Session Key Driven Symmetric Substitution Cipher Design Implementation and Security

في العالم الرقمي، يعتمد الحفاظ على سرية الرسائل عادةً على سر مشترك بين المرسل والمستقبل. يُعرف هذا بالتشفير المتماثل، حيث يستخدم نفس المفتاح لقفل وفك تشفير البيانات. إنه العمود الفقري للأمن الحديث، ويُستخدم لحماية كل شيء من التحويلات المصرفية إلى الدردشات الخاصة، وذلك لأنه سريع للغاية مقارنة بالطرق الأخرى. ومع ذلك، غالبًا ما تأتي السرعة على حساب التنازلات: فالطرق القديمة والأبسط لتشفير النصوص يمكن أحيانًا كسرها من خلال تحليل مدى تكرار ظهور أحرف معينة، وهي تقنية تُسمى "تحليل التردد". ومع زيادة سرعة أجهزة الكمبيوتر وتطور التهديدات، يبحث الباحثون باستمرار عن طرق لجعل أنظمة الأسرار المشتركة السريعة هذه أكثر قوة دون إبطائها. الهدف هو إنشاء قفل يكون سريع الاستخدام وفي الوقت نفسه مستحيل الكسر، حتى من قبل الآلات المدربة على إيجية الأنماط.

صمم فريق من الباحثين في معهد "جي بي بانت" للهندسة والتكنولوجيا في الهند طريقة جديدة لتشفير النصوص تهدف إلى حل هذا التوازن. لقد صمموا نظامًا يمزج بين فكرتين: تغيير الحروف بناءً على رقم سري، وإزاحتها بناءً على موقعها في الجملة. تخيل الرسالة كصف من الأشخاص؛ فبدلاً من مجرد تبديل ملابسهم، تخبرهم هذه الطريقة أيضًا بالتحرك إلى مكان جديد في الصف بناءً على موقعهم الأصلي. "الرقم السري" هو مفتاح الجلسة، وهو عبارة عن سلسلة من الأرقام يتم مشاركتها فقط بين الشخصين المتواصلين. قام الباحثون ببناء برنامج حاسوبي يأخذ هذا المفتاح، ويجمع أرقامه لإنشاء قيمة واحدة، ثم يستخدم تلك القيمة لتعديل كل حرف في الرسالة. ومن الأهمية بمكان أن مقدار تغيير الحرف يعتمد على مكانه في الجملة، مما يعني أن الحرف الأول يُعامل بشكل مختلف عن الثاني، حتى لو كان الرقم السري هو نفسه. صُمم هذا النهج لكسر الأنماط الطبيعية للغة بحيث لا يمكن لراسم الشفرة ببساطة عد كم مرة ظهر حرف "e" لتخمين الرسالة.

لاختبار مدى فعالية هذه الفكرة، أجرى الفريق آلاف عمليات المحاكاة على معالج حاسوبي قياسي. قاموا بتغذية النظام برسائل ذات أطوال وأنواع متفاوتة، من الجمل البسيطة إلى سلاسل المعرفات المعقدة، وقاسوا الوقت الذي استغرقه تشفير وفك تشفير هذه الرسائل. أظهرت النتائج أن النظام سريع بشكل ملحوظ. وسواء كانت الرسالة قصيرة أو طويلة، ظل الوقت المستغرق لتشفير أو فك تشفير البيانات منخفضًا باستمرار، وغالبًا ما يستغرق أقل من ميلي ثانية واحدة. يشير هذا إلى أن الطريقة تتوسع بشكل جيد، مما يعني أنها تستطيع التعامل مع كميات كبيرة من البيانات دون أن تصبح بطيئة. وعندما نظر الباحثون في المخرجات المشفرة، وجدوا أن الأنماط المعتادة للغة قد اختفت. في الجملة العادية، تظهر بعض الحروف بمعدل أكبر بكثير من غيرها، مما يخلق شكلاً متوقعًا من "التلال والوديان" في رسم بياني لتكرار الحروف. أما في الرسائل المشفرة، فقد اختفى هذا الشكل، وحل محله توزيع مسطح وعشوائي حيث يظهر كل حرف باحتمالية متساوية تقريبًا. وهذا يجعل من الصعب للغاية على الهجمات التقليدية إيجاد موطئ قدم.

اختبر الباحثون أيضًا موثوقية النظام من خلال إتلاف أجزاء من الرسالة المشفرة عمدًا، لمحاكاة ما قد يحدث إذا تعرضت الإشارة للفساد أثناء النقل. وحتى مع وجود هذه الأخطاء، تمكن النظام من الحفاظ على معدل استعادة هيكلية بنسبة 88% دون أن تصبح الرسالة بأكملها مشوهة. يشير هذا إلى أن الطريقة قوية ولا تعاني من "تأثير الدومينو" حيث يمكن لخطأ صغير واحد أن يفسد الملف بأكمله. ومع ذلك، حددت الدراسة أيضًا نقطة ضعف محتملة في كيفية توليد المفاتيح السرية. لاحظ الفريق أن بعض تركيبات أرقام المفاتيح كانت أكثر شيوعًا من غيرها، مما خلق انحيازًا طفيفًا. وتحديدًا، أظهر توزيع قوة المفتاح ذروة قوية عند قيمة مجموع المفتاح 15، مما يعني أن المفاتيح ذات هذه القوة المحددة كانت أكثر وفرة بكثير من غيرها. إذا عرف المهاجم هذا الانحياز، فقد يتمكن من تخمين المفتاح بسهية أكبر. ويقر المؤلفون بذلك ويقترحون أن النسخ المستقبلية من النظام تحتاج إلى ضمان توليد المفاتيح بطريقة متوازنة تمامًا لتعظيم الأمن.

لفهم مدى أداء هذا النظام، طبق الباحثون أيضًا أدوات تعلم آلي حديثة، وهي برامج حاسوبية مصممة لإيجاد الأنماط في البيانات. قاموا بتدريب نوعين مختلفين من نماذج التعلم للتنبؤ بالوقت الذي سيستغرقه التشفير بناءً على حجم الرسالة ونوع المفتاح. أحد النماذج، المعروف باسم "آلة ناقلات الدعم" (Support Vector Machine)، واجه صعوبة في تقديم تنبؤات دقيقة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن العلاقة بين المدخلات والوقت المستغرق كانت معقدة للغاية بالنسبة لبنيته البسيطة. في المقابل، نجح نموذج أكثر تقدمًا يسمى "الغابة العشوائية" (Random Forest)، والذي يعمل من خلال بناء العديد من أشجار القرار الصغيرة، في التنبؤ بالأداء بدقة 100% في مهمة محددة لتصنيف فئات زمن التنفيذ. تشير هذه النتيجة إلى أنه بينما تعد طريقة التشفير نفسها فعالة، فإن فهم سلوكها في السيناريوهات الواقعية قد يتطلب أدوات ذكية ومتطورة بدلاً من التخمينات الإحصائية البسيطة.

تخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة الجديدة تقدم بديلًا واعدًا لتأمين البيانات في التطبيقات التي تعمل في الوقت الفعلي، مثل تلك الموجودة في "إنترنت الأشياء" أو "حوسبة الحافة"، حيث تعد السرعة وانخفاض استهلاك الطاقة أمرين حاسمين. ومن خلال الجمع بين مفتاح سري ديناميكي وإزاحة قائمة على الموقع، يخلق النظام حاجزًا يقاوم هجمات مطابقة الأنماط الشائعة مع الحفاظ على سرعة تضاهي أسرع الطرق الموجودة. ويؤكد الباحثون أنه بينما التصميم الحالي فعال للغاية، فإن الخطوة التالية هي تحسين عملية توليد المفاتيح للقضاء على الانحيازات المرصودة. وإذا تم إجراء هذه التحسينات، يمكن للنظام أن يوفر طريقة خفيفة الوزن وآمنة وسريعة لحماية المعلومات في عالم يزداد اتصالاً.