０-معرفی و اصطلاحات
１-
رمزنگاری علم کدها و رمزهاست. یک هنر قدیمی است و برای قرنها بمنظور محافظت از پیغامهایی که بین فرماندهان، جاسوسان،* عشاق و دیگران ردوبدل می*شده، استفاده شده است تا پیغامهای آنها محرمانه بماند.
هنگامی که با امنیت دیتا سروکار داریم، نیاز به اثبات هویت فرستنده و گیرنده پیغام داریم و در ضمن باید از عدم تغییر محتوای پیغام مطمئن شویم. این سه موضوع یعنی محرمانگی، تصدیق هویت و جامعیت در قلب امنیت ارتباطات دیتای مدرن قرار دارند و می*توانند از رمزنگاری استفاده کنند.
اغلب این مساله باید تضمین شود که یک پیغام فقط میتواند توسط کسانی خوانده شود که پیغام برای آنها ارسال شده است و دیگران این اجازه را ندارند. روشی که تامین کننده این مساله باشد "رمزنگاری" نام دارد. رمزنگاری هنر نوشتن بصورت رمز است بطوریکه هیچکس بغیر از دریافت کننده موردنظر نتواند محتوای پیغام را بخواند.
رمزنگاری مخفف*ها و اصطلاحات مخصوص به خود را دارد. برای درک عمیق*تر به مقداری از دانش ریاضیات نیاز است. برای محافظت از دیتای اصلی ( که بعنوان
plaintext شناخته می*شود)، آنرا با استفاده از یک کلید (رشته*ای محدود از بیتها) بصورت رمز در می*آوریم تا کسی که دیتای حاصله را می*خواند قادر به درک آن نباشد. دیتای رمزشده (که بعنوان
ciphertext شناخته می*شود) بصورت یک سری بی*معنی از بیتها بدون داشتن رابطه مشخصی با دیتای اصلی بنظر می*رسد. برای حصول متن اولیه دریافت*کننده آنرا رمزگشایی می*کند. یک شخص ثالت (مثلا یک هکر) می*تواند برای اینکه بدون دانستن کلید به دیتای اصلی دست یابد، کشف رمز*نوشته
(cryptanalysis) کند. بخاطرداشتن وجود این شخص ثالث بسیار مهم است.
رمزنگاری دو جزء اصلی دارد، یک الگوریتم و یک کلید. الگوریتم یک مبدل یا فرمول ریاضی است. تعداد کمی الگوریتم قدرتمند وجود دارد که بیشتر آنها بعنوان استانداردها یا مقالات ریاضی منتشر شده*اند. کلید، یک رشته از ارقام دودویی (صفر و یک) است که بخودی*خود بی*معنی است. رمزنگاری مدرن فرض می*کند که الگوریتم شناخته شده است یا می*تواند کشف شود. کلید است که باید مخفی نگاه داشته شود و کلید است که در هر مرحله پیاده*سازی تغییر می*کند. رمزگشایی ممکن است از همان جفت الگوریتم و کلید یا جفت متفاوتی استفاده کند.
دیتای اولیه اغلب قبل از رمزشدن بازچینی می*شود؛ این عمل عموما بعنوان scrambling شناخته می*شود. بصورت مشخص*تر، hash functionها بلوکی از دیتا را (که می*تواند هر اندازه*ای داشته باشد) به طول از پیش مشخص*شده کاهش می*دهد. البته دیتای اولیه نمی*تواند از hashed value بازسازی شود. Hash functionها اغلب بعنوان بخشی از یک سیستم تایید هویت مورد نیاز هستند؛ خلاصه*ای از پیام (شامل مهم*ترین قسمتها مانند شماره پیام، تاریخ و ساعت، و نواحی مهم دیتا) قبل از رمزنگاری خود پیام، ساخته *و hash می*شود.
یک چک تایید پیام (Message Authentication Check) یا MAC یک الگوریتم ثابت با تولید یک امضاء برروی پیام با استفاده از یک کلید متقارن است. هدف آن نشان دادن این مطلب است که پیام بین ارسال و دریافت تغییر نکرده است. هنگامی که رمزنگاری توسط کلید عمومی برای تایید هویت فرستنده پیام استفاده می*شود، منجر به ایجاد امضای دیجیتال (digital signature) می*شود.
０-الگوریتم*ها
１-
طراحی الگوریتمهای رمزنگاری مقوله*ای برای متخصصان ریاضی است. طراحان سیستمهایی که در آنها از رمزنگاری استفاده می*شود، باید از نقاط قوت و ضعف الگوریتمهای موجود مطلع باشند و برای تعیین الگوریتم مناسب قدرت تصمیم*گیری داشته باشند. اگرچه رمزنگاری از اولین کارهای شانون (Shannon) در اواخر دهه ۴۰ و اوایل دهه ۵۰ بشدت پیشرفت کرده است، اما کشف رمز نیز پابه*پای رمزنگاری به پیش آمده است و الگوریتمهای کمی هنوز با گذشت زمان ارزش خود را حفظ کرده*اند. بنابراین تعداد الگوریتمهای استفاده شده در سیستمهای کامپیوتری عملی و در سیستمهای برپایه کارت هوشمند بسیار کم است.
۱-۲ سیستمهای کلید متقارن
یک الگوریتم متقارن از یک کلید برای رمزنگاری و رمزگشایی استفاده می*کند. بیشترین شکل استفاده از رمزنگاری که در کارتهای هوشمند و البته در بیشتر سیستمهای امنیت اطلاعات وجود دارد data encryption algorithm یا DEA است که بیشتر بعنوان DES* شناخته می*شود. DES یک محصول دولت ایالات متحده است که امروزه بطور وسیعی بعنوان یک استاندارد بین*المللی شناخته *می*شود. بلوکهای ۶۴بیتی دیتا توسط یک کلید تنها که معمولا ۵۶بیت طول دارد، رمزنگاری و رمزگشایی می*شوند. DES* از نظر محاسباتی ساده است و براحتی می*تواند توسط پردازنده*های کند (بخصوص آنهایی که در کارتهای هوشمند وجود دارند) انجام گیرد.
این روش بستگی به مخفی*بودن کلید دارد. بنابراین برای استفاده در دو موقعیت مناسب است: هنگامی که کلیدها می*توانند به یک روش قابل اعتماد و امن توزیع و ذخیره شوند یا جایی که کلید بین دو سیستم مبادله می*شوند که قبلا هویت یکدیگر را تایید کرده*اند عمر کلیدها بیشتر از مدت تراکنش طول نمی*کشد. رمزنگاری DES عموما برای حفاظت دیتا از شنود در طول انتقال استفاده می*شود.
کلیدهای DES ۴۰بیتی امروزه در عرض چندین ساعت توسط کامپیوترهای معمولی شکسته می*شوند و بنابراین نباید برای محافظت از اطلاعات مهم و با مدت طولانی اعتبار استفاده شود. کلید ۵۶بیتی عموما توسط سخت*افزار یا شبکه*های بخصوصی شکسته می*شوند. رمزنگاری DESسه*تایی عبارتست از کدکردن دیتای اصلی با استفاده از الگوریتم DES* که در سه مرتبه انجام می*گیرد. (دو مرتبه با استفاده از یک کلید به سمت جلو (رمزنگاری) و یک مرتبه به سمت عقب (رمزگشایی) با یک کلید دیگر) مطابق شکل زیر:
این عمل تاثیر دوبرابر کردن طول مؤثر کلید را دارد؛ بعدا خواهیم دید که این یک عامل مهم در قدرت رمزکنندگی است.
الگوریتمهای استاندارد جدیدتر مختلفی پیشنهاد شده*اند. الگوریتمهایی مانند Blowfish و IDEA برای زمانی مورد استفاده قرار گرفته*اند اما هیچکدام پیاده*سازی سخت*افزاری نشدند بنابراین بعنوان رقیبی برای DES برای استفاده در کاربردهای میکروکنترلی مطرح نبوده*اند. پروژه استاندارد رمزنگاری پیشرفته دولتی ایالات متحده (AES) الگوریتم Rijndael را برای جایگزیتی DES بعنوان الگوریتم رمزنگاری اولیه انتخاب کرده است. الگوریتم Twofish مشخصا برای پیاده*سازی در پردازنده*های توان*ـ*پایین مثلا در کارتهای هوشمند طراحی شد.
در ۱۹۹۸ وزارت دفاع ایالات متحده تصمیم گرفت که الگوریتمها Skipjack و مبادله کلید را که در کارتهای Fortezza استفاده شده بود، از محرمانگی خارج سازد. یکی از دلایل این امر تشویق برای پیاده*سازی بیشتر کارتهای هوشمند برپایه این الگوریتمها بود.
برای رمزنگاری جریانی (streaming encryption) (که رمزنگاری دیتا در حین ارسال صورت می*گیرد بجای اینکه دیتای کدشده در یک فایل مجزا قرار گیرد) الگوریتم RC4* سرعت بالا و دامنه*ای از طول کلیدها از ۴۰ تا ۲۵۶ بیت فراهم می*کند. RC4 که متعلق به امنیت دیتای RSA* است، بصورت عادی برای رمزنگاری ارتباطات دوطرفه امن در اینترنت استفاده می*شود.
۲-۲ سیستمهای کلید نامتقارن
سیستمهای کلید نامتقارن از کلید مختلفی برای رمزنگاری و رمزگشایی استفاده می*کنند. بسیاری از سیستمها اجازه می*دهند که یک جزء (کلید عمومی یا public key) منتشر شود در حالیکه دیگری (کلید اختصاصی یا private key) توسط صاحبش حفظ شود. فرستنده پیام، متن را با کلید عمومی گیرنده کد می*کند و گیرنده آن را با کلید اختصاصی خودش رمزنگاری میکند. بعبارتی تنها با کلید اختصاصی گیرنده می*توان متن کد شده را به متن اولیه صحیح تبدیل کرد. یعنی حتی فرستنده نیز اگرچه از محتوای اصلی پیام مطلع است اما نمی*تواند از متن کدشده به متن اصلی دست یابد، بنابراین پیام کدشده برای هرگیرنده*ای بجز گیرنده مورد نظر فرستنده بی*معنی خواهد بود. معمولترین سیستم نامتقارن بعنوان RSA* شناخته می*شود (حروف اول پدیدآورندگان آن یعنی Rivest ، Shamir و Adlemen است). اگرچه چندین طرح دیگر وجود دارند. می*توان از یک سیستم نامتقارن برای نشاندادن اینکه فرستنده پیام همان شخصی است که ادعا می*کند استفاده کرد که این عمل اصطلاحا امضاء نام دارد. RSA شامل دو تبدیل است که هرکدام احتیاج به بتوان*رسانی ماجولار با توانهای خیلی طولانی دارد:
·امضاء، متن اصلی را با استفاده از کلید اختصاصی رمز می*کند؛
·رمزگشایی عملیات مشابه*ای روی متن رمزشده اما با استفاده از کلید عمومی است. برای تایید امضاء بررسی می*کنیم که آیا این نتیجه با دیتای اولیه یکسان است؛ اگر اینگونه است، امضاء توسط کلید اختصاصی متناظر رمزشده است.
به بیان ساده*تر چنانچه متنی از شخصی برای دیگران منتشر شود، این متن شامل متن اصلی و همان متن اما رمز شده توسط کلید اختصاصی همان شخص است. حال اگر متن رمزشده توسط کلید عمومی آن شخص که شما از آن مطلعید رمزگشایی شود، مطابقت متن حاصل و متن اصلی نشاندهنده صحت فرد فرستنده آن است، به این ترتیب امضای فرد تصدیق می*شود. افرادی که از کلید اختصاصی این فرد اطلاع ندارند قادر به ایجاد متن رمز*شده* نیستند بطوریکه با رمزگشایی توسط کلید عمومی این فرد به متن اولیه تبدیل شود.
اساس سیستم RSA این فرمول است:
X = Yk (mod
r)
که
X متن کد شده،
Y متن اصلی،
k کلید اختصاصی و
r حاصلضرب دو عدد اولیه بزرگ است که با دقت انتخاب شده*اند. برای اطلاع از جزئیات بیشتر می*توان به مراجعی که در این زمینه وجود دارد رجوع کرد. این شکل محاسبات روی پردازنده*های بایتی بخصوص روی ۸ بیتی*ها که در کارتهای هوشمند استفاده می*شود بسیار کند است. بنابراین، اگرچه RSA هم تصدیق هویت و هم رمزنگاری را ممکن می*سازد، در اصل برای تایید هویت منبع پیام از این الگوریتم در کارتهای هوشمند استفاده می*شود و برای نشاندادن عدم تغییر پیام در طول ارسال و رمزنگاری کلیدهای آتی استفاده می*شود.
سایر سیستمهای کلید نامتقارن شامل سیستمهای لگاریتم گسسته می*شوند مانند Diffie-Hellman، ElGamal و سایر طرحهای چندجمله*ای و منحنی*های بیضوی. بسیاری از این طرحها عملکردهای یک*ـ*طرفه*ای دارند که اجازه تاییدهویت را می*دهند اما رمزنگاری ندارند. یک رقیب جدیدتر الگوریتم RPK* است که از یک تولیدکننده مرکب برای تنظیم ترکیبی از کلیدها با مشخصات مورد نیاز استفاده می*کند. RPK یک پروسه دو مرحله*ای است: بعد از فاز آماده*سازی در رمزنگاری و رمزگشایی (برای یک طرح کلید عمومی) رشته*هایی از دیتا بطور استثنایی کاراست و می*تواند براحتی در سخت*افزارهای رایج پیاده*سازی شود. بنابراین بخوبی با رمزنگاری و تصدیق*هویت در ارتباطات سازگار است.
طولهای کلیدها برای این طرحهای جایگزین بسیار کوتاهتر از کلیدهای مورد استفاده در RSA* است که آنها برای استفاده در چیپ*کارتها مناسب*تر است. اما *RSA* محکی برای ارزیابی سایر الگوریتمها باقی مانده است؛ حضور و بقای نزدیک به سه*دهه از این الگوریتم، تضمینی در برابر ضعفهای عمده بشمار می*رود
رمزنگاری 
