احتمالية الاختراق. أي اختراق في نظام واحد قد يُعرّض جميع الأنظمة التي تستخدم المفتاح نفسه للخطر.

4/ نقل المفاتيح بشكل غير آمن

يؤدي نقل مفاتيح التشفير عبر قنوات غير آمنة إلى ظهور ثغرات أمنية. إذ يمكن للمهاجمين اعتراض هذه المفاتيح من خلال هجمات الوسيط (Man-in-the-middle attacks)، مما يُعرّض سلامتها للخطر ويُمكّنهم من الوصول غير المصرح به إلى البيانات المحمية.

5/ التهديدات الداخلية (مصادقة المستخدم، والتحكم المزدوج، وفصل الأدوار)

تنشأ التهديدات الداخلية من أفراد لديهم صلاحيات وصول، سواء أكان ذلك عن قصد أم عن غير قصد، حيث يمكن للموظفين ذوي النوايا الخبيثة استغلال مناصبهم لسرقة البيانات الحساسة، أو تعطيل العمليات، أو اختراق عمليات الإدارة الرئيسية.

6/ انعدام القدرة على الصمود

يستطيع نظام التشفير المرن الصمود أمام الهجمات دون المساس بوظائفه. غالبًا ما تعيق آليات الاستجابة غير الكافية أو الأنظمة المصممة بشكل سيئ هذه المرونة.

وتتعرض الأنظمة التي تفتقر إلى عمليات إبطال المفاتيح أو مفاتيح النسخ الاحتياطي لعواقب وخيمة أثناء الهجمات. يتخذ النظام المرن إجراءات سريعة لإبطال المفاتيح المخترقة أو المفقودة وإصدار مفاتيح جديدة. وبدون هذه القدرة، يؤدي اختراق مفتاح واحد إلى إطالة أمد ضعف النظام.

7/ عدم وجود سجلات تدقيق

يسجل نظام التدقيق جميع الأنشطة المتعلقة بالمفاتيح لتحديد المخاطر والاستجابة لها. وبدون هذا النظام، يصعب تتبع من يستخدم المفاتيح، مما يسهل على المهاجمين التسلل دون أن يُكتشف أمرهم.

8/ عمليات إدارة المفاتيح اليدوية

تُشكل عمليات إدارة المفاتيح اليدوية مخاطر كبيرة. فالبشر يرتكبون أخطاءً قد تؤدي إلى إدخال المفاتيح بشكل خاطئ أو سوء التعامل معها.

إضافةً إلى ذلك، فإن تدوير المفاتيح وإلغائها يدويًا يستغرق وقتًا طويلاً، مما يمنح المهاجمين فرصًا أكبر لاستغلال الثغرات الأمنية. كما أن إدارة العديد من المفاتيح يدويًا تتطلب جهدًا إضافيًا، مما يعيق قابلية التوسع ويزيد من احتمالية الخطأ.

كيفية تقليل المخاطر المرتبطة بعلم التشفير

قد تؤدي الأخطاء في إدارة المفاتيح وتخزينها ونقلها إلى تعريض المؤسسات لمخاطر أمنية جسيمة. فيما يلي استراتيجيات للتخفيف من هذه المخاطر:

المخاطر / القضايا	استراتيجية التخفيف
المفاتيح الضعيفة	استخدام مفاتيح قوية يتم توليدها عشوائيًا وبحد أدنى 128 بت، والنظر في خوارزميات مقاومة للحوسبة الكمومية (Quantum-safe)
تخزين المفاتيح بشكل ضعيف	تخزين المفاتيح في وحدات أمان مادية قوية (HSM) أو بيئات آمنة أخرى، مع تدوير المفاتيح بانتظام
إعادة استخدام المفاتيح	توليد مفاتيح فريدة لكل استخدام لتجنب الثغرات الأمنية
نقل المفاتيح بشكل غير آمن	تنفيذ ضوابط الوصول، تدريب الموظفين، وأنظمة مراقبة المفاتيح
تهديدات من الداخل	استخدام قنوات مشفرة لنقل المفاتيح
نقص المرونة	تنفيذ أنظمة تسجيل تدقيق شاملة (Audit Logging)
غياب تسجيل التدقيق	توعية الموظفين بأهمية الأمن التشفيري وممارساته
عملية إدارة المفاتيح اليدوية	استخدام أنظمة إدارة مفاتيح آلية لتجنب أخطاء الإدخال اليدوي

الخاتمة

يُعدّ التشفير أداةً فعّالة لحماية البيانات الحساسة، وهو أداة أساسية لجميع الشركات تقريبًا مع تزايد انتشار البيانات الرقمية و العمل عن بُعد بشكلٍ كبير.

مع ذلك، لا يُمثّل التشفير وحده حلًا سحريًا، إذ تعتمد فعاليته على التطبيق السليم من قِبل المستخدمين والمؤسسات. ومع سعي خبراء التشفير الدؤوب لتطوير حلول تشفيرية جديدة، ومحاولة اكتشاف نقاط الضعف في الحلول الحالية، يُتوقع أن يكون هذا المجال واعدًا للغاية في السنوات والعقود القادمة.

الأسئلة الشائعة حول التشفير

المصادر والمراجع

المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST): معيار التشفير المتقدم (AES) – FIPS 197

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: طريقة للحصول على تواقيع رقمية وأنظمة تشفير بالمفتاح العام

المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا: معيار التوقيع الرقمي (DSS) – FIPS 186-4

جامعة ستانفورد: اتجاهات جديدة في علم التشفير – Diffie & Hellman (1976)

جامعة ستانفورد: تشفير المنحنيات الإهليلجية

Internet Engineering Task Force: بروتوكول TLS 1.3 – RFC 8446

Internet Engineering Task Force: S/MIME Version 4.0

المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا: معيار دوال التجزئة الآمنة (SHA-2) – FIPS 180-4

IBM: تقرير تكلفة اختراق البيانات 2025

Encyclopædia Britannica: معيار تشفير البيانات (Data Encryption Standard)