A Novel Memory-Efficient MitM Attack on Ascon-Hash
تقترح هذه الورقة هجوماً جديداً من نوع "اللقاء في المنتصف" (Meet-in-the-Middle) موفراً للذاكرة على خوارزمية Ascon-Hash ذات عدد جولات مخفض، والذي يستفيد من نمذجة إرضاء الصيغ المنطقية (SAT modeling)، وحذف غاوس (Gaussian elimination)، والتثليث (triangulation) لتقليل التعقيد الذاكري بشكل كبير مع الحفاظ على أفضل تعقيدات زمنية معروفة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في العالم الرقمي، يعتمد الأمن غالباً على توازن دقيق بين القوة والكفاءة. بالنسبة لمليارات الأجهزة الصغيرة التي تعمل بالبطاريات والتي تشكل إنترنت الأشياء — مثل المستشعرات في المصانع، والعدادات الذكية، وأجهزة المراقبة الطبية — تعد القدرة الحوسبية نادرة، والذاكرة أكثر ندرة. تحتاج هذه الأجهزة إلى أدوات تشفير قوية بما يكفي للحفاظ على سلامة البيانات، ولكنها خفيفة بما يكفي لتعمل دون استنزاف البطارية أو ملء شريحة صغيرة. وتعد "آسكون" (Ascon) حلاً رائداً لهذا التحدي، وهي عائلة من طرق التشفير والتلخيص (hashing) المصممة خصيصاً لهذه البيئات محدودة الموارد. ولضمان بقاء "آسكون" آمنة، يقوم الباحثون باستمرار باختبارها ضد هجمات متطورة، محاولين إيجاد أقصر طريق لكسر شفرتها. ومن أقوى الأدوات في هذه الترسانة هو هجوم "الالتقاء في المنتصف" (meet-in-the-middle)، وهو استراتيجية يعمل فيها المهاجم بشكل عكسي من النتيجة النهائية وبشكل أمامي من نقطة البداية، على أمل الالتقاء في المنتصف مع وجود تطابق. ومع ذلك، تطلبت هذه الاستراتيجية تقليدياً كمية هائلة من الذاكرة لتخزين ملايين الخطوات الوسيطة، وهو مطلب جعل الهجوم غير عملي للأجهزة ذات الموارد المحدودة التي صُممت "آسكون" لحمايتها.
لقد طور فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لتنفيذ هذا الهجوم تقلل بشكل كبير من الذاكرة المطلوبة، مما يجعل الاختبار أكثر واقعية للأنظمة خفيفة الوزن. في دراسة ركزت على دالة "آسكون-هاش" (Ascon-Hash)، أظهر المؤلفون أنه يمكنهم تنفيذ الهجوم على نسخة مخفضة من النظام باستخدام مساحة تخزين أقل بكثير مما كان يُعتقد سابقاً، دون التضحية بسرعة الحساب. ومن خلال التعامل مع المشكلة كأحجية معقدة من القيود المنطقية، وجدوا طريقة لتصفية البيانات غير الضرورية قبل أن تحتاج إلى التخزين. وتظهر أعمالهم أنه بالنسبة لنسخة من ثلاث جولات من عملية التلخيص، يمكن تقليل الذاكرة المطلوبة من تعقيد قدره 2^24 إلى 2^14. أما بالنسبة لنسخة من أربع جولات، فإن الانخفاض أكثر دراماتيكية، حيث ينخفض المتطلب من تعقيد قدره 2^34 إلى 2^12. لا يقتصر هذا الإنجاز على خفض تكلفة الهجوم فحسب؛ بل يوفر صورة أكثر حدة ودقة لمدى أمان "آسكون" حقاً عند مواجهة خصم ذي موارد محدودة.
بدأ الباحثون بالإقرار بأن المحاولات السابقة لكسر "آسكون" باستخدام أدوات البحث الآلي قد اصطدمت بحائط استخدام الذاكرة. وبينما أصبحت الحواسيب أسرع في إيجاد المسار الصحيح عبر التشفير، إلا أن العملية كانت لا تزال تتطلب من المهاجم الاحتفاظ بمكتبة ضخمة من النتائج الوسيطة في الذاكرة، تماماً مثل محاولة حل متاهة عن طريق تدوين كل منعطف تأخذه على ورقة منفصلة. إذا كانت المتاهة كبيرة بما يكفي، فستنفد منك الأوراق قبل أن تجد المخرج. أدرك الفريق أن المفتاح لحل هذه المشكلة لم يكن فقط في إيجاد المسار بشكل أسرع، بل في أن يكونوا أكثر ذكاءً فيما يدونونه. لقد استخدموا طريقة تسمى "حل مشكلة الإرضاء" (satisfiability solving)، وهي في الأساس طريقة تطلب من الكمبيوتر إيجاد مجموعة من الشروط التي تجعل عبارة منطقية معقدة صحيحة. سمح لهم ذلك برسم خريطة لنقاط محددة في عملية التشفير حيث يمكن للحسابات الأمامية والخلفية أن تلتقي محتملاً.
بمجرد رسم خريطة لنقاط الالتقاء المحتملة هذه، طبق الباحثون سلسلة من المرشحات الجبرية لتنقية البيانات. لاحظوا أن العديد من القيود التي تحكم التشفير يمكن فصلها إلى علاقات خطية بسيطة وأخرى غير خطية أكثر تعقيداً. كانت الأجزاء الخطية مباشرة؛ حيث يمكن تبسيطها باستخدام تقنيات رياضية قياسية لإزالة المعلومات الزائدة، مما يؤدي فعلياً إلى تقليص قائمة الاحتمالات التي يتعين على الكمبيوتر تتبعها. أما الأجزاء غير الخطية فكانت أكثر صعوبة، لكن الفريق طور طريقة لإعادة ترتيبها في شكل مثلثي، مما يسمح بحل متغيرات معينة بناءً على متغيرات أخرى. هذه العملية ألغت الحاجة إلى حساب وتخزين تلك المتغيرات المحددة صراحةً، مما قلل من بصمة الذاكرة بشكل أكبر.
جاء الابتكار الأكثر أهمية في كيفية تعاملهم مع القيود المعقدة المتبقية التي لا يمكن تبسيطها بسهولة. فبدلاً من تخزين كل نتيجة محتملة، استخدم الباحثون هذه القيود المتبقية لإنشاء "فهرس متبقٍ" (residual index)، وهو نوع من العلامات الرقمية أو الملصقات. وبينما كانوا يولدون قائمة المسارات الأمامية المحتملة، قاموا بتعيين علامة لكل منها بناءً على خصائصها المحددة. ومن الأهمية بمكان أنهم أدركوا أن المسار الخلفي لا يمكن أن يتطابق مع المسار الأمامي إلا إذا كانت علاماتهما متوافقة. وهذا يعني أن الكمبيوتر ليس بحاجة للاحتفاظ بكل مسار أمامي في الذاكرة؛ بل يحتاج فقط للاحتفاظ بالمسارات التي تحمل علامة يمكن للمسار الخلفي الوصول إليها. وفي التكوينات المحددة التي اختبروها، كان هذا الترشيح فعالاً للغاية لدرجة أنه قلص قائمة المسارات الأمامية الضرورية بأكملها إلى وعاء واحد صغير من البيانات.
كانت نتائج هذا النهج الجديد مذهلة. فعند تطبيقه على نسخة من ثلاث جولات من "آسكون-هاش"، حافظت الطريقة على نفس سرعة الهجمات السابقة ولكنها قللت متطلبات الذاكرة من تعقيد 2^24 إلى 2^14. وبالنسبة لنسخة الأربع جولات، كان الانخفاض أكثر عمقاً، حيث قلص الحاجة إلى الذاكرة من تعقيد 2^34 إلى 2^12 مقارنة بأفضل طريقة سابقة. تحقق الباحثون من أن هذا الترشيح القوي لم يتخلص بالخطأ من الحلول الصالحة؛ فقد تحققوا من أن البيانات المتبقية لا تزال تستوفي جميع القواعد الأصلية لنظام التشفير. تؤكد الدراسة أنه من خلال تحليل بنية التشفير بعناية وتطبيق هذه المرشحات المنطقية، من الممكن إجراء اختبارات أمنية عميقة بجزء ضئيل من الموارد التي كان يُعتقد سابقاً أنها ضرورية. ويشير هذا العمل إلى أن هامش الأمان لـ "آسكون" في البيئات محدودة الموارد يتم تقييمه بدقة أكبر، مما يضمن أن المعايير التشفيرية التي تحمي عالمنا المتصل قوية بقدر ما تبدو عليه.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.