أنظمة التشفير التابعة لوكالة الأمن القومي

طُرحت أنظمة وكالة الأمن القومي من الجيل الأول في خمسينيات القرن العشرين، واستندت إلى إرث أنظمة الوكالة السابقة التي استُخدمت خلال الحرب العالمية الثانية ، واستخدمت آلات دوارة مُشتقة من تصميم SIGABA لمعظم عمليات التشفير عالية المستوى؛ على سبيل المثال، KL-7 . تضمن توزيع المفاتيح توزيع قوائم مفاتيح ورقية تصف ترتيبات الدوارات، على أن تُغيّر يوميًا ( فترة التشفير ) عند منتصف الليل بتوقيت غرينتش . أُرسلت البيانات عالية المستوى باستخدام أنظمة أشرطة تُستخدم لمرة واحدة، بما في ذلك نظام 5-UCO البريطاني ، الذي تطلب كميات هائلة من مواد التشفير الورقية. ^{[ 1 ] : ص 39 وما بعدها}

كانت أنظمة الجيل الثاني (السبعينيات) جميعها تصاميم إلكترونية تعتمد على الصمامات المفرغة ومنطق المحولات. ويبدو أن الخوارزميات كانت مبنية على مسجلات الإزاحة ذات التغذية الراجعة الخطية ، ربما مع إضافة بعض العناصر غير الخطية لجعلها أكثر صعوبة في فك التشفير. وكان يتم تحميل المفاتيح بوضع بطاقة مثقبة في قارئ مقفل على اللوحة الأمامية. ^{[ 2 ]} وكانت مدة التشفير عادةً يومًا واحدًا. طُرحت هذه الأنظمة في أواخر الستينيات واستمر استخدامها حتى منتصف الثمانينيات. وقد تطلبت عناية وصيانة كبيرتين، لكنها لم تكن عرضة للنبضات الكهرومغناطيسية. وقد شكّل اكتشاف شبكة التجسس ووكر دافعًا لإيقاف استخدامها، إلى جانب أنظمة الجيل الأول المتبقية.

كانت أنظمة الجيل الثالث (ثمانينيات القرن العشرين) تعتمد على الترانزستورات والدوائر المتكاملة ، ومن المرجح أنها استخدمت خوارزميات أكثر قوة. كانت أصغر حجمًا وأكثر موثوقية. غالبًا ما اقتصرت الصيانة الميدانية على تشغيل وضع التشخيص واستبدال الوحدة المعيبة بوحدة احتياطية، مع إرسال جهاز التشفير المعيب إلى مركز الصيانة لإصلاحه. يتم تحميل المفاتيح عبر موصل في اللوحة الأمامية. اعتمدت وكالة الأمن القومي نفس نوع الموصل الذي استخدمه الجيش لأجهزة الراديو الميدانية كموصل تعبئة. وُزعت المفاتيح في البداية على شكل شرائط من الورق المثقب يمكن سحبها عبر قارئ محمول ( KOI-18 ) متصل بمنفذ التعبئة. كما توفرت أجهزة تعبئة إلكترونية محمولة أخرى ( KYK-13 ، وغيرها).

تستخدم أنظمة الجيل الرابع (التسعينيات) تغليفًا تجاريًا أكثر وتوزيعًا إلكترونيًا للمفاتيح. وقد أتاحت تقنية الدوائر المتكاملة التوافق مع أنظمة الجيل الثالث. كما تم تقديم رموز الأمان ، مثل مفتاح تشغيل التشفير KSD-64 ( CIK ). وتتيح تقنية فصل الأسرار التعامل مع أجهزة التشفير ومفاتيح CIK على أنها غير مصنفة عند فصلها. وفي وقت لاحق، تم استخدام بطاقة Fortezza ، التي طُرحت في الأصل كجزء من اقتراح شريحة Clipper المثير للجدل ، كرموز. وأصبحت فترات التشفير أطول بكثير، على الأقل بالنسبة للمستخدم. إذ لا يحتاج مستخدمو الهواتف الآمنة مثل STU-III إلا إلى الاتصال برقم هاتف خاص مرة واحدة سنويًا لتحديث تشفيرهم. كما تم تقديم طرق المفتاح العام ( FIREFLY ) لإدارة المفاتيح الإلكترونية ( EKMS )، والتي تستخدم حاسوبًا شخصيًا تجاريًا أو عسكريًا يعمل بنظام MS-DOS لإنشاء مفاتيح التشفير وتعليمات تشغيل الإشارة (SOI/CEOI). وقد أنتج مولد الأرقام العشوائية AN/CSZ-9 ، الذي توفره وكالة الأمن القومي الأمريكية، البتات العشوائية اللازمة. يتصل جهاز CSZ-9 بالحاسوب عبر منفذ RS-232، ويعمل بخمس بطاريات من نوع D (BA-30). في المراحل اللاحقة من نظام إدارة المفاتيح الموسّع (EKMS)، أُدمجت وظيفة البيانات العشوائية في معالج مفاتيح تابع لوكالة الأمن القومي (NSA). ^{[ 3 ]} أصبح بالإمكان الآن توليد المفاتيح بأوامر فردية بدلاً من استلامها من وكالة الأمن القومي عبر البريد.

تم استحداث جهاز تعبئة يدوي شائع ( AN/CYZ-10 ) ليحل محل العدد الكبير من الأجهزة المستخدمة لتحميل المفاتيح على العديد من أنظمة الجيل الثالث التي كانت لا تزال شائعة الاستخدام. ووُفر دعم التشفير للمعايير التجارية مثل الإيثرنت ، وبروتوكول الإنترنت (الذي طورته في الأصل وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية )، وتقنية تعدد الإرسال عبر الألياف الضوئية. أُنشئت شبكات سرية، مثل SIPRNet (شبكة موجه بروتوكول الإنترنت السرية) و JWICS (نظام الاتصالات الاستخباراتية العالمي المشترك)، باستخدام تقنية الإنترنت التجارية مع روابط اتصالات آمنة بين "المناطق المعزولة" حيث تُعالج البيانات السرية. وكان لا بد من توخي الحذر لضمان عدم وجود اتصالات غير آمنة بين الشبكات السرية والإنترنت العام .

في القرن الحادي والعشرين، باتت الاتصالات تعتمد بشكل متزايد على شبكات الحاسوب. ويُعدّ التشفير جانبًا واحدًا فقط من جوانب حماية المعلومات الحساسة على هذه الأنظمة، وهو ليس الجانب الأكثر صعوبة. وسيتمثل دور وكالة الأمن القومي بشكل متزايد في تقديم التوجيه للشركات التجارية التي تصمم أنظمة للاستخدام الحكومي. وتُعدّ حلول HAIPE أمثلة على هذا النوع من المنتجات (مثل KG-245A و KG-250 ).

اضطلعت وكالات أخرى، ولا سيما المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST )، بدور دعم أمن التطبيقات التجارية والحساسة غير المصنفة. ويشير اعتماد وكالة الأمن القومي (NSA) لخوارزمية AES غير المصنفة التي اختارها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST ) للاستخدام المصنف "في الأنظمة المعتمدة من وكالة الأمن القومي" إلى أن وكالة الأمن القومي قد تستخدم في المستقبل المزيد من الخوارزميات غير المصنفة. ويستخدم كل من نظامي KG-245A وKG-250 خوارزميات مصنفة وغير مصنفة.

تتولى مديرية ضمان المعلومات التابعة لوكالة الأمن القومي قيادة برنامج تحديث التشفير التابع لوزارة الدفاع ، وهو جهد يهدف إلى تحويل وتحديث قدرات ضمان المعلومات بما يتناسب مع القرن الحادي والعشرين. ويتكون البرنامج من ثلاث مراحل:

• الاستبدال: استبدل جميع الأجهزة المعرضة للخطر.
• التحديث: دمج حلول التشفير المعيارية القابلة للبرمجة/المدمجة.
• التحول: الالتزام بمتطلبات شبكة المعلومات العالمية/الشبكة المركزية.

ساعدت وكالة الأمن القومي في تطوير العديد من المعايير الرئيسية للاتصالات الآمنة: محطة النطاق الضيق الرقمية المستقبلية ( FNBDT ) للاتصالات الصوتية، وبروتوكول الإنترنت عالي الموثوقية للتوافق التشغيلي - مواصفات التوافق التشغيلي ( HAIPE ) لشبكات الكمبيوتر وخوارزميات التشفير Suite B.

خلال الحرب العالمية الثانية ، كانت الرسائل المكتوبة (المعروفة باسم حركة البيانات المسجلة ) تُشفّر خارج الشبكة باستخدام أجهزة دوارة خاصة وسرية للغاية، ثم تُرسل في مجموعات من خمسة أحرف باستخدام شفرة مورس أو دوائر آلة كاتبة عن بعد ، ليتم فك تشفيرها لاحقًا بواسطة أجهزة تشفير مماثلة في الطرف الآخر. استمر استخدام جهاز SIGABA الدوار، الذي طُوّر خلال تلك الحقبة، حتى منتصف الخمسينيات، عندما استُبدل بجهاز KL-7 الذي كان يحتوي على عدد أكبر من الدوارات.

كان جهاز التشفير KW -26 ROMULUS من الجيل الثاني واسع الانتشار، حيث كان يُركّب في دوائر آلات الكتابة عن بُعد لتشفير وفك تشفير البيانات تلقائيًا. استخدم الجهاز مسجلات إزاحة إلكترونية بدلًا من الدوارات، وحقق شعبية كبيرة (بالنسبة لجهاز أمن اتصالات في عصره)، إذ تم إنتاج أكثر من 14000 وحدة منه. استُبدل في ثمانينيات القرن العشرين بجهاز KG-84 الأكثر إحكامًا ، والذي بدوره استُبدل بجهاز KIV-7 المتوافق معه .

تتجنب سفن البحرية الأمريكية تقليديًا استخدام أجهزة الراديو الخاصة بها لمنع الخصوم من تحديد مواقعها عن طريق تحديد الاتجاه . كما تحتاج البحرية إلى الحفاظ على أمن الاتصالات، لذا فهي تمتلك محطات راديو تبث باستمرار سلسلة من الرسائل المشفرة. خلال الحرب العالمية الثانية وبعدها، قامت سفن البحرية بنسخ هذه البثوث الأسطولية واستخدمت أجهزة تشفير متخصصة لرموز النداء لتحديد الرسائل الموجهة إليها. ثم يتم فك تشفير الرسائل لاحقًا باستخدام معدات SIGABA أو KL-7 .

كان الجيل الثاني من نظام KW-37 يقوم بالمراقبة الآلية للأسطول عن طريق الاتصال المباشر بين جهاز الاستقبال اللاسلكي وجهاز الطباعة عن بعد . وقد تم استبداله بدوره بالجيل الثالث الأكثر إحكامًا وموثوقية، وهو نظام KW-46 .

تتولى وكالة الأمن القومي مسؤولية حماية أنظمة القيادة والسيطرة للقوات النووية. تُستخدم سلسلة KG-3 X في شبكة الاتصالات الطارئة الأساسية الدنيا التابعة للحكومة الأمريكية ، وفي نظام البث الثابت للغواصات المستخدم لنقل رسائل الاستجابة الطارئة للقيادة والسيطرة النووية والوطنية للقوات الاستراتيجية الأمريكية. وتقوم البحرية الأمريكية باستبدال نظام KG-38 المستخدم في الغواصات النووية بوحدات دوائر KOV-17 المدمجة في أجهزة استقبال الموجات الطويلة الجديدة، والمبنية على تقنية VME التجارية . وفي عام 2004، منحت القوات الجوية الأمريكية عقودًا للمرحلة الأولى من تطوير النظام وعرضه (SDD) ضمن برنامج لتحديث هذه الأنظمة القديمة المستخدمة في الطائرات.

تقوم أنظمة الاتصالات الحديثة بدمج العديد من الإشارات في تدفقات بيانات واسعة النطاق تُنقل عبر الألياف الضوئية والكابلات المحورية ومحطات الترحيل بالميكروويف وأقمار الاتصالات الصناعية . تتطلب هذه الدوائر واسعة النطاق أجهزة تشفير فائقة السرعة.

تتألف عائلة أجهزة WALBURN ( KG-81 ، KG-94 / 194 ، KG-94A / 194A ، KG-95 ) من أجهزة تشفير عالية السرعة تُستخدم بشكل أساسي في خطوط الميكروويف، وخطوط الهاتف الأرضية عالية السرعة، ومؤتمرات الفيديو، وقنوات الأقمار الصناعية T-1 . ومن الأمثلة الأخرى جهاز KG-189 ، الذي يدعم معايير SONET البصرية بسرعة تصل إلى 2.5  جيجابت/ثانية.

أجهزة تشفير البيانات الرقمية مثل عائلة KG-84 التي تشمل TSEC/ KG-84 و TSEC/ KG-84 A و TSEC/ KG-82 و TSEC/ KG-84 A و TSEC/ KG-84 C، وكذلك KIV-7 .

بدأ استخدام التشفير الصوتي الحقيقي (مقارنةً بتقنية التشفير الأقل أمانًا) خلال الحرب العالمية الثانية مع جهاز SIGSALY الذي يزن 50 طنًا ، والذي استُخدم لحماية أعلى مستويات الاتصالات. ولم يصبح هذا التشفير عمليًا للاستخدام الواسع النطاق إلا بعد ظهور أجهزة تشفير صوتية صغيرة الحجم ومعقولة التكلفة في منتصف الستينيات. وكانت عائلة NESTOR أول معدات صوتية تكتيكية آمنة ، وقد استُخدمت بنجاح محدود خلال حرب فيتنام. ومن أنظمة الصوت الأخرى التابعة لوكالة الأمن القومي: ^{[ 1 ] : المجلد الأول، ص 57 وما بعدها}

• STU I و STU II - كانت هذه الأنظمة مكلفة ومعقدة، وكانت تقتصر عمومًا على أعلى مستويات القيادة.
• STU-III — كانت هذه الهواتف تعمل عبر خطوط الهاتف العادية، وتتميز باستخدام رموز الأمان والتشفير بالمفتاح العام ، مما جعلها أكثر سهولة في الاستخدام. ونتيجة لذلك، لاقت رواجًا كبيرًا. استُخدم هذا الجهاز منذ ثمانينيات القرن الماضي، ويجري التخلص منه تدريجيًا، ولن يتم دعمه في المستقبل القريب.
• جهاز 1910 الطرفي - صُنع هذا الجهاز من قبل العديد من الشركات المصنعة، ويُستخدم في الغالب كمودم آمن. ومثل جهاز STU-III، فقد تفوقت عليه التكنولوجيا الحديثة إلى حد كبير، ولم يعد يُستخدم على نطاق واسع.
• HY-2 هو جهاز تشفير صوتي للدوائر بعيدة المدى مصمم للعمل مع مولد المفاتيح KG-13 .
• معدات طرفية آمنة (STE) - صُمم هذا النظام ليحل محل نظام STU-III. يستخدم النظام تقنية نقل الصوت عبر خطوط ISDN ذات النطاق الترددي العريض . كما يتوفر إصدار منه يتصل عبر خطوط PSTN (شبكة الهاتف العامة المحولة). ويمكنه الاتصال بهواتف STU-III، كما يمكن ترقيته ليتوافق مع نظام FNBDT.
• وحدة سيكتيرا الآمنة - وحدة تتصل بالجزء الخلفي من هاتف خلوي تجاري جاهز للاستخدام. تستخدم هذه الوحدة معيار التشفير المتقدم AES أو بروتوكول SCIP للتشفير.
• أومني - جهاز أومني الطرفي، من إنتاج شركة L3 للاتصالات، هو بديل آخر لأجهزة STU-III. يستخدم هذا الجهاز مفتاح FNBDT ويُستخدم لإرسال الصوت والبيانات بشكل آمن عبر أنظمة الاتصالات PSTN وISDN.
• فينسون: سلسلة من الأنظمة لتشفير الصوت التكتيكي، بما في ذلك وحدة KY-57 المحمولة باليد ووحدة KY-58 للطائرات
• تستخدم شركتا HAVE QUICK و SINCGARS مولدات تسلسل مُقدمة من وكالة الأمن القومي لتوفير قفز ترددي آمن
• محطة النطاق الضيق الرقمية المستقبلية (FNBDT) - تُعرف الآن باسم "بروتوكول قابلية التشغيل البيني للاتصالات الآمنة" ( SCIP )، وهي بديل لمحطة النطاق العريض STE، التي تستخدم قنوات اتصال ذات نطاق ترددي ضيق مثل دوائر الهاتف الخلوي ، بدلاً من خطوط ISDN. يعمل بروتوكول FNBDT/SCIP على طبقة التطبيقات في نموذج ISO/OSI المرجعي ، مما يعني إمكانية استخدامه مع أنواع مختلفة من الاتصالات، بغض النظر عن طريقة إنشائها. ويتفاوض مع الجهاز في الطرف الآخر، تمامًا مثل مودم الاتصال الهاتفي .
• تأمين إيريديوم - ساعدت وكالة الأمن القومي في إضافة التشفير إلى الهواتف المحمولة التجارية التابعة لشركة إيريديوم بعد أن أنقذت شركة إيريديوم المفلسة .
• فيشبول - في عام 2012، قدمت وكالة الأمن القومي بنية التنقل المؤسسي التي تهدف إلى توفير إمكانية اتصال صوتي عبر بروتوكول الإنترنت (VoIP) آمنة باستخدام منتجات تجارية وهاتف محمول يعمل بنظام أندرويد يُسمى فيشبول، والذي يسمح بإجراء اتصالات سرية عبر الشبكات اللاسلكية التجارية. ^{[ 4 ]}

لعب التعقيد التشغيلي للاتصالات الصوتية الآمنة دورًا في هجمات 11 سبتمبر 2001 على الولايات المتحدة. ووفقًا للجنة التحقيق في أحداث 11 سبتمبر ، فقد أعاق عدم القدرة على إنشاء خط هاتف آمن بين مركز القيادة العسكرية الوطنية وموظفي إدارة الطيران الفيدرالية الذين كانوا يتعاملون مع عمليات الاختطاف، استجابةً أمريكيةً فعّالة. انظر: الاتصالات خلال هجمات 11 سبتمبر 2001 .

وافقت وكالة الأمن القومي على مجموعة متنوعة من الأجهزة لتأمين اتصالات بروتوكول الإنترنت . وقد استُخدمت هذه الأجهزة لتأمين شبكة توجيه بروتوكول الإنترنت السرية ( SIPRNet )، من بين استخدامات أخرى.

كان نظام تشفير الشبكة من موتورولا (NES) أول جهاز تشفير تجاري لطبقة الشبكة. استخدم النظام بروتوكولي SP3 وKMP اللذين حددهما نظام شبكة البيانات الآمنة التابع لوكالة الأمن القومي (SDNS)، وكانا بمثابة النواة المباشرة لبروتوكول IPsec . بُني نظام NES وفق بنية ثلاثية الأجزاء، استخدمت نواة أمان تشفيرية صغيرة لفصل حزم بروتوكولات الشبكة الموثوقة عن غير الموثوقة. ^{[ 5 ]}

عرّف برنامج SDNS بروتوكول أمان الرسائل (MSP) الذي بُني على استخدام شهادات X.509. وكان أول جهاز من صنع وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA) لهذا الغرض هو BBN Safekeeper. ^{[ 6 ]} وقد خلف بروتوكول أمان الرسائل بروتوكول IETF Privacy Enhance Mail (PEM). ووفر BBN Safekeeper درجة عالية من مقاومة التلاعب، وكان من أوائل الأجهزة التي استخدمتها شركات البنية التحتية للمفاتيح العامة (PKI) التجارية.

لا تزال وكالة الأمن القومي تدعم أنظمة التشفير والمصادقة الورقية البسيطة للاستخدام الميداني مثل DRYAD .

شاركت وكالة الأمن القومي في تطوير العديد من أجهزة التشفير للاستخدام العام. وتشمل هذه الأجهزة ما يلي:

• المجموعة ب : مجموعة من معايير خوارزميات المفتاح العام القائمة على تشفير المنحنى الإهليلجي .
• معيار التشفير المتقدم (AES): خوارزمية تشفير اختارها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بعد مسابقة عامة. في عام 2003، اعتمدت وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA) معيار التشفير المتقدم (AES) للاستخدام من النوع الأول في بعض الأنظمة المعتمدة من قبلها.
• خوارزمية التجزئة الآمنة : عائلة من خوارزميات التجزئة واسعة الاستخدام طورتها وكالة الأمن القومي الأمريكية بناءً على تصميمات سابقة لرون ريفست .
• خوارزمية التوقيع الرقمي
• معيار تشفير البيانات (DES) ^{[ 7 ]}
• Skipjack : الشفرة التي تم تطويرها لبرنامج Clipper ونُشرت أخيرًا في عام 1998.
• شريحة كليبر : فشل مثير للجدل أقنع وكالة الأمن القومي بأنه من المستحسن البقاء بعيدًا عن الساحة العامة.
• نظام لينكس المحسن أمنياً : ليس جهاز تشفير بالمعنى الدقيق للكلمة، ولكنه اعتراف بأن تحسينات نظام التشغيل في القرن الحادي والعشرين أكثر أهمية لأمن المعلومات من التشفير الأفضل .
• خوارزميات التشفير الكتلية الخفيفة الوزن من نوع سبيك وسيمون ، والتي نُشرت في عام 2013.