ما هو التشفير المتماثل؟

التشفير المتماثل

التعريف والمفهوم الأساسي

التشفير المتجانس هو تقدم ثوري في التشفير يسمح بإجراء العمليات الحسابية مباشرة على البيانات المشفرة . على عكس الطرق التقليدية حيث يجب فك تشفير البيانات لاستخدامها، يضمن التشفير المتجانس بقاء المعلومات محمية في جميع مراحل المعالجة.

توفر هذه العملية سرية تامة: فقط أولئك الذين يحملون مفاتيح فك التشفير يمكنهم الوصول إلى النتائج. وهذا يجعلها ذات قيمة خاصة للقطاعات الحساسة، مثل الرعاية الصحية ، والخدمات المالية ، والحوسبة السحابية ، حيث تكون حماية البيانات ذات أهمية قصوى.

باختصار، تجمع هذه التقنية بين الأمان المتقدم والراحة ، مما يزيل الحاجة إلى التنازل بين الخصوصية والوظائف.

التاريخ والتطور

ظهر مفهوم التشفير المتجانس لأول مرة في عام 1978 بفضل باحثين ذوي رؤية بعيدة المدى مثل رونالد ريفيست وليونارد أدلمان ومايكل ديرتوزوس . ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى عام 2009 عندما اقترح كريج جينتري أول تنفيذ عملي لمخطط يعتمد على الشبكات التشفيرية .

ومنذ ذلك الحين، تم تحقيق تقدم كبير:

• تقليل الضوضاء التشفيرية ، مما أدى إلى تحسين دقة الحسابات.
• تحسين الخوارزميات ، مما يجعل المعالجة أسرع.
• تطوير مكتبات مفتوحة المصدر مثل HElib (IBM) و SEAL (Microsoft)، مما يعزز الاستخدام على نطاق أوسع.

مقارنة مع أساليب التشفير الأخرى

يتميز التشفير المتجانس عن طرق التشفير الأخرى، مثل الخوارزميات المتماثلة أو أدلة المعرفة الصفرية (ZK) ، بقدرته الفريدة على الحفاظ على سرية البيانات أثناء المعالجة .

على عكس التشفير المتماثل ، FHE ( كامل متماثل الشكل يضمن التشفير الحماية حتى أثناء المعالجة. على الرغم من أنها تشترك مع ZK في هدف السرية، فإن التشفير المتجانس لا يتطلب وجود مُثبِّت مركزي .

مبادئ وخوارزميات التشفير المتماثل

التشغيل العام

يؤدي التشفير المتماثل إلى إحداث ثورة في طريقة استخدام البيانات الحساسة. على عكس الطرق التقليدية التي تتطلب فك تشفير البيانات لإجراء المعالجة، فإن FHE ( كاملة) متماثل الشكل (التشفير ) يسمح بإجراء حسابات مباشرة على البيانات المشفرة ، دون الكشف عن محتوياتها على الإطلاق.

المبدأ الأساسي : تكون نتائج الحسابات على البيانات المشفرة مطابقة لتلك التي تم الحصول عليها على البيانات الواضحة، ولكنها تظل محمية بالتشفير الدائم .

على سبيل المثال : قد تقوم الشركة بتشفير بياناتها داخليًا قبل إرسالها إلى مزود خدمة خارجي، مثل مزود الخدمة السحابية. ويقوم الأخير بإجراء الحسابات اللازمة دون الحاجة إلى الوصول إلى البيانات الموجودة في نص واضح. ويتم بعد ذلك إرجاع النتائج، وهي مشفرة، إلى الشركة، حيث يتم فك تشفيرها محليًا.

شروط التشفير الفعال

لكي يكون نظام التشفير المتماثل فعالاً بكامل طاقته، يجب أن يستوفي عدة شروط:

• التصحيح : يجب أن تكون نتائج العمليات المشفرة، بمجرد فك تشفيرها، مطابقة لتلك التي تم الحصول عليها باستخدام البيانات غير المشفرة.
• معالجة الأخطاء : غالبًا ما تولد العمليات الحسابية على البيانات المشفرة ضوضاء تشفيرية . ويجب الحد من هذه الضوضاء لضمان دقة وموثوقية النتائج.

أنواع التشفير المتماثل

1. التشفير المتماثل جزئيًا (PHE)
   يسمح بإجراء عملية واحدة (جمع أو ضرب) على البيانات المشفرة. يعتبر هذا النوع من التشفير خفيفًا وسريعًا، ومثاليًا لحالات الاستخدام البسيطة .
   
   
• على سبيل المثال : يمكن للبنك جمع الودائع المشفرة لعملائه لحساب الإجمالي دون الحاجة إلى فك تشفير كل إيداع على الإطلاق .
2. التشفير المتماثل بالكامل (FHE)
   يوفر مرونة كاملة ، ويدعم تسلسلًا غير محدود من العمليات الحسابية . ومع ذلك، فإن هذه الطريقة أكثر تعقيدًا وتتطلب موارد أكثر.
   
   
• مثال : التعلم الآلي الآمن ، حيث يمكن تدريب النماذج على البيانات المشفرة دون المساس بسريتها.

الخصائص الرياضية

يعتمد التشفير المتجانس على أسس متينة في الجبر الخطي ونظرية الأعداد . ومن بين ميزاته الرئيسية:

• الإضافة المتجانسة : القدرة على إضافة اثنين من البيانات المشفرة دون فك التشفير.
• الضرب المتماثل : القدرة على ضرب البيانات المشفرة.
• عمليات الجمع : إجراء عمليات حسابية معقدة من خلال الجمع بين عدة أنواع من العمليات.

ولضمان الأمن القوي ، حتى في مواجهة التهديدات من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يستخدم FHE أدوات مثل الشبكات التشفيرية (الشبكات الرياضية).

أمثلة على الخوارزميات الشائعة

• Gentry’s FHE : أول خوارزمية متجانسة بالكامل، تم اقتراحها في عام 2009.
• BGV : مخطط تم تحسينه لإجراء الحسابات المعقدة، مما يقلل من أوقات المعالجة.
• CKKS : مصمم لإجراء الحسابات التقريبية، ويُستخدم غالبًا في تطبيقات مثل التعلم الآلي .

التطبيقات العملية للتشفير المتماثل

الخصوصية في البلوكشين

يضفي التشفير المتجانس بُعدًا جديدًا من الخصوصية على سلسلة الكتل الشفافة والعامة التقليدية . بفضل سلاسل الكتل المشفرة، يمكن للعقود الذكية أن تظل سرية، ولا يمكن الوصول إليها إلا من قبل المستخدمين المصرح لهم. ومن جانبهم، لا يتوفر لدى المحققين إمكانية الوصول إلى البيانات الحساسة، وهو ما يضمن مستوى عال من الحماية .

تأمين الحوسبة السحابية

في مجال الحوسبة السحابية ، يقوم التشفير المتجانس بتحويل مساحات الحوسبة إلى بيئات آمنة حقًا . إنه يسمح بإجراء حسابات معقدة دون فك تشفير البيانات على الإطلاق .

مثال : يمكن للشركة تحليل قاعدة بيانات العملاء المشفرة بالكامل عبر خدمة سحابية. وبالتالي، لن يكون لدى المورد أي إمكانية الوصول إلى المعلومات الحساسة، وبالتالي الامتثال للوائح مثل اللائحة العامة لحماية البيانات في أوروبا.

حماية البيانات الطبية

يلبي التشفير المتجانس الاحتياجات الحرجة للقطاع الطبي من خلال ضمان سرية البيانات الحساسة مع تسهيل استغلالها. إنه يتوافق مع اللوائح الصارمة مثل GDPR ( الاتحاد الأوروبي) و HIPAA (الولايات المتحدة).

على سبيل المثال : يمكن للباحثين تحليل السجلات الطبية المشفرة دون المساس بخصوصية المريض. تعمل هذه التقنية على تعزيز التعاون الآمن بين المؤسسات الطبية، مع تقليل مخاطر اختراق البيانات الحساسة.

المعاملات المالية الآمنة

تتبنى البنوك والمؤسسات المالية التشفير المتماثل لحماية البيانات الحساسة مثل الإيرادات أو تاريخ المعاملات . تتيح هذه التقنية إجراء التحليلات دون فك التشفير، مما يضمن السرية التامة .

مثال : يمكن للبنك تقييم الجدارة الائتمانية للعميل أو حساب المخاطر المالية مع الحفاظ على سرية المعلومات. ويساعد هذا أيضًا في تلبية معايير البيانات التنظيمية.

البحث الآمن والخصوصية

يسهل التشفير المتماثل إجراء عمليات البحث الآمنة ، وحماية الاستعلامات ومحتويات قاعدة البيانات. وهو مهم بشكل خاص في المجالات الحساسة مثل الدفاع الوطني أو التقنيات المتقدمة .

مثال : يمكن تدريب نماذج التعلم الآلي مباشرة على البيانات المشفرة، مما يضمن السرية التامة، حتى في البيئات المشتركة أو التعاونية.

نحو حياة يومية كمية

في المستقبل، قد يصبح التشفير المتماثل تقنية شائعة مثل اتصالات HTTPS على الإنترنت.

على سبيل المثال : قد ينشأ مفهوم مشابه لمفهوم ” httpz “، والذي يضمن التشفير من البداية إلى النهاية ليس فقط للنقل، ولكن أيضًا لمعالجة البيانات وتخزينها. ومن شأن هذا أن يوفر حماية شاملة ضد التهديدات السيبرانية عبر مختلف القطاعات، من الرعاية الصحية إلى التمويل والبلوك تشين والألعاب عبر الإنترنت.

التطورات الحديثة في التشفير المتماثل

التطور والتقدم التكنولوجي

منذ سبعينيات القرن العشرين، قطع التشفير المتجانس شوطًا طويلاً، حيث تطور من مفهوم نظري بحت إلى تقنية عملية . أصبح هذا التطور ممكنا بفضل تطوير أدوات مفتوحة المصدر مثل HElib (IBM) و SEAL (Microsoft). وقد مكنت هذه الأدوات من اعتمادها في قطاعات استراتيجية مثل الحوسبة السحابية والرعاية الصحية والتمويل .

تقدم كبير:

• تقليل الضوضاء التشفيرية : لقد حدت المخططات الحديثة مثل BGV و CKKS من تراكم الضوضاء الناتجة عن الحسابات المتتالية. وقد أدى هذا إلى تحسين سرعة وموثوقية العمليات بشكل كبير .
• التحسينات الخوارزمية : تم تقليل أوقات المعالجة مع زيادة دقة الحسابات ، مما يجعل التكنولوجيا أكثر كفاءة.
• دعم الأجهزة المخصصة : تعمل المعالجات الخاصة بالتشفير على تسريع العمليات الحسابية، مما يجعل التشفير المتجانس أكثر سهولة في الوصول إلى التطبيقات كثيفة الموارد .

ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة ، وخاصة بالنسبة للبيئات التي تتطلب زمن انتقال منخفضًا، مثل إنترنت الأشياء (IoT) .

الابتكارات التكنولوجية الحديثة

• التعلم الآلي المتماثل : يتيح هذا الابتكار تدريب النماذج التنبؤية على البيانات المشفرة، مما يضمن السرية التامة. إنها تحدث ثورة في تحليل البيانات الحساسة بشكل آمن ، وخاصة في مجال الصحة والمالية.
• الحوسبة الآمنة متعددة الأطراف : من خلال الجمع بين التشفير المتماثل وتقنيات التشفير الأخرى، يسهل هذا النهج التعاون بين الشركات مع حماية المعلومات المتبادلة.
• المرونة ما بعد الكم : يتجه البحث الحالي نحو مخططات مقاومة للهجمات على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وبالتالي ضمان استدامة هذه التكنولوجيا في المستقبل.

الأدوات والمكتبات المتاحة للتبني

وتتيح هذه التطورات تطبيقًا أوسع نطاقًا، لا سيما في البيئات الصعبة مثل السحابة والتعلم الآلي والأنظمة المترابطة.

مزايا التشفير المتماثل

التشفير المتماثل الكامل (FHE) ابتكارًا رائدًا في حماية البيانات الحساسة ، حيث يوفر ضمانات غير مسبوقة للأمن والسرية . تعد هذه التقنية ضرورية للشركات والمؤسسات التي تتعامل مع كميات كبيرة من المعلومات الهامة ، وخاصة في مجالات الرعاية الصحية والتمويل والحوسبة السحابية .

تعزيز السرية

تضمن FHE أن تظل البيانات مشفرة طوال معالجتها ، مما يزيل خطر التعرض العرضي أو الخبيث. تتم حماية البيانات الحساسة في جميع الأوقات، حتى ضد الأنظمة أو الأطراف الثالثة التي تقوم بإجراء الحسابات. لا يتاح لمقدمي الخدمات وأصحاب المصلحة الآخرين الوصول إلى المعلومات بنص واضح، مما يعزز السرية.

الاستعانة بمصادر خارجية آمنة

يتيح التشفير المتجانس إمكانية الاستعانة بمصادر خارجية لمعالجة العمليات المعقدة من خلال موفري الخدمات السحابية أو أطراف ثالثة أخرى دون المساس بسرية البيانات. يمكن للمزودين إجراء العمليات اللازمة دون رؤية محتويات البيانات على الإطلاق. وتعتبر هذه الآلية مفيدة بشكل خاص للتعاون بين الشركات، حيث تعتبر حماية البيانات أمرًا بالغ الأهمية.

الامتثال التنظيمي

تساعد FHE الشركات على الامتثال للوائح حماية البيانات الصارمة ، مثل GDPR في أوروبا أو CCPA في الولايات المتحدة. تعمل الشركات على تقليل مخاطر العقوبات القانونية من خلال ضمان أمن المعلومات الشخصية. يطمئن المستخدمون والشركاء إلى إدارة البيانات الصارمة والشفافة.

التنوع والمرونة

يوفر التشفير المتماثل مرونة لا مثيل لها مقارنة بطرق التشفير الأخرى، مما يسمح بإجراء عمليات حسابية معقدة مباشرة على البيانات المشفرة .

التتبع المتوازن

يقدم FHE مزيجًا مثاليًا من عدم الكشف عن الهوية وإمكانية التتبع ، مما يجعله مناسبًا للسيناريوهات الحساسة مثل المزادات العمياء (يظل المشاركون مجهولين مع ضمان سلامة العملية) أو معاملات السوق خارج البورصة (يتم حماية البيانات الحساسة مع تلبية متطلبات الامتثال ).

عيوب التشفير المتماثل

على الرغم من مزاياها العديدة، فإن التشفير المتماثل الكامل (FHE) يعاني من قيود كبيرة تعيق اعتماده على نطاق واسع. في مجالات مثل إنترنت الأشياء أو منصات المعالجة في الوقت الفعلي ، تعمل قيود السرعة والطاقة على تقليل فعالية هذه التكنولوجيا.

تعقيد حسابي عالي

تتطلب العمليات الحسابية التي يتم إجراؤها على البيانات المشفرة موارد حوسبة أكبر بكثير من تلك التي يتم إجراؤها على بيانات نصية عادية. النتيجة المباشرة لذلك هي زيادة البطء، وهو أمر يمثل مشكلة خاصة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب زمن انتقال منخفضًا أو معالجة في الوقت الفعلي ، مثل الخدمات السحابية أو أجهزة إنترنت الأشياء.

حجم الملفات المشفرة

البيانات المشفرة باستخدام خوارزميات متجانسة أكبر بكثير من نظيراتها النصية العادية. وتؤدي هذه الزيادة في الحجم إلى تعقيد استخدامها في البيئات التي تكون فيها مساحة التخزين محدودة أو باهظة الثمن. ونتيجة لذلك ، يجب أن تكون البنية التحتية ذات حجم مناسب لاستيعاب هذه الأحجام، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف التشغيل.

التنفيذ المعقد

يتطلب تنفيذ التشفير المتماثل خبرة تقنية متقدمة ، مما يجعل نشره معقدًا بالنسبة للعديد من المؤسسات. لذلك، يجب على المطورين إعادة تصميم خوارزمياتهم للعمل دون الوصول إلى بيانات واضحة ، وهو ما يمثل تحديًا برمجيًا كبيرًا. تتطلب الأدوات اللازمة للنشر على نطاق واسع استثمارات كبيرة ، مما يحد من الوصول إلى FHE للشركات والمؤسسات الكبيرة ذات الموارد الكافية.

جدول مزايا وعيوب التشفير المتجانس

النتيجة: تقنية واعدة تواجه العديد من التحديات

التشفير المتماثل الكامل (FHE) بمثابة حل أساسي في مواجهة التهديدات السيبرانية المتزايدة والحاجة لحماية البيانات الحساسة. من خلال تمكين الحسابات المباشرة على البيانات المشفرة ، فإنه يضمن سريتها الكاملة مع تلبية متطلبات الامتثال، مثل GDPR أو CCPA .

ومع ذلك، تواجه هذه التكنولوجيا تحديات كبيرة: التعقيد الحسابي، والتكاليف المرتفعة، وصعوبات التنفيذ. وتؤدي هذه القيود إلى تقييد اعتمادها على المؤسسات الكبرى وتثير تساؤلات حول إمكانية الوصول إليها.

ولإضفاء الطابع الديمقراطي على نظام إدارة الصحة الأسرية، فإن المبادرات مثل تطوير أدوات مفتوحة المصدر وإنشاء معايير التدقيق ضرورية. وفي الوقت نفسه، فإنه يفتح آفاقًا واعدة، لا سيما في المزادات السرية والمعاملات الآمنة وتطبيقات blockchain .

من خلال الجمع بين الأمان والمرونة والسرية ، يضع التشفير المتجانس نفسه كركيزة أساسية لحماية البيانات في عالم رقمي متزايد التطور.

التوصيات

لدمج التشفير المتماثل بشكل فعال ، من الضروري اعتماد نهج منظم:

• تقييم الاحتياجات : تحديد حالات الاستخدام ذات الأولوية، مثل المعالجة الآمنة للبيانات الطبية أو المالية.
• اختيار الأداة : حدد المكتبات التي تتوافق مع المتطلبات، مثل Microsoft SEAL أو HElib .
• تخطيط الموارد : ضع في الاعتبار التكاليف المتعلقة بالتنفيذ والبنية الأساسية وتدريب الفريق.
• التبني التدريجي : نشر FHE على مراحل لتوقع التحديات الفنية أو التشغيلية وحلها.