تشفير المفتاح العام (PKC)، المعروف أيضًا باسم التشفير غير المتماثل، هو إطار يستخدم المفاتيح العامة والخاصة، على عكس المفاتيح الفردية المستخدمة في نظام التشفير المتماثل. يوفر استخدام أزواج المفاتيح لـ PKC مجموعة فريدة من الخصائص والقدرات التي يمكن استخدامها لحل التحديات الكامنة في تقنيات التشفير الأخرى. أصبح هذا النوع من التشفير عنصرًا مهمًا في أمن الكمبيوتر الحديث، فضلاً عن كونه عنصرًا حاسمًا في النظام البيئي المتنامي للعملات المشفرة.

كيف تعمل تشفيرات المفاتيح العامة؟

في نظام PKC، يستخدم المرسل المفتاح العام لتشفير المعلومات، بينما يستخدم المستلم المفتاح الخاص لفك تشفير هذه المعلومات. وبما أن المفتاحين مختلفان عن بعضهما، يمكن مشاركة المفتاح العام بحرية دون الإخلال بأمان المفتاح الخاص. كل زوج من المفاتيح غير متماثل وفريد من نوعه، ما يضمن أن الرسالة المشفّرة باستخدام مفتاح عام لا يمكن قراءتها إلا من قِبل الشخص الذي يمتلك المفتاح الخاص المقابل.

كيف تُنشئ خوارزميات التشفير غير المتماثل أزواج مفاتيح مرتبطة رياضيًا، فإن طول هذه المفاتيح يكون أكبر بكثير مما هو موجود في تشفيرات التشفير المتماثل. هذا الطول الأطول - والذي يكون عادةً بين 1.024 و2.048 بت - يجعل من الصعب للغاية حساب مفتاح خاص اعتمادًا على المفتاح العام. ومن أشهر الخوارزميات المستخدمة حاليًا في التشفير غير المتماثل خوارزمية RSA. في مخطط RSA، تُولَّد المفاتيح باستخدام معامل (module) يتم الحصول عليه من ضرب عددين (غالبًا عددين أوليين كبيرين). وبشكل أساسي، ينتج المعامل مفتاحين (مفتاح عام يمكن مشاركته ومفتاح خاص يجب الإبقاء عليه سريًا). وقد تم وصف خوارزمية RSA لأول مرة في عام 1977 بواسطة Rivest وShamir وAdleman (ومن ثم RSA)، ولا تزال تُعد عنصرًا مهمًا في أنظمة تشفير المفاتيح العامة.

PKC كأداة للتشفير

يحل تشفير المفتاح العام أحد المشكلات القديمة في الخوارزميات المتماثلة: مشكلة إرسال مفتاح التشفير وفك التشفير في الوقت نفسه. إن إرسال هذا المفتاح عبر اتصال غير آمن قد يكشفه للآخرين، الذين يمكنهم قراءة أي رسالة مشفرة باستخدام المفتاح المشترك. ورغم أن التقنيات التشفيرية (مثل بروتوكول تبادل مفاتيح Diffie-Hellman-Merkle) موجودة لحل هذه المشكلة، فإنها ما زالت عرضة لهجمات. من ناحية أخرى، في تشفير المفتاح العام يمكن مشاركة المفتاح المستخدم في التشفير بأمان عبر أي اتصال. ونتيجة لذلك، توفر الخوارزميات غير المتماثلة مستوى حماية أعلى مقارنةً بالخوارزميات المتماثلة.

استخدامه في إنشاء التوقيعات الرقمية

تطبيق آخر لخوارزميات التشفير غير المتماثل هو المصادقة على البيانات عبر استخدام التوقيعات الرقمية. وبشكل أساسي، فإن التوقيع الرقمي هو تجزئة (hash) يتم إنشاؤها باستخدام بيانات رسالة. عندما يتم إرسال هذه الرسالة، يمكن التحقق من التوقيع بواسطة المستلم باستخدام المفتاح العام للمرسل للتحقق من مصدر الرسالة والتأكد من أنها لم تُعدّل. وفي بعض الحالات، يتم تطبيق التوقيعات الرقمية والتشفير معًا، لأن التجزئة نفسها يمكن تشفيرها كجزء من الرسالة. تجدر الإشارة، مع ذلك، إلى أن ليس كل مخططات التوقيع الرقمي تستخدم تقنيات تشفير.

القيود

على الرغم من أنه يمكن استخدامه لتعزيز أمان أجهزة الكمبيوتر وتوفير تحقق من سلامة الرسائل، فإن لدى PKC بعض القيود. وبسبب العمليات الرياضية المعقدة المتضمنة في التشفير وفك التشفير، قد تكون الخوارزميات غير المتماثلة بطيئة جدًا عند إجبارها على التعامل مع كميات كبيرة من البيانات. كما يعتمد هذا النوع من التشفير كثيرًا على افتراض أن المفتاح الخاص سيظل سريًا. إذا تم مشاركة مفتاح خاص أو كشفه عن طريق الخطأ، فسيتم تعريض أمان جميع الرسائل المشفرة باستخدام مفتاحه العام المقابل للخطر. كما أنه من الممكن أن يفقد المستخدمون مفاتيحهم الخاصة بالخطأ، وفي هذه الحالة يصبح من المستحيل الوصول إلى البيانات المشفرة.

تطبيقات تشفير المفتاح العام

يُستخدم هذا النوع من التشفير بواسطة العديد من أنظمة الكمبيوتر الحديثة لتوفير أمان للمعلومات السرية. على سبيل المثال، يمكن تشفير رسائل البريد الإلكتروني باستخدام تقنيات تشفير المفتاح العام للحفاظ على محتواها سريًا. كذلك يستخدم بروتوكول SSL (طبقة المقابس الآمنة) الذي يتيح اتصالات آمنة بمواقع الويب تشفيرًا غير متماثل. وقد تم أيضًا استكشاف أنظمة PKC كوسيلة لتوفير بيئة آمنة للتصويت الإلكتروني، بما قد يسمح للناخبين بالمشاركة في الانتخابات من أجهزة الكمبيوتر المنزلية الخاصة بهم.

يبرز PKC أيضًا في عالم البلوك تشين والعملات الرقمية. عند إعداد محفظة جديدة للعملات الرقمية، يتم إنشاء زوج من المفاتيح (عام وخاص). يتم إنشاء العنوان العام باستخدام المفتاح العام ويمكن مشاركته بأمان مع أشخاص آخرين. أما المفتاح الخاص، فيُستخدم لإنشاء توقيعات رقمية والتحقق من المعاملات، لذلك يجب الحفاظ عليه في السر. بعد التحقق من معاملة تؤكد التجزئة الموجودة في التوقيع الرقمي، يمكن إضافة هذه المعاملة إلى دفتر الأستاذ (ledger) الخاص بالـ Blockchain. يضمن هذا النظام للتحقق من التوقيعات الرقمية أنه لا يمكن لأي شخص غير حامل المفتاح الخاص المرتبط بالمحفظة المعنية أن يحرر أموالًا منها. تجدر الإشارة إلى أن الخوارزميات غير المتماثلة المستخدمة في تطبيقات العملات الرقمية تختلف عن تلك المستخدمة لأغراض أمن أنظمة الكمبيوتر. فعلى سبيل المثال، يستخدم كل من Bitcoin وEthereum ترميزًا متخصصًا يُعرف باسم خوارزمية التوقيع الرقمي بمنحنى بيضاوي (ECDSA) للتحقق من المعاملات.

من تأمين أجهزة الكمبيوتر إلى التحقق من معاملات العملات الرقمية، تؤدي تشفيرات المفاتيح العامة دورًا مهمًا في حماية الأنظمة الرقمية الحديثة. باستخدام مفاتيح عامة وخاصة متزاوجة، تعالج خوارزميات التشفير غير المتماثل المشكلات الأساسية في مجال الأمان التي تطرحها التشفيرات المتماثلة. وعلى الرغم من أن PKC موجود منذ سنوات عديدة، إلا أن استخدامات وتطبيقات جديدة يتم تطويرها بانتظام له، خصوصًا في مجال البلوك تشين والعملات الرقمية.