رمزهای قالبی (Block Ciphers) از مهم‌ترین الگوریتم‌های رمزنگاری تقارن‌اند که برای حفاظت از اطلاعات در سیستم‌های امنیتی مدرن به کار می‌روند. این رمزها داده‌ها را به بلاک‌های مشخصی از بیت‌ها تقسیم کرده و هر بلاک را به‌صورت جداگانه رمزنگاری می‌کنند. با این حال، برای کاربرد عملی این رمزها، نیاز به سازوکارهای خاصی داریم تا رمزنگاری به طور مؤثر و ایمن انجام شود. این سازوکارها را تحت عنوان "مودهای عملیاتی" (Modes of Operation) می‌شناسیم.

مبانی رمزهای قالبی

در رمزنگاری، یک بلاک‌سایفر الگوریتمی است که بر روی بلاک‌های ثابت از داده‌ها، معمولاً 64 یا 128 بیت، عمل می‌کند. رمزنگاری یک بلاک به معنای اعمال یک کلید رمزنگاری برای تبدیل داده‌ها به شکل غیرقابل خوانش است، در حالی که رمزگشایی به معنی بازیابی داده‌های اصلی از متن رمزنگاری‌شده است.

با این حال، در اغلب موارد، داده‌هایی که باید رمزنگاری شوند، طولی بزرگ‌تر از اندازه بلاک دارند. مودهای عملیاتی برای مدیریت این داده‌های بلند و فراهم کردن امنیت مناسب، توسعه یافته‌اند. هر مود عملیاتی به شکلی خاص با بلاک‌ها تعامل می‌کند و مزایا و معایب خاص خود را دارد.

در ادامه، مودهای عملیاتی اصلی و کاربردی را بررسی خواهیم کرد.

1. Electronic Codebook (ECB)

مود ECB ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین مود عملیاتی برای رمزهای قالبی است. در این مود، هر بلاک به صورت مستقل از دیگر بلاک‌ها رمزنگاری یا رمزگشایی می‌شود. هر بلاک داده‌ای که با یک کلید مشخص رمزنگاری شود، همواره به همان خروجی منجر می‌شود. اگر دو بلاک از داده‌های ورودی یکسان باشند، خروجی‌های رمزنگاری آن‌ها نیز یکسان خواهند بود.

مزایا:

• سرعت بالای رمزنگاری به دلیل مستقل بودن بلاک‌ها.
• سادگی پیاده‌سازی.

معایب:

• تکرار بلاک‌های مشابه در متن اصلی به متن رمزنگاری‌شده منتقل می‌شود. این امر باعث می‌شود الگوهای موجود در داده به راحتی قابل تشخیص باشد.
• از این مود در شرایطی که امنیت بالایی نیاز است، استفاده نمی‌شود.

کاربرد:

• این مود بیشتر برای رمزنگاری داده‌هایی با طول کوتاه و غیر تکراری مانند کلیدها استفاده می‌شود، نه برای داده‌های حجیم یا دارای الگوهای تکراری.

2. Cipher Block Chaining (CBC)

مود CBC یکی از محبوب‌ترین مودهای عملیاتی در رمزهای قالبی است. در این مود، هر بلاک داده قبل از رمزنگاری با خروجی بلاک قبلی ترکیب (XOR) می‌شود. برای اولین بلاک، از یک مقدار تصادفی به نام Initialization Vector (IV) استفاده می‌شود.

مزایا:

• امنیت بالاتر نسبت به ECB زیرا هر بلاک رمزنگاری‌شده به بلاک قبلی وابسته است، بنابراین حتی اگر بلاک‌های مشابه وجود داشته باشد، خروجی‌های متفاوت خواهند بود.
• IV به شکلی انتخاب می‌شود که الگوهای موجود در داده‌ها از بین بروند.

معایب:

• عدم موازی‌سازی: به دلیل وابستگی هر بلاک به بلاک قبلی، نمی‌توان عملیات رمزنگاری را به صورت موازی انجام داد.
• اگر IV دچار حمله یا پیش‌بینی شود، ممکن است امنیت به خطر بیفتد.

کاربرد:

• CBC به دلیل امنیت بالای آن برای رمزنگاری داده‌های حجیم و حساس مانند پایگاه‌های داده و اسناد حساس استفاده می‌شود.

3. Cipher Feedback (CFB)

مود CFB به گونه‌ای عمل می‌کند که از رمزهای قالبی به عنوان یک رمز جریانی استفاده کند. در این مود، بخشی از خروجی هر بلاک رمزنگاری‌شده به عنوان ورودی برای بلاک بعدی استفاده می‌شود. مقدار IV نیز در ابتدای کار به کار می‌رود.

مزایا:

• مانند CBC، امنیت بالایی دارد و الگوهای داده‌ها را از بین می‌برد.
• امکان رمزنگاری و رمزگشایی بخش به بخش را فراهم می‌کند.

معایب:

• عدم پشتیبانی از رمزنگاری موازی.
• به دلیل وابستگی به بلاک‌های قبلی، اگر یک بلاک تغییر کند، بلاک‌های بعدی نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرند.

کاربرد:

• این مود برای رمزنگاری داده‌های جریان‌مانند مانند ارتباطات شبکه یا فایل‌های صوتی و ویدئویی کاربرد دارد.

4. Output Feedback (OFB)

در مود OFB، از بلاک‌سایفر برای تولید یک دنباله بیتی استفاده می‌شود که به عنوان یک کلید جریانی برای داده‌ها عمل می‌کند. داده‌های اصلی با این دنباله بیتی XOR می‌شوند تا متن رمزنگاری‌شده به دست آید.

مزایا:

• مانند CFB، OFB نیز از رمزهای قالبی به عنوان رمز جریانی استفاده می‌کند.
• امکان رمزنگاری موازی داده‌ها وجود دارد.
• اگر یک بلاک تغییر کند، تنها همان بلاک تحت تأثیر قرار می‌گیرد و بلاک‌های بعدی آسیب نمی‌بینند.

معایب:

• عدم تصحیح خطا: در این مود، اگر خطا در یک بیت رخ دهد، نمی‌توان آن را به درستی تصحیح کرد.

کاربرد:

• OFB برای کاربردهایی که به سرعت بالا و رمزنگاری جریانی نیاز دارند، مانند ارتباطات بی‌سیم، مناسب است.

5. Counter (CTR)

مود CTR از شمارنده‌ای برای تولید دنباله بیتی استفاده می‌کند که به عنوان کلید جریانی برای رمزنگاری داده‌ها عمل می‌کند. هر بلاک با شمارنده‌ای که به صورت پی‌درپی افزایش می‌یابد ترکیب می‌شود و سپس نتیجه آن رمزنگاری می‌گردد.

مزایا:

• امکان موازی‌سازی: به دلیل عدم وابستگی بلاک‌ها به یکدیگر، می‌توان عملیات رمزنگاری را به صورت موازی انجام داد.
• امنیت بالا مشابه CBC.
• اگر خطایی در یک بلاک رخ دهد، تنها همان بلاک تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

معایب:

• اگر شمارنده مجدداً استفاده شود، امنیت به خطر می‌افتد.
• نیاز به مدیریت دقیق شمارنده دارد.

کاربرد:

• CTR در سیستم‌هایی که نیاز به پردازش موازی دارند مانند شبکه‌های ارتباطی و سیستم‌های بزرگ‌مقیاس استفاده می‌شود.

نکات مهم در انتخاب مود عملیاتی

انتخاب مود عملیاتی مناسب بستگی به نوع کاربرد، نیازمندی‌های امنیتی و سرعت پردازش دارد. برخی از نکات مهم در انتخاب مود عملیاتی عبارتند از:

• امنیت در مقابل کارایی: مودهایی مانند CBC و CTR امنیت بالاتری نسبت به ECB دارند، اما ممکن است به دلیل پردازش‌های اضافی سرعت کمتری داشته باشند.
• موازی‌سازی: اگر سیستم شما نیاز به پردازش موازی دارد، مودهایی مانند CTR و OFB مناسب‌تر هستند، در حالی که مودهایی مانند CBC و CFB به دلیل وابستگی بلاک‌ها به یکدیگر، عملکرد موازی را محدود می‌کنند.
• مدیریت خطا: اگر سیستم شما حساس به خطا است و نیاز به تصحیح خطا دارد، مودهایی مانند OFB و CTR که تأثیر خطا را به یک بلاک محدود می‌کنند، مناسب‌ترند.

رمزنگاری‌هایی که از رمزهای قالبی (Block Ciphers) استفاده می‌کنند

رمزنگاری‌هایی که از رمزهای قالبی (Block Ciphers) استفاده می‌کنند، به دسته‌ای از الگوریتم‌های رمزنگاری تعلق دارند که داده‌ها را به بلاک‌های ثابت تقسیم می‌کنند و هر بلاک را به‌طور جداگانه پردازش می‌کنند. رمزهای قالبی یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین الگوریتم‌های رمزنگاری در سیستم‌های امنیتی مدرن هستند. در ادامه به برخی از مهم‌ترین و معروف‌ترین الگوریتم‌های رمزنگاری که از رمزهای قالبی استفاده می‌کنند، اشاره می‌کنیم:

1. AES (Advanced Encryption Standard)

رمز AES، استاندارد رمزنگاری پیشرفته‌ای است که توسط مؤسسه ملی فناوری و استانداردها (NIST) در سال 2001 به عنوان استاندارد جایگزین DES معرفی شد. AES یک الگوریتم رمز قالبی است که با اندازه بلاک 128 بیتی عمل می‌کند و کلیدهای رمزنگاری با طول‌های 128، 192، و 256 بیت را پشتیبانی می‌کند.

• ویژگی‌ها:
  • امنیت بالا
  • سرعت بالا در نرم‌افزار و سخت‌افزار
  • مناسب برای کاربردهای مختلف مانند رمزنگاری فایل، ارتباطات شبکه، و داده‌های حساس

2. DES (Data Encryption Standard)

DES یکی از قدیمی‌ترین و مشهورترین الگوریتم‌های رمزنگاری قالبی است که در دهه 1970 توسط NIST معرفی شد. این الگوریتم از بلاک‌هایی به طول 64 بیت و کلیدهای 56 بیتی استفاده می‌کند. با این حال، به دلیل کوتاه بودن طول کلید، امروزه DES به عنوان یک الگوریتم ناامن در نظر گرفته می‌شود و با AES جایگزین شده است.

• ویژگی‌ها:
  • ساده برای پیاده‌سازی
  • مناسب برای کاربردهای قدیمی
  • به دلیل حملات brute-force، دیگر برای امنیت امروزی مناسب نیست

3. Triple DES (3DES)

Triple DES برای افزایش امنیت DES به کار می‌رود. در این روش، هر بلاک داده سه بار با استفاده از سه کلید مجزا رمزنگاری می‌شود. طول کلید در 3DES معمولاً 168 بیت (3 × 56 بیت) است.

• ویژگی‌ها:
  • امنیت بیشتر نسبت به DES
  • کندتر از AES به دلیل سه‌باره رمزنگاری
  • به دلیل کارایی کمتر، به تدریج با AES جایگزین شده است

4. Blowfish

Blowfish یک الگوریتم رمز قالبی بسیار سریع و کارآمد است که توسط بروس شنیر (Bruce Schneier) در سال 1993 معرفی شد. این الگوریتم از بلاک‌هایی به طول 64 بیت و کلیدهایی با طول متغیر از 32 تا 448 بیت استفاده می‌کند. Blowfish برای بسیاری از کاربردهای عمومی رمزنگاری مناسب است.

• ویژگی‌ها:
  • سریع و کم‌حجم
  • انعطاف‌پذیر به دلیل پشتیبانی از کلیدهای متغیر
  • امروزه برای کاربردهای زیادی به کار می‌رود، اما AES جایگزین بهتری است

5. Twofish

Twofish یک نسخه پیشرفته‌تر از Blowfish است که توسط بروس شنیر و تیمش در سال 1998 طراحی شد. این الگوریتم از بلاک‌هایی به طول 128 بیت و کلیدهایی با طول 128، 192 و 256 بیت استفاده می‌کند. Twofish در مسابقه AES شرکت کرد، اما به عنوان الگوریتم برنده انتخاب نشد.

• ویژگی‌ها:
  • امنیت بسیار بالا
  • انعطاف‌پذیر و مناسب برای کاربردهای گسترده
  • در بسیاری از پروژه‌های رمزنگاری مدرن به کار می‌رود

6. IDEA (International Data Encryption Algorithm)

IDEA یک الگوریتم رمز قالبی است که از بلاک‌هایی به طول 64 بیت و کلیدهایی به طول 128 بیت استفاده می‌کند. این الگوریتم به‌ویژه در پروتکل‌های ارتباطی مانند PGP (Pretty Good Privacy) استفاده شده است.

• ویژگی‌ها:
  • امنیت بالا
  • مناسب برای ارتباطات ایمن
  • به دلیل اندازه بلاک کوچک‌تر (64 بیت) در مقایسه با AES، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد

7. RC5

RC5 یک الگوریتم رمزنگاری قالبی است که توسط رونالد ریوست (Ronald Rivest) در سال 1994 طراحی شد. این الگوریتم از بلاک‌هایی با اندازه متغیر (معمولاً 32، 64 یا 128 بیت) و کلیدهایی با طول متغیر استفاده می‌کند.

• ویژگی‌ها:
  • انعطاف‌پذیری بالا به دلیل متغیر بودن اندازه بلاک و کلید
  • سادگی پیاده‌سازی
  • امروزه کمتر از AES استفاده می‌شود

8. Serpent

Serpent یکی دیگر از رمزهای قالبی است که در مسابقه AES شرکت کرد. این الگوریتم از بلاک‌هایی به طول 128 بیت و کلیدهایی با طول 128، 192 و 256 بیت استفاده می‌کند. اگرچه Serpent در نهایت برنده AES نشد، اما به دلیل امنیت بالایش مورد توجه قرار گرفته است.

• ویژگی‌ها:
  • امنیت بالا و مقاوم در برابر حملات رمزنگاری
  • سرعت کمتر نسبت به AES
  • هنوز در برخی سیستم‌ها به کار می‌رود

9. Camellia

Camellia یکی دیگر از رمزهای قالبی است که شباهت زیادی به AES دارد و توسط کمپانی‌های ژاپنی Mitsubishi و NTT طراحی شده است. این الگوریتم از بلاک‌هایی به طول 128 بیت و کلیدهایی به طول 128، 192 و 256 بیت استفاده می‌کند و از نظر امنیت و کارایی با AES رقابت می‌کند.

• ویژگی‌ها:
  • امنیت و کارایی مشابه AES
  • مناسب برای سیستم‌های ارتباطی و تجاری
  • در برخی از پروتکل‌های بین‌المللی پذیرفته شده است

10. TEA (Tiny Encryption Algorithm)

TEA یک الگوریتم رمز قالبی بسیار ساده و سریع است که برای دستگاه‌هایی با منابع محدود (مانند سیستم‌های جاسازی‌شده) طراحی شده است. این الگوریتم از بلاک‌هایی به طول 64 بیت و کلیدهایی به طول 128 بیت استفاده می‌کند.

• ویژگی‌ها:
  • بسیار ساده و سریع
  • مناسب برای سیستم‌های محدود
  • در مقابل برخی حملات رمزنگاری آسیب‌پذیر است، اما نسخه‌های بهبود یافته‌ای از آن نیز وجود دارد

کاربرد رمزهای قالبی در پروتکل‌ها و سیستم‌ها

رمزهای قالبی در بسیاری از پروتکل‌های رمزنگاری و سیستم‌های امنیتی مدرن به کار می‌روند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای آن‌ها عبارتند از:

• TLS/SSL: برای ایجاد ارتباطات ایمن در اینترنت (HTTPS).
• IPsec: برای تأمین امنیت شبکه‌های خصوصی مجازی (VPN).
• PGP/GPG: برای رمزنگاری ایمیل و فایل‌ها.
• پایگاه‌های داده: برای رمزنگاری داده‌های حساس ذخیره شده.
• فایل سیستم‌های رمزنگاری‌شده: برای حفاظت از فایل‌ها و داده‌های ذخیره‌شده بر روی دیسک.