PKCS 1

في علم التشفير ، يُعدّ معيار PKCS #1 أول معيار ضمن سلسلة معايير تُعرف باسم معايير التشفير بالمفتاح العام (PKCS) ، والتي نشرتها مختبرات RSA . يُقدّم هذا المعيار التعريفات الأساسية والتوصيات اللازمة لتطبيق خوارزمية RSA للتشفير بالمفتاح العام . كما يُحدّد الخصائص الرياضية للمفاتيح العامة والخاصة، والعمليات الأساسية للتشفير والتوقيعات، وأنظمة التشفير الآمنة، بالإضافة إلى تمثيلات بناء الجملة ASN.1 ذات الصلة .

الإصدار الحالي هو 2.2 (27-10-2012). بالمقارنة مع الإصدار 2.1 (14-06-2002)، الذي أعيد نشره كـ RFC 3447، يُحدّث الإصدار 2.2 قائمة خوارزميات التجزئة المسموح بها لتتوافق مع معيار FIPS 180-4، وبالتالي يضيف خوارزميات SHA-224 وSHA-512/224 وSHA-512/256.

يُحدد معيار PKCS #1 التعريفات والخصائص الرياضية التي يجب أن تتوافر في مفاتيح RSA العامة والخاصة. يعتمد زوج المفاتيح التقليدي على معامل، n ، وهو حاصل ضرب عددين أوليين كبيرين مختلفين ، p و q ، بحيث${\displaystyle n=pq}$.

ابتداءً من الإصدار 2.1، تم تعميم هذا التعريف ليشمل المفاتيح متعددة الأعداد الأولية، حيث قد يكون عدد الأعداد الأولية المختلفة اثنين أو أكثر. عند التعامل مع المفاتيح متعددة الأعداد الأولية، تُصنف جميع العوامل الأولية عمومًا على أنها${\displaystyle r_{i}}$لبعض i ، بحيث:

${\displaystyle n=r_{1}r_{2}\cdots r_{i},}$ل${\displaystyle i\geq 2}$

كإجراء تدويني للتسهيل،${\displaystyle p=r_{1}}$و${\displaystyle q=r_{2}}$.

يتم تمثيل المفتاح العام لـ RSA على شكل مجموعة${\displaystyle (n,e)}$، حيث يمثل العدد الصحيح e الأس العام.

قد يكون للمفتاح الخاص RSA تمثيلان. الشكل الأول المختصر هو tuple${\displaystyle (n,d)}$حيث d هو الأس الخاص. يحتوي الشكل الثاني على خمسة حدود على الأقل .${\displaystyle (p,q,dp,dq,qinv)}$أو أكثر للمفاتيح متعددة الأعداد الأولية. على الرغم من أنها زائدة رياضياً عن الصيغة المختصرة، فإن الحدود الإضافية تسمح ببعض التحسينات الحسابية عند استخدام المفتاح. على وجه الخصوص، يسمح الشكل الثاني باشتقاق المفتاح العام. ^{[ 1 ]}

يُحدد المعيار عدة عمليات أساسية. توفر هذه العمليات الأساسية التعليمات اللازمة لتحويل الصيغ الرياضية الخام إلى خوارزميات قابلة للحساب.

• I2OSP – Integer to Octet String Primitive – يحول عددًا صحيحًا غير سالب (قد يكون كبيرًا جدًا) إلى سلسلة من البايتات (سلسلة ثمانية).
• OS2IP – تحويل سلسلة ثمانية بتات إلى عدد صحيح – يفسر سلسلة من البايتات كعدد صحيح غير سالب
• RSAEP – خوارزمية تشفير RSA – تشفر رسالة باستخدام مفتاح عام
• RSADP – أداة فك تشفير RSA – تقوم بفك تشفير النص المشفر باستخدام مفتاح خاص
• RSASP1 – عنصر التوقيع الأساسي RSA 1 – يُنشئ توقيعًا على رسالة باستخدام مفتاح خاص
• RSAVP1 – عنصر التحقق الأساسي الأول من RSA – يتحقق من أن التوقيع خاص برسالة باستخدام مفتاح عام

لا توفر العمليات الأساسية وحدها بالضرورة أي مستوى من الأمان. يكمن مفهوم نظام التشفير في تحديد خوارزميات أو استخدامات ذات مستوى أعلى للعمليات الأساسية لتحقيق أهداف أمنية محددة.

هناك نظامان للتشفير وفك التشفير:

• RSAES-PKCS1-v1_5 : نظام تشفير/فك تشفير قديم (ES) تم توحيده لأول مرة في الإصدار 1.5 من PKCS #1. معروف بأنه عرضة للاختراق.
• RSAES-OAEP : خوارزمية تشفير محسّنة؛ تعتمد على مخطط التشفير غير المتماثل الأمثل (OAEP) الذي اقترحه ميهير بيلار وفيليب روغاواي . يُوصى بها للتطبيقات الجديدة. ^{[ أ ]}

وهناك أيضاً نظامان للتعامل مع التوقيعات:

• RSASSA-PKCS1-v1_5 : نظام التوقيع القديم مع الملحق (SSA) الذي تم توحيده لأول مرة في الإصدار 1.5 من PKCS #1. غير قابل للتزوير، وفقًا لـ Jager et al. (2018). ^{[ 2 ]}
• RSASSA-PSS : نظام SSA مُحسَّن؛ يعتمد على نظام التوقيع الاحتمالي (PSS) الذي ابتكره بيلار وروغواي. يُوصى به للتطبيقات الجديدة.

تستخدم أنظمة التوقيع المزدوجة طرق ترميز محددة بشكل منفصل:

• EMSA-PKCS1-v1_5 : طريقة التشفير القديمة لملحق التوقيع (EMSA) كما تم توحيدها لأول مرة في الإصدار 1.5 من PKCS #1.
• EMSA-PSS : نسخة محسّنة من EMSA، تعتمد على نظام التوقيع الاحتمالي. يُوصى بها للتطبيقات الجديدة.

تُعدّ أنظمة التوقيع في الواقع توقيعات مُلحقة ، ما يعني أنه بدلاً من توقيع بيانات الإدخال مباشرةً، تُستخدم دالة تجزئة أولاً لإنتاج تمثيل وسيط للبيانات، ثم يُوقّع ناتج التجزئة. تُستخدم هذه التقنية دائمًا تقريبًا مع خوارزمية RSA لأن كمية البيانات التي يُمكن توقيعها مباشرةً تتناسب طرديًا مع حجم المفاتيح، وهو عادةً أصغر بكثير من كمية البيانات التي قد يرغب التطبيق في توقيعها.

• الإصدارات 1.1–1.3، من فبراير إلى مارس 1991، تم توزيعها بشكل خاص.
• الإصدار 1.4، يونيو 1991، تم نشره لورشة عمل المنفذين التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا/مبادرة المصادر المفتوحة.
• الإصدار 1.5، نوفمبر 1993. أول نشر علني. ^{[ 3 ]} أعيد نشره كـ RFC 2313 . 
• الإصدار 2.0، سبتمبر 1998. أعيد نشره كـ RFC 2437. قدم نظام التشفير RSAEP-OAEP. 
• الإصدار 2.1، يونيو 2002. أعيد نشره كـ RFC 3447. تم تقديم RSA متعدد الأعداد الأولية ونظام التوقيع RSASSA-PSS 
• الإصدار 2.2، أكتوبر 2012. أعيد نشره كـ RFC 8017 . 

فيما يلي قائمة بمكتبات التشفير التي توفر الدعم لـ PKCS#1:

تم اكتشاف العديد من الهجمات ضد معيار PKCS #1 الإصدار 1.5، وتحديداً ضد نظام الحشو الخاص به. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

في عام ١٩٩٨، نشر دانيال بليشنباخر ورقة بحثية رائدة حول ما عُرف بهجوم بليشنباخر (المعروف أيضًا باسم "هجوم المليون رسالة"). يستخدم هذا الهجوم الحشو كأداة للوصول إلى البيانات. ^{[ ٥ ] [ ٦ ]} تم تحديث معيار PKCS #١ لاحقًا في الإصدار ٢.٠، وصدرت تصحيحات للمستخدمين الراغبين في الاستمرار باستخدام الإصدار القديم من المعيار. ^{[ ٤ ]} ومع ذلك، لا يزال نظام الحشو المعرض للاختراق قيد الاستخدام، وقد أدى إلى هجمات لاحقة.

• وجد باردو وآخرون (2012) أن العديد من نماذج رموز PKCS 11 لا تزال تستخدم نظام الحشو v1.5 لخوارزمية RSA. واقترحوا نسخة محسّنة من هجوم بليشنباخر تتطلب عددًا أقل من الرسائل. ونتيجةً لهذا التحسين، تمكنوا من استخراج المفتاح السري من عدة نماذج في أقل من ساعة. كما أظهروا أن نظام AES-CBC عرضة لهجوم أوراكل حشو مختلف . ^{[ 5 ] [ 7 ]}
• أفاد بوك وآخرون (2018) بأن العديد من خوادم HTTPS الحديثة عرضة لنوع مختلف من الهجوم. يحتوي بروتوكول TLS 1.2 على تدابير مضادة لهجوم بليشنباخر، ولكن هذه الحلول لا تُطبَّق بشكل صحيح في العديد من البرامج نظرًا لتعقيدها الشديد. ^{[ 8 ]}

في عام 2006، قدم بليشنباخر هجومًا جديدًا للتزوير ضد نظام التوقيع RSASSA-PKCS1-v1_5. ^{[ 9 ]} وتم الإبلاغ عن أشكال مختلفة من هذا الهجوم في عامي 2008 ^{[ 10 ]} و2014. ^{[ 11 ]} يستغل هذا النوع من الهجمات خللًا في تطبيق التحقق من التوقيع؛ بينما لا يكون التطبيق السليم عرضةً لهذا الخلل. ^{[ 2 ]}

• مقارنة مكتبات التشفير

• RFC 8017 – PKCS #1: مواصفات تشفير RSA الإصدار 2.2 
• PKCS #1 v2.2: معيار التشفير RSA في Wayback Machine (تمت أرشفته في 2016-04-10)
• رفع مستوى توقيعات RSA: RSA-PSS في Wayback Machine (تمت أرشفته في 2004-04-04)