حالات استخدام التشفير: من الاتصال الآمن إلى أمن البيانات

عندما يتعلق الأمر بأمن البيانات، أصبح فن التشفير القديم حجر الزاوية الحاسم في العصر الرقمي اليوم. من المعلومات الاستخباراتية الحكومية السرية للغاية إلى الرسائل الشخصية اليومية، يتيح التشفير إمكانية إخفاء معلوماتنا الأكثر حساسية عن المتفرجين غير المرغوب فيهم. سواء أكان التسوق عبر الإنترنت أو حفظ الأسرار التجارية القيمة على القرص، يمكننا أن نرجع الفضل للتشفير على أي مظهر من مظاهر الخصوصية التي قد نتمتع بها.

تؤسس المبادئ الرئيسية للتشفير الثقة عند إجراء الأعمال التجارية عبر الإنترنت. وهي تشمل ما يلي:

• السرية: لا يمكن الوصول إلى المعلومات المشفرة إلا من قِبل الشخص المقصود دون غيره.
  
  
• التكامل: لا يمكن تعديل المعلومات المشفرة في التخزين أو أثناء النقل بين المرسل والمستقبل المقصود دون أن يتم اكتشاف أي تعديلات.
  
  
• عدم القدرة على الإنكار: لا يمكن لمنشئ/مرسل المعلومات المشفرة إنكار نيته في إرسال المعلومات.
  
  
• المصادقة: يتم التأكد من هوية المرسل والمستقبل - وكذلك مصدر المعلومات - ووجهتها.
  
  
• إدارة المفاتيح: يتم الحفاظ على أمان المفاتيح المستخدمة في تشفير البيانات وفك تشفيرها والمهام المرتبطة بها مثل طول المفتاح وتوزيعه وتوليده ومعدل تناوبه وما إلى ذلك.

قبل التعمق في حالات الاستخدام العديدة للتشفير، دعنا نراجع أساسيات التشفير.

على مر التاريخ، استخدم علماء التشفير أساليب مختلفة لتشفير المعلومات الخاصة وإنشاء رسائل مشفرة. في حين أن خوارزميات التشفير الحديثة أكثر تقدما بكثير، إلا أن الخطوات الأساسية تظل متشابهة للغاية.

يأخذ التشفير الأساسي المعلومات الأصلية غير المشفرة (المعروفة باسم النص العادي) ويشفرها في رمز مشوش (يعرف باسم النص المشفر) بمساعدة مفتاح أو مفاتيح سرية، والتي يمكن استخدامها أيضا لفك تشفير النص المشفر مرة أخرى إلى نص عادي.

خوارزميات التشفير هي الصيغ الرياضية المستخدمة لتشفير البيانات وفك تشفيرها. تنشئ هذه الخوارزميات مفاتيح سرية لتحديد كيفية تحويل البيانات من نصها العادي الأصلي إلى نص مشفر والعكس صحيح. تتضمن بعض خوارزميات التشفير المعروفة RSA (Rivest-Shamir-Adleman)، وAES (معيار التشفير المتقدم)،  وECC (تشفير المنحنى الإهليلجي).

على المستوى الأساسي، تُنشئ معظم خوارزميات التشفير مفاتيح عن طريق ضرب أعداد أولية كبيرة. في حين أن عملية الضرب سهلة بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الحديثة، فإن تحليل الأعداد الكبيرة إلى عددين أوليين كبيرين يتطلب الكثير من القوة الحاسوبية، وهو أمر مستحيل عمليًا. يمكن عكس هندسة أنظمة التشفير التي تستخدم مفاتيح أصغر حجمًا بسهولة إلى حد ما، ولكن حتى أسرع الحواسيب الخارقة تتطلب مئات إلى مئات الآلاف من السنين لمهاجمة خوارزميات التشفير الأقوى اليوم. يضيف تشفير المنحنى الإهليلجي مستوى إضافي من الأمان باستخدام أرقام عشوائية لإنشاء مفاتيح أقوى بكثير لا يمكن حتى للجيل القادم من الحواسيب الكمّية اختراقها.

إدارة المفاتيح هي جزء لا يتجزأ من التشفير؛ إذ يستخدم كل نظام تشفير مفاتيح لتشفير وفك تشفير البيانات. تتضمن إدارة المفاتيح إنشاء مفاتيح التشفير وتخزينها وتوزيعها بأمان بين المستخدمين. تعد الإدارة السليمة للمفاتيح أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على أمان البيانات المشفرة؛ إذ يمكن للمفاتيح الضعيفة أو المسروقة أن تخلق نقاط ضعف حرجة في أي نظام تشفير. تعد أحجام المفاتيح والعشوائية والتخزين كلها وظائف حاسمة لإدارة المفاتيح.

يُعرف أيضًا باسم التشفير بالمفتاح الخاص أو التشفير بالمفتاح السري، وتستخدم أنظمة التشفير المتماثلة مفتاحًا واحدًا فقط لكل من التشفير وفك التشفير. ولكي تعمل هذه الأنواع من الأنظمة، يجب أن يكون لدى كل مستخدم حق الوصول إلى نفس المفتاح الخاص. قد تتم مشاركة المفاتيح الخاصة إما من خلال قناة اتصال موثوق بها تم إنشاؤها مسبقًا (مثل ناقل خاص أو خط آمن) أو، بشكل عملي أكثر، طريقة تبادل مفاتيح آمنة (مثل اتفاقية مفتاح Diffie-Hellman).

على الرغم من نقاط الضعف الناتجة عن استخدام مفتاح واحد فقط، فإن هذا النوع من التشفير أسرع وأكثر كفاءة من الطرق البديلة. تتضمن خوارزميات التشفير المتماثل الشائعة DES (معيار تشفير البيانات)، و3DES (Triple DES) ،  وAES.

يستخدم التشفير غير المتماثل، المعروف أيضًا باسم تشفير المفتاح العام، زوجًا من المفاتيح، مفتاح عام ومفتاح خاص. يتم استخدام المفتاح العام للتشفير، ويتم استخدام المفتاح الخاص لفك التشفير ولكل مستخدم زوج مفاتيح خاص به. يضيف مفتاحا التشفير المستخدمان في تشفير المفتاح العام طبقة إضافية من الأمان، ولكن هذه الحماية الإضافية تأتي على حساب انخفاض الكفاءة. RSA وECC ووبروتوكول Secure Shell (SSH) هي خوارزميات تشفير غير متماثلة شائعة.

إحدى حالات الاستخدام الأكثر شيوعًا للتشفير هي توفير اتصال آمن عبر الإنترنت.يستخدم أمان طبقة النقل (TLS) وسابقه، طبقة مآخذ التوصيل الآمنة (SSL)، بروتوكولات التشفير لإنشاء اتصالات محمية بين متصفحات الويب والخوادم. وتضمن هذه القناة الآمنة أن تظل البيانات المشتركة بين متصفح المستخدم وموقع الويب خاصة ولا يمكن اعتراضها من قِبل الجهات الخبيثة.

يُستخدم التشفير أيضًا في تطبيقات المراسلة الشائعة مثل البريد الإلكتروني وWhatsApp لتوفير التشفير من طرف إلى طرف (E2EE) والحفاظ على خصوصية محادثات المستخدمين. مع E2EE، يمكن للمرسل والمستلم المقصود فقط فك تشفير رسائلهم وقراءتها، ما يجعل من المستحيل تقريبًا على الأطراف الثالثة - بما في ذلك مزودو الخدمة الخاصة بالمستخدمين- الوصول إلى المحتوى.

تشفير البيانات هو شكل واسع الاستخدام من أشكال التشفير الذي يحمي المعلومات الحساسة المخزنة على مختلف الأجهزة، مثل محركات الأقراص الصلبة والهواتف الذكية وخدمات التخزين السحابية. تعمل خوارزميات التشفير القوية مثل AES على تحويل النص العادي إلى نص مشفر بشكل فعال، ما يضمن أنه حتى لو تمكن طرف غير مصرح له بالوصول إلى البيانات، فلن يتمكن من فك تشفير البيانات الحساسة دون الوصول إلى مفتاح تشفير المستخدمين المصرح لهم.

يُستخدم التشفير أيضًا لضمان سلامة البيانات. دوال التجزئة هي نوع من خوارزميات التشفير التي تُنشئ تجزئات ذات حجم ثابت (تُعرف أيضًا باسم التجزئة الرقمية) للبيانات، أي تحويل مجموعة من البيانات إلى رقم تجزئة رقمي فريد. هذه التجزئات فريدة من نوعها لدرجة أن تغيير حتى حرف واحد أو مسافة واحدة في النص العادي ستنتج عنه قيمة رقمية مختلفة تمامًا. يمكن للمستلمين أو التطبيقات أو مواقع الويب التحقق من سلامة البيانات من خلال مقارنة تجزئة البيانات المستلمة بالتجزئة المتوقعة، ويمكنهم التأكد من عدم تغيير البيانات أثناء الإرسال.

تُستخدم دوال التجزئة أيضًا بشكل متكرر للتحقق من كلمات مرور المستخدم دون الحاجة إلى إنشاء قاعدة بيانات ضعيفة من جانب العميل لكلمات المرور الخاصة. بدلاً من ذلك، لن تقوم خدمات مثل بوابات الخدمات المصرفية عبر الإنترنت إلا بجمع وتخزين تجزئات كلمات مرور المستخدمين. حتى لو تمت سرقة قاعدة البيانات هذه، لن يتمكن أي فاعل خبيث من استنتاج كلمة مرور أي مستخدم من التجزئة وحدها.

يعد التحقق من صحة المعلومات المرسلة والمستلمة وظيفة مهمة للتشفير المستخدم لإجراء جميع أنواع الأعمال، والذي أصبح ممكنًا باستخدام التوقيعات الرقمية. من خلال التشفير غير المتماثل، يمكن تعديل المستندات بتوقيعات رقمية، والتي لا يمكن إنشاؤها إلا باستخدام مفتاح خاص. يمكن لمتلقي المستندات الموقعة رقميًا استخدام المفتاح العام للمرسل للتحقق من صحة التوقيع والتأكد من أن المستند لم يتم التلاعب به أثناء الإرسال.

عدم التنصل هو مفهوم قانوني يضمن صحة الرسائل المستلمة ويمنع المرسل من إنكار صحة أي رسالة مرسلة معينة. تعتبر التوقيعات الرقمية عنصراً حاسماً في عدم التنصل، حيث أنها تثبت أن المرسل وليس أي شخص آخر هو من وقّع على الرسالة أو المستند. يوفر عدم التنصل الذي يدعمه التشفير، على النحو الذي تحدده بروتوكولات سلامة البيانات والتوقيعات الرقمية، إطار عمل قابل للتطبيق للتحقق من المفاوضات والعقود الملزمة قانونًا وأنواع أخرى من التعاملات القانونية والأعمال التجارية.

يعد تبادل المفاتيح أحد المكونات الرئيسية للاتصالات الآمنة، وهو عنصر رئيسي في الاتصالات الآمنة، وجانب حاسم في إنشاء اتصال آمن، خاصة في أنظمة التشفير غير المتماثلة. يلعب التشفير دورًا قيّمًا في هذه الخطوة الأولية أيضًا. تُعد خوارزمية Diffie-Hellman لتبادل المفاتيح علامة بارزة في تطوير التشفير بالمفتاح العام، حيث تسمح لطرفين بتبادل مفاتيح التشفير بأمان عبر قناة غير آمنة. تضمن هذه الطريقة أنه حتى لو اعترض أحد المتنصتين حوار تبادل المفاتيح، فلن يتمكن من فك تشفير مفاتيح التشفير التي يتم تبادلها. من خلال التشفير، تسمح خوارزميات مثل بروتوكول تبادل المفاتيح Diffie-Hellman للأطراف بإنشاء اتصالات آمنة من خلال تشفير المفتاح العام، دون الحاجة إلى تبادل مفاتيح بديلة تم إنشاؤها مسبقًا ويحتمل أن تكون ضعيفة.

ومن السمات المميزة للويب 2.0 (وما بعده)، تسمح قابلية التشغيل التعاوني بين التطبيقات للعديد من التطبيقات وخدمات الويب بسحب البيانات من داخل أنظمتها البنائية الافتراضية المعزولة الخاصة بها، مما يتيح وظائف موسعة بشكل كبير لجميع أنواع التطبيقات—من تضمين منشورات وسائل التواصل الاجتماعي في المقالات الإخبارية إلى مشاركة تحليلات الأنظمة الهامة في لوحات المعلومات التشغيلية المتقدمة.

تُعرف هذه الأنظمة باسم واجهات برمجة التطبيقات (APIs)، وهي مصممة لتسهيل الاتصال عبر البرامج، ويضمن التشفير أن تظل هذه البيانات الحساسة محمية من التنصت أو التلاعب المتطفل، ما يضمن أن الأطراف المخوّلة فقط هي التي يمكنها الوصول إلى المعلومات. وغالبًا ما تُستخدم مفاتيح واجهة برمجة التطبيقات والرموز المميزة إلى جانب التشفير لحماية البيانات الحساسة المتبادلة بين التطبيقات، خاصةً في الحالات التي يكون فيها الأمن أكثر أهمية، مثل الأشغال العامة والبنية التحتية.

يشكل ظهور حوسبة Quantum تهديدًا كبيرًا لمنهجيات التشفير الحالية وأنظمة ا الأمن السيبراني . صُممت معظم أنظمة التشفير الحديثة لتتحمل القدرة الحاسوبية المحتملة للحواسيب التقليدية، والتي تتطلب ببساطة مئات إلى مئات الآلاف من السنين لمهاجمة خوارزميات التشفير الحالية بنجاح. ومع ذلك، يمكن لحواسيب Quantum أن تزيد من قوة الحواسيب الحالية بأضعاف ما هي عليه اليوم، ما يقلل من الوقت الذي يستغرقه فك أقوى مفاتيح التشفير من آلاف السنين إلى ثوانٍ معدودة.

في حين أن معظم خوارزميات التشفير الحديثة لن تكون قادرة على الصمود في وجه الهجمات النظرية لحاسوب Quantum، يستجيب علماء التشفير لهذه الثغرات بتطوير تقنيات تشفير مقاومة للكم . تتعدد حالات استخدام التشفير المقاوم للكم وما بعد التشفير الكمي كما تتعدد حالات استخدام التشفير بشكل عام. على الرغم من أن حوسبة Quantum لا تزال في مراحل النماذج الأولية في أفضل الأحوال، فإن معظم علماء الكمبيوتر يتفقون على أن الاختراقات الكبيرة التي ستحدث خلال السنوات العشر إلى الخمسين القادمة ستجعل تطوير التشفير المقاوم للكم أمرًا بالغ الأهمية مثل حوسبة Quantum نفسها.

تقنية سلسلة الكتل تعتمد بشكل كبير على التشفير لضمان أمان وعدم قابلية تغيير جميع المعاملات والتحديثات التي تتم على السلسلة. تستخدم العملات الرقمية المشفرة مثل البيتكوين خوارزميات التشفير لتعدين وسك عملات جديدة، بينما تعمل دوال التجزئة المشفرة على تأمين سلامة الكتل في السلسلة. عند إجراء المعاملات، يتم استخدام تشفير المفتاح العام لإنشاء التوقيعات الرقمية والتحقق منها. تشمل تقنية سلسلة الكتل معظم المبادئ الأساسية للتشفير، وتستخدم التشفير لإنشاء نظام بنائي غير موثوق به حيث يمكن المصادقة على جميع الإجراءات والتحقق منها بسهولة.

تجمع حلول التشفير من IBM بين التكنولوجيا المتطورة والاستشارات وتكامل الأنظمة وخدمات الأمن المُدارة للمساعدة في ضمان مرونة التشفير والسلامة الكمّية والحوكمة القوية وسياسات المخاطر. من التشفير المتماثل إلى التشفير غير المتماثل إلى وظائف التجزئة وما بعد ذلك، تأكد من أمان البيانات والكمبيوتر المركزي باستخدام تشفير شامل مصمم خصوصًا لتلبية احتياجات عملك.