معرفی انواع الگوریتم‌های رمزنگاری

رمزنگاری از دوران مصر و روم باستان به عنوان ابزاری مؤثر در حفاظت از اطلاعات حساس به کار رفته است. فرآیندی که با بهره‌گیری از روش‌های پیچیده، داده‌های قابل خواندن را به اطلاعاتی نامفهوم تبدیل می‌کند و این داده‌ها تنها با یک شیوه انحصاری قابل بازگشایی هستند. از این ‌رو می‌توان گفت رمزنگاری همواره به عنوان خط مقدم دفاع در برابر حملات سرقت اطلاعات مطرح بوده است. در این مقاله، به بررسی انواع الگوریتم‌های رمزنگاری می‌پردازیم و نحوه عملکرد هر یک را توضیح خواهیم داد. با ادامه این مطلب همراه ما باشید.

رمزنگاری چگونه کار می‌کند؟ 

رمزنگاری یک فرآیند اساسی در حفاظت از داده‌ها و اطلاعات حساس است که طی آن، اطلاعات قابل خواندن (متن ساده) به صورت غیرقابل فهم (متن رمزگذاری‌شده) تبدیل می‌شود. این فرآیند با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی پیچیده و کلیدهای رمزگذاری انجام می‌شود و تنها افرادی که دارای کلید صحیح برای رمزگشایی هستند، می‌توانند داده‌ها را به حالت اولیه بازگردانند. 

سپس این داده‌ها از طریق کانال‌های ناامن منتقل می‌شوند و تنها گیرنده مجاز می‌تواند با استفاده از کلید مناسب، داده‌ها را به حالت اولیه بازگرداند. این مکانیزم ضمن امن نگه داشتن داده‌ها در برابر دسترسی‌های غیرمجاز، حریم خصوصی، یکپارچگی و اعتبار اطلاعات را نیز حفظ می‌کند. رمزنگاری به عنوان یکی از ابزارهای اساسی در امنیت اطلاعات، در حوزه‌های مختلفی مانند حفاظت از اطلاعات مالی، داده‌های حساس، ایمیل‌ها و شبکه‌های ارتباطی کاربرد دارد. 

انواع الگوریتم‌های رمزنگاری 

الگوریتم‌های رمزنگاری به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. مهم‌ترین این دسته‌بندی‌ها شامل رمزنگاری متقارن، رمزنگاری نامتقارن، رمزنگاری ترکیبی (هیبرید) و هشینگ است. در ادامه هر یک از این الگوریتم‌ها را با زیرمجموعه‌های اصلی آنها توضیح می‌دهیم:

رمزنگاری متقارن (Symmetric Encryption)

رمزنگاری متقارن یکی از قدیمی‌ترین و سریع‌ترین روش‌های رمزگذاری است که در آن از یک کلید مشترک برای هر دو فرایند رمزگذاری و رمزگشایی استفاده می‌شود. این روش به دلیل سادگی و کارایی بالا، به‌خصوص برای حجم زیادی از داده‌ها مناسب است. در این روش، فرستنده و گیرنده باید کلید را از قبل به صورت امن به اشتراک بگذارند. الگوریتم‌های معروف رمزنگاری متقارن عبارت‌اند از:

الگوریتم DES مخفف (Data Encryption Standard) 

رمزنگاری DES یک الگوریتم متقارن قدیمی است که در دهه 1970 توسط IBM توسعه یافت و به عنوان استاندارد رمزنگاری انتخاب شد. این الگوریتم، داده‌ها را در بلوک‌های 64 بیتی با استفاده از یک کلید 56 بیتی رمزگذاری می‌کند و بر اساس ساختار Feistel در 16 دور عمل می‌کند. با این حال، به دلیل ضعف در برابر حملات brute-force و پیشرفت فناوری، DES دیگر امن نیست و جای خود را به الگوریتم‌های امن‌تری مانند AES داده است. 

 الگوریتم AES مخفف (Advanced Encryption Standard)

AES یکی از قوی‌ترین و پرکاربردترین الگوریتم‌های رمزنگاری متقارن است که توسط دولت ایالات متحده به عنوان استاندارد رمزنگاری انتخاب شده است. این الگوریتم از کلیدهایی با طول‌های 128، 192 و 256 بیت استفاده می‌کند و به دلیل امنیت بالا و کارایی مناسب، برای حفاظت از داده‌های حساس در سطح جهانی به کار می‌رود. AES به دلیل مقاومت بالا در برابر حملات، به عنوان یک الگوریتم پرکاربرد در صنعت شناخته می‌شود.

الگوریتم Triple DES (3DES) 

Triple DES یا 3DES به عنوان جایگزین الگوریتم قدیمی‌تر DES توسعه یافت و از سه کلید 56 بیتی برای رمزگذاری استفاده می‌کند. این الگوریتم با اعمال سه مرحله رمزگذاری، امنیت بیشتری نسبت به DES ارائه می‌دهد، اما به دلیل کندی عملکرد در نرم‌افزارها و ضعف نسبی در برابر حملات مدرن، به تدریج جای خود را به AES داده است.

الگوریتم Blowfish 

Blowfish یک الگوریتم رمزنگاری متقارن با اندازه بلوک 64 بیتی و طول کلید متغیر بین 32 تا 448 بیت است. این الگوریتم به دلیل سرعت بالا و کارایی در سیستم‌های کوچک مانند کارت‌های هوشمند و نرم‌افزارهای مدیریت رمز عبور مورد استفاده قرار می‌گیرد. Blowfish به صورت عمومی و رایگان در دسترس است و به دلیل سادگی و اثربخشی، همچنان در برخی برنامه‌ها کاربرد دارد.

الگوریتم Twofish 

Twofish جانشین پیشرفته‌تر Blowfish است و از بلوک‌های 128 بیتی و طول کلید حداکثر 256 بیتی استفاده می‌کند. این الگوریتم به دلیل انعطاف‌پذیری و کارایی بالا در محیط‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری شناخته می‌شود. Twofish به صورت رایگان در دسترس است و یکی از سریع‌ترین الگوریتم‌های رمزنگاری متقارن محسوب می‌شود. 

رمزنگاری نامتقارن (Asymmetric Encryption)

رمزنگاری نامتقارن یا رمزنگاری کلید عمومی، از دو کلید متفاوت برای رمزگذاری و رمزگشایی استفاده می‌کند: یک کلید عمومی که به صورت عمومی در دسترس است و یک کلید خصوصی که توسط گیرنده نگهداری می‌شود. این روش امنیت بالایی فراهم می‌کند، زیرا حتی اگر کلید عمومی در دسترس همه باشد، تنها کلید خصوصی می‌تواند داده‌های رمزگذاری‌شده را رمزگشایی کند. این روش به طور گسترده در امضاهای دیجیتال، تبادل کلیدها و ارتباطات امن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه الگوریتم‌های معروف رمزنگاری نامتقارن را شرح می‌دهیم:

الگوریتم RSA مخفف (Rivest-Shamir-Adleman) 

RSA یکی از معروف‌ترین الگوریتم‌های رمزنگاری نامتقارن است که بر اساس مسئله ریاضی تجزیه اعداد بزرگ به عوامل اول کار می‌کند. این الگوریتم از جفت کلیدهای عمومی و خصوصی استفاده می‌کند و به دلیل امنیت بالا، در برنامه‌هایی مانند SSL/TLS برای ارتباطات امن و امضاهای دیجیتال کاربرد دارد. RSA به دلیل پیچیدگی محاسباتی، برای حجم زیادی از داده‌ها کندتر از روش‌های متقارن عمل می‌کند.

الگوریتم Diffie-Hellman 

Diffie-Hellman یک الگوریتم نامتقارن است که به طور خاص برای تبادل کلیدهای رمزگذاری در محیط‌های ناامن طراحی شده است. این الگوریتم، امکان ایجاد یک کلید مشترک بین دو طرف را بدون انتقال مستقیم کلید فراهم می‌کند. Diffie-Hellman به دلیل سادگی و امنیت بالا، در پروتکل‌هایی مانند VPN و برنامه‌های پیام‌رسانی امن استفاده می‌شود.

الگوریتم ECC مخفف (Elliptic Curve Cryptography)

ECC یک روش نوین رمزنگاری نامتقارن است که بر اساس خواص منحنی‌های بیضوی کار می‌کند. این الگوریتم با استفاده از کلیدهای کوتاه‌تر، امنیتی مشابه RSA ارائه می‌دهد و به همین دلیل در دستگاه‌های موبایل و IoT که منابع محدودی دارند، بسیار کارآمد است. ECC به دلیل کارایی بالا و امنیت قوی، به عنوان یک جایگزین مناسب برای RSA در آینده مطرح است.

رمزنگاری ترکیبی یا هیبرید (Hybrid Encryption)

رمزنگاری ترکیبی یا هیبرید، با ترکیب دو روش رمزنگاری متقارن و نامتقارن، برای استفاده از مزایای هر دو روش طراحی شده است. در این روش، از رمزنگاری متقارن برای رمزگذاری حجم زیادی از داده‌ها استفاده می‌شود، زیرا سریع‌تر و کارآمدتر است. اما برای حل مشکل توزیع کلید در رمزنگاری متقارن، از رمزنگاری نامتقارن برای انتقال امن کلیدهای متقارن استفاده می‌شود. این رویکرد ترکیبی با استفاده از پروتکل‌های مطمئن، تعادلی بین امنیت و کارایی فراهم می‌کند. در ادامه مهم‌ترین پروتکل‌های روش ترکیبی را شرح می‌دهیم:

TLS/SSL 

پروتکل TLS (Transport Layer Security) (و نسخه قدیمی‌تر آن، SSL) یکی از معروف‌ترین پروتکل‌هایی است که از رمزنگاری ترکیبی استفاده می‌کند. در این پروتکل، ابتدا از رمزنگاری نامتقارن برای برقراری اتصال امن و تبادل کلیدهای متقارن استفاده می‌شود. سپس، از کلیدهای متقارن برای رمزگذاری داده‌های ارسالی در طول جلسه استفاده می‌شود. این رویکرد، هم امنیت بالای رمزنگاری نامتقارن و هم سرعت بالای رمزنگاری متقارن را در خود دارد. همچنین در ارتباطات امن وب، ایمیل‌ها و تراکنش‌های بانکی کاربرد دارد.

PGP (Pretty Good Privacy) 

PGP یک پروتکل معروف برای رمزنگاری ایمیل‌ها و فایل‌ها است که از رمزنگاری ترکیبی بهره می‌برد. در این پروتکل، ابتدا از رمزنگاری نامتقارن برای تبادل کلیدهای متقارن استفاده می‌شود. سپس، از کلیدهای متقارن برای رمزگذاری محتوای اصلی استفاده می‌شود. این رویکرد ترکیبی، اطمینان می‌دهد که تنها گیرنده مجاز می‌تواند پیام یا فایل را رمزگشایی کند. PGP به دلیل امنیت بالا و کارایی مناسب، در برنامه‌های مختلف ارتباطی و مدیریت اطلاعات حساس استفاده می‌شود. 

رمزنگاری به شیوه هشینگ (Hashing) 

هشینگ یک فرآیند یک‌طرفه است که داده‌ها را به یک مقدار ثابت و منحصر به فرد تبدیل می‌کند. برخلاف رمزنگاری، هشینگ قابل بازگشت نیست، یعنی نمی‌توان از مقدار هش‌شده به داده اصلی دست یافت. این ویژگی، هشینگ را به ابزاری ایده‌آل برای بررسی یکپارچگی داده‌ها و ذخیره‌سازی امن رمزهای عبور تبدیل می‌کند.

الگوریتم MD5

MD5 یکی از قدیمی‌ترین الگوریتم‌های هشینگ است که مقادیر هش 128 بیتی تولید می‌کند. با این حال، به دلیل آسیب‌پذیری‌های امنیتی، امروزه از آن برای اهداف حساس استفاده نمی‌شود و بیشتر برای کاربردهای غیرحساس مانند بررسی یکپارچگی فایل‌ها به کار می‌رود.

الگوریتم SHA

خانواده SHA شامل الگوریتم‌های هشینگ قوی‌تری است که به ترتیب امنیت بیشتری نسبت به MD5 ارائه می‌دهند. SHA-1 به دلیل آسیب‌پذیری‌های شناخته‌شده، کم‌کم جای خود را به SHA-2 و SHA-3 داده است. SHA-3 به عنوان آخرین نسل این خانواده، مقاومت بالایی در برابر حملات مدرن دارد و در برنامه‌های امنیتی پیشرفته استفاده می‌شود.

الگوریتم Bcrypt

Bcrypt یک الگوریتم هشینگ طراحی ‌شده برای ذخیره‌سازی امن رمزهای عبور است. این الگوریتم با استفاده از یک فاکتور کار (Work Factor)، فرآیند هشینگ را کند می‌کند تا از حملات brute-force جلوگیری کند. Bcrypt به دلیل امنیت بالا و انعطاف‌پذیری، در بسیاری از سیستم‌های مدیریت رمز عبور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایا و معایب هر نوع رمزنگاری 

هر نوع رمزنگاری، ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارد که آشنایی با آن‌ها به انتخاب بهترین روش برای اهداف مختلف کمک می‌کند. در ادامه، به بررسی دقیق مزایا و معایب انواع رمزنگاری شامل متقارن، نامتقارن، هشینگ و ترکیبی می‌پردازیم.

مزایا و معایب رمزنگاری متقارن (Symmetric Encryption) 

ابتدا به توضیح مزایا و معایب رمزنگاری متقارن می پردازیم که عبارت‌اند از:

مزایا 

• سرعت بالا در رمزگذاری و رمزگشایی داده‌ها. 
• مناسب برای حجم زیادی از داده‌ها به دلیل کارایی بالا. 
• پیاده‌سازی ساده و نیاز به منابع کمتر نسبت به روش‌های نامتقارن. 

معایب 

• توزیع امن کلید چالش‌برانگیز است.
• اگر کلید لو برود، تمام داده‌های رمزگذاری‌شده در معرض خطر قرار می‌گیرند. 
• مناسب برای محیط‌های کوچک و بسته، اما در شبکه‌های گسترده مشکلاتی دارد. 

 مزایا و معایب رمزنگاری نامتقارن (Asymmetric Encryption) 

مهم‌ترین مزایا و معایب رمزگذاری نامتقارن به شرح زیر است:

مزایا 

• امنیت بالاتر به دلیل استفاده از جفت کلیدهای عمومی و خصوصی. 
• حل مشکل توزیع کلید در رمزنگاری متقارن. 
• مناسب برای امضاهای دیجیتال و تأیید هویت. 

معایب 

• سرعت پایین‌تر نسبت به رمزنگاری متقارن. 
• پیچیدگی بیشتر در پیاده‌سازی و نیاز به منابع محاسباتی بیشتر. 
• طول کلیدها معمولاً بزرگ‌تر است که می‌تواند باعث افزایش هزینه‌ها شود. 

رمزنگاری ترکیبی (Hybrid Encryption) 

رمزنگاری ترکیبی نیز مزایا و معایب خاص خود را نسبت به سایر شیوه‌های رمزنگاری دارد که در ادامه شرح می‌دهیم:

مزایا 

• ترکیب مزایای رمزنگاری متقارن (سرعت) و نامتقارن (امنیت). 
• مناسب برای برنامه‌هایی مانند SSL/TLS و PGP که نیاز به امنیت و کارایی بالا دارند. 
• حل مشکل توزیع کلید در رمزنگاری متقارن با استفاده از رمزنگاری نامتقارن. 

معایب 

• پیچیدگی بیشتر نسبت به استفاده از یک روش. 
• نیاز به مدیریت هر دو نوع کلید (متقارن و نامتقارن). 

مزایا و معایب هشینگ (Hashing) 

مهم‌ترین مزایا و معایب هشینگ را می‌توان به شیوه زیر برشمرد:

مزایا 

• فرآیند یک‌طرفه است و غیرقابل بازگشت. 
• مناسب برای بررسی یکپارچگی داده‌ها و ذخیره‌سازی امن رمزهای عبور. 
• سرعت بالا در تولید هش‌ها. 

معایب 

• غیرقابل بازگشت بودن آن باعث می‌شود برای رمزگذاری داده‌هایی که نیاز به بازیابی دارند، مناسب نباشد. 
• آسیب‌پذیری‌هایی مانند تصادم هش (Collision) ممکن است وجود داشته باشد. 

جدول مقایسه انواع الگوریتم‌های رمزنگاری

در جدول زیر به طور خلاصه مقایسه این سه نوع الگوریتم پرداخته شده است:

ویژگی	رمزنگاری متقارن	رمزنگاری نامتقارن	رمزنگاری ترکیبی
ساختار کلید	از یک کلید واحد برای رمزنگاری و رمزگشایی استفاده می‌کند	از یک جفت کلید استفاده می‌کند: کلید عمومی برای رمزنگاری و کلید خصوصی برای رمزگشایی	ترکیبی از کلیدهای متقارن و نامتقارن است
سرعت	سرعت بالاتر به دلیل پردازش‌های محاسباتی کمتر	به علت عملیات‌های ریاضی پیچیده کندتر است	رمزنگاری سریع داده با کلید متقارن؛ تبادل کلید کندتر به دلیل رمزنگاری نامتقارن
توزیع کلید	به اشتراک‌گذاری امن کلید بین طرفین	کلید عمومی می‌تواند آزادانه به اشتراک گذاشته شود؛ کلید خصوصی محرمانه می‌ماند	رمزنگاری نامتقارن امنیت توزیع کلید متقارن را تضمین می‌کند
موارد استفاده	مناسب برای رمزنگاری داده‌های حجیم مانند رمزنگاری فایل‌ها و امنیت پایگاه داده‌ها	ایده‌آل برای تبادل امن کلید، امضاهای دیجیتال و ایجاد ارتباطات امن	مناسب برای ارتباطات امن وب مانند TLS/SSL
امنیت	آسیب‌پذیر در صورت رهگیری کلید در حین انتقال	امنیت بیشتر به دلیل عدم نیاز به توزیع کلید	ترکیبی از مزایای امنیتی رمزنگاری نامتقارن و کارایی رمزنگاری متقارن
نمونه‌ها	AES استاندارد رمزنگاری پیشرفته، DES استاندارد رمزنگاری داده	RSA ریوست-شامیر-ادلمن، ECC رمزنگاری منحنی بیضوی	TLS (امنیت لایه انتقال)، استفاده‌شده در HTTPS
پیچیدگی الگوریتم	کمتر پیچیده و ساده‌تر برای پیاده‌سازی	پیچیده‌تر و شامل الگوریتم‌های رمزنگاری مانند تجزیه اعداد	نیاز به درک هر دو نوع رمزنگاری برای پیاده‌سازی

چالش‌ها و آینده رمزنگاری

 امروزه رمزنگاری با چالش‌های جدی نظیر تهدیدات ناشی از کامپیوترهای کوانتومی و حملات brute-force مواجه است. این چالش‌ها موجب شده‌اند تا الگوریتم‌های مدرن مانند RSA و ECC، که مبتنی بر مسائل ریاضی پیچیده هستند، به سرعت در معرض شکست قرار گیرند؛ لذا نیاز به افزایش طول و قدرت کلیدهای رمزگذاری و بهبود مدیریت امن آن‌ها بیش از پیش احساس می‌شود.

در پاسخ به این تهدیدات، گرایش به سمت الگوریتم‌های مقاوم در برابر کوانتوم و فناوری‌های نوینی همچون رمزنگاری همومورفیک و شبکه‌های لاتیس شکل گرفته است. این رویکردها امکان پردازش داده‌های رمزگذاری‌شده بدون نیاز به رمزگشایی را فراهم می‌کنند و استانداردهای جدیدی مانند CRYSTALS-Kyber و CRYSTALS-Dilithium که توسط NIST معرفی شده‌اند، در حال جایگزینی الگوریتم‌های قدیمی بوده و افق‌های تازه‌ای از کارایی و مقاومت در برابر تهدیدات نوظهور را رقم می‌زنند.

نتیجه‌گیری

رمزنگاری به عنوان یکی از اساسی‌ترین ابزارهای امنیت سایبری، نقشی حیاتی در محافظت از داده‌ها و اطلاعات حساس در عصر دیجیتال ایفا می‌کند. این فناوری با استفاده از الگوریتم‌های رمزنگاری مانند متقارن (AES، DES، Blowfish)، نامتقارن (RSA، ECC)، ترکیبی (TLS/SSL، PGP) و هشینگ، امکان ایجاد لایه‌های مختلفی از امنیت را فراهم می‌کند که هر کدام بر اساس نیازهای خاص برنامه‌ها و سیستم‌ها قابل استفاده هستند. نظر شما در خصوص این رمزنگاری‌ها چیست؟ لطفا نظرات و پیشنهادات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.

سوالات متداول