تشفير بالنمط: كيف يحمي رسم الشكل ملفاتك

يحوّل Vaultaire الشكل المرسوم على شبكة 5×5 إلى تسلسل ويعالجه بـ PBKDF2-HMAC-SHA512 و600000 تكرار وقيمة salt على مستوى الجهاز محفوظة في Keychain على iOS. الناتج بطول 256 بت هو مفتاح الخزنة: يشفّر فهرس الخزنة ويفك تغليف المفتاح الرئيسي العشوائي المنفصل الذي يستخدمه AES-256-GCM لمحتوى الملفات وبياناتها الوصفية.

ما هو تشفير بالنمط؟

تختبئ معظم تطبيقات المخزن خلف رقم التعريف الشخصي أو كلمة المرور. تكتب أربعة أرقام، وتظهر الصور الخاصة بك. يبدو آمنا بما فيه الكفاية، أليس كذلك؟

هنا تكمن المشكلة: رقم التعريف الشخصي المكون من أربعة أرقام يحتوي بالضبط على 10000 مجموعة ممكنة. يمكن للكمبيوتر تجربة كل واحد منها في أقل من ثانية. ستة أرقام؟ مليون مجموعات. لا يزال سريعًا بشكل تافه بالنسبة للأجهزة الحديثة. حتى كلمة المرور المكونة من ثمانية أحرف، إذا كانت تستخدم أحرفًا صغيرة فقط، تمنحك حوالي 200 مليار احتمال. قد يبدو هذا كثيرًا حتى تعلم أن الكمبيوتر المحمول القياسي يمكنه اختبار مليارات تجزئات كلمة المرور في الثانية.

يتخذ تشفير الأنماط نهجًا مختلفًا. بدل كتابة أحرف في حقل، ترسم شكلًا هندسيًا عبر شبكة من النقاط. يصبح المسار الذي تتبعه، أي النقاط التي تلمسها وترتيبها وشكلها، مدخلًا لدالة اشتقاق مفاتيح مبنية على كلمة المرور. لا تتحقق الواجهة وحدها من النتيجة: يجب أن تفتح النتيجة فهرسًا مشفرًا موثّقًا والمفتاح الرئيسي العشوائي داخله.

هذا الفارق مهم. عندما تُدخل رمز PIN في بعض التطبيقات، يتحقق التطبيق فقط من أنك كتبت الرقم الصحيح، ثم يفتح، وقد تكون الملفات محمية أساسًا بضبط الوصول. أما Vaultaire فيمرر النمط المرسوم إلى PBKDF2 لاشتقاق مفتاح خزنة بطول 256 بت. يجب أن يصادق هذا المفتاح على فهرس الخزنة ويفك تشفيره قبل أن يفك تغليف المفتاح الرئيسي العشوائي المستخدم للملفات. يُعرض النمط غير المعروف كخزنة فارغة، لكن مصادقة AES-GCM في الأساس ما زالت تميّز المفتاح الصحيح من الخاطئ.

كيف يعمل، خطوة بخطوة

إليك ما يحدث منذ اللحظة التي يلمس فيها إصبعك الشاشة إلى اللحظة التي تصبح فيها ملفاتك غير قابلة للقراءة لأي شخص آخر.

الخطوة 1: ارسم النمط الخاص بك

يقدم Vaultaire شبكة من النقاط مقاس 5 × 5. ترسم مسارًا مستمرًا يربط بين 6 نقاط على الأقل مع تغيير اتجاه واحد على الأقل. يسجل التطبيق بالضبط النقاط التي قمت بزيارتها وبأي ترتيب. هذا التسلسل هو النمط الخاص بك.

على عكس شبكات 3×3 الشائعة في شاشات قفل Android، يستخدم Vaultaire شبكة 5×5. ليس هذا خيارًا شكليًا. تسمح خمسة وعشرون نقطة بمسارات وتقاطعات وقفزات وتغييرات اتجاه أكثر من تسع نقاط. المساحة النظرية الأكبر تساعد، لكن الأمان الفعلي ما زال يعتمد على صعوبة توقع المسار الذي تختاره. الحرف المألوف أو الشكل البسيط يبقى قابلًا للتخمين حتى لو كانت الشبكة تعبّر عن مليارات البدائل.

الخطوة 2: يشتق النمط مفتاح الخزنة

يُحوَّل نمطك المرسوم إلى تسلسل مع حجم الشبكة ويُمرَّر إلى PBKDF2 (دالة اشتقاق المفاتيح المبنية على كلمة المرور 2) مع HMAC-SHA512 و600000 تكرار وقيمة salt عشوائية على مستوى الجهاز. قيمة salt غير سرية ومحفوظة في Keychain على iOS كعنصر WhenUnlockedThisDeviceOnly. تجعل الاشتقاق المحلي مرتبطًا بالجهاز، لكنها ليست فريدة لكل خزنة ولا تضيف إنتروبيا إلى نمط يختاره إنسان.

عملية اشتقاق المفتاح مكلفة عن قصد. يشغّل PBKDF2 عدد 600000 تكرار من HMAC-SHA512 لكل نمط مرشح، فترتفع تكلفة هجوم التخمين. لا يحوّل هذا نمطًا منخفض الإنتروبيا إلى أمان بطول 256 بت، ويعتمد وقت الهجوم على أجهزة المهاجم. غرضه أضيق وقابل للقياس: أن يصبح كل تخمين أغلى بكثير من دالة تجزئة بسيطة.

الخطوة 3: تشفير ملفاتك

عند إنشاء الخزنة أول مرة، يولّد Vaultaire مفتاحًا رئيسيًا عشوائيًا بطول 256 بت. يشفّر مفتاح الخزنة المشتق من النمط الفهرس ويغلّف هذا المفتاح الرئيسي، ولا يشفّر كل ملف مباشرة. يُستخدم المفتاح الرئيسي مع AES-256-GCM لرؤوس الملفات والمحتوى والصور المصغرة والبيانات الوصفية المرتبطة. وتضمن قيم nonce الجديدة ألا ينتج النص الصريح المتكرر نصًا مشفرًا متكررًا تحت المفتاح نفسه.

GCM طبقة مهمة: المصادقة. فهو لا يقوم فقط بخلط بياناتك، بل يقوم أيضًا بإنشاء علامة تكتشف أي تلاعب. إذا تم تعديل جزء واحد من الملف المشفر، فسوف تفشل عملية فك التشفير. لا أحد يستطيع التلاعب بملفاتك دون علمك.

الخطوة 4: يتم مسح حالة المفتاح النشط

عندما يُقفل Vaultaire، يمسح حالة مفتاح الخزنة النشطة والمفتاح الرئيسي، ويطلب فتحًا جديدًا قبل عرض الملفات مرة أخرى. ما دامت الخزنة مفتوحة، توجد بايتات هذه المفاتيح المتماثلة بالضرورة في عملية التطبيق حتى يستطيع CryptoKit إجراء عمليات AES-GCM. ويحتفظ Vaultaire أيضًا بمعلومات الاسترداد، ومنها مغلّف الاسترداد المشفر بالنمط والعبارة، داخل قاعدة بيانات مشفرة بـ AES-GCM محفوظة في Keychain على iOS. هذا يختلف جوهريًا عن الادعاء بأن النمط وكل نسخة من المفتاح لا تُخزَّن في أي مكان.

الرياضيات وراء ذلك (باللغة الإنجليزية البسيطة)

لا تحتاج إلى درجة علمية في علوم الكمبيوتر لفهم سبب نجاح ذلك. وينقسم الأمان إلى ثلاثة أرقام: عدد الأنماط الممكنة، والمدة التي يستغرقها كل تخمين، وعدد التخمينات التي يمكن للمهاجم القيام بها.

الإنتروبيا: مقياس عدم القدرة على التنبؤ

Entropy هي كلمة منمقة لـ “ ما مدى صعوبة تخمين ذلك. ” إن قلب العملة المعدنية له بت واحد من الإنتروبيا (نتيجتان). يحتوي رقم التعريف الشخصي المكون من أربعة أرقام على حوالي 13 بت من الإنتروبيا (10000 نتيجة). يمكن للنمط المختار جيدًا على شبكة 5×5، والذي يربط 8 نقاط أو أكثر، أن يتجاوز 30 بت من الإنتروبيا، أكثر من مليار نمط محتمل.

إنتروبيا النمط تحدد سقف هجوم التخمين. لا يستطيع PBKDF2 خلق إنتروبيا لا تحتويها الإيماءة، لكنه يستطيع أن يجعل اختبار كل مرشح أغلى بكثير.

الاشتقاق الرئيسي: جعل التخمينات باهظة الثمن

يأخذ PBKDF2 النمط المحوَّل إلى تسلسل ويشغّل 600000 جولة من HMAC-SHA512. يجب أن تعتمد تقديرات الهجوم على تكلفة مقيسة على الأجهزة التي تخمّن: إذا كانت التكلفة 1 مللي ثانية بالضبط لكل مرشح كامل، فإن 1,000,000,000 مرشح تستغرق 1,000,000 ثانية، أي نحو 11.6 يومًا، لعامل واحد. التكلفة المقيسة الأبطأ تزيد هذا الوقت، والأجهزة المتوازية تقلله. ولا يغيّر طول الناتج البالغ 256 بت حجم مساحة البحث في الأنماط.

تُخزَّن قيمة salt على مستوى الجهاز في Keychain، ولم تُصمَّم لتكون سرية. قد تجعل Keychain وحماية البيانات في iOS استخراجها أصعب عند الاستيلاء على الجهاز، لكن التحليل التشفيري يجب أن يفترض أن فاحصًا يحصل على الملفات المشفرة قد يحصل أيضًا على قيمة salt. تمنع قيمة salt الحساب المسبق عبر الأجهزة، لكنها لا تغني عن نمط قوي.

AES-256: معيار عام خضع لدراسة واسعة

AES-256 خوارزمية تشفير قوية وقياسية، نشرها NIST بوصفها FIPS 197. يشير “256” إلى طول المفتاح بالبت. يحتوي المفتاح 256 بت على 2²⁵⁶ القيم المحتملة، وهي أكثر بكثير من أن تُجرَّب بالقوة الغاشمة. لذلك يهاجم المهاجم النمط بدلًا من المفتاح، ولهذا يقوّي Vaultaire النمط بـ 600,000 تكرار من PBKDF2.

لا يعتمد أمان AES-256 على إبقاء الخوارزمية سرية. لكن مساحة مفاتيح AES وحدها لا تحمي النظام كله: الحد العملي للتخمين يأتي من إنتروبيا النمط، وعامل العمل في PBKDF2، والحماية المحيطة بقيمة salt على الجهاز وبالتخزين المشفر. يوفر AES-256-GCM تشفيرًا قويًا وموثّقًا بعد فتح المفتاح الرئيسي العشوائي الصحيح.

لماذا لا يستطيع أحد الاختراق

لننظر في الطرق الرئيسية التي قد يحاول بها شخص الوصول إلى ملفاتك المشفرة، وما يفعله Vaultaire لرفع التكلفة، وأين تبقى الحدود.

القوة الغاشمة: تجربة كل نمط

يجعل PBKDF2 كل نمط مرشح يكلّف 600000 تكرار من HMAC-SHA512. هذا دفاع له قيمة، لكنه ليس وعدًا بعدد محدد من السنوات: تعتمد النتيجة على اختيار النمط، وسرعة الاشتقاق المقيسة، والتوازي، وما إذا كان الفاحص قد استخرج قيمة salt من الجهاز. المسارات الأطول والأصعب توقعًا مهمة لأن PBKDF2 يرفع تكلفة التخمين ولا يخلق إنتروبيا جديدة.

: قراءة شاشتك

في شبكة 3×3، يمكن لعلامات التلطخ الموجودة على الشاشة تضييق الأنماط المحتملة بشكل ملحوظ. على شبكة 5×5، يكشف نمط التلطخ عن النقاط التي تم لمسها ولكن ليس الترتيب أو الاتجاه أو الاتصالات بينها. الانفجار الاندماجي يجعل هذا النهج غير عملي.

ركوب الأمواج على الكتف: مشاهدتك وأنت ترسم

من الصعب للغاية حفظ الأنماط المرسومة بسرعة على شاشة هاتف صغيرة عن طريق الملاحظة، خاصة على شبكة 5×5. تظهر الأبحاث أن المراقبين يواجهون صعوبة أكبر في تكرار الأنماط المعقدة مقارنة بسماع رقم التعريف الشخصي أو كلمة المرور التي يتم نطقها بصوت عالٍ.

الاستيلاء على الجهاز: الاستيلاء على هاتفك

إذا أخذ شخص هاتفك، تبقى محتويات Vaultaire وفهارسه نصًا مشفرًا بـ AES-GCM حتى تتوفر المفاتيح المطلوبة. لا يخزّن التطبيق سجلًا تقليديًا للتحقق من كلمة المرور، لكن هذا لا يلغي التحقق دون اتصال. يحتوي اسم ملف كل فهرس خزنة مشفر على قيمة تجزئة مقتطعة لمفتاح الخزنة، كما أن فك التشفير الموثّق في AES-GCM ينجح أو يفشل مع كل مفتاح مرشح. لذلك تبقى حماية الجهاز وقوة النمط جزءًا من نموذج التهديد.

اختيار نمط قوي

قوة التشفير تكون بنفس قوة النمط الذي تختاره. فيما يلي كيفية تحقيق أقصى قدر من الأمان الخاص بك بأقل جهد.

ما الذي يجعل النموذج قويًا

• استخدم المزيد من النقاط. قم بتوصيل 8 نقاط على الأقل من أصل 25 نقطة متاحة. كل نقطة إضافية تضاعف عدد الأنماط الممكنة.
• اعبر طريقك الخاص. الأنماط التي تتكرر أو تتخطى النقاط أو تغير الاتجاه بشكل غير متوقع يصعب إعادة إنتاجها من الذاكرة أو الملاحظة.
• تجنب الأشكال الواضحة. الحروف (L، Z، S)، والأشكال الهندسية البسيطة (المربعات، والمثلثات)، والخطوط المستقيمة هي أول الأشياء التي يحاول المهاجم تجربتها.
• استخدم الشبكة الكاملة. الأنماط التي تبقى في زاوية واحدة أو على طول حافة واحدة تهدر الإنتروبيا المتاحة. انتشر.

ما يجب تجنبه

• أنماط الحد الأدنى للطول. يتطلب Vaultaire ما لا يقل عن 6 نقاط وتغيير واحد في الاتجاه، لكن تلبية الحد الأدنى لا يجعل المسار غير متوقع. استخدم المزيد من الشبكة عندما يمكنك تذكر النتيجة بشكل موثوق.
• أشكال هندسية بسيطة. إن الشكل L أو الخط المتعرج أو الخط القطري المستقيم هو النمط المكافئ لـ “password123.”
• البدء من نفس الزاوية في كل مرة. تظهر الأبحاث التي أجريت على أنماط قفل Android أن معظم الأشخاص يبدأون من النقطة العلوية اليسرى. المهاجمون يعرفون ذلك.

المكان الجميل

يوفر النمط الذي يربط 8–12 نقطة مع تغييرين في الاتجاه على الأقل أمانًا ممتازًا بينما يظل من السهل عليك تذكره من خلال ذاكرة العضلات. لا تحتاج إلى حفظها مثل كلمة المرور، حيث تتذكر يدك الحركة، بنفس الطريقة التي تتذكر بها كيفية كتابة توقيعك.

لماذا يجب أن تشعر بالأمان

تشفير الأنماط في Vaultaire ليس لوحة PIN أجمل فحسب. تعالج الإيماءة دالة اشتقاق مفاتيح حقيقية، ويجب أن تفتح بيانات مشفرة وموثّقة. ما زالت قوته تعتمد على الإيماءة التي تختارها، لذلك يجمع Vaultaire بين الشبكة الأكبر وعامل عمل مرتفع في PBKDF2، ولا يقدّم طول الناتج البالغ 256 بت على أنه 256 بت من إنتروبيا سر بشري.

لا يُرسل نمطك ولا مفتاح الخزنة المحلي إلى Vaultaire. عندما يكون النسخ الاحتياطي مفعّلًا، وهو الوضع الافتراضي، يشفّر مفتاح نسخ احتياطي منفصل مشتق من النمط سجلات CloudKit، ويتيح بيان استرداد مشفر لعبارة الاسترداد أن تستعيد مفتاحي الخزنة والنسخ الاحتياطي. لا يحتفظ Vaultaire بمفتاح لدى المزوّد يفك تشفير تلك السجلات، لكن بيانات اعتماد الجهاز والاسترداد تبقى أجزاء حاسمة لأمان التصميم.

أنت ترسم شكلاً. هذا الشكل يحمي ملفاتك. الرياضيات تفعل الباقي.