ما هو التشفير المتماثل الشكل؟ دليل بسيط

يفتح التشفير المتماثل الشكل الباب أمام تحليلات أكثر أمانًا وخدمات مخصصة وامتثال تنظيمي دون المخاطرة بكشف بيانات العملاء. مع تشديد قوانين الخصوصية وتزايد تكلفة الاختراقات، فإن فهم هذه التقنية مهم أكثر من أي وقت مضى.

تُفصِّل هذه المقالة التشفير المتماثل الشكل بلغة إنجليزية بسيطة، حيث تغطي ماهيته، وكيفية عمله، وأنواعه المختلفة، وتطبيقاته في العالم الحقيقي، والتحديات التي تواجهه، وما إذا كان خطوة ذكية لعملك.

---

جدول المحتويات

1. ما هو التشفير المتماثل الشكل؟
2. فهم التشفير المتماثل الشكل: الأساسيات
3. تاريخ التشفير المتماثل الشكل وتطوره
4. أنواع التشفير المتماثل الشكل
5. كيف يعمل التشفير المتماثل الشكل
6. تطبيقات التشفير المتماثل الشكل في العالم الحقيقي
7. ما هي القيود والتحديات؟
8. مستقبل التشفير المتماثل الشكل
9. هل التشفير المتماثل الشكل مناسب لعملك؟

---

ما هو التشفير المتماثل الشكل؟

يسمح التشفير المتماثل الشكل بإجراء عمليات رياضية مثل الجمع أو الضرب على البيانات المشفرة دون فك التشفير. يتطابق الناتج النهائي، عند فك التشفير، مع نتيجة العمليات التي تم إجراؤها على البيانات الأصلية. تتيح هذه الطريقة معالجة آمنة للبيانات في بيئات غير موثوق بها، مما يجعلها ذات قيمة للتطبيقات التي تركز على الخصوصية.

---

فهم التشفير المتماثل الشكل: الأساسيات

لنلقِ نظرة على كيفية اختلاف التشفير المتماثل الشكل عن التشفير التقليدي. باستخدام الأساليب القياسية، تقوم بتشفير البيانات إلى نص مشفر باستخدام مفتاح عام، ولا يستطيع قراءتها سوى صاحب المفتاح الخاص. ولكن إذا كنت بحاجة إلى معالجة تلك البيانات، أو إجراء بحث، أو تحليل الاتجاهات، أو تدريب نموذج، فيجب عليك فك تشفيرها أولاً. وهذا يعني تعريضها للتهديدات المحتملة أثناء المعالجة.

يتجنب التشفير المتماثل الشكل هذه المشكلة. فهو يسمح لشخص ما بإجراء عمليات حسابية مباشرة على البيانات المشفرة. عند فك التشفير، ستكون النتيجة هي نفسها كما لو كان قد أجرى نفس العمليات على المدخلات غير المشفرة. يحافظ هذا الإجراء على أمان البيانات طوال العملية.

شرح كريغ جينتري (الباحث في شركة آي بي إم الذي ابتكر أول مخطط FHE) بتشبيه بسيط: تخيل صندوقًا مغلقًا يحمل جسمًا ما. يمكن للشخص الذي يرتدي قفازات أن يتلاعب بالجسم من خلال الصندوق: هزه، أو وزنه، أو تغييره دون فتحه. هذا ما يفعله التشفير المتماثل الشكل: فهو يتيح لك العمل مع البيانات دون رؤية شكلها الخام.

إليك كيفية سير العملية خطوة بخطوة:

1. نص عادي: البيانات الأصلية القابلة للقراءة.
2. التشفير: يتم تشفير البيانات باستخدام مفتاح عام، مما ينتج عنه نص مشفر.
3. عملية متماثلة الشكل: يتم تطبيق عملية مثل الجمع أو الضرب على البيانات المشفرة.
4. نتيجة مشفرة: ينتج النظام نصاً مشفراً جديداً.
5. فك التشفير: يقوم المفتاح الخاص بفك تشفير النتيجة.
6. الناتج النهائي: النتيجة التي تم فك تشفيرها تطابق ما ستحصل عليه من خلال تطبيق العملية على البيانات الأصلية.

هذه العلاقة بين النص العادي والنص المشفر في النظام المتماثل الشكل هي ما يجعله قويًا جدًا لخصوصية البيانات. لا يحتاج النظام أبدًا إلى الكشف عن القيم غير المشفرة أو حتى لمسها.

من خلال هذه البنية، يمكنك تمكين عمليات البحث المشفرة والمعالجة السحابية الآمنة والتحليلات دون تسريب معلومات خاصة. وهذه ميزة كبيرة لمالكي المواقع الإلكترونية، ومطوري التطبيقات، والمنصات السحابية التي تتعامل مع بيانات المستخدمين.

---

تاريخ التشفير المتماثل الشكل وتطوره

كانت فكرة الحوسبة على البيانات المشفرة موجودة منذ عقود، ولكن كان يُنظر إليها منذ فترة طويلة على أنها مستحيلة. تغير ذلك في عام 2009 عندما طور كريغ جينتري أول مخطط تشفير متماثل الشكل بالكامل. وقد جمع منهجه بين التشفير القائم على الشبكة الشبكية وقدم طريقة التمهيد، وهي طريقة تقلل من التشويش الناتج أثناء عمليات التشفير المتكررة.

قبل عمل جينتري، لم يكن هناك سوى تشفير متماثل الشكل جزئيًا. سمحت RSA بالضرب المشفر. دعم Paillier الجمع. قدم ElGamal تشفيرًا احتماليًا بخصائص الضرب. ولكن لم تسمح أي من هذه العمليات بأكثر من نوع واحد من العمليات. كانت محدودة، حيث كانت تقدم فقط القدرات الأساسية.

أدى إنجاز جينتري إلى حقبة جديدة. وعلى مر السنين، طور الباحثون مخططات أكثر كفاءة:

• براكسكي-جينتري-فايكونتاناثان (BGV)
• براكيرسكي/فان-فيركاوترين (BFV)
• تشون كيم كيم كيم سونغ (CKKS)
• FHEW (التشفير المتماثل السريع عبر التوروس)
• TFHE (التشفير السريع المتماثل بالكامل عبر التوروس)

أدت هذه الأنظمة إلى تحسين الأداء وتقليل زمن الاستجابة وجعلت التشفير المتماثل أكثر عملية. جعلت مكتبات مثل Microsoft SEAL وHElib من IBM وOpenFHE من السهل على المطورين اختبار وتنفيذ حلول واقعية.

بدأت جهود التوحيد القياسي في التبلور. وقد عمل اتحاد توحيد التشفير المتماثل الشكل، بدعم من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، على تحديد أفضل الممارسات وضمان قابلية التشغيل البيني عبر التطبيقات.

تطوّر التشفير المتماثل الشكل من فكرة نظرية إلى مجال للتطوير النشط. واليوم، تستخدمه الشركات في تحليلات البيانات الآمنة، والبحث المشفر، والتعلم الآلي الخاص. تظل الكفاءة مصدر قلق، ولكن التحسينات تحدث بسرعة.

---

أنواع التشفير المتماثل الشكل

يتضمن التشفير المتماثل أنواعًا مختلفة، يدعم كل منها عمليات مختلفة على البيانات المشفرة. تختلف هذه الفئات من حيث تعقيد العمليات المتماثلة التي تدعمها وكفاءتها الحسابية.

التشفير المتماثل جزئيًا (PHE)

يدعم التشفير المتماثل الشكل جزئيًا عمليات رياضية محددة فقط على القيم المشفرة، مثل الجمع أو الضرب، ولكن ليس كليهما. هذه المخططات سريعة وخفيفة الوزن ولكنها محدودة التطبيق.

وتشمل الأمثلة على ذلك:

• تشفير RSA، الذي يدعم الضرب المتماثل الشكل
• مخطط تشفير Paillier، الذي يسمح بالجمع المتماثل الشكل
• الجمل، التي تُجري عمليات مضاعفة

يمكنك استخدام PHE في الأنظمة التي تطبق عملية واحدة باستمرار، مثل جمع عدد الأصوات المشفرة أو إجراء عمليات بحث مشفرة للكلمات الرئيسية. هذه المخططات مناسبة لحالات الاستخدام التي لا تتطلب عمليات حسابية تعسفية أو منطقية معقدة.

تشفير متماثل الشكل إلى حد ما (SHE)

يتيح التشفير المتماثل إلى حد ما الجمع والضرب، ولكن فقط لعدد محدود من العمليات. مع إجراء المزيد من العمليات الحسابية، تتراكم الضوضاء في النص المشفر، مما يجعل فك التشفير غير موثوق به في النهاية.

يمكن لمخططات SHE إدارة البيانات المشفرة في مرحلة مبكرة من التعلم الآلي أو التحليل التنبؤي أو تحليلات البيانات. كما أنها مفيدة في تطبيقات البيانات الطبية والإحصاءات التي تحافظ على الخصوصية، حيث لا يتطلب الأمر سوى عدد قليل من العمليات لكل مدخل.

القيود: يجب تتبع مقدار التشويش المتراكم والتوقف قبل أن يفسد النتيجة. معظم مخططات التشفير المتماثل إلى حد ما لا تدعم الحلقات أو سلاسل الحوسبة العميقة.

تشفير متماثل الشكل بالكامل ومستوى التشفير

يعد FHE المستوي أكثر قدرة من SHE. فهو يسمح لك بإجراء أي عدد من العمليات، ولكن إلى عمق ثابت فقط. على عكس FHE الكامل، فإنه يتجنب التمهيد، مما يعزز الأداء.

يعد FHE المستوي مناسبًا لمهام النماذج المشفرة ذات التعقيد المعروف، مثل تشغيل الدوائر الحسابية ذات الطبقة الثابتة في الأمن السيبراني أو سير عمل معالجة البيانات المنظمة.

تناسب هذه الطريقة خطوط أنابيب التعلم الآلي حيث تتكرر العمليات في تسلسل محدد. وهي توازن بين الأداء ومتطلبات أمان البيانات المعتدلة.

تشفير متماثل الشكل بالكامل (FHE)

يدعم التشفير المتماثل الشكل بالكامل عمليات إضافة وضرب غير محدودة على النص المشفر. يمكنه التعامل مع الحسابات المتماثلة الشكل ذات العمق التعسفي. إنه مثالي للبيئات السحابية التجارية، والتعرف على الصور الجنائية، والحساب الآمن متعدد الأطراف.

تستخدم مخططات FHE التشفير القائم على الشبكة الشبكية وغالبًا ما تقوم بتنفيذ عملية تمهيد قابلة للبرمجة لإدارة تشويش النص المشفر. على الرغم من كونها أبطأ، تظل FHE الطريقة الوحيدة التي يمكنها التعامل مع أي عملية حسابية بأمان دون تسريب بيانات غير مشفرة.

يدعم FHE العمليات على مدخلات الرسائل المشفرة دون الحاجة إلى فك التشفير في أي مرحلة. وهي ذات قيمة خاصة للأنظمة التي تتعامل مع بيانات حساسة وتتطلب حماية البيانات على المدى الطويل.

يعتمد اختيار مخطط التشفير المتماثل الشكل المناسب على مقدار الوظائف والخصوصية التي يحتاجها نظامك.

---

كيف يعمل التشفير المتماثل الشكل

يدمج التشفير المتماثل الشكل البيانات المشفرة في فضاء رياضي منظم حيث يمكنك إجراء عمليات الجمع والضرب دون فك تشفير أي شيء. على عكس مخططات التشفير الأساسية التي تعمل على تشويش البيانات، يحافظ التشفير المتماثل الشكل على العلاقات الجبرية من خلال الحوسبة المشفرة.

يقع في صميم معظم أنظمة التشفير المتماثل بالكامل (FHE) التشفير القائم على الشبكة. تُشكّل المشابك شبكات متعددة الأبعاد حيث يصعب حسابياً حل المشاكل الرياضية مثل التعلم مع الأخطاء (LWE) أو التعلم الحلقي مع الأخطاء (RLWE). هذه المشاكل تؤمن التشفير وتشكل الأساس الرياضي للعديد من مخططات التشفير المتماثل الشكل.

عند إجراء عمليات على بيانات مشفرة، يظهر أثر جانبي يسمى التشويش. يزداد هذا التشويش مع كل عملية حسابية. إذا تُركت دون تحديد، فإنها تجعل النص المشفر تالفًا للغاية بحيث لا يمكن فك تشفيره بشكل صحيح.

وهنا يأتي دور التمهيد – حيث يقوم بتحديث النص المشفر وتقليل التشويش حتى يتمكن النظام من معالجة المدخلات المشفرة.

يعمل التمهيد القابل للبرمجة على توسيع نطاق ذلك من خلال الجمع بين إدارة الضوضاء والتحويلات الوظيفية المحددة، مما يسمح بإجراء عمليات حسابية أكثر تقدمًا في المهام الواقعية. لا يزال التمهيد عنق الزجاجة في العديد من الأنظمة، لكن سرعته تتحسن مع الأبحاث الجديدة.

تعمل العمليات المتجانسة كدوائر حسابية مكونة من بوابات تحاكي الدوال الرياضية. تعالج هذه الدوائر الرسالة المشفرة في طبقات. يعتمد عدد الطبقات التي يمكنك حسابها قبل التمهيد على عوامل مثل أس التشفير وعتبة التشويش.

يستخدم كل نظام مفتاحًا عامًا لتشفير البيانات ومفتاحًا خاصًا لفك تشفيرها. تسمح هذه البنية للأنظمة بالعمل على البيانات دون الوصول إلى النص الأصلي العادي، مما يدعم سير العمل الآمن في الأمن السيبراني والتعلم الآلي والحساب الآمن متعدد الأطراف.

من خلال الجمع بين هذه الأدوات الرياضية، تتيح لك أنظمة التشفير المتماثل الشكل معالجة البيانات الحساسة دون كشفها.

---

تطبيقات التشفير المتماثل الشكل في العالم الحقيقي

يعمل التشفير المتماثل بالفعل على إعادة تشكيل كيفية تعامل الشركات ومقدمي الرعاية الصحية والحكومات مع المعلومات الخاصة. فهو يتيح المعالجة الآمنة للبيانات عبر القطاعات مع الحفاظ على السرية، حتى في الأنظمة المشتركة أو أنظمة الطرف الثالث. فيما يلي التطبيقات الرئيسية التي تستفيد من طريقة التشفير هذه:

• الحوسبة السحابية الآمنة. تستخدم الشركات التشفير المتماثل الشكل لمعالجة البيانات المشفرة على خوادم الطرف الثالث دون التخلي عن التحكم. تتعامل المنصة السحابية مع مهام مثل تحليلات البيانات أو استعلامات البحث، بينما تكون البيانات الموجودة في البيئات البعيدة مشفرة دائماً.
• تحليل بيانات الرعاية الصحية. تعتمد المستشفيات والباحثون على معالجة البيانات المشفرة للحفاظ على خصوصية المريض. فهم يحللون نتائج الاختبارات واتجاهات التشخيص دون الوصول إلى القيم غير المشفرة على الإطلاق، مما يساعدهم على الامتثال لقوانين الخصوصية.
• الخدمات المالية والتحليلات السرية. تقوم البنوك والمؤسسات المالية بتشغيل خوارزميات التنبؤ بأسعار الأسهم، ونمذجة المخاطر، وسير عمل الكشف عن الاحتيال على الحسابات المتجانسة. تحافظ هذه الخدمات على إخفاء معلومات المستخدم أثناء تقديم تنبؤات دقيقة.
• أنظمة التصويت الآمنة. تستخدم الحكومات تشفيراً متماثل الشكل بالكامل لحماية سلامة التصويت. تظل اختيارات الناخبين مشفرة أثناء الفرز، مما يضمن الخصوصية والثقة في نتائج الانتخابات.
• حسابات الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي الخاصة. يقوم المطورون بتدريب نماذج التعلم الآلي على مجموعات بيانات مشفرة للحفاظ على البيانات الحساسة أثناء تدريب الخوارزمية. من خلال مخططات التشفير الرقمي المالي تحصل الشركات على رؤى دون الكشف عن المحتوى الخاص.
• الامتثال التنظيمي. تستخدم الصناعات الملتزمة بلوائح مثل اللائحة العامة لحماية البيانات أو قانون HIPAA مخططات التشفير المتماثل الشكل للبقاء متوافقة. فهي تؤكد أنها تحمي معلومات المستخدم حتى أثناء المعالجة، وتدعم تحليلات البيانات الآمنة وتدفق البيانات عبر الحدود.
• تطبيقات لأصحاب المواقع الإلكترونية والأعمال التجارية عبر الإنترنت. إذا كنت تدير موقعًا للتجارة الإلكترونية أو تتعامل مع ملفات تعريف العملاء، فإن هذا التشفير يتيح لك معالجة السلوك أو التفضيلات أو سجل الشراء في شكل مشفّر. يمكنك تقديم التخصيص مع الحفاظ على التحكم والخصوصية.

توضح هذه التطبيقات كيف يوازن التشفير المتماثل الشكل بين سهولة الاستخدام والخصوصية. فهو يحمي نظامك ومستخدميك دون أن يحجب قيمة بياناتك.

---

ما هي القيود والتحديات؟

يجلب التشفير المتماثل الشكل فوائد حقيقية، ولكنه يطرح أيضًا تحديات خطيرة يجب على المطورين والشركات أخذها في الاعتبار قبل اعتماده. هذه ليست مجرد قضايا ثانوية. فهي تؤثر بشكل مباشر على مدى جدوى الأنظمة المتماثلة الشكل وقابليتها للتطوير في الممارسة العملية.

فيما يلي القيود الأكثر شيوعاً:

• النفقات الحسابية الزائدة ومشاكل الأداء: التشفير المتماثل الشكل أبطأ من العمل مع البيانات غير المشفرة. تتطلب عمليات التشفير المتماثل المعقدة، خاصةً في مخططات التشفير المتماثل بالكامل، المزيد من دورات وحدة المعالجة المركزية والذاكرة. يمكن أن يستغرق تشغيل عمليات الضرب إلى أجل غير مسمى وقتًا أطول بكثير من بيئات النصوص العادية.
• تعقيد التنفيذ: بناء نظام باستخدام خوارزميات التشفير المتماثل ليس بالأمر البسيط. تحتاج إلى فهم التشفير القائم على الشبكة الشبكية، وضبط المعلمات مثل أس التشفير، وإدارة المفاتيح بشكل صحيح. يمكن أن تؤدي الأخطاء في الإعداد إلى تعطيل الوظائف أو إضعاف أمان البيانات.
• اعتبارات عملية للنشر: غالبًا ما تعتمد الأنظمة التي تدعم الحسابات المتجانسة على مكتبات تجريبية أو تطبيقات أكاديمية. قد يتطلب التكامل مع المنصات التجارية تطويرًا مخصصًا. ستحتاج أيضًا إلى التعامل مع التحديثات ومشكلات التوافق وقيود الوقت الفعلي.
• الكفاءة وسهولة الاستخدام: الحالة الحالية لمعظم الأدوات المتجانسة لا تدعم المعالجة في الوقت الحقيقي. حتى مع التحسينات مثل التمهيد القابل للبرمجة، فإن تحقيق سرعة قابلة للاستخدام للتطبيقات التفاعلية لا يزال عملاً قيد التنفيذ. تدعم معظم الأنظمة عددًا محدودًا فقط من العمليات الحسابية الرياضية قبل الحاجة إلى التحديث.

كيف يتم التغلب على هذه التحديات؟

تواصل الفرق تحسين مخططات التشفير الآمن للمفاتيح العامة وتحسين الدوائر الحسابية وخفض متطلبات الموارد. تهدف المكتبات الجديدة إلى تقليل حجم النص المشفر، وتحسين كفاءة تشفير المفتاح العام، ودعم تدفقات عمل أكثر تعقيدًا للحوسبة الآمنة متعددة الأطراف وتحليلات البيانات.

في حين أن هذه التحديات حقيقية، إلا أنها ليست دائمة. يتطور التشفير المتماثل الشكل بسرعة. مع كل تقدم، تتقلص الحواجز، وتجد المزيد من الشركات طرقًا لاعتماد التكنولوجيا بأمان وفعالية. في القسم التالي، سنستكشف مستقبل التشفير المتماثل الشكل.

---

مستقبل التشفير المتماثل الشكل

بفضل البحث والتعاون النشطين في مجتمع التشفير والتشفير المتماثل الشكل، يتجه التشفير المتماثل الشكل نحو الاعتماد العملي. يعمل الباحثون على جعل مخططات التشفير المتماثل الشكل بالكامل أسرع وأكثر قابلية للتطوير. تعمل التحسينات في التمهيد القابل للبرمجة، والدوائر الحسابية الأكثر وضوحًا، وخوارزميات التشفير المحسّنة على دفع التقنية إلى أداء أقرب إلى الأداء في الوقت الحقيقي.

وبعيداً عن التشفير وحده، ستجمع الأنظمة المستقبلية بين التشفير المتماثل الشكل وأساليب أخرى للحفاظ على الخصوصية. ستسمح عمليات التكامل مع سلسلة الكتل وإثباتات المعرفة الصفرية والجيوب الآمنة للأنظمة المشفرة بالتحقق من البيانات وحسابها وتخزينها عبر الشبكات دون المساس بالخصوصية.

يمكن أن يؤدي الاختراق في التشفير القائم على الشبكة أو مخططات التشفير الرقمي الآمن الأسرع إلى تقليص فجوة الأداء بين معالجة البيانات المشفرة وغير المشفرة قريباً. وهذا من شأنه أن يجعل الحوسبة الآمنة متعددة الأطراف والتعلم الآلي المشفر عملياً على نطاق واسع.

نتوقع استخدامًا أوسع في الخدمات السحابية والرعاية الصحية والتمويل وتطبيقات الويب في غضون 3-5 سنوات القادمة. يجب على الشركات التي تركز على الأمن السيبراني أو خصوصية البيانات أو الامتثال التنظيمي مراقبة هذا المجال عن كثب. لن يظل هذا المجال متخصصًا لفترة طويلة.

---

هل التشفير المتماثل الشكل مناسب لعملك؟

إذا كنت تعالج البيانات الحساسة في البيئات السحابية، أو تتعامل مع البيانات الطبية، أو تدير تحليلات البيانات التي تتضمن معلومات شخصية، فإن طريقة التشفير هذه يمكن أن تحمي خصوصية المستخدم دون التضحية بالوظائف.

يعد التشفير المتماثل الشكل خيارًا معقولاً عندما تحتاج مؤسستك إلى إجراء تحليل تنبؤي أو تعلم آلي أو حوسبة آمنة متعددة الأطراف دون فك تشفير البيانات.

استخدم التشفير المتماثل جزئيًا للعمليات البسيطة والمتكررة مثل عمليات الجمع. اختر التشفير المتشابه جزئيًا إذا كنت تعرف عمق الحساب. اختر مخططات التشفير المتماثل كليًا عند الحاجة إلى المرونة والخصوصية الكاملة.

ومع ذلك، في بعض الحالات، قد توفر خيارات أخرى للحفاظ على الخصوصية، مثل الجيوب الآمنة أو الأجهزة الموثوقة أو إثباتات المعرفة الصفرية، تكاملاً أسهل على المدى القصير.

يعتمد الاعتماد على قدراتك التقنية وحساسية البيانات التي تديرها. قم بتقييم تأثير الأداء، ودعم البيانات المشفرة، وما إذا كان نظامك يحتاج إلى معالجة النماذج المشفرة عبر بنية تحتية غير موثوق بها.

تابع اتحاد توحيد التشفير المتماثل الشكل، و NIST، وتحديثات المكتبات مفتوحة المصدر مثل OpenFHE أو Microsoft SEAL للاطلاع على آخر التطورات. مع ظهور أدوات جديدة وتحسُّن خوارزميات التشفير، سيصبح التشفير المتماثل الشكل متاحًا بشكل متزايد للشركات من جميع الأحجام.

---

رفع مستوى الثقة والأمان في موقعك

لقد رأيت كيف يحافظ التشفير المتماثل الشكل على أمان البيانات حتى أثناء المعالجة. والآن، حان الوقت لتقوية الأساس الذي يعتمد عليه موقعك بالفعل، وهو شهادات SSL. في SSL Dragon، نحن متخصصون في شهادات SSL التي تحمي معلومات عملائك أثناء النقل وتبعث إشارة ثقة لكل زائر.

سواء أكنت تحتاج إلى SSL أحادي النطاق، أو متعدد النطاقات، أو متعدد النطاقات، فإن حلولنا تعمل بسلاسة مع بيئة الاستضافة الخاصة بك وتتكامل بسلاسة مع منصات المحتوى. أمِّن موقعك اليوم للحفاظ على ثقة العملاء والامتثال لمعايير الصناعة.