Symmetric Encryption Lecture Notes PDF - University of Tripoli Alahila

University of Tripoli Alahila - UTA Information Technology Network Security - ITPG407 Fall 2022-2023 Dr. Juma Ibrahim  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ مكونات نظام التشفير...

University of Tripoli Alahila - UTA Information Technology Network Security - ITPG407 Fall 2022-2023 Dr. Juma Ibrahim  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ مكونات نظام التشفير المتناظر‬ ‫النص الصريح ‪ P‬وهى تمثل النص او الرساله الصريحه المراد‬ ‫ ‬ ‫تشفيرها‪ ,‬وهى تمثل البيانات المدخله الى خوارزميه التشفير‪.‬‬ ‫خوارزميه التشفير )‪ Ek(P‬وهى تمثل خوارزميه التشفير التى تطب ق‬ ‫ ‬ ‫على النص الصريح النتاج نص مشفر‪ ,‬وتمثل عاده بعالقات رياضيه‪.‬‬ ‫المفتاح السرى ‪ k‬وهو عباره عن قيمه سريه تستخدم بواسطه‬ ‫ ‬ ‫الخوارزميه لتشفير النص الصريح‪ ,‬والذى يتغير من عمليه الخرى‬ ‫تعتمد عمليه التشفير على هذا المفتاح‪.‬‬ ‫النص المشفر ‪ C‬وهو النص الغير واضح وغير مفهوم (المشفر)‬ ‫ ‬ ‫الناتج من عمليه التشفير‪ ,‬وهو يعتمد على النص الصريح والمفتاح‬ ‫السرى وخوارزميه التشفير‪.‬‬ ‫خوارزميه فك التشفير )‪ Dk(C‬وعاده ما تكون نفس خوارزميه‬ ‫ ‬ ‫التشفير وتعمل بشكل عكسى‪ ,‬ومدخالتها النص المشفر والمفتاح‬ ‫السرى ومخرجاتها النص الصريح والمفهوم‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪2‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ مكونات نظام التشفير المتناظر‬ ‫الشكل التالى يوضح االتصال االمن باستخدام خوارزميات التشفير ةفك‬ ‫التشفير‪ ,‬مع وجود خطوره او تهديد حصول المهاجم على المفتاح عندما‬ ‫يتم ارساله بوسائل او قنوات غير امنه‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪3‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ مكونات نظام التشفير المتناظر‬ ‫ يمكن التعبير عى نظام التشفير هذا رياضيا بالمعادالت االتيه‪:‬‬ ‫)‪ C=Ek(P‬‬ ‫)‪ P=Dk(C‬‬ ‫ حيث يمثل ‪ Ek‬خوارزميه التشفير و تمثل ‪ Dk‬خوارزميه فك التشفير‪.‬‬ ‫ ينتج المفتاح بواسطه المرسل فيجب وجود قناه اتصال امنه الرسال‬ ‫هذا المفتاح الى المستقبل الستخدامه فى عمليه فك التشفير‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪4‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ مكونات نظام التشفير المتناظر‬ ‫الشكل التالى يوضح االتصال االمن باستخدام خوارزميات التشفير وفك‬ ‫التشفير‪ ,‬مع وجود قناه اتصال امنه الرسال المفتاح الى المستقبل‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪5‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ تحليل الشفره‬ ‫ ويقصد به محاوله معرفه النص الصريح (‪ )P‬وفك الرساله المشفره‬ ‫دون معرفه المفتاح الذى تم به التشفير‪ ,‬ويوجد اسلوبان فى هذا‬ ‫الهجوم‪:‬‬ ‫ تحليل الشفره ‪ : Cryptanalysis‬ويعتمد على بناء خوارزميه‬ ‫معينه واالعتماد على بعض معطيات النص الصريح المعروفه للمحلل‬ ‫(المهاجم) الستنتاج النص او استنتاج المفتاح‪ ,‬يتطلب هذا االسلوب ان‬ ‫تكون خوارزميه التشفير معروفه بالنسبه للمحلل‪.‬‬ ‫ هجمات القوه الغاشمه او هجوم الكسر االعمى او البحث الشامل‬ ‫‪ : Brute-force attack‬فى هذا االسلوب يحاول المهاجم تجريب‬ ‫كل المفاتيح المحتمله على جزء من النص المشفر وتستمر هذه‬ ‫المحاوالت حتى يتحصل على نص صريح ومفهوم وواضح‪.‬‬ ‫فى المعدل العام يجب تجريب نصف عدد المفايح المستخده للنجاح فى‬ ‫معرفه المفتاح الصحيح‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪6‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫‪The two basic building blocks of all encryption‬‬ ‫ ‬ ‫‪techniques are substitution and transposition‬‬ ‫‪Substitution‬‬ ‫‪technique‬‬ ‫االحالل‬ ‫بطريقه‬ ‫التشفر‬ ‫وهو يعتبر من تقنيات التشفير الكالسيكى ودراسته يعطى فكره‬ ‫مبسطه وسهله لفهم فكره التشفير وهجمات تحليل الشفرات‬ ‫المتوقعه‪.‬وفى هذا االسلوب يتم استبدال الحروف فى النص‬ ‫الصلى بحروف او ارقام او رموز‪ ,‬واذا كان النص االصلى يرى‬ ‫على انه سلسله من الثنائيات ‪ Bits‬فان االحالل يشمل استبدال‬ ‫انماط ‪ Patterns‬ثنائيات النص االصلى بانماط ثنائيات الن ص‬ ‫المشفر‪.‬‬ ‫ التشفر بطريقه قيصر ‪Casear cipher‬‬ ‫ وهويعتمد على خوارزميه التشفير المتناظر والمفتاح الواحد الخاص‪,‬‬ ‫حيث تستخدم مفتاح واحد وخاص لتشفير وفك تشفير الرساله من قبل‬ ‫كل من المرسل والمستقبل‪.‬فى هذا االسلوب النص المشفر ال ي قدم‬ ‫معلومات كافيه على المفتاح المستخدم او خوارزميه التشفير‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪7‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ التشفر بطريقه قيصر ‪Caesar cipher‬‬ ‫ وهو من اقدم واسهل انواع التشفير باالحالل‪ ,‬ومن اختراع العالم‬ ‫‪ Caesar Julius‬حيث قام باستبدال كل حرف من حروف االبجدي ه‬ ‫بالحرف الذي يبعد عليه بمسافه ثالثه مواضع‪.‬على سبيل المثال‪:‬‬ ‫ النص االصل‪University of Tripoli :‬‬ ‫ النص المشفر‪xqlyhuvlwb ri wulsrol:‬‬ ‫ مع مالحظه ان الحروف االبجديه ‪ wrapped around‬حيث ياتى‬ ‫بعد الحرف ‪ Z‬الحرف ‪ A‬وهكذا‪.‬‬ ‫ ‪Abcdefghijklmnopqrstuvwxyz‬‬ ‫ ‪Defghijklmnopqrstuvwxyzabc‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪1 2 3 4 5‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪7‬‬ ‫‪8 9‬‬ ‫‪1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2‬‬ ‫‪0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5‬‬ ‫‪a‬‬ ‫‪b c d e f‬‬ ‫‪g‬‬ ‫‪h‬‬ ‫‪i j‬‬ ‫‪k l mn o p q r s t u v w x y z‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪e f g h i‬‬ ‫‪j‬‬ ‫‪k‬‬ ‫‪l m n o p q r s t u v w x y z a b c‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪8‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ التشفر باالحالل ‪Substitution cipher‬‬ ‫ وهويعتمد على اسلوب االحالل السابق شرحه‪ ,‬وهو ابسط واقدم‬ ‫اسلوب تشفير ويتم استبدل حروف النص الصريح بحروف اخرى‬ ‫ويتم استخدام جميع الحروف االبجديه الالتينيه وذلك حسب الجدل‬ ‫التالى‪.‬‬ ‫ يمكن استخدام اسلوب الكسر االعمى ببساطه وسهوله لتحليل الشفره الناتجه‬ ‫من استخدام تشفير قيصر وذلك بتجريب كل المفايح الممكنه والبالغ عددها‬ ‫‪ 26‬مفتاحا‪ ,‬وهذه الطريقه معروفه لفك التشفير وتسمى باسلوب البحث‬ ‫الشامل‪ ,‬ومما يسهل استخدام هذا االسلوب‪.‬‬ ‫ خوارزميات التشفير وفك التشفير معروفتان‪.‬‬ ‫ هناك ‪ 26‬مفتاحا محتمال ومعروفا‪.‬‬ ‫ لغه النص الصريح معروفه ويمكن تمميزها بسهوله‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪9‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ التشفر بمجموعه حروف واحده ‪Monoalphabetic‬‬ ‫ وهويعتمد على ان يكون لنا مفتاح ونقوم باستبدال النص الصريح بهذا‬ ‫المفتاح‪ ,‬وهى افضل من طريقه قيصر الن المفتاح متغير ويتم اخياره‬ ‫عشوائيا‪ ,‬ولكن يجب توزيع الحروف بشكل متباعد كما هو مبي ن‬ ‫بالجدول التالى‪:‬‬ ‫ العدد المحتمل للمفاتيح !‪ 26‬وهو يمثل رقم كبير يزيد من صعوبه‬ ‫وتعقيد تحليل الشفره والحصول على المفتاح‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪10‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ فائض اللغه وتحليل الشفره‬ ‫معظم اللغات بها بعض الحروف الغيرمستخدمه بشكل واسع‪ ,‬مثل‬ ‫ ‬ ‫الحروف (‪ )Z,J,K,Q,X‬فى اللغه االنجليزيه فهى نادره االستخدام‪,‬‬ ‫كما ان استخدام بعض الحروف يكون اكثر من غيره فى معظم‬ ‫الكلمات والجمل مثل الحرف (‪ )E‬فى اللغه االنجليزيه وهو االكثر‬ ‫استخداما ثم يليه الحروف (‪.) T,R,N,I,O,A,S‬‬ ‫يوضح الشكل التالى التكرار النسبى النموذجى الستخدام الحروف‬ ‫ ‬ ‫االبجديه فى كلمات اللغه االنجليزيه‪.‬‬ ‫يستخدم هذا الفائض فى اللغه لظغط ملفات النص‪.‬‬ ‫ ‬ ‫تحليل الشفره باستخدام تحليل اللغه يعتمد على تحديد التكرار النسبى‬ ‫ ‬ ‫الستخدام الحروف فى الرساله المشفره ومقارنته بالتكرار النسبى‬ ‫النموذجى الموضح بالشكل المرفق‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪11‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ فائض اللغه وتحليل الشفره‬ ‫التكرار النسبى النموذجى الستخدام الحروف االنجليزيه‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪12‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ فائض اللغه وتحليل الشفره‬ ‫ استنادا على القاعده التى تقول ان التشفير ال يغيرالتكرار النسبى‬ ‫الستخدام الحروف فى النص الصريح‪ ,‬وايظا كلما زاد حجم النص‬ ‫المشفر كلما زاد احتمال استنتاج النص الصريح او المفتاح المستخدم‬ ‫فى التشفير‪.‬‬ ‫ تم استخدام اسلوب فائض اللغه و تحليل الشفره لفك وكسر تشفير‬ ‫النصوص والرسائل المشفره عن طريق استبدال الحروف بمجموعه‬ ‫حروف واحده‪.‬‬ ‫ يتلخص اسلوب ابن الكندى لتحليل الشفره فى الخطوات التالي‪:‬‬ ‫ يحديد التكرار النسبى للحروف فى النص المشفر ومقارنته بالتكرار النسبى النموذجى‬ ‫لالحرف‪.‬‬ ‫ فى حاله تشفير قيصر نبحث على اعلى تكرار عند الحروف الثالثه المشتركه (‪A-‬‬ ‫‪ ,) E-I‬وعدم وجود ازواج حروف مشتركه‪ ,‬والحروف الثالثه المشتركه (‪,) RST‬‬ ‫كما ببحث على التكرار المنخفض للمجموعات (‪ ) JK‬و (‪.) X-Z‬‬ ‫ فى حاله التشفير بمجموعه حروف واحده نحدد تكرار كل حرف على حده‪ ,‬وقد‬ ‫تساعد جداوال الحروف المحجوزه والحروف الثالثيه المشتركه فى تحليل الشفره‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪13‬‬  ‫نظم التشفير المتناظر ‪Symmetric encryption‬‬ ‫ فائض اللغه وتحليل الشفره‬ ‫ استنادا على القاعده التى تقول ان التشفير ال يغيرالتكرار النسبى‬ ‫الستخدام الحروف فى النص الصريح‪ ,‬وايظا كلما زاد حجم النص‬ ‫المشفر كلما زاد احتمال استنتاج النص الصريح او المفتاح المستخدم‬ ‫فى التشفير‪.‬‬ ‫ تم استخدام اسلوب فائض اللغه و تحليل الشفره لفك وكسر تشفير‬ ‫النصوص والرسائل المشفره عن طريق استبدال الحروف بمجموعه‬ ‫حروف واحده‪.‬‬ ‫ يتلخص اسلوب ابن الكندى لتحليل الشفره فى الخطوات التالي‪:‬‬ ‫ يحديد التكرار النسبى للحروف فى النص المشفر ومقارنته بالتكرار النسبى النموذجى‬ ‫لالحرف‪.‬‬ ‫ فى حاله تشفير قيصر نبحث على اعلى تكرار عند الحروف الثالثه المشتركه (‪A-‬‬ ‫‪ ,) E-I‬وعدم وجود ازواج حروف مشتركه‪ ,‬والحروف الثالثه المشتركه (‪,) RST‬‬ ‫كما ببحث على التكرار المنخفض للمجموعات (‪ ) JK‬و (‪.) X-Z‬‬ ‫ فى حاله التشفير بمجموعه حروف واحده نحدد تكرار كل حرف على حده‪ ,‬وقد‬ ‫تساعد جداوال الحروف المحجوزه والحروف الثالثيه المشتركه فى تحليل الشفره‪.‬‬ ‫المحاضره الرابعه‬ ‫‪14‬‬