التشفير المتماثل باستخدام مفتاح مشترك: كيف يحمي بياناتك

عندما تستخدم الإنترنت، يتم إرسال رسائلك وكلمات المرور وبياناتك الشخصية باستمرار عبر الشبكة. لحماية هذه المعلومات من قراصنة الإنترنت، توجد نظام تشفير خاص - التشفير المتماثل. يعتمد هذا الأسلوب من التشفير باستخدام مفاتيح متماثلة على رمز سري واحد يُستخدم لكل من التشفير وفك التشفير للمعلومات.

تاريخياً، بدأ استخدام خوارزميات التشفير المتماثلة لأول مرة من قبل الهيئات الحكومية والمؤسسات العسكرية لتأمين اتصالاتها. واليوم، أصبح هذا المبدأ أساس أمان ملايين أنظمة الحاسوب حول العالم.

كيف يعمل نظام المفتاح الواحد في الواقع

تخيل أنك تريد إرسال رسالة سرية إلى صديقك. أبسط طريقة هي الاتفاق على “رمز” خاص تعرفه أنت وصديقك فقط. هذا المبدأ هو أساس نظام التشفير المتماثل باستخدام مفتاح واحد.

تبدأ العملية بـ “النص العادي” - وهو رسالتك الأصلية أو بياناتك. عندما ترسلها عبر خوارزمية التشفير (مثل التشفير)، يتحول النص إلى مجموعة من الأحرف غير المفهومة - “نص مشفر”. يمكن لأي شخص يلتقط رسالتك أن يرى النص المشفر، لكن لا يمكن قراءته بدون المفتاح الصحيح.

المستلم، الذي يمتلك نفس المفتاح السري، يمرر النص المشفر عبر خوارزمية عكسية ويحصل على الرسالة الأصلية مرة أخرى.

يعتمد أمان النظام بأكمله على شيء واحد: كم يصعب تخمين المفتاح الصحيح؟ يحتاج جهاز كمبيوتر يحاول استعراض جميع الاحتمالات لمفتاح 128-بت إلى مليارات السنين من العمل المستمر. وإذا زدت طول المفتاح إلى 256-بت، فإن المهمة تصبح شبه مستحيلة حتى لأقوى الحواسيب الحديثة. وتُعتبر مفاتيح 256-بت مقاومة حتى للهجمات الافتراضية باستخدام الحواسيب الكمومية.

طريقتان للترميز: الكتل والتدفقات

هناك طريقتان رئيسيتان لعمل التشفير المتماثل في الممارسة.

تشفير الكتل يقسم بياناتك إلى أجزاء ثابتة - على سبيل المثال، إلى كتل كل منها 128-بت. يتم تشفير كل كتلة بشكل مستقل باستخدام خوارزمية ومفتاح واحد. كأنك تقطع رسالة إلى قطع متساوية وتغلف كل قطعة في ظرف مستقل برمز واحد.

تشفير التدفق يعمل بشكل مختلف - فهو يشفر البيانات ليس بأجزاء كبيرة، بل بتشفير كل بت على حدة. يشبه الأمر كتابة رسالة حرفًا بحرف، وكل حرف يتم تشفيره على الفور قبل الإرسال.

لماذا التشفير المتماثل ليس هو نفسه التشفير غير المتماثل

في عالم التشفير، يوجد طريقة أساسية أخرى - التشفير غير المتماثل، وهناك اختلافات جوهرية بينهما.

الفرق الأهم: التشفير المتماثل يستخدم مفتاح واحد لكل من (الترميز وفك التشفير)، بينما يستخدم التشفير غير المتماثل مفتاحين مختلفين تمامًا.

في أنظمة التشفير غير المتماثل، يُطلق على المفتاح الأول اسم (المفتاح العام) - يمكن للجميع معرفته. والمفتاح الثاني يُسمى المفتاح الخاص - وتحتفظ به سراً. إذا قام شخص ما بترميز البيانات باستخدام مفتاحك العام، ففك التشفير لن يكون ممكنًا إلا باستخدام المفتاح الخاص بك.

لكن، خوارزميات التشفير غير المتماثل لها تكلفة: فهي أبطأ بكثير من التشفير المتماثل، وتتطلب موارد حسابية أكثر. بالإضافة إلى ذلك، لضمان مستوى حماية مماثل، يجب أن يكون المفتاحان العام والخاص أطول بكثير من المفاتيح المتماثلة.

أين يُستخدم التشفير المتماثل في حاسوبك

إذا استخدمت يومًا تطبيق مراسلة مشفر أو قمت بتحميل ملفات من خدمة سحابة، فقد عملت بالفعل مع التشفير المتماثل.

أشهر مثال هو AES (معيار التشفير المتقدم). يُستخدم هذا الخوارزم في كل مكان: من تطبيقات الرسائل الآمنة إلى حماية البيانات على خوادم خدمات السحابة. يمكن أن يعمل AES برمجياً أو مدمجًا مباشرة في شرائح الحاسوب.

الإصدار الأكثر انتشارًا هو AES-256، حيث الرقم 256 يشير إلى طول المفتاح بالبتات. وتُعتبر هذه المفاتيح مقاومة للاختراق عمليًا.

معلومة مثيرة: عندما يسمع الناس عن “التشفير” في سياق البلوكشين وBitcoin، غالبًا ما يفكرون في التشفير. في الواقع، تستخدم هذه الأنظمة خوارزمية توقيع رقمي خاصة تُسمى ECDSA (خوارزمية التوقيع الرقمي باستخدام المنحنى الإهليلجي). هذه الخوارزمية تخلق “توقيعات” فريدة للتحقق من الأصالة، لكنها لا تشفر البيانات نفسها. تعتمد ECDSA على رياضيات المنحنيات الإهليلجية، ويمكن استخدامها لمهام متعددة، لكن ECDSA نفسها غير مناسبة للتشفير.

TLS: عندما يعمل التشفير المتماثل وغير المتماثل معًا

واحدة من أكبر المشاكل في التشفير المتماثل هي عندما تحتاج إلى مشاركة مفتاح سري مع شخص آخر عبر قناة غير موثوقة. إذا تم اعتراض المفتاح، فكل الأمان سينتهي.

لحل هذه المشكلة، تستخدم بروتوكولات الويب الحديثة نهجًا هجينًا. فهي أولاً تُنشئ قناة آمنة باستخدام التشفير غير المتماثل (لتبادل المفاتيح بشكل آمن)، ثم تنتقل إلى التشفير المتماثل السريع لنقل كميات كبيرة من البيانات.

أشهر مثال على هذا النظام الهجين هو بروتوكول TLS (طبقة أمان النقل)، الذي يحمي معظم الإنترنت الحديث. عندما تدخل إلى موقع ويب آمن (رابط يبدأ بـ https://)، فإنك تستخدم بالضبط TLS.

لماذا لا يزال التشفير المتماثل هو الأفضل للأداء السريع

يمتلك التشفير المتماثل عدة مزايا لا جدال فيها، تجعله لا غنى عنه في الأنظمة الحديثة:

• السرعة: تعمل خوارزميات التشفير المتماثل بشكل أسرع بكثير من غير المتماثل، مما يجعله مثاليًا لتشفير كميات كبيرة من المعلومات.

• البساطة: الأنظمة التي تعتمد على مفتاح واحد أبسط في التنفيذ وتتطلب موارد حسابية أقل.

• مرونة الأمان: لزيادة مستوى الحماية، يكفي زيادة طول المفتاح. كل بت إضافي يزيد من صعوبة الاختراق بشكل أُسّي.

لكن، هناك جانب سلبي لهذه الميزة - مشكلة نقل المفاتيح. عندما يُنقل المفتاح المتماثل عبر قناة غير مشفرة، يكون معرضًا للاعتراض. وإذا حصل طرف غير مخول على مفتاحك المتماثل، فكل البيانات المشفرة بهذا المفتاح تصبح في متناول يده.

مخاطر الأخطاء في التنفيذ

من المهم أن تفهم أن خوارزمية قوية من الناحية الرياضية يمكن أن تُكسر بسبب أخطاء في برمجتها. على الرغم من أن مفتاحًا طويلًا جدًا يجعل هجمات “القوة الغاشمة” مستحيلة، إلا أن أخطاء الكود غالبًا ما تخلق “ثغرات خلفية”، يمكن للمهاجمين استغلالها لاختراق النظام. ولهذا، فإن تدقيق الأمان واختبار الثغرات ضروريان لأي نظام تشفير.

الخلاصة

لا يزال التشفير المتماثل باستخدام مفتاح واحد أحد أهم الأدوات لحماية البيانات في العالم الرقمي. من حماية حركة الإنترنت الخاصة بك إلى حماية ملفاتك على خدمات السحابة، يوفر هذا الأسلوب سرعة وبساطة وموثوقية. وعلى الرغم من أنه غالبًا يُدمج مع التشفير غير المتماثل لحل مشكلة نقل المفاتيح بشكل آمن، إلا أن التشفير المتماثل يظل أساس أمن الحواسيب الحديث.