مقدمه و تاریخچه
هر کدام از ما وقتی به دنیای ماموران مخفی و جاسوسان فکر می کنیم چیز های زیادی به ذهنمان می رسد: سفرهای خارجی، ماموریت های خطرناک، اسلحه های عجیب و ماشین های سریع. کمتر کسی در کنار این چیزها به ریاضیات فکر می کند. اما باید بدانیم ریاضیات در فهمیدن پیامهای سری و شکستن رمزها نقش اساسی بازی می کند و در طول تاریخ ریاضیدان ها نتیجه نبردهای فراوانی را با شکستن رمزها تغییر داده اند.
نمیدانم فیلم "ذهن زیبا" را دیده اید یا نه؟ این فیلم که زندگی واقعی یک ریاضیدان به نام جان نش را به تصویر می کشد
این ریاضیدان ابتدا برای شکستن کدها ی سری به استخدام سازمان سیا در می آید . ولی پس از مدتی به بیماری شیزوفرنی دچار میشود. ولی پس از مدتها بیماری دوباره به صحنه علم برمیگردد و جایزه نوبل اقتصاد را دریافت میکند.
همین چند خط در مورد این ریاضیدان کاربردهای وسیع این علم در علوم مختلف از جمله در زمینه کشف کدها و رمزها آشکار میکند.
امروزه در کشور ما نیز دوره دکترای رمزنگاری که از شاخه های رشته ریاضی کاربردی میباشد برگزار میشود.
شروع و توسعه رمزنگاری
اولین بار سزار امپراتور رم باستان برای آنکه بتواند بدون اطلاع دشمن با ا ارتشش در سراسر دنیا در ارتباط باشد نوعی رمز را بکار گرفت. این رمز به این شکل بود که برای فرستادن یک پیام جای هر حرف را با سومین حرف بعد از آن در الفبا عوض می کردند، مثلا به جای 'A' حرف 'D' و به جای 'X' حرف 'A' را می گذاشتند.
بنابراین برای از کد خارج کردن پیام ها کافی بود دریافت کننده جای هر حرف را با سومین حرف بعد از آن در الفبا عوض کند. مثلا سعی کنید این پیغام سزاری را از رمز خارج کنید:
hqhpb dssurdfklqj
wkluwb ghdg
uhwuhdw wr iruhvw
خب، ممکن است بپرسید چه ریاضیاتی در کار است. ریاضی وقتی وارد ماجرا می شود که به هر حرف یک عدد نسبت دهیم. در این صورت فرایند کد کردن مثل اضافه کردن عدد 3 به عدد اولیه خواهد بود
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
مثلا برای به رمز درآوردن 'A' : داریم 0+3=3
برای اینکه در مورد حرف های نزدیک به پایان الفبا دچار مشکل نشویم بهتر است به جای جمع معمولی از جمع به پیمانه 26 استفاده کنیم، یعنی به جای هر عدد از باقیمانده تقسیم آن عدد بر 26 استفاده کنیم.
مثلا برای 'X' داریم: (به پیمانه 26) 23+3=26=0
مثلا برای 'Y' داریم: (به پیمانه 26) 24+3=27=1
مثلا برای 'T' داریم: (به پیمانه 26) 19+3=21=21
برای از رمز درآوردن هم می توانیم از تفریق به پیمانه 26 استفاده کنیم. واضح است که می توانیم به جای انتقال 3 تایی از هر انتقالی بین 1 و 25 استفاده کنیم، اما همانطور که احتمالا حدس زده اید شکستن این رمز خیلی ساده است یعنی یک جاسوس می تواند با امتحان کردن همه 25 انتقال ممکن به سرعت رمز را بشکند.
با روشی که توضیح دادیم این نوشته را از رمز در آورید: RFYM KTW FQQ
حالا به سراغ یک روش پیچیده تر می رویم. فرض کنید به ازای هر حرف الفبا یک علامت جایگزین کنیم، مثلا '*' به جای 'A' و '+' به جای 'B'. مثل رمزی که ماری ملکه اسکاتلند برای مکاتباتش بر علیه الیزابت اول ملکه انگلیس بکار می گرفت .
تا مدت ها مردم فکر می کردند شکستن این رمز ناممکن است تا اینکه سرو کله آمار ریاضی پیدا شد
نموداری که می بینید فراوانی حروف الفبا را در زبان انگلیسی نشان میدهد.

این اطلاعات از شمارش حروف مختلف در حجم زیادی از نوشته ها مثل کتاب ها و روزنامه ها بدست آمده است. این نمودار مثلا نشان می دهد به طور میانگین 13.5 درصد از حروف بکار رفته در متن های انگلیسی E هستند، که فراوان ترین حرف الفبا است. بنابراین وقتی رمزی از نوع بالا داریم احتمالا علامتی که بیش از همه تکرار می شود علامت متناظر E است و فراوانترین علامت بعد از آن متناظر 'T' است. سرنخ های دیگری هم وجود دارد مثلا تنها دو کلمه یک حرفی در انگلیسی وجود دارد: 'I' و 'A' و همچنین 'AND' و 'THE' کلمات خیلی معمولی هستند با کمک این سرنخ ها و کمی آزمایش و خطا میتوان اینگونه رمزها را شکست.همین روش باعث شد که ماری سرش را از دست بدهد.
معرفی و اصطلاحات رمز نگاری از زاویه دیگر
رمزنگاری علم کدها و رمزهاست. یک هنر قدیمی است و برای قرنها بمنظور محافظت از پیغامهایی که بین فرماندهان، جاسوسان، عشاق و دیگران ردوبدل میشده، 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 میتوانند 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 مخففها و اصطلاحات مخصوص به خود را دارد. برای درک عمیقتر به مقداری از دانش ریاضیات نیاز است. برای محافظت از دیتای اصلی ( که بعنوان plaintext شناخته میشود)، آنرا با استفاده از یک کلید (رشتهای محدود از بیتها) بصورت رمز در میآوریم تا کسی که دیتای حاصله را میخواند قادر به درک آن نباشد. دیتای رمزشده (که بعنوان ciphertext شناخته میشود) بصورت یک سری بیمعنی از بیتها بدون داشتن رابطه مشخصی با دیتای اصلی بنظر میرسد. برای حصول متن اولیه دریافتکننده آنرا رمزگشایی میکند. یک شخص ثالت (مثلا یک هکر) میتواند برای اینکه بدون دانستن کلید به دیتای اصلی دست یابد، کشف رمزنوشته (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 شدهاند. کلید، یک رشته از ارقام دودویی (صفر و یک) است که بخودیخود بیمعنی است. رمزنگاری مدرن فرض میکند که الگوریتم شناخته شده است یا میتواند کشف شود. کلید است که باید مخفی نگاه داشته شود و کلید است که در هر مرحله پیادهسازی تغییر میکند. رمزگشایی ممکن است از همان جفت الگوریتم و کلید یا جفت متفاوتی استفاده کند.
دیتای اولیه اغلب قبل از رمزشدن بازچینی میشود؛ این عمل عموما بعنوان scrambling شناخته میشود. بصورت مشخصتر، hash functionها بلوکی از دیتا را (که میتواند هر اندازهای داشته باشد) به طول از پیش مشخصشده کاهش میدهد. البته دیتای اولیه نمیتواند از hashed value بازسازی شود. Hash functionها اغلب بعنوان بخشی از یک سیستم تایید هویت مورد نیاز هستند؛ خلاصهای از پیام (شامل مهمترین قسمتها مانند شماره پیام، تاریخ و ساعت، و نواحی مهم دیتا) قبل از رمزنگاری خود پیام، ساخته و hash میشود.
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 میشود، منجر به ایجاد امضای دیجیتال (digital signature) میشود.
۲- الگوریتمها
طراحی الگوریتمهای رمزنگاری مقولهای برای متخصصان ریاضی است. طراحان سیستمهایی که در آنها از رمزنگاری استفاده میشود، باید از نقاط قوت و ضعف الگوریتمهای موجود مطلع باشند و برای تعیین الگوریتم مناسب قدرت تصمیمگیری 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 پابهپای رمزنگاری به پیش آمده است و الگوریتمهای کمی هنوز با گذشت زمان ارزش خود را حفظ کردهاند. 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 میکند. 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 میشود. DES یک محصول دولت ایالات متحده است که امروزه بطور وسیعی بعنوان یک استاندارد بینالمللی شناخته میشود. بلوکهای ۶۴بیتی دیتا توسط یک کلید تنها که معمولا ۵۶بیت طول دارد، رمزنگاری و رمزگشایی میشوند. DES از نظر محاسباتی ساده است و براحتی میتواند توسط پردازندههای کند (بخصوص آنهایی که در کارتهای هوشمند وجود دارند) انجام گیرد.
این روش بستگی به مخفیبودن کلید دارد. بنابراین برای استفاده در دو موقعیت مناسب است: هنگامی که کلیدها میتوانند به یک روش قابل اعتماد و امن توزیع و ذخیره شوند یا جایی که کلید بین دو سیستم مبادله میشوند که قبلا هویت یکدیگر را تایید کردهاند عمر کلیدها بیشتر از مدت تراکنش طول نمیکشد. رمزنگاری DES عموما برای حفاظت دیتا از شنود در طول انتقال استفاده میشود.
کلیدهای DES ۴۰بیتی امروزه در عرض چندین ساعت توسط کامپیوترهای معمولی شکسته میشوند و بنابراین نباید برای محافظت از اطلاعات مهم و با مدت طولانی اعتبار استفاده شود. کلید ۵۶بیتی عموما توسط سختافزار یا شبکههای بخصوصی شکسته میشوند. رمزنگاری DESسهتایی عبارتست از کدکردن دیتای اصلی با استفاده از الگوریتم DES که در سه مرتبه انجام میگیرد. (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 شدهاند. الگوریتمهایی مانند Blowfish و IDEA برای زمانی مورد استفاده قرار گرفتهاند اما هیچکدام پیادهسازی سختافزاری نشدند بنابراین بعنوان رقیبی برای DES برای استفاده در کاربردهای میکروکنترلی مطرح نبودهاند. 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 پیادهسازی در پردازندههای توانـپایین 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 پیادهسازی بیشتر کارتهای هوشمند برپایه این الگوریتمها بود.
برای رمزنگاری جریانی (streaming encryption) (که رمزنگاری دیتا در حین ارسال صورت میگیرد بجای اینکه دیتای کدشده در یک فایل مجزا قرار گیرد) الگوریتم RC4 سرعت بالا و دامنهای از طول کلیدها از ۴۰ تا ۲۵۶ بیت فراهم میکند. RC4 که متعلق به امنیت دیتای RSA است، بصورت عادی برای رمزنگاری ارتباطات دوطرفه امن در اینترنت استفاده میشود.
۲-۲ سیستمهای کلید نامتقارن
سیستمهای کلید نامتقارن از کلید مختلفی برای رمزنگاری و رمزگشایی استفاده میکنند. بسیاری از سیستمها اجازه میدهند 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 میکند و گیرنده آن را با کلید اختصاصی خودش رمزنگاری میکند. بعبارتی تنها با کلید اختصاصی گیرنده میتوان متن کد شده را به متن اولیه صحیح تبدیل کرد. یعنی حتی فرستنده نیز اگرچه از محتوای اصلی پیام مطلع است اما نمیتواند از متن کدشده به متن اصلی دست یابد، بنابراین پیام کدشده برای هرگیرندهای بجز گیرنده مورد نظر فرستنده بیمعنی خواهد بود. معمولترین سیستم نامتقارن بعنوان RSA شناخته میشود (حروف اول پدیدآورندگان آن یعنی Rivest ، Shamir و Adlemen است). اگرچه چندین طرح دیگر وجود دارند. میتوان از یک سیستم نامتقارن برای نشاندادن اینکه فرستنده پیام همان شخصی است که ادعا میکند استفاده کرد که این عمل اصطلاحا امضاء نام دارد. RSA شامل دو تبدیل است که هرکدام احتیاج به بتوانرسانی ماجولار با توانهای خیلی طولانی دارد:
· امضاء، متن اصلی را با استفاده از کلید اختصاصی رمز میکند؛
· رمزگشایی عملیات مشابهای روی متن رمزشده اما با استفاده از کلید عمومی است. برای تایید امضاء بررسی میکنیم که آیا این نتیجه با دیتای اولیه یکسان است؛ اگر اینگونه است، امضاء توسط کلید اختصاصی متناظر رمزشده است.
به بیان سادهتر 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 میشود. افرادی که از کلید اختصاصی این فرد اطلاع ندارند قادر به ایجاد متن رمزشده 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 شدهاند. برای اطلاع از جزئیات بیشتر میتوان به مراجعی که در این زمینه وجود دارد رجوع کرد. این شکل محاسبات روی پردازندههای بایتی بخصوص روی ۸ بیتیها که در کارتهای هوشمند استفاده میشود بسیار کند است. بنابراین، اگرچه RSA هم تصدیق هویت و هم رمزنگاری را ممکن میسازد، در اصل برای تایید هویت منبع پیام از این الگوریتم در کارتهای هوشمند استفاده میشود و برای نشاندادن عدم تغییر پیام در طول ارسال و رمزنگاری کلیدهای آتی استفاده میشود.
سایر سیستمهای کلید نامتقارن شامل سیستمهای لگاریتم گسسته میشوند مانند Diffie-Hellman، ElGamal و سایر طرحهای چندجملهای و منحنیهای بیضوی. بسیاری از این طرحها عملکردهای یکـطرفهای دارند که اجازه تاییدهویت را میدهند اما رمزنگاری ندارند. یک رقیب جدیدتر الگوریتم RPK است که از یک تولیدکننده مرکب برای تنظیم ترکیبی از کلیدها با مشخصات مورد نیاز استفاده میکند. RPK یک پروسه دو مرحلهای است: بعد از فاز آمادهسازی در رمزنگاری و رمزگشایی (برای یک طرح کلید عمومی) رشتههایی از دیتا بطور استثنایی کاراست و میتواند براحتی در سختافزارهای رایج پیادهسازی شود. بنابراین بخوبی با رمزنگاری و تصدیقهویت در ارتباطات سازگار است.
طولهای کلیدها برای این طرحهای جایگزین بسیار کوتاهتر از کلیدهای مورد استفاده در RSA است که آنها برای استفاده در چیپکارتها مناسبتر است. اما RSA محکی برای ارزیابی سایر الگوریتمها باقی مانده است؛ حضور و بقای نزدیک به سهدهه از این الگوریتم، تضمینی در برابر ضعفهای عمده بشمار میرود.
منابع
- ریاضیات گسسته، تالیف مگردیچ تومانیان
- آشنایی با رمزگشایی به روش ریاضی، آبراهام سینکوف
- سایت تبیان