الأهداف التعليمية للوحدة
🧱 بنية تشفير الكتل
المفهوم الأساسي
تشفير الكتل يعمل على معالجة البيانات على شكل مجموعات ثابتة الحجم (كتل) بدلاً من معالجة البتات بشكل فردي. كل كتلة تشفر بشكل مستقل أو مرتبط بالكتل السابقة.
الخصائص الرئيسية:
- حجم كتلة ثابت (64 بت، 128 بت، إلخ)
- معالجة البيانات بشكل مجمع
- مناسب لتخزين البيانات والملفات
- أكثر أماناً من التشفير المتدفق في معظم التطبيقات
رسم توضيحي لمعالجة البيانات في تشفير الكتل
مقارنة: التشفير المتدفق vs تشفير الكتل
| المعيار | التشفير المتدفق | تشفير الكتل |
|---|---|---|
| طريقة المعالجة | بت واحد في كل مرة | مجموعات ثابتة من البيانات |
| حجم البيانات | غير محدد | ثابت (64/128/256 بت) |
| الاستخدام الأمثل | الاتصالات اللحظية والوسائط | تخزين البيانات والملفات |
| حساسية الأخطاء | عالية - يؤثر على البتات التالية | منخفضة - يقتصر على الكتلة الحالية |
| الأداء | أسرع في الأجهزة البسيطة | أسرع في الأجهزة المتوازية |
أوضاع التشغيل (Modes of Operation)
ECB - Electronic Codebook
كل كتلة تشفر بشكل مستقل - غير آمن للنمط المتكرر
CBC - Cipher Block Chaining
كل كتلة تعتمد على سابقتها - أكثر أماناً
CFB - Cipher Feedback
يحول تشفير الكتل إلى تشفير متدفق
OFB - Output Feedback
يولد تيار مفتاح مستقل عن النص المشفر
ملاحظة هامة
وكالة الأمن القومي NSA توصي بعدم استخدام ECB لأنه يُظهر أنماط البيانات المتكررة!
🔐 معيار تشفير البيانات DES
الخلفية التاريخية
تم تطوير DES بواسطة IBM في السبعينات واعتماده كمعيار فيدرالي أمريكي عام 1977. كان يمثل ثورة في عالم التشفير المتماثل.
1970
IBM تطور خوارزمية Lucifer
1977
اعتماد DES كمعيار فيدرالي
1999
كسر DES في 22 ساعة
2002
اعتماد AES كبديل
المواصفات الفنية
حجم الكتلة
64 بت
حجم المفتاح
56 بت
عدد الجولات
16 جولة
بنية الخوارزمية
فايستل
مكونات DES الأساسية
IP - التبديل الأولي
إعادة ترتيب بتات الكتلة قبل بدء الجولات
S-boxes
8 صناديق استبدال غير خطية للارتباك
P-boxes
جداول النقل لنشر تأثير البتات
مولد المفاتيح
إنشاء 16 مفتاح فرعي من المفتاح الرئيسي
بنية فايستل
تقسيم البيانات إلى L و R لكل جولة
IP⁻¹ - التبديل النهائي
عكس التبديل الأولي للحصول على الناتج
بنية فايستل الشبكية
L₀ (32-bit) R₀ (32-bit)
│ │
│ ├─────────────┐
│ │ │
▼ ▼ ▼
XOR ←────────────── f(R₀, K₁) K₁
│ │ │
│ │ │
▼ ▼ │
L₁ = R₀ R₁ = L₀ ⊕ f(R₀, K₁)
تمثيل مبسط لجولة واحدة في بنية فايستل
🔍 مثال تطبيقي على DES
عملية تشفير DES خطوة بخطوة
الخطوة 1: التبديل الأولي (IP)
إعادة ترتيب البتات الـ 64 وفق جدول IP ثابت:
النص الأصلي: 0123456789ABCDEF (hex)بعد IP: 14A7D67818CA18AD (مثال)
الخطوة 2: التقسيم إلى L₀ و R₀
تقسيم الكتلة إلى نصفين 32 بت لكل منهما:
14A7D678
18CA18AD
الخطوة 3: الجولة الأولى
تطبيق دالة f على R₀ باستخدام المفتاح K₁:
توسيع + XOR مع المفتاح + S-boxes + تبديل
133457799BBCDFF1
الخطوة 4: S-boxes (صناديق الاستبدال)
8 صناديق تحويل 6 بت إلى 4 بت:
الخطوة 5: التبديل النهائي (IP⁻¹)
بعد 16 جولة، يتم تطبيق التبديل النهائي:
النص المشفر: 85E813540F0AB405 (مثال)
🛡️ قوة DES وتقييم الأمان
نقاط القوة الأصلية
الارتباك والانتشار
S-boxes توفر ارتباكاً عالياً، وP-boxes توفر انتشاراً جيداً
مقاومة الهجمات المعروفة
صمم لمقاومة التحليل التفاضلي والخطي
البنية القوية
16 جولة توفر أماناً كافياً في زمنه
نقاط الضعف
حجم المفتاح الصغير
56 بت = 2⁵⁶ احتمال ≈ 72 مليون مليون مفتاح
هجوم القوة الغاشمة
يمكن كسره في ساعات بأجهزة حديثة
هجمات متخصصة
هجمات التفاضلية والخطية أصبحت ممكنة
تحليل هجوم القوة الغاشمة
| العام | الوقت المستغرق | التكلفة | التقنية |
|---|---|---|---|
| 1997 | 96 يوم | مشروع عام | أجهزة موزعة |
| 1998 | 56 ساعة | $250,000 | جهاز متخصص |
| 1999 | 22 ساعة | $250,000 | أجهزة متعددة |
| 2006 | 9 أيام | $10,000 | FPGA |
| 2012 | ساعات | أقل من $1,000 | GPU متطور |
مقارنة: DES vs AES
| العنصر | DES | AES |
|---|---|---|
| سنة الإصدار | 1977 | 2001 |
| بنية الخوارزمية | Feistel | Substitution–Permutation |
| حجم الكتلة | 64 بت | 128 بت |
| حجم المفتاح | 56 بت | 128/192/256 بت |
| عدد الجولات | 16 | 10/12/14 |
| مستوى الأمان | منخفض حالياً | قوي جداً |
| الحالة الحالية | غير موصى به | معيار عالمي |
🏗️ مبادئ تصميم تشفير الكتل
بنية فايستل
تقسيم البيانات إلى نصفين وتطبيق دوال غير قابلة للعكس مع إمكانية عكس العملية باستخدام نفس المفاتيح.
الارتباك (Confusion)
إخفاء العلاقة بين المفتاح والنص المشفر باستخدام عمليات غير خطية مثل S-boxes.
الانتشار (Diffusion)
توزيع تأثير بتات النص الأصلي على أكبر عدد ممكن من بتات النص المشفر.
مقاومة الهجمات
التصميم لمقاومة الهجمات التفاضلية والخطية والجبريّة.
تصميم S-Boxes
خصائص S-Boxes الجيدة:
- غير خطية (لا تتبع نمطاً رياضياً بسيطاً)
- تكاملية (كل بت إخراج يعتمد على كل بتات الإدخال)
- مقاومة للهجمات التفاضلية
- مقاومة للهجمات الخطية
مثال S-Box (مبسط):
| الإدخال | 000 | 001 | 010 | 011 | 100 | 101 | 110 | 111 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| الإخراج | 110 | 010 | 001 | 100 | 011 | 000 | 111 | 101 |
أنواع الهجمات على تشفير الكتل
الهجوم التفاضلي
دراسة تأثير اختلافات النص الأصلي على النص المشفر
الهجوم الخطي
إيجاد علاقات خطية تقريبية بين النص الأصلي والمشفر
الهجوم الجبري
تمثيل الخوارزمية كنظام معادلات جبرية
هجوم القوة الغاشمة
تجربة جميع المفاتيح الممكنة