تاریخچهٔ مختصر رمزنگاری#

رمزنگاری (Cryptography) علم نگهداری از اطلاعات در حضور مهاجم است. تاریخچهٔ آن به بیش از ۴۰۰۰ سال پیش و استفادهٔ مصریان باستان از هیروگلیف تغییر یافته برمی‌گردد. رمز سزار (Caesar Cipher) جابجایی حروف الفبا را می‌توان ساده‌ترین رمز متقارن دانست. در جنگ جهانی دوم، ماشین انیگما (Enigma) آلمان‌ها و تلاش‌های آلن تورینگ در بلچلی پارک، نقطهٔ عطفی در تاریخ رمزنگاری و رایانه بود.

در دوران مدرن، با ظهور کامپیوترها و اینترنت، رمزنگاری از حالت نظامی به حوزهٔ روزمره وارد شد. استاندارد DES در ۱۹۷۷، AES در ۲۰۰۱، و منحنی‌های بیضوی (ECC) در دههٔ ۲۰۰۰، پایه‌های امروز را بنا نهادند.

رمزنگاری متقارن (Symmetric)#

در رمزنگاری متقارن، فرستنده و گیرنده از یک کلید مشترک استفاده می‌کنند. مزیت اصلی سرعت بالاست؛ معایب اصلی، مشکل توزیع کلید است.

الگوریتم‌های شناخته‌شده#

• DES (Data Encryption Standard): کلید ۵۶ بیتی؛ از ۲۰۰۵ منسوخ اعلام شده. امروز در کمتر از ۲۴ ساعت با سخت‌افزار تخصصی شکسته می‌شود.
• 3DES: سه‌بار DES؛ کند و منسوخ.
• AES-128/192/256: استاندارد فعلی؛ سریع و امن. AES-256 برای داده‌های طبقه‌بندی‌شدهٔ Top Secret توسط NSA تأیید شده.
• Blowfish / Twofish: جایگزین‌های آزاد AES؛ Twofish فینالیست رقابت AES بود.
• ChaCha20: جریان‌محور و سریع در دستگاه‌های بدون شتاب‌دهنده سخت‌افزاری؛ استفاده در TLS و WireGuard.

مثال: رمزگذاری AES با Python#

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.primitives import padding
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import os
 
key = os.urandom(32)  # AES-256
iv = os.urandom(16)
 
padder = padding.PKCS7(128).padder()
padded = padder.update(b"secret message") + padder.finalize()
 
cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
encryptor = cipher.encryptor()
ciphertext = encryptor.update(padded) + encryptor.finalize()
 
print(ciphertext.hex())

رمزنگاری نامتقارن (Asymmetric)#

رمزنگاری نامتقارن از یک جفت کلید استفاده می‌کند: کلید عمومی برای رمزگذاری و کلید خصوصی برای رمزگشایی. این الگوریتم‌ها کندتر از متقارن هستند، اما مشکل توزیع کلید را حل می‌کنند.

الگوریتم‌های کلیدی#

• RSA: بر پایهٔ سختی تجزیهٔ اعداد بزرگ. کلیدهای ۲۰۴۸ بیتی حداقل امروزی؛ ۴۰۹۶ بیتی برای امنیت بلندمدت پیشنهاد می‌شود.
• ECC (Elliptic Curve Cryptography): با کلید ۲۵۶ بیتی امنیتی معادل RSA 3072 دارد؛ ایده‌آل برای موبایل و IoT.
• Diffie-Hellman (DH): تبادل کلید بدون نیاز به کانال امن؛ پایهٔ Forward Secrecy در TLS.
• Ed25519: امضای دیجیتال سریع و امن؛ در SSH و Signal استفاده می‌شود.

مثال: تبادل کلید Diffie-Hellman#

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import x25519
 
# Alice
alice_private = x25519.X25519PrivateKey.generate()
alice_public = alice_private.public_key()
 
# Bob
bob_private = x25519.X25519PrivateKey.generate()
bob_public = bob_private.public_key()
 
# هر دو به یک shared secret یکسان می‌رسند
alice_shared = alice_private.exchange(bob_public)
bob_shared = bob_private.exchange(alice_public)
 
assert alice_shared == bob_shared  # True

توابع درهم‌ساز (Hash)#

Hash یک‌طرفه است: ورودی هر اندازه را به خروجی با طول ثابت تبدیل می‌کند. کاربرد اصلی: تأیید یکپارچگی و ذخیرهٔ رمز عبور.

ذخیرهٔ رمز عبور با bcrypt#

import bcrypt
 
password = b"my_secret_password"
 
# هش کردن با salt خودکار
hashed = bcrypt.hashpw(password, bcrypt.gensalt(rounds=14))
print(hashed.decode())
 
# تأیید
if bcrypt.checkpw(password, hashed):
    print("رمز صحیح است")

پارامتر rounds هزینهٔ محاسباتی را تعیین می‌کند؛ ۱۴ امروزی، اما هر دو سال با افزایش قدرت سخت‌افزار باید افزایش یابد.

امضای دیجیتال و گواهی‌ها#

امضای دیجیتال ترکیب hash و رمزنگاری نامتقارن است: فرستنده hash پیام را با کلید خصوصی خود امضا می‌کند و گیرنده با کلید عمومی فرستنده صحت را بررسی می‌کند. این کار اصالت، یکپارچگی و عدم‌انکار را هم‌زمان تأمین می‌کند.

PKI و X.509#

زیرساخت کلید عمومی (PKI) شامل سه بازیگر اصلی است:

• CA (Certificate Authority): مرجع صدور گواهی، مانند Let's Encrypt یا DigiCert.
• گواهی X.509: فایلی که کلید عمومی یک سرور را با هویتش متصل می‌کند.
• Chain of Trust: گواهی سرور توسط CA میانی امضا می‌شود و آن نیز توسط CA ریشه‌ای.

مرورگر شما مجموعه‌ای از CAهای ریشهٔ مورداعتماد را دارد و اگر گواهی سایت با هیچ‌کدام تطبیق نیابد، هشدار می‌دهد.

handshake در TLS 1.3#

TLS 1.3 ساده‌شدهٔ نسخه‌های قبلی است و handshake در یک رفت‌وبرگشت انجام می‌شود:

1. Client Hello
   Client به Server: ciphers مورد پشتیبانی، key share (ECDHE)، random
 
2. Server Hello
   Server به Client: انتخاب cipher، key share، گواهی، امضای handshake
 
3. Client
   بررسی گواهی → محاسبه shared secret → Finished (رمزگذاری‌شده)
 
4. Application Data (هر دو طرف کلید مشترک دارند)

TLS 1.3 از Forward Secrecy استفاده می‌کند: اگر کلید خصوصی سرور در آینده لو برود، ترافیک گذشته قابل رمزگشایی نیست.

مقایسهٔ الگوریتم‌ها#

تمرین عملی: رمزگذاری فایل با GPG#

GnuPG ابزار استاندارد رمزنگاری فایل و ایمیل است. رمزگذاری متقارن یک فایل:

# رمزگذاری با AES-256 و درخواست passphrase
gpg --symmetric --cipher-algo AES256 secret.txt
# خروجی: secret.txt.gpg
 
# رمزگشایی
gpg --decrypt secret.txt.gpg > secret.txt
# عبارت عبور پرسیده می‌شود
 
# رمزگذاری نامتقارن با کلید عمومی گیرنده
gpg --encrypt --recipient alice@example.com secret.txt
 
# امضای دیجیتال
gpg --sign secret.txt
 
# امضا و رمزگذاری هم‌زمان
gpg --sign --encrypt --recipient alice@example.com secret.txt

برای تولید کلید شخصی:

gpg --full-generate-key
# انتخاب: (9) ECC and ECC
# الگوریتم: Curve25519
# مدت اعتبار: 2y
 
# لیست کلیدهای خصوصی
gpg --list-secret-keys
 
# صادرات کلید عمومی برای اشتراک با دیگران
gpg --armor --export alice@example.com > alice_public.asc

خلاصه و گام بعدی#

در این فصل با تاریخچه، انواع رمزنگاری متقارن و نامتقارن، توابع hash، امضای دیجیتال، PKI و handshake TLS آشنا شدید. به‌خاطر داشته باشید: AES-256 برای داده، RSA 2048+ یا ECC برای تبادل کلید، SHA-256+ برای hash، و Argon2 برای رمز عبور.

در فصل بعد به احراز هویت و دسترسی می‌پردازیم؛ اولین خط دفاعی هر سیستم.