ما هي خوارزمية تشفير المنحنى الإهليلجي ECC
برزت الحاجة الماسة إلى آليات أمنية قادرة على حماية البيانات بكفاءة عالية. خوارزمية التشفير باستخدام المنحنى الإهليلجي (ECC) ترسخ مكانتها كواحدة من أهم هذه الآليات.
تُعتبر ECC نقلة نوعية في عالم التشفير، وذلك بفضل مفاتيحها الأقصر وقدراتها الحسابية الخفيفة، مما يجعلها الخيار المثالي للأجهزة المحمولة والتطبيقات التي تتطلب معايير أمان عالية.
في هذه المقالة، سوف نستكشف كيف تعمل خوارزمية ECC، ولماذا تُعد ابتكارًا بارزًا في مجال أمن المعلومات عبر هذه الفقرات:
- ما هي خوارزمية التشفير ECC؟
- ما طبيعة التوقيع الرقمي باستخدام المنحنى الإهليلجي؟
- ما الفرق بين خوارزمية التشفير ECC و RSA؟
- ما هي مزايا ECC؟
- ما هي عيوب ECC؟
- ما هي درجة الأمان التي يقدمها تشفير المنحنى الإهليلجي؟
ما هي خوارزمية التشفير ECC؟
يشمل تشفير المنحنى الإهليلجي (ECC) استخدام تقنية مبنية على المفاتيح من أجل التشفير الآمن للبيانات، حيث ترتكز هذه التقنية بشكل خاص على استخدام أزواج المفاتيح العامة والخاصة لعمليتي التشفير وفك التشفير لبيانات حركة الويب.
غالبًا ما يتم ذكر ECC ضمن إطار نقاش خوارزمية التشفير Rivest-Shamir-Adleman (RSA) . و التي توفر طريقة تشفير أحادية الاتجاه للعديد من العناصر مثل رسائل البريد الإلكتروني والبيانات والبرامج، معتمدةً في ذلك على عمليات التحليل الأولي للأعداد.
تقنية ECC وسيلة قوية للتشفير
تعتبر تقنية ECC البديلة لـ RSA وسيلة قوية للتشفير حيث تولد الأمان من خلال استخدام رياضيات المنحنيات الإهليلجية لتشفير المفتاح العام.
تستخدم RSA أيضًا أعدادًا أولية لتحقيق شيء مشابه، ولكن شعبية ECC قد زادت مؤخرًا بسبب صغر حجم مفتاحها وقدرتها الكبيرة على الحفاظ على الأمان.
و تظهر الإشارات أن هذا الاتجاه سيتواصل مع تنامي الحاجة للأجهزة إلى الحفاظ على أمانها بالتزامن مع زيادة أحجام المفاتيح واعتمادها على موارد الهواتف المحمولة التي قد تكون محدودة. لهذا، يعد فهم تشفير المنحنى الإهليلجي ضروريًا في السياق الحالي.
على عكس RSA، تعتمد ECC في منهجها لأنظمة التشفير بالمفتاح العام على الهيكل الجبري للمنحنيات الإهليلجية على الحقول المحدودة. وهكذا، تنتج ECC مفاتيح يصعب كسرها رياضيًا، مما يجعلها أكثر أمانًا من RSA وتعتبر الجيل التالي من تطبيقات تشفير المفتاح العام.
من المنطقي أيضًا أن تُعتمد ECC للحفاظ على مستويات مرتفعة من الأداء والأمان
- إذ تستخدم بشكل متزايد وموسع كوسيلة تهدف المواقع الإلكترونية من خلالها لتعظيم مستوى أمان بيانات العملاء
- وفي ذات الوقت تحسين التوافق مع أجهزة الهاتف المحمول.
إن استخدام المزيد من المواقع لـ ECC في تأمين البيانات يزيد من الحاجة إلى هذا النوع من الإرشادات السريعة لتشفير المنحنى الناقص.
والمنحنى الإهليلجي الذي نستخدمه حاليًا في ECC هو عبارة عن منحنى مستوي يتوضع فوق حقل محدود يتألف من نقاط تُحقق المعادلة: y² = x³ + ax + b.
وتحت هذا النموذج، يُمكن عكس أي نقطة من نقاط المنحنى حول المحور السيني وسيبقى المنحنى ثابتًا دون تغير. وأي خط غير رأسي سيلتقي بالمنحنى في مكانين أو ثلاثة كحد أقصى.
ما طبيعة التوقيع الرقمي باستخدام المنحنى الإهليلجي؟
يتيح التوقيع الرقمي باستخدام المنحنى الإهليلجي (ECDSA) استعمال مفاتيح التشفير باستخدام منحنيات إهليلجية لضمان أصالة المستخدمين وأمان المعاملات.
وعلى الرغم من أن هذه الخوارزمية توفر وظائف مماثلة لما تتيحه خوارزميات التوقيع الرقمي الأخرى، إلا أنها تتميز بالاعتماد على المفاتيح الصغيرة المميزة للمنحنيات الإهليلجية، مما يجعلها أكثر كفاءة.
ما هي استخدامات تشفير المنحنى الإهليلجي؟
يُعتبر تشفير المنحنى الإهليلجي أحد الأدوات المفضلة في تطبيقات التوقيعات الرقمية خاصةً في مجال العملات المشفرة.
يستخدم كل من البيتكوين و الإيثريوم خوارزمية ECDSA على نحو خاص في التوقيع على المعاملات.
ولكن لا يقتصر استعمال ECC على مجال العملات الرقمية فقط، بل هو معيار تشفير يُرجح أن تتبناه العديد من تطبيقات الويب في المستقبل بفضل حجم مفاتيحه الأقل وكفاءته العالية.
آلية استخدام تشفير المنحنى الإهليلجي؟
يقدم برنامج توازن الحمل من VMware NSX Advanced Load Balancer حلًا يدعم تشفير ECC بصورة جيدة.
يقدم دعمًا كاملًا لإنهاء تشفير حركة مرور HTTPS من خلال بروتوكولات SSL وTLS، ويتضمن الدعم الشامل لـ SSL/TLS كلًا من مفاتيح RSA و ECC دون الاعتماد على أية أجهزة متخصصة.
يُمكن الاطلاع على مزيد من التفاصيل حول استعمال المنحنيات الإهليلجية مقابل شهادات RSA في وثائق VMware NSX Advanced Load Balancer.
ما الفرق بين خوارزمية التشفير ECC و RSA؟
يظهر الفرق في حجم مقابل الفائدة الأمنية بين مفاتيح RSA و ECC بشكل واضح. الجدول التالي يقدم مقارنة بأحجام المفاتيح الضرورية لتقديم مستوى متماثل من الأمان.
بطريقة أخرى، يوفر مفتاح 384 بت في تشفير المنحنى الإهليلجي نفس مستوى الأمان الذي يقدمه مفتاح RSA بحجم 7680 بت.
أطوال مفاتيح RSA بالبت
- 1024
- 2048
- 3072
- 7680
- 15360
أطوال مفاتيح ECC بالبت
- 160
- 224
- 256
- 384
- 521
لا توجد علاقة مباشرة في الأحجام بين مفاتيح ECC و RSA. هذا يعني أن تضاعف حجم مفتاح RSA لا يتبعه ضعف حجم مفتاح ECC.
وهذا الاختلاف يُقدم دليلاً قاطعاً على أن إنشاء مفاتيح ECC والتوقيع بها يكون أسرع بكثير من RSA، وأيضاً أن ECC تستهلك ذاكرة أقل.
بالإضافة إلى ذلك، وبخلاف RSA حيث يمكن أن يكون كل من المفتاح الخاص والعام عبارة عن أرقام صحيحة، في ECC لا يمكن أن تكون المفاتيح الخاصة والعامة متبادلة بالشكل ذاته. بدلاً من ذلك، يُمثّل المفتاح العام في ECC نقطة على منحنى، بينما يظل المفتاح الخاص عدد صحيح.
المقارنة السريعة بين مزايا وعيوب ECC مقابل RSA تبدو على النحو التالي:
تتفوق ECC بأحجام أصغر للنصوص المشفرة والمفاتيح والتوقيعات، وكذلك بإنشائها الأسرع للمفاتيح والتوقيعات. سرعاتها في التشفير وفك التشفير سريعة جدًا.
ECC تستطيع أيضًا التمكين لأوقات استجابة أقصر عن طريق حساب التوقيعات بمرحلتين. تتميز خوارزمية ECC ببروتوكولات قوية لتبادل المفاتيح المصادق عليها وتحظى بدعم تكنولوجي قوي.
أما العيب الأساسي لـ ECC يكمن في صعوبة تنفيذها الآمن. بالمقارنة مع RSA، والذي يُعدّ أبسط في عمليتي التحقق والتشفير، ECC فيها أعقَد وتحتاج إلى وقت أطول بعض الشيء للخروج بنتائج فعّالة.
رغم ذلك، العقبات التي يواجهها RSA ستظهر جلية مع الزمن. يتم إنشاء المفاتيح بشكل بطيء في RSA، وأيضًا عمليتي التشفير والتوقيع، التي قد لا تكون دائماً سهلة الأداء بالأمان المطلوب.
ما هي مزايا ECC؟
خوارزميات تشفير المفتاح العام تقوم بتنفيذ عمليات يسهُل تطبيقها في اتجاه واحد بينما يكون صعباً عكسها. على سبيل المثال، يعتمد RSA على مبدأ أن ضرب عددين أوليين يُنتج عدداً أكبر يكون من السهل حسابه، بينما يُشكل تفكيك العدد الكبير إلى الأعداد الأولية الأصلية تحديًا أصعب بكثير.
لكن لضمان بقاء RSA آمناً، يجب استخدام مفاتيح بأحجام تبدأ من 2048 بت فما فوق، مما يجعل العمليات بطيئة ويجعل من حجم المفتاح عاملاً مهماً.
يُعتبر الحجم مزية رئيسية لتشفير المنحنى الناقص لأنه ينعكس في استهلاك طاقة أقل للأجهزة المتنقلة الصغيرة.
خوارزمية تشفير المنحنى الإهليلجي ECC توفر بساطة أكبر وتتطلب طاقة أقل لعمليات التحليل مقارنةً بمسألة اللوغاريتمات المتقطعة للمنحنيات البيضاوية. وبذلك يكون تشفير التسلسل الخاص بـ RSA أكثر عرضة للمخاطر لمفاتيح بحجم متماثل.
مع ECC يُمكن تحقيق مستوى الأمان نفسه باستخدام مفاتيح أصغر في الحجم. في عالم تحتاج فيه الأجهزة المتنقلة إلى أداء مزيد من العمليات التشفيرية بقدرات حسابية محدودة، تؤمن ECC حماية عالية بمفاتيح تتميز بكونها أسرع وأقصر من مفاتيح RSA.
نقاط ضعف محتملة لتشفير المنحنى الإهليلجي (ECC)
على الرغم من كونه خيارًا قويًا للأمان ، إلا أن خوارزمية تشفير المنحنى الإهليلجي ECC ليس خاليًا من الثغرات المحتملة. تشمل بعض نقاط الضعف الرئيسية ما يلي:
هجمات القناة الجانبية
تستغل هجمات القناة الجانبية المعلومات المسربة من تنفيذ خوارزمية التشفير لكشف معلومات سرية ، مثل المفاتيح الخاصة. في ECC ، يمكن أن تشمل هذه المعلومات التسريبات توقيت العمليات أو استهلاك الطاقة.
أنواع هجمات القناة الجانبية على ECC
- هجمات القوة التفاضلية: تحلل هذه الهجمات الاختلافات في التوقيت أو استهلاك الطاقة لعمليات التشفير المختلفة لاستنتاج معلومات حول المفتاح الخاص.
- التحليلات الخاطئة: تستغل هذه الهجمات الأخطاء في تنفيذ ECC لكشف معلومات حول المفتاح الخاص.
- هجمات الطاقة البسيطة: تقيس هذه الهجمات استهلاك الطاقة لعمليات التشفير المختلفة لاستنتاج معلومات حول المفتاح الخاص.
- هجمات التوقيت البسيطة: تقيس هذه الهجمات وقت تنفيذ عمليّات التشفير المختلفة لاستنتاج معلومات حول المفتاح الخاص.
التخفيف من هجمات القناة الجانبية
- استخدام تقنيات التعمية: يمكن استخدام تقنيات مثل التعمية الثابتة أو التعمية الديناميكية لإخفاء المعلومات المسربة من تنفيذ ECC.
- التصميم الدقيق للأجهزة: يمكن تصميم الأجهزة المقاومة لهجمات القناة الجانبية لمنع تسريب المعلومات الحساسة.
- ممارسات البرمجة الآمنة: يمكن استخدام ممارسات البرمجة الآمنة لتقليل مخاطر الأخطاء التي يمكن استغلالها من قبل هجمات التحليلات الخاطئة.
هجمات الأمان المتعرج
تستهدف هجمات الأمان المتعرج نقاط الضعف في اختيار معلمات ECC ، مثل منحنى الإهليلجي أو معلمات التشفير. يمكن أن تؤدي هذه الهجمات إلى استرداد المفتاح الخاص للضحية.
أنواع هجمات الأمان المتعرج على ECC
- هجمات المنحنيات غير المؤكدة: تستغل هذه الهجمات المنحنيات الإهليلجية التي تحتوي على نقاط ضعيفة رياضية تجعل من السهل استرداد المفتاح الخاص.
- هجمات مجموعات فرعية صغيرة: تستغل هذه الهجمات مجموعات فرعية صغيرة من نقاط المنحنى الإهليلجي لكشف معلومات حول المفتاح الخاص.
التخفيف من هجمات الأمان المتعرج
- اختيار معلمات ECC بعناية: يجب اختيار معلمات ECC بعناية للتأكد من أنها مقاومة لهجمات الأمان المتعرج.
- استخدام بروتوكولات التشفير القوية: يمكن استخدام بروتوكولات التشفير القوية ، مثل بروتوكول التشفير المتكامل (ECIES) ، لتقليل مخاطر هجمات الأمان المتعرج.
- المتابعة المستمرة لأبحاث ECC: من المهم متابعة أحدث أبحاث ECC لضمان استخدام معلمات آمنة.
على الرغم من نقاط الضعف المحتملة ، إلا أن ECC لا يزال خيارًا قويًا للأمان. من خلال اتخاذ خطوات للتخفيف من هذه المخاطر ، يمكن استخدام ECC لحماية البيانات الحساسة بشكل فعال.
ما هي درجة الأمان التي يقدمها تشفير المنحنى الإهليلجي؟
كما ذكرنا توجد عدة نقاط ضعف محتملة في تشفير المنحنى الإهليلجي، بما في ذلك هجمات القناة الجانبية وهجمات الأمان المتعرج. هدف هذه الأنماط من الهجمات هو اختراق أمان ECC المُتعلق بالمفاتيح الخاصة.
هجمات القناة الجانبية عادةً ما تتمثل في هجمات القوة التفاضلية، التحليلات الخاطئة، هجمات الطاقة البسيطة، وهجمات التوقيت البسيطة، وقد تؤدي لتسرب المعلومات. تُوجد لهذه الأنواع من الهجمات إجراءات مضادة بسيطة.
نوع آخر من الهجمات على المنحنى الإهليلجي هو ما يُعرف بالهجوم الأمني المتعرج أو المختل.
قد تتضمن هذه الهجمات استعمال منحنيات غير مؤكدة أو هجمات من مجموعات فرعية صغيرة، الأمر الذي قد يؤدي إلى كشف المفتاح الخاص للضحية.
عادةً ما يتم منع هجمات الأمان المتعرجة بفحص دقيق لصلاحية المعلمات وباختيار المنحنى بعناية.
مع ذلك، رغم وجود تقنيات متعددة لاستهداف ECC، تظل الميزات التي يقدمها تشفير المنحنى الإهليلجي للأمن اللاسلكي سبباً يجعله الخيار الأفضل لأكثر البيئات أماناً.
في الختام:
نُدرك كيف أن خوارزمية ECC قد شكلت طفرة في مساحة أمان البيانات وتبادل المعلومات.
برغم كل التحديات التي قد تطرأ مع تقدم التكنولوجيا والتهديدات الأمنية الجديدة، تثبت ECC يوماً بعد يوم أنها وسيلة تشفير راسخة تُلبي حاجات اليوم وتنظر بعين الاعتبار إلى مستقبل قد يكون ملىء بالتعقيدات.
من خلال قدرتها على توفير حماية موثوقة مع استخدام أقل قدر من الموارد، لا شك أن ECC ستُحافظ على مكانتها كأحد الركائز الأساسية في معمار الأمان السيبراني لسنوات قادمة.
اقرأ أيضًا:
ما هو معيار تشفير البيانات DES ؟!
ما هو معيار التشفير المتقدم AES
خوارزمية السمكة المنتفخة Blowfish