كيف يمكن لتقنيات التشفير مثل التوقيعات الرقمية والتشفير أن تساعد في ضمان سلامة وسرية البيانات المخزنة على خوادم غير موثوقة؟
تعتبر تقنيات التشفير أساسية لضمان سلامة وسرية البيانات المخزنة على خوادم غير موثوقة. وتشمل الأساليب الأساسية المستخدمة لتحقيق هذه الأهداف التوقيعات الرقمية والتشفير. توفر هذه التقنيات آليات قوية لحماية البيانات من الوصول غير المصرح به، والتلاعب، والتأكد من بقاء البيانات أصلية دون تغيير.
التوقيعات الرقمية
التوقيعات الرقمية هي بروتوكولات تشفير توفر وسيلة للتحقق من صحة وسلامة الرسائل أو المستندات الرقمية. إنها المعادل الرقمي للتوقيعات المكتوبة بخط اليد أو الأختام المختومة ولكنها أكثر أمانًا بكثير. تستخدم التوقيعات الرقمية تشفير المفتاح العام (المعروف أيضًا باسم التشفير غير المتماثل) لإنشاء توقيع فريد لمستند رقمي.
كيف تعمل التوقيعات الرقمية
1. إنشاء مفتاح: تبدأ العملية بإنشاء زوج من المفاتيح - مفتاح خاص ومفتاح عام. يتم الاحتفاظ بالمفتاح الخاص سرًا من قبل المالك، بينما يتم توزيع المفتاح العام على الآخرين.
2. التوقيع: عندما يريد المالك التوقيع على مستند، فإنه يستخدم مفتاحه الخاص لإنشاء التوقيع. ويتم ذلك عن طريق تطبيق دالة تجزئة التشفير على المستند لإنشاء قيمة تجزئة (سلسلة ذات حجم ثابت من البايتات تمثل البيانات بشكل فريد). يتم بعد ذلك استخدام المفتاح الخاص لتشفير قيمة التجزئة هذه وإنشاء التوقيع الرقمي.
3. التحقق: للتحقق من التوقيع، يستخدم المستلم المفتاح العام للموقع. يقوم المستلم بفك تشفير التوقيع باستخدام المفتاح العام للحصول على قيمة التجزئة. ثم يقومون بعد ذلك بحساب قيمة التجزئة للمستند المستلم بشكل مستقل ومقارنتها بقيمة التجزئة التي تم فك تشفيرها. في حالة تطابق قيمتي التجزئة، يتم التحقق من التوقيع، مما يشير إلى أن الوثيقة لم يتم تغييرها وأنها أصلية.
ضمان النزاهة والأصالة
- النزاهة: التوقيعات الرقمية تضمن عدم تغيير البيانات منذ التوقيع عليها. سيؤدي أي تعديل على البيانات إلى قيمة تجزئة مختلفة، مما يتسبب في فشل عملية التحقق.
- أصالة: التوقيعات الرقمية تتحقق من هوية الموقع. وبما أن مالك المفتاح الخاص فقط هو الذي يمكنه إنشاء التوقيع، فيمكن أن يكون المستلم واثقًا من أن البيانات تم توقيعها بواسطة المالك الشرعي.
مثال
فكر في سيناريو تقوم فيه الشركة بتخزين عقود حساسة على خادم سحابي غير موثوق به. يتم توقيع كل عقد باستخدام المفتاح الخاص للشركة. عندما يسترد العميل العقد، يمكنه استخدام المفتاح العام للشركة للتحقق من التوقيع. وفي حالة صحة التوقيع، يمكن للعميل التأكد من أن العقد لم يتم التلاعب به وهو بالفعل من الشركة.
التشفير
التشفير هو عملية تحويل بيانات النص العادي إلى تنسيق غير قابل للقراءة يسمى النص المشفر، وذلك باستخدام خوارزمية التشفير ومفتاح التشفير. فقط أولئك الذين يمتلكون مفتاح فك التشفير يمكنهم تحويل النص المشفر مرة أخرى إلى نص عادي قابل للقراءة. يضمن التشفير أن تظل البيانات سرية، حتى لو تم تخزينها على خادم غير موثوق به.
أنواع التشفير
1. تشفير متماثل: في التشفير المتماثل، يتم استخدام نفس المفتاح لكل من التشفير وفك التشفير. هذه الطريقة فعالة ومناسبة لتشفير كميات كبيرة من البيانات. ومع ذلك، يجب مشاركة المفتاح بشكل آمن بين المرسل والمستلم.
- مثال: معيار التشفير المتقدم (AES) هو خوارزمية تشفير متماثل مستخدمة على نطاق واسع. يمكن للشركة استخدام AES لتشفير قاعدة البيانات الخاصة بها قبل تخزينها على خادم غير موثوق به. فقط أولئك الذين لديهم مفتاح فك التشفير يمكنهم الوصول إلى البيانات.
2. تشفير غير متماثل: يستخدم التشفير غير المتماثل زوجًا من المفاتيح - مفتاح عام للتشفير ومفتاح خاص لفك التشفير. تعتبر هذه الطريقة أكثر أمانًا لتبادل المفاتيح ولكنها أكثر كثافة من الناحية الحسابية وأبطأ من التشفير المتماثل.
- مثال: RSA (Rivest-Shamir-Adleman) هي خوارزمية تشفير غير متماثلة شائعة. يمكن للمستخدم تشفير رسائل البريد الإلكتروني الحساسة باستخدام المفتاح العام للمستلم، مما يضمن أن المستلم فقط يمكنه فك تشفير البريد الإلكتروني باستخدام مفتاحه الخاص.
ضمان السرية
- البيانات في الراحة: يضمن التشفير بقاء البيانات المخزنة على خادم غير موثوق به سرية. حتى إذا تمكن طرف غير مصرح له من الوصول إلى مساحة التخزين، فلن يتمكن من قراءة البيانات المشفرة بدون مفتاح فك التشفير.
- البيانات في العبور: التشفير يحمي البيانات أيضًا أثناء نقلها عبر الشبكات. يعد Transport Layer Security (TLS) مثالاً على البروتوكول الذي يستخدم التشفير لتأمين البيانات أثناء النقل، مما يضمن عدم إمكانية اعتراضها وقراءتها من قبل أطراف غير مصرح لها.
الجمع بين التوقيعات الرقمية والتشفير
لتحقيق أقصى قدر من الأمان، غالبًا ما يتم استخدام التوقيعات الرقمية والتشفير معًا. يضمن هذا المزيج سلامة البيانات وسريتها.
1. تشفير البيانات: أولاً، يتم تشفير البيانات باستخدام التشفير المتماثل أو غير المتماثل. تضمن هذه الخطوة أن تظل البيانات سرية ولا يمكن قراءتها من قبل أطراف غير مصرح لها.
2. توقيع البيانات المشفرة: يتم بعد ذلك توقيع البيانات المشفرة باستخدام التوقيع الرقمي. تضمن هذه الخطوة عدم التلاعب بالبيانات المشفرة والتحقق من هوية المرسل.
مثال على سير العمل
1. التحضير: تريد إحدى الشركات تخزين سجلات مالية حساسة على خادم سحابي غير موثوق به.
2. التشفير: يتم تشفير السجلات باستخدام AES (التشفير المتماثل) لضمان السرية.
3. التوقيع: يتم بعد ذلك توقيع السجلات المشفرة باستخدام المفتاح الخاص للشركة لضمان سلامتها وصحتها.
4. الخزائن : يتم تخزين السجلات الموقعة والمشفرة على الخادم السحابي.
5. الاسترجاع والتحقق: عند استرداد السجلات، يقوم المستلم أولاً بالتحقق من التوقيع الرقمي باستخدام المفتاح العام للشركة. إذا كان التوقيع صالحًا، يقوم المستلم بعد ذلك بفك تشفير السجلات باستخدام مفتاح فك التشفير.
يضمن سير العمل هذا أنه حتى لو تمكن طرف غير مصرح له من الوصول إلى الخادم السحابي، فلن يتمكن من قراءة السجلات أو تغييرها. يمكن فقط للأطراف المصرح لها والتي لديها مفتاح فك التشفير والمفتاح العام المناسب الوصول إلى السجلات والتحقق منها.
اعتبارات عملية
- ادارة المفاتيح: الإدارة الفعالة للمفاتيح مهمة لأمن أنظمة التشفير. يجب إنشاء المفاتيح وتوزيعها وتخزينها وإبطالها بشكل آمن عند الضرورة. يمكن أن يؤدي اختراق المفاتيح إلى انهيار الأمان.
- اختيار الخوارزمية: يجب أن يعتمد اختيار خوارزميات التشفير وأحجام المفاتيح على أفضل الممارسات والمعايير الحالية. قد تصبح الخوارزميات التي تعتبر آمنة اليوم عرضة للخطر في المستقبل بسبب التقدم في قوة الحوسبة وتحليل الشفرات.
- الأداء: يمكن أن تكون عمليات التشفير مكثفة من الناحية الحسابية. وينبغي النظر في تأثير الأداء، وخاصة بالنسبة للأنظمة واسعة النطاق أو الأنظمة ذات المتطلبات في الوقت الحقيقي.
وفي الختام
تعد تقنيات التشفير مثل التوقيعات الرقمية والتشفير أدوات أساسية لضمان سلامة وسرية البيانات المخزنة على خوادم غير موثوقة. توفر التوقيعات الرقمية وسيلة للتحقق من صحة البيانات وسلامتها، مما يضمن عدم تغييرها وأنها من مصدر شرعي. يضمن التشفير أن تظل البيانات سرية ولا يمكن قراءتها من قبل أطراف غير مصرح لها، حتى لو تمكنت من الوصول إلى مساحة التخزين. ومن خلال الجمع بين هذه التقنيات، يمكن للمؤسسات حماية بياناتها من الوصول غير المصرح به والتلاعب، حتى عند استخدام خوادم تخزين غير موثوقة.
أسئلة وأجوبة أخرى حديثة بخصوص EITC/IS/ACSS أمن أنظمة الكمبيوتر المتقدمة:
- ما هي بعض التحديات والمقايضات التي ينطوي عليها تنفيذ عمليات تخفيف الأجهزة والبرامج ضد هجمات التوقيت مع الحفاظ على أداء النظام؟
- ما هو الدور الذي يلعبه المتنبئ الفرعي في هجمات توقيت وحدة المعالجة المركزية، وكيف يمكن للمهاجمين التلاعب به لتسريب المعلومات الحساسة؟
- كيف يمكن أن تساعد برمجة الوقت الثابت في التخفيف من مخاطر هجمات التوقيت في خوارزميات التشفير؟
- ما هو التنفيذ التأملي، وكيف يساهم في ضعف المعالجات الحديثة في توقيت الهجمات مثل Spectre؟
- كيف تستغل هجمات التوقيت الاختلافات في وقت التنفيذ لاستنتاج معلومات حساسة من النظام؟
- كيف يختلف مفهوم تناسق الشوكة عن تناسق الجلب والتعديل، ولماذا يعتبر تناسق الشوكة أقوى تناسق يمكن تحقيقه في الأنظمة ذات خوادم تخزين غير موثوقة؟
- ما هي التحديات والحلول المحتملة لتنفيذ آليات قوية للتحكم في الوصول لمنع التعديلات غير المصرح بها في نظام الملفات المشترك على خادم غير موثوق به؟
- في سياق خوادم التخزين غير الموثوقة، ما هي أهمية الاحتفاظ بسجل عمليات ثابت وقابل للتحقق، وكيف يمكن تحقيق ذلك؟
- ما هي الخوادم البيزنطية، وكيف تشكل تهديدًا لأمن أنظمة التخزين؟
- كيف تساهم البروتوكولات مثل STARTTLS وDKIM وDMARC في أمان البريد الإلكتروني، وما هو دور كل منها في حماية اتصالات البريد الإلكتروني؟
عرض المزيد من الأسئلة والأجوبة في EITC/IS/ACSS Advanced Computer Systems Security