سايمون (شفرة)

سايمون هي عائلة من خوارزميات التشفير الكتلية خفيفة الوزن، وقد نشرتها وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA) علنًا في يونيو 2013. ^{[ 5 ] [ 1 ]} تم تحسين سايمون لتحقيق أداء أفضل في التطبيقات المادية، بينما تم تحسين خوارزمية سبيك الشقيقة لها للتطبيقات البرمجية. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

بدأت وكالة الأمن القومي العمل على خوارزميات التشفير سيمون وسبيك في عام 2011. وتوقعت الوكالة أن تحتاج بعض الوكالات في الحكومة الفيدرالية الأمريكية إلى خوارزمية تشفير تعمل بكفاءة على مجموعة متنوعة من أجهزة إنترنت الأشياء مع الحفاظ على مستوى مقبول من الأمان. ^{[ 8 ]}

تُعدّ شيفرة سيمون الكتلية شيفرة فيستل متوازنة ذات كلمة طولها n بت، وبالتالي فإن طول الكتلة هو 2 ^ n . طول المفتاح هو مضاعف لـ n في 2 أو 3 أو 4، وهو القيمة m . لذلك، يُرمز إلى تطبيق شيفرة سيمون بالرمز Simon2 ^n / nm . على سبيل المثال، يشير Simon64/128 إلى الشيفرة التي تعمل على كتلة نص عادي طولها 64 بت ( n  =  32) باستخدام مفتاح طوله 128 بت. ^{[ 1 ]} يكون مكون الكتلة في الشيفرة موحدًا بين تطبيقات سيمون؛ ومع ذلك، فإن منطق توليد المفتاح يعتمد على تطبيق مفتاحين أو ثلاثة أو أربعة مفاتيح.

يدعم سيمون التوليفات التالية من أحجام الكتل وأحجام المفاتيح وعدد الجولات: ^{[ 1 ]}

وصف الجدول الزمني الرئيسي

يترك${\displaystyle S^{j}}$قم بتدوين الإزاحة الدائرية اليسرى بواسطة${\displaystyle j}$أجزاء.

يمكن وصف الجدول الزمني الرئيسي رياضياً على النحو التالي:

${\displaystyle k_{i+m}=\left\{{\begin{array}{ll}c\oplus \left(z_{j}\right)_{i}\oplus k_{i}\oplus \left(I\oplus S^{-1}\right)\left(S^{-3}k_{i+1}\right),&m=2\\c\oplus \left(z_{j}\right)_{i}\oplus k_{i}\oplus \left(I\oplus S^{-1}\right)\left(S^{-3}k_{i+2}\right),&m=3\\c\oplus \left(z_{j}\right)_{i}\oplus k_{i}\oplus \left(I\oplus S^{-1}\right)\left(S^{-3}k_{i+3}\oplus k_{i+1}\right),&m=4\\\end{array}}\right.}$

قد يكون هيكل الجدول الزمني الرئيسي متوازنًا أو غير متوازن. عدد الكلمات الرئيسية لـ${\displaystyle m}$يُستخدم لتحديد بنية توسيع المفتاح، مما ينتج عنه عرض بت إجمالي قدره ${\displaystyle m*n}$يتكون توسيع الكلمة الرئيسية من إزاحة إلى اليمين، وعملية XOR، وتسلسل ثابت.${\displaystyle z_{x}}$. ال${\displaystyle z_{x}}$تُجرى عملية bit على البت الأدنى من الكلمة الرئيسية مرة واحدة في كل جولة. ^{[ 7 ]}

وصف التسلسل الثابت

التسلسل الثابت، ${\displaystyle z_{x}}$يتم إنشاء هذه البيانات بواسطة مسجل إزاحة التغذية الراجعة الخطية ( LFSR ). يتم تحديد التسلسل المنطقي لثوابت البتات بواسطة قيمة المفتاح وحجم الكتلة. يتم إنشاء LFSR بواسطة حقل مكون من 5 بتات. يعمل بت الثابت على كتلة المفتاح مرة واحدة في كل دورة على البت الأدنى لإضافة إنتروبيا غير مرتبطة بالمفتاح إلى جدول المفاتيح. يحتوي LFSR على منطق مختلف لكل ${\displaystyle z_{x}}$التسلسل؛ ومع ذلك، فإن الشرط الأولي هو نفسه للتشفير. يختلف الشرط الأولي لمسجل الإزاحة ذي التغذية الراجعة الخطية (LFSR) لفك التشفير في كل جولة.

تسلسل ثابت
${\displaystyle z_{0}=11111010001001010111001101111101000100101011000011100110}$
${\displaystyle z_{1}=10001110111110010011000010110101000111011111001001100001011010}$
${\displaystyle z_{2}=10101111011100000011010010011000101000010001111110010110110011}$
${\displaystyle z_{3}=11011011101011000110010111100000010010001010011100110100001111}$
${\displaystyle z_{4}=11010001111001101011011000100000010111000011001010010011101111}$

يدّعي المصممون أن خوارزمية سيمون، رغم كونها خوارزمية تشفير "خفيفة الوزن"، مصممة لتوفير أقصى مستوى ممكن من الأمان لكل كتلة وحجم مفتاح، ضد هجمات النص الصريح المختار (CPA) والنص المشفر المختار (CCA) القياسية . كما ذُكرت مقاومة هجمات المفاتيح المترابطة كهدف ، وإن كان أقل أهمية لأن الهجمات في هذا النموذج غير ذات صلة بحالات الاستخدام الشائعة. ^{[ 9 ] : 2} لم تُبذل أي جهود لمقاومة الهجمات في نموذج هجوم تمييز المفتاح المعروف ، كما لم يُقيّم المصممون خوارزمية سيمون لاستخدامها كدالة تجزئة . ^{[ 10 ]}

حتى عام 2018، لم يُعرف أي هجوم ناجح على خوارزمية سيمون كاملة الجولات، بغض النظر عن نوعها. ونظرًا للاهتمام المتزايد بخوارزميتي سيمون وسبيك، فقد نُشر حوالي 70 بحثًا في مجال تحليل التشفير عنهما. ^{[ 9 ] : 10} وكما هو معتاد في التشفيرات المتكررة ، فقد تم اختراق أنواع ذات جولات مُخفّضة بنجاح. أفضل الهجمات المنشورة على خوارزمية سيمون في نموذج الهجوم القياسي (CPA/CCA بمفتاح غير معروف) هي هجمات تحليل التشفير التفاضلي ؛ إذ تجتاز هذه الهجمات حوالي 70-75% من جولات معظم الأنواع، على الرغم من أن هذه الهجمات الأفضل أسرع بشكل طفيف فقط من هجمات القوة الغاشمة . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 9 ] : 12} ويذكر فريق التصميم أنهم أثناء تصميم خوارزمية سيمون، وجدوا أن الهجمات التفاضلية هي الهجمات المُحدِّدة، أي نوع الهجوم الذي يجتاز أكبر عدد من الجولات؛ ثم قاموا بتحديد عدد الجولات لترك هامش أمان مماثل لهامش أمان AES-128 عند حوالي 30%. ^{[ 9 ] : 12-13}

تعرض خوارزمية سيمون لانتقادات بسبب هامش الأمان الضئيل جدًا، أي عدد الجولات القليل جدًا بين أفضل الهجمات والتشفير الكامل، مقارنةً بخوارزميات تشفير أكثر تحفظًا مثل ChaCha20 . ^{[ 14 ]} وتُعد خوارزميات التشفير ذات هوامش الأمان الضئيلة أكثر عرضةً للاختراق مع التطورات المستقبلية في تحليل الشفرات . ويرد فريق تصميم سيمون بأن هناك تكلفة واقعية لهوامش الأمان الكبيرة غير الضرورية، خاصةً على الأجهزة خفيفة الوزن، وأن تحليل الشفرات خلال مرحلة التصميم سمح بتحديد عدد الجولات بشكل مناسب، وأنهم استهدفوا هامش أمان AES. ^{[ 9 ] : 17}

يتضمن خوارزمية سيمون عدادًا للجولات في جدول المفاتيح . ويذكر المصممون أن هذا العداد أُضيف لمنع هجمات الانزلاق وهجمات التحليل التشفيري الدوراني . ^{[ 9 ] : 16} ومع ذلك، فقد استُخدم التحليل التشفيري الدوراني XOR لإيجاد مُميزات ضد إصدارات ذات جولات مُخفّضة من خوارزميات تشفير مُشابهة مثل سبيك. ^{[ 15 ]} على الرغم من أن المؤلفين لم يصفوا هجمات استعادة المفاتيح القياسية بناءً على مُميزاتهم، إلا أن أفضل مُميزاتهم على سيمون 32 وسيمون 48 في نموذج هجوم تمييز المفتاح المعروف لبعض فئات المفاتيح الضعيفة تجتاز جولات أكثر بقليل من أفضل المُميزات التفاضلية. وقد ذكر أحد المؤلفين أن بحثه كان محدود الموارد، وأن مُميزات XOR الدورانية في جولات أكثر من الممكنة على الأرجح. ويذكر المصممون أيضًا أن سيمون لم يُصمم لمقاومة هجمات تمييز المفتاح المعروف (التي لا تُعرّض سرية التشفير للخطر بشكل مباشر). ^{[ 10 ] : 8}

يذكر المصممون أن تحليل التشفير الذي أجرته وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA) وجد أن الخوارزميات خالية من أي نقاط ضعف، وأن مستوى الأمان يتناسب مع أطوال مفاتيحها. ^{[ 8 ] : 2} ويشير فريق التصميم إلى أن تحليلهم للتشفير تضمن التحليل الخطي والتفاضلي باستخدام تقنيات قياسية مثل خوارزمية ماتسوي وحلول SAT/SMT، مع العلم أنه لم يتم تقديم قائمة كاملة بالتقنيات المستخدمة. ^{[ 9 ] : 10} وقد وُجهت انتقادات لمصممي سيمون لعدم تقديمهم تفاصيل إضافية حول تحليل التشفير الذي أجرته وكالة الأمن القومي الأمريكية. ^{[ 16 ]}

وافقت وكالة الأمن القومي على استخدام خوارزميتي Simon128/256 وSpeck128/256 في أنظمة الأمن القومي الأمريكية، على الرغم من أن خوارزمية AES-256 لا تزال موصى بها للتطبيقات غير المقيدة. ^{[ 17 ]}

فشلت المحاولات الأولية لتوحيد معايير تشفير سايمون وسبيك من خلال المنظمة الدولية للمعايير (ISO) في الحصول على أغلبية الأصوات المطلوبة، ولم يتم اعتماد التشفير. ^{[ 16 ]} عارض مندوبو الخبراء لدى المنظمة الدولية للمعايير من عدة دول، من بينها ألمانيا واليابان وإسرائيل، جهود وكالة الأمن القومي الأمريكية (NSA) لتوحيد معايير التشفير، مشيرين إلى مخاوف من أن الوكالة تسعى لتوحيد معاييرها مع علمها بوجود ثغرات أمنية قابلة للاستغلال فيها. ^{[ 18 ]} استند هذا الموقف إلى أدلة جزئية على وجود ثغرات في التشفير، وعدم وجود حاجة واضحة لتوحيد معايير التشفير الجديدة، وتورط وكالة الأمن القومي سابقًا في إنشاء خوارزمية التشفير Dual_EC_DRBG ذات الباب الخلفي والترويج لها . ^{[ 19 ]}

رداً على المخاوف، صرحت وكالة الأمن القومي بأن أكثر من 70 ورقة بحثية لتحليل الأمن من بعض أبرز خبراء التشفير في العالم تدعم استنتاج الوكالة بأن الخوارزميات آمنة، وأكدت الوكالة أنها ليست على علم بأي تقنيات تحليل تشفير تسمح لها أو لأي شخص آخر باستغلال خوارزميتي سيمون أو سبيك. ^{[ 20 ]}

بعد فشل المحاولات الأولية لتوحيد معايير التشفير، قامت المنظمة الدولية للمقاييس (ISO) بتوحيد معايير تشفير سيمون وسبيك في مجموعات عمل أخرى. اعتبارًا من أكتوبر 2018، تم توحيد معايير تشفير سيمون وسبيك من قبل المنظمة الدولية للمقاييس كجزء من معيار واجهة الهواء لتقنية تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID )، وهو المعيار ISO 29167-21 (لسيمون) ^{[ 21 ]} والمعيار ISO 29167-22 (لسبيك) ^{[ 22 ]} ، مما يتيح استخدامها من قبل الكيانات التجارية.

• دالة منطقية متوازنة
• وظيفة الانحناء