موضوع مقاله: پد یک‌بار مصرف | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پد یک‌بار مصرف | مقدمه: در این روش، متن اصلی، با یک کلید مخفی رندوم، که به آن پد یکبار مصرف هم میگویند، جفت می‌شود. | ## بخش 1: پد یک‌بار مصرف | سپس هر بیت یا کاراکتر از متن اصلی، با ترکیب شدن با بیت یا کاراکتر معادل خود در کلید، با استفاده از جمع پیمانه‌ای، رمزگذاری می‌شود. همچنین اثبات شده است که هر متن رمز شده با ویژگی پنهانی بودن کامل، باید از کلیدهایی با ویژگی‌های مشابه پد یکبار مصرف، به طور موثر استفاده کند. ورژن‌‌های دیجیتالی از رمزهای با پد یکبار مصرف، توسط ملت‌ها برای ارتباطات دیپلماتیک و نظامی حیاتی، استفاده شده است. اولین بار در سال 1882 فرانک میلر، پد یکبار مصرف را توصیف کرد و سپس در سال 1917 بازنگری روی آن صورت گرفت. در 22 جولای 1919 برای گیلبرت ورنام به خاطر استفاده از عملگر xor در رمزگذاری با پد یکبار مصرف، حق انحصاری اختراعات صادر شد. سیستم او که از رمز ورنام او صادر شده بود، رمزی بود که از ترکیب یک پیام با یک کلید که از نوار پانچ خوانده میشد، ساخته می‌شد. در ساختار اصلی، سیستم ورنام آسیب پذیر بود، چون نوار کلید یک حلقه بود، که هربار این حلقه یک دوره کامل را طی میکرد، دوباره استفاده می‌شد. استفاده یک باره، بعدا و زمانی که جوزف مابورن متوجه شد اگر نوار کلید کاملا رندوم باشد کشف رمز غیرممکن می‌شود، ایجاد شد. بخش "پد" در پد یکبار مصرف، از پیاده‌سازی‌های اولیه می‌آید؛ زمانی که کلید روی یک تکه کاغذ، که اجازه می‌داد برگه بالایی فعلی بعد از مصرف خاموش و نابود شود، ارائه میشد. برای مخفی سازی، این پد گاهی خیلی کوچک بود، طوری که یک ذره بین قوی برای استفاده از آن لازم بود. سازمان امنیت ملی از برگه‌هایی با اندازه‌ای استفاده می‌کرد که در کف دست یا پوست گردو جا می‌شدند. برای افزایش امنیت، پدهای یکبار مصرف گاهی روی کاغذهایی که از نیتروسلولوز بسیار قابل اشتعال چاپ می‌شوند تا به راحتی پس از مصرف، سوزانده شوند. تاریخچه فرانک میلر اولین کسی بود که در سال 1882 سیستم پد یکبار مصرف را برای امن کردن تلگراف توصیف کرد. در سال 1917 گیلبرت ورنام یک رمز مبتنی بر فناوری تله‌پرینت را اختراع و ثبت انحصاری کرد. هر کاراکتر در یک پیام، به صورت الکتریکی با کاراکتری در یک نوار پانچ کاغذی ترکیب می‌شد. جوزف مابورن، که ابتدا کاپیتانی در ارتش آمریکا بود و سپس رئیس سپاه ارتباطات شد، متوجه شد که دنباله کاراکترها در نوار کلید، می‌تواند کاملا رندوم باشد و در آن صورت، کشف رمز بسیار سخت‌تر خواهد شد. دیپلمات‌ها برای مدت‌ها از کدها و رمزها برای حفظ محرمانگی و کمینه کردن هزینه تلگراف‌ها استفاده کرده بودند. برای کدها، کلمات و عبارات با استفاده از یک کتاب کد دیکشنری مانند تبدیل به گروه‌هایی از اعداد (معمولا 4 یا 5 رقم) می‌شدند. برای امنیت بیشتر، اعداد مخفی می‌توانستند با هر گروه کد قبل از ارسال ترکیب (معمولا معمولا جمع پیمانه ای) شوند در حالی که این اعداد مخفی به صورت دوره‌ای تغییر میکردند (به آن فوق رمزگذاری گفته می‌شود). در اوایل 1920 سه رمزنگار آلمانی (ورنر کانز، رادولف شافلر و اریک لانگلز) که در شکستن چنین سیستم‌هایی همکاری می‌کردند متوجه شدند که اگر آنها از یک عدد جداگانه، جمع پذیر و رندوم انتخاب شده برای هر گروه کد استفاده کنند، هرگز شکسته نمی‌شوند. یک مفهوم جداگانه استفاده از پد یکبار مصرف از حروف برای رمزگذاری مستقیم متن اصلی مطابق مثال زیر بود. لئو مارکس اختراع چنین سیستمی را برای قوه مجریه عملیات ویژه بریتانیا در طول جنگ جهانی دوم توصیف می‌کند، با اینکه در آن زمان مشکوک شده بود که آنها از پیش در جهان بسیار تقسیم شده رمزنگاری برای مثال در پارک بلتچی، شناخته شده است. شانون نتایجش را در یک گزارش محرمانه شده در سال 1945 ارائه و به صورت عمومی در سال 1949 منتشر کرد. در همین زمان نظریه پرداز اطلاعات روس، ولادیمر کالتنیکو به صورت مستقل امنیت کامل پد یکبار مصرف را اثبات کرد. نتایج او در سال 1941 در گزارشی که به نظر می‌آید محرمانه باقی خواهد ماند، ارائه شد. فرض کنید دو پد کاغذی از دنباله حروف رندوم و کاملا یکسان قبلا به نحوی ایجاد و به صورت امنی به این دو نفر داده شده‌است. برای مثال، گفته می‌شود "از برگه دوازدهم در یک می استفاده کن." یا "برگه در دسترس بعدی را برای پیام بعدی استفاده کن." آنچه در برگه انتخاب شده وجود دارد، کلید این پیام است. بدانیم، کاری مرسوم است ولی اجباری نیست.) در این مثال، روش ترکیب کردن کلید و پیام با استفاده از جمع پیمانه‌ای است. در این روش مقدار عددی هر حرف در پیام و معادل آن در کلید، باهم در پیمانه 26 جمع می‌شوند. این به سادگی یعنی اگر محاسبات به بعد از حرف "Z" کشیده شود، دوباره از "A" آغاز می‌کنیم. باب از صفحه کلید معادل استفاده می‌کند و با همان روش فقط به صورت برعکس به متن اصلی می‌رسد. هردو نفر یعنی باب و آلیس برگه کلید را بلافاصله پس از مصرف نابود می‌کنند؛ در نتیجه از استفاده دوباره و حمله به رمز، جلوگیری می‌شود. سازمان امنیت ملی معمولا برای ارگان‌های خود پدهای یکبار مصرف چاپ شده بر روی برگه‌های کوچک و مشتعل شونده میفرستاد. این برگه‌ها به صورت شیمیایی تبدیل به نیتروسلولوز می‌شدند که درنتیجه فورا می‌سوختند و خاکستری به جا نمی‌گذاشتند. پدهای یکبار مصرف کلاسیک که برای جاسوسی بودند، از پدهای بسیار ریز، برگه‌های راحت مخفی شونده، مداد تیز و یک سری محاسبات ذهنی استفاده می‌کردند. این متد اکنون می‌تواند به صورت یک برنامه نرم‌افزاری پیاده سازی شود که از فایل‌های داده به عنوان ورودی (متن اصلی)، خروجی (متن رمزشده) و کلید (همان دنباله رندوم مورد نیاز) استفاده میکند. این روش به ویژه در کامپیوترها جالب توجه است چون معمولا یک دستورالعمل ماشین محلی است و درنتیجه بسیار سریع است. ولی به هرحال سخت است که مطمئن شویم که کلید واقعا رندوم است، یکبار استفاده شده است، هیچ وقت برای دشمن احراز نمی‌شود و بعد از استفاده کاملا نابود می‌شود. پیاده سازی بخش‌های اضطراری یک برنامه نرم‌افزاری پد یکبار مصرف، چالش‌های واقعی را ایجاد می‌کند؛ مثلا جابه‌جایی امن، ارسال متن اصلی، کلید واقعا رندوم و استفاده تنها یکباره از کلید. تلاش در کشف متن رمز شده در ادامه مثال بالا، فرض کنید ایو می‌تواند به متن رمزشده آلیس یعنی "EQNVZ" دسترسی پیدا کند. امنیت کامل پدهای یکبار مصرف از نظر صورت نظریه‌ اطلاعات امن هستند که یعنی پیام رمز شده (مثلا متن رمزی) هیچ اطلاعاتی را در مورد پیام اصلی به رمزگشا ارائه نمی‌دهد (مگر بیشترین طول ممکن برای پیام). این یک مفهوم بسیار قوی از امنیت است که اولین بار در زمان جنگ جهانی دوم توسط کلاد شانون رشد یافت و درهمان زمان‌ها از نظر ریاضی اثبات کرد که این موضوع برای پد یکبار مصرف صحیح است. پدهای یکبار مصرف اگر به درستی استفاده شوند حتی برای دشمنانی که قدرت محاسبه بی‌نهایت دارند، غیر قابل درک هستند. کلاد شانون با استفاده از ملاحظات نظریه اطلاعات ثابت کرد پد یکبار مصرف دارای خاصیتی است که او به آن نام امنیت کامل را داد. این به این معنی است که متن رمز شده C دقیقا هیچ اطلاعات اضافه‌ای در مورد متن اصلی نمی‌دهد. این به این دلیل است که با استفاده از یک کلید واقعا رندوم که فقط یکبار استفاده می‌شود، یک متن رمز شده می‌تواند به هر نوع متن اصلی با همان طول تبدیل شود و همه آنها به طور یکسان ممکن هستند. در نتیجه احتمال پیشین از متن اصلی M با احتمال پسین از متن اصلی M که که هر دو یک متن رمز شده را بدهند، برابر است. از نظر ریاضی، این موضوع به صورت تعریف شده است؛ به نحوی که انتروپی اطلاعات متن اصلی است و احتمال شرطی انتروپی متن اصلی است که متن رمز شده C را داده است. (در اینجا H حرف یونانی بزرگ اتا است.) این نشان می‌دهد که برای هر پیام M و متن رمزشده C، باید حداقل یک کلید K وجود داشته باشد که آنها را به عنوان پد یکبار مصرف به هم ربط دهد. به گفتار ریاضیاتی، این یعنی که C، M و K مقدار مشخص متن اصلی، متن رمز شده و کلید را نشان می‌دهد. درواقع اگر بخواهید از هر متن اصلی در فضای پیام M به هر رمز در فضای رمزشده C برسید (رمزگذاری) یا از هر رمز در فضای رمزشده C به هر متن اصلی در فضای پیام M برسید (رمزگشایی) به حداقل کلید نیاز دارید. (همه کلیدها با احتمال برابر استفاده شده است تا از امنیت کامل مطمئن شویم.) یک راه دیگر برای توضیح امنیت کامل، این ایده است که برای هر پیام در فضای پیام M و برای هر رمز c در فضای پیام C داریم: که در آن احتمالات را نشان می‌دهد و جانشین انتخاب یک کلید k از فضای کلید K با یک الگوریتم احتمالاتی E بر پایه شیر یا خط شده است. الگوریتم رمزنگاری متقارن متداول، از الگوهای پیچیده جایگذاری و جابه‌جایی استفاده می‌کند. در بهترین حالتی که هم اکنون استفاده می‌شود مشخص نیست که آیا یک پروسه رمزگشایی می‌تواند وجود داشته باشد که بتواند این تغییرات را بدون دانستن کلید استفاده شده در رمزگذاری به صورت معکوس انجام دهد یا خیر. (یا تا حد نیاز، بخشی را معکوس کند.) الگوریتم‌های رمزنگاری نامتقارن برپایه مسائل ریاضی هستند که تصور می‌شود حل آنها سخت است؛ مثلا تجزیه اعداد یا لگاریتم گسسته. به هرحال اثباتی وجود ندارد که این مسائل سخت هستند و یک شکاف ریاضیاتی می‌تواند آنها را نسبت به حملات آسیب پذیر کند. با اشاره به امنیت کامل، برخلاف الگوریتم رمزنگاری متقارن پد یکبار مصرف حتی در برابر حملات بررسی همه حالات، مصون می‌ماند. | ## بخش 2: پد یک‌بار مصرف | امتحان کردن همه کلیدها به سادگی همه متون اصلی را با احتمال برابر برای متن اصلی واقعی بودن، به دست می‌آورد. حتی با دانستن متن اصلی، مثلا با داسنتن بخش‌هایی از پیام، حملات بررسی همه حالات قابل استفاده نیست چون مهاجم نمی‌تواند به هیچ اطلاعاتی از بخش‌های دیگر کلید که برای رمزگشایی بقیه پیام لازم است، برسد. بخش‌های شناخته شده فقط بخش‌هایی از کلید که مربوط به خودشان است را فاش می‌کنند و آنها با یک حالت کاملا یک به یک به هم مربوط شده اند. پیتر شور و دیگران نشان داده اند که کامپیوترهای کوانتومی در حل کردن بعضی از مسائل سخت که امنیت رمزگذاری‌های نامتقارن را تضمین می‌کنند بسیار سریع‌تر هستند. اگر کامپیوترهای کوانتومی با بیت‌های کوانتومی کافی ساخته شوند و از پس محدودیت‌هایی برای تصحیح خطا بر بیایند، بعضی از الگوریتم‌های رمزنگاری کلید عمومی منسوخ می‌شوند. موضوعات رمزنگاری کوانتومی و رمزنگاری پس از کوانتوم را برای بحث بیشتر در حوزه کامپیوترهای کوانتومی دربرابر امنیت اطلاعات مطالعه کنید. مشکلات با وجود اثبات شانون بر امنیت کامل پدهای یکبار مصرف، آنها موانع جدی در عمل دارند چون به موارد زیر نیاز دارند: مقادیر واقعا رندوم، که در ضدیت با شبه رندوم است، برای آنها لازم است که یک نیاز جزئی نیست. تولید و مبادله امن مقادیر پد یکبار مصرف که باید حداقل طولی به اندازه پیام داشته باشند. امنیت پد یکبار مصرف تنها به اندازه امنیت مبادله پد یکبار مصرف است ولی اگر یک مهاجم بتواند به مقدار پد یکبار مصرف نفوذ کند و بداند که این یک پد یکبار مصرف است، می‌تواند پیام پد یکبار مصرف را رمزگشایی کند. رفتار با دقت برای اطمینان از اینکه مقادیر پد یکبار مصرف امن باقی خواهد ماند و بعدا به درستی نابود خواهند شد تا از هرگونه استفاده دوباره از کل یا بخشی از آنها جلوگیری شود که یعنی در معنای لغوی، یکبار مصرف باشند. رمزهای با کیفیت بالا به صورت گسترده در دسترس هستند و امنیت آنها به عنوان یک نگرانی بزرگ در نظر گرفته نمی‌شود. مقدار کلیدی که باید به صورت صحیح و امن ساخته شود، به صورت امن پخش شود و به صورت امن نگهداری شود خیلی کمتر است و رمزنگاری با کلید عمومی بر این مشکلات پیروز شده است. توابع عدد رندوم سازی که در کتابخانه‌های بیشتر زبان‌های برنامه نویسی استفاده می‌شود برای استفاده در رمزنگاری مناسب نیستند. حتی آن رندوم سازهایی که برای استفاده معمولی در رمزنگاری مناسب هستند، مثل /dev/random و بسیاری از رندوم سازهای سخت افزاری، ممکن است از توابع رمزنگاری استفاده کنند که امنیت‌شان اثبات نشده است. یک مثال از اینکه اعداد رندوم واقعی چگونه می‌توانند ساخته شوند با اندازه‌گیری تابش رادیواکتیو است. اگر یک پد یکبار مصرف فقط دوبار استفاده شود، عملیات محاسباتی ساده می‌تواند آن را به رمز کلید جریانی کاهش دهد. اگر هر دو متن اصلی از یک زبان طبیعی (مثلا انگلیسی یا روسی) آمده باشد، با اینکه هردو آنها مخفی هستند، هر دو در معرض شانس بالای کشف با رمزگشایی تحلیلی و با ابهام کم هستند. البته یک پیام طولانی‌تر فقط می‌تواند در بخش‌هایی شکسته شود که با پیامی کوتاه‌تر همپوشانی دارد به علاوه احتمالا کمی بیشتر که با کامل کردن یک کلمه یا عبارت به دست می‌آید. توزیع کلید از آنجایی که پد مانند هر مورد مخفی به اشتراگ گذاشته شده، باید به صورت امن ذخیره و عبور داده شود، و پد باید حداقل به اندازه پیام طول داشته باشد، معمولا هیچ فایده‌ای در استفاده از پد کردن یکبار مصرف وجود ندارد چون یک نفر می‌تواند به سادگی همان متن اصلی را به جای بفرستد (چون هردو می‌توانند طول برابر داشته باشند و باید امن نگه داشته شوند). به هرحال وقتی که یک پد بسیار طولانی به صورت امن ارسال شده باشد (برای مثال یک دیسک کامپیوتری پر از داده‌های رندوم) می‌تواند برای بیشمار پیام در آینده استفاده شود البته تاجایی که جمع طول آنها با سایز این پد برابر شود. توزیع کوانتومی کلید هم با فرض کامپیوترهای کوانتومی خطاپذیر یک راه حل برای این مشکل ارائه می‌دهد. توزیع پد یکبار مصرف بسیار طولانی ساده نیست و معمولا یک ریسک عمده را مطرح می‌کند. پد ضرورتا کلید رمزگذاری است ولی برخلاف کلیدهای رمزهای مدرن باید خیلی طولانی باشد و برای انسان به خاطر سپردن آن خیلی سخت‌تر است. وسایل ذخیره سازی مانند فلش درایور، دی‌وی‌دی یا پخش‌کننده‌های صوتی دیجیتالی شخصی می‌توانند برای حمل یک پد یکبار مصرف خیلی بزرگ از جایی به جای دیگر به شکل غیر مشکوکی استفاده شوند؛ ولی حتی در این حالت، نیاز به انتقال فیزیکی پد در مقایسه با دستورالعمل‌های انتقال کلید در یک سیستم رمزگذاری با کلید عمومی مدرن، یک مانع است. ضمن اینکه چنین وسیله‌ای نمی‌تواند به صورت قابل اعتماد و امن پاک شود مگر با تخریب فیزیکی (مثلا سوزاندن). اگر یک دی‌وی‌دی 4.7 گیگابایتی پر از داده پد یکبار مصرف از نظر اندازه به اجزاء یک میلی متر مربعی خرد شود (0.0016 مربع)، بیشتر از 4 مگابایت داده را (مسلما بازیابی آن سخت است ولی غیر ممکن نیست) در هر جز نگه می‌دارد. به علاوه ریسک کشف رمز در هنگام جابه جایی (برای مثال یک یک نفر آن را بدزد، کپی کند و پد را جایگزین کند) در عمل بسیار بیشتر از احتمال کشف برای رمزی مانند AES است. در نهایت میزان تلاش لازم برای مدیریت کلید پد یکبار مصرف برای شبکه‌های بزرگ ارتباطی خیلی زیاد می‌شود؛ می‌توان گفت تعداد پدهای مورد نیاز بیشتر از توان دوی تعداد افرادی می‌شود که پیام‌ها را آزادانه انتقال می‌دهند. کلید باید بعد از استفاده به صورت امن نابود شود تا مطمئن شویم که کلید دوباره هرگز استفاده نمی شود و از پیام فرستاده شده محافظت کنیم. از آنجایی که کلید باید از یک پایانه تا پایانه دیگر منتقل شود و تا زمانی که پیام ارسال یا دریافت شود باقی بماند، در مقابل بازیابی قانونی آسیب‌پذیرتر از متن اصلی گذرایی است که از آن محافظت می‌کند. احراز هویت مطابق مصارف گذشته، پدهای یکبار مصرف هیچ احراز هویتی برای پیام ارائه نمی‌کنند که نبود آن می‌تواند در سیستم‌های دنیای واقعی یک تهدید ایجاد کند. دانش مهاجم از پد یکبار مصرف به همین طول بایت محدود است که باید برای هر محتوای دیگری از پیام نگه داشته شود تا معتبر باشد. این کمی متفاوت با انعطاف پذیری است که در آن اینکه پیام اصلی شناخته شده است جدی گرفته نمی‌شود. روش‌های استاندارد برای جلوگیری از آن برای مثال استفاده از یک پیام احراز هویت می‌‌تواند به همراه سیستم پد یکبار مصرف استفاده شود تا از چنین حملاتی جلوگیری کند. همچنین متدهای کلاسیک مانند پدکردن با طول متغیر و جمع‌سازی روسی می‌توانند استفاده شوند ولی همه آنها امنیت کاملی را که خود پد یکبار مصرف دارند، کم دارند. هش‌کردن همه جانبه راهی برای احراز هویت پیام‌ها تا یک قید امنیتی دلخواه ارائه می‌دهد. (برای مثال برای هر P > 0 یک هش به اندازه کافی بزرگ اطمینان می‌دهد که حتی احتمال موفقیت یک مهاجم بدون قید محاسباتی کمتر از P است.) ولی این از داده رندوم و اضافه پد استفاده می‌کند و احتمال پیاده سازی سیستم بدون کامپیوتر را حذف می‌کند. کاربردها قابل اجرا بودن پد یکبار مصرف با وجود مشکلاتی که دارد، فواید عملیاتی هم دارد. در بعضی شرایط فرضی جاسوسی پد یکبار مصرف می‌تواند مفید باشد چون می‌توانیم آن را به صورت دستی و با مداد و کاغذ حساب کنیم. به هرحال در دنیای مدرن کامپیوترها (مانند آنهایی که در وسایل الکترونیکی شخصی جاسازی شده اند، مثلا گوشی‌های موبایل) آنقدر در همه‌جا حاضر هستند که معمولا داشتن کامپیوتری مناسب برای اجرای رمزگذاری متداول (مثلا گوشی موبایلی که می‌تواند نرم‌افزار رمزی مخفی شده را اجرا کند) شک برانگیز نیست. پد یکبار مصرف یکی از عملی ترین روش‌های رمزگذاری‌ است که در آن یکی یا هر دو طرف باید همه کار را با دست و بدون کمک کامپیوترها انجام دهند. این مساله آن را در دوران قبل از کامپیوترها مهم کرد و هنوز هم می‌تواند در موقعیت‌هایی که داشتن کامپیوتر غیرقانونی است، فرد را متهم می‌کند و یا زمانی که کامپیوتر قابل اعتماد در دسترس نیست، مفید باشد. پدهای یکبار مصرف در شرایطی که دو طرف در یک محیط نا امن باید بتوانند ازهم جدا شوند و از دو مکان امن جداگانه با امنیت کامل در ارتباط باشند، قابل اجرا هستند. کاربرد‌های تاریخی پدهای یکبار مصرف در شرایط خاصی از اوایل قرن ۱۹۰۰ استفاده می‌شدند. احتملا شکستن رمزگذاری ضعیف شوروی توسط بریتانیا و عمومی کردن پیام‌ها به خاطر منافع سیاسی در دو مورد در دهه ۱۹۲۰ (مورد ARCOS)، شوروی را مجبور کرد که در حدود سال ۱۹۳۰ برای کاربردهایی پد یکبار مصرف را بپذیرد. بعدتر جاسوس‌های شورای امنیت هم به این صورت شناخته شدند که از پد یکبار مصرف کاغذی و مداد استفاده می‌کردند. سرهنگ رادولف آبل، که در شهر نیویورک در سال ۱۹۵۰ دستگیر و محکوم شد و "کروگرها" (مثلا موریس و لونا کوهن) که در بریتانیای کبیر در دهه ۱۹۶۰ دستگیر و محکوم به جاسوسی شدند، مثال‌هایی از آن هستند. لئو مارکس گزارش می‌کند که قوه مجریه عملیات ویژه بریتانیا در جنگ جهانی دوم از پد یکبار مصرف برای رمزی کردن مخابرات بین اداراتش استفاده کرده است. تعداد کمی از ماشین‌های رمزی نوارهای یکبار مصرف بریتانیایی شامل راککس و نورین می‌شود. ماشین اسپرچ سازمان پلیس مخفی آلمان هم می‌توانست از نوار یکبار مصرفی که آلمان شرقی، روسیه و حتی کوبا برای فرستادن پیام رمز شده به ارگان‌های خود استفاده می‌کردند، استفاده کند. این دستگاه به سیگنال در یک پایانه نویز اضافه می‌کرد و در پایانه دیگر آن را حذف می‌کرد. این نویز در پایانه‌های کانال به صورت رکوردهای لاکی بزرگ، که به شکل جفت‌های منحصر به فرد ساخته می‌شدند، پخش می‌شد. مشکلات همگام سازی شروع و فاز انحراف طولانی‌تر، هر دو قبل از این که سیستم بتواند استفاده شود، ظاهر و حل شدند. خط تلفن ویژه بین مسکو و واشنگتن که در سال ۱۹۶۳ بعد از بحران موشکی کوبا ساخته شد، از ماشین تحریر تلگرافی محافظت شده با یک سیستم نوار یکبار مصرف تجاری استفاده کرد. هر کشور نوارهای کلیدی را که با آن پیام‌هایش را رمز می‌کرد، آماده می‌کرد و از طریق سفارتش برای کشور دیگر می‌فرستاد. یک خاصیت منحصر به فرد پد یکبار مصرف در این مورد این بود که هیچ کدام از کشورها لازم نبود روش‌های حساس رمزگذاری بیشتری را برای دیگری فاش کند. آنها با استفاده از کد مورس و پد یکبار مصرف و مخابره موج رادیویی پیوسته (که حامل کد مورس بود) به ارتباط امن و قابل اعتماد رسیدند. | ## بخش 3: پد یک‌بار مصرف | در طی حمله سال ۱۹۸۳ گرانادا، ارتش ایالات متحده تدارکات ثبت یک جفت پد یکبار مصرف را در یک انبار کوبایی پیدا کردند. با شروع در سال ۱۹۸۸ کنگره ملی آفریقا (ANC) از پدهای یکبار مصرفی که برپایه دیسک بودند، به عنوان بخشی از سیستم ارتباط امن بین سران خود در خارج از آفریقای جنوبی و عاملان داخل کشور، به عنوان بخشی از عملیات والا، که تلاشی موفق برای ساخت یک شبکه مقاوم داخل آفریقای جنوبی بود، استفاده کرد. یک مهماندار هواپیمای بلژیکی به عنوان پیک برای داخل آوردن دیسک پدها نقش آفرینی کرد. یک تجدید تدارکات منظم برای این دیسک‌ها لازم بود، چون به سرعت تماما استفاده می‌شدند. بعدا والا یک رمز جریانی کلید شده با کدهای رزرو شده را برای حل مشکل به آن اضافه کرد. مثلا "آلفا" برای "ماموریت انجام شد"، "آفرین" برای "ماموریت شکست خورد"، یا حتی "چراغ قوه" برای "حمله متفقین به فرانسویان ساکن آفریقای شمالی"، نمی‌توانند به هیچ شکل معقولی در معنای کلمه رمزگشایی شوند. به هرحال چنین فنونی (با اینکه معمولا توسط عاملین واقعی و مربیان بیسبال استفاده می‌شوند) به هیچ شکل معناداری رمزنگاری با پد یکبار مصرف نیستند. آژانس ملی امنیت ایالات متحده حداقل از دهه 1970، آژانس ملی امنیت ایالات متحده (NSA) تنوعی از پدهای یکبار مصرف دستی را هم به صورت عام منظوره و هم به صورت ویژه با 86000 پد ساخته شده در سال مالی 1972، تولید کرد. همان نوع اطلاعات، پیام به پیام قرار است به همان شکل نمایش داده شود و فقط مقادیر خاص مثل اعداد در هر پیام عوض می‌شود. مثال‌هایی از آن، پیام آغاز عملیات هسته‌ای و گزارش‌های یابنده‌ جهت رادیویی (COMUS) هستند. یک مثال، ORION، 50 ردیف از الفبای متن اصلی را در یک طرف خود داشت و در طرف دیگر، حروف رندوم متن رمزی معادل را داشت. با قرار دادن یک برگه در بالای یک تکه برگه کربن در حالتی که سمت کربنی رو به بالا است، یک نفر می‌توانست یک دور یک حرف در هر ردیف دایره بکشد و حرف معادل در سمت دیگر به وسیله برگه کربنی دایره دار می‌شد. در نتیجه یک برگه ORION می‌توانست یک پیام با طول حداکثر 50 کاراکتر را به سرت رمزگذاری یا رمزگشایی کند. ساخت پدهای ORION نیاز به چاپ دوطرفه در یک وضعیت دقیق داشت که فرآیند سختی بود در نتیجه آژانس ملی امنیت ایالات متحده کار خود را به فرمت پد دیگری یعنی MEDIA تغییر داد که 25 ردیف الفبای جفت شده و کاراکترهای رندوم داشت. این آژانس همچنین سیستم‌های خودکار برای ارکان مرکزی سازمان جاسوسی آمریکا و واحدهای نیروی ویژه ساخت تا آنها بتوانند به صورت کارآمد، روی تعداد زیادی از پیام‌های با پدهای یکبار مصرف جداگانه که از یا برای افراد نگهدارنده‌های پد هستند، فرآیند را انجام دهند. در طی جنگ جهانی دوم و دهه 1950، ایالات متحده استفاده وسیعی از سیستم نوار یکبار مصرف کرد. علاوه بر فراهم کردن محرمانگی، مدارهای امن شده به وسیله نوار یکبار مصرف، دائما، حتی زمانی که هیچ مخابره‌ای وجود نداشت، اجرا می‌شدند و در نتیجه در مقابل تحلیل مخابرات محافظت می‌شدند. هر رول، قطری معادل 8 اینچ داشت، شامل 100000 کاراکتر بود و در 166 دقیقه و با قیمت 4.55 دلار ساخته می‌شد. تا سال 1972 فقط 55000 رول ساخته شده بود که نوارهای یکبار مصرف با ماشین‌های چرخان مثل SIGTOT و بعد از آن با وسایل الکترونیکی بر پایه شیفت رجیسترها جایگزین شدند. آژانس ملی امنیت ایالات متحده سیستم‌های نوار یکبار مصرف را مانند SIGTOT و 5-UCO به عنوان مواردی که در جاسوسی مخابرات، تا زمان معرفی رمزهای الکترونیکی KW-S6 در سال 1957 استفاده شده‌اند، توصیف می‌کند سوء مصرف درحالی که پدهای یکبار مصرف امنیت کامل ایجاد می‌کنند، اگر به درستی ساخته و استفاده شوند، اشتباهات کوچک می‌تواند منجر به کشف رمز موفق شوند: در سال 1945-1944، سرویس جاسوسی سیگنال‌های ارتش ایالات متحده موفق شد یک سیستم پد یکبار مصرف را که توسط وزارت امور خارجه آلمان برای مخابرات سطح بالا استفاده شده بود و نام رمزی آن GEE بود، حل کند. این سیستم ناامن بود چون پدها به اندازه کافی رندوم نبودند؛ یعنی ماشین استفاده شده برای تولید اعداد رندوم خروجی قابل پیش بینی می‌داد. در سال 1945، ایالات متحده کشف کرد که پیام‌های کنبرا - مسکو اول با یک کد رزرو شده و سپس با استفاده از یک پد یکبار مصرف رمز می‌شود. در کنار این واقعیت که بعضی از پیام‌های کنبرا – مسکو شامل اسناد شناخته شده دولت بریتانیا هستند، آنها توانستند برخی از پیام‌های رمز شده را بشکنند. پدهای یکبار مصرف توسط آژانس‌های جاسوسی روسیه برای ارتباطات مخفی با ارگان‌ها و کنترل‌کنندگان ارگان‌ها به کارگرفته شده بود. تحلیل‌ها نشان داده است که این پدها را تایپیست‌ها به وسیله ماشین‌تحریرهای واقعی ساخته‌اند. این روش قطعا به درستی رندوم نیست چون دنباله کلیدهای راحت و مشخصی را با احتمال بیشتری می‌سازد؛ ولی همچنین ثابت شده است که به صورت عمومی کاربردی است چون همانطور که افراد دنباله اعداد واقعا رندوم نمی‌سازند، از قوانین ریاضی ساخت‌یافته‌ای که یک ماشین استفاده می‌کند هم به طور برابر پیروی نمی‌کند و هر فرد به صورت متفاوتی رمزها را می‌سازد که این حمله به هر پیامی را با چالش مواجه می‌کند. بدون کپی‌هایی از کلید استفاده شده، فقط خطاهایی در روش تولید یا استفاده دوباره از کلید امیدی برای کشف رمز باقی می‌گذارد. با شروع دهه 1940، سازمان‌های جاسوسی ایالات متحده و بریتانیای کبیر، توانستند مخابره بعضی از پدهای یکبار مصرف شوروی به مسکو را در طول جنگ جهانی دوم به علت خطاهایی در تولید و توزیع کلید بشکنند. یک پیشنهاد برای علت این موضوع، این است که پرسنل مرکزی مسکو به نوعی با حضور سربازان آلمانی دقیقا بیرون مسکو در اواخر 1941 و اوایل 1942 دچار ازدحام کاری شدند و در نتیجه در آن دوره بیش از یک کپی از یک نوع کلید ساختند. این عملیات حجم قابل توجهی از اطلاعات، شامل اطلاعات کمی در مورد جاسوس‌های اصلی شوروی را تولید کرد. با این حال، فقط درصد کمی از پیام‌های استراق شده به صورت کامل یا جزیی رمزگشایی شد (چند هزار از چند صد هزار). سیستم نوار یکبار مصرف استفاده شده توسط ایالات متحده، از ترکیب کننده‌های الکترومکانیکی استفاده می‌کرد تا بیت‌های پیام و نوار یکبار مصرف را ترکیب کند. این ترکیب‌ کننده‌ها، انرژی الکترومگنتیک قابل توجهی را می‌تاباندند که می‌توانست توسط دشمن در فاصله‌ای از وسیله ‌رمزگذاری دریافت شود. این خاصیت که اولین بار در جنگ جهانی دوم توسط بل لبز کشف شد، می‌توانست اجازه استراق و بازیابی متن اصلی پیام مخابره شده را بدهد. امنیت مطلق رمز پد یک‌بار مصرف هرچند به صورت تجربی مشاهده شد که کلید خصوصی غیرتکراری و تصادفی که تنها یک بار برای رمزگذاری استفاده می‌شد به شدت امنیت پد یک‌بار مصرف را افزایش می‌دهد، اما صرفاً در سال ۱۹۴۹ بود که مبانی ریاضی این واقعیت توسط شانون کشف شد. نظریه امنیت مطلق که امنیت شانون نیز نامیده می‌شد و توسط شانون ارائه شد، می‌تواند به روش زیر مشخص شود. اگر یک تحلیل‌گر رمز منفعل تنها متن رمزشده … را داشته باشد که نتیجه رمزگذاری پد یک‌بار مصرف است، تحلیل‌گر رمز تنها می‌تواند این حدس را در مورد متن رمزنشده بزند که یک رشته دودویی با طول L است. به عبارت دیگر برای تحلیل‌گر رمز، هر رشته دودویی با طول L می‌تواند برابر با متن رمزنشده باشد. این مسئله یک تضاد قوی نسبت به سایر الگوریتم‌های رمزنگاری که در آن‌ها استخراج اطلاعاتی از متن رمزشده اجتناب‌ناپذیر است، می‌باشد. نتایج شانون حاکی از آن است که پد یک‌بار مصرف بهترین امنیت محاسباتی ممکن را برای هر طرح رمزگذاری ارائه می‌دهد. این روش به عنوان تنها امنیت مطلق یا تنها رمز غیرقابل شکستن شناخته شده باقی می‌ماند. الگوریتم‌های رمزنگاری زیادی به روش رمزنگاری کلید عمومی یا کلید خصوصی طی ۶۰ سال اخیر مطرح شده‌اند، اما هیچ‌کدام نمی‌تواند امنیت مطلق ارائه دهد. در واقع در مورد الگوریتم‌های مشهور مانند استاندارد رمزنگاری داده‌ها (DES)، ای‌سی‌سی، آراس‌ای و استاندارد رمزنگاری پیشرفته (AES) حتی اثبات نشده که می‌توانند به لحاظ محاسباتی امن باشند و تنها بر اساس شکست تلاش‌های فعلی، مشخص شده که شکستن رمز آن‌ها سخت است. با پیشرفت‌های سریع در توان محاسباتی، قدرت این الگوریتم‌ها تهدید می‌شود در حالی که پد یک‌بار مصرف در برابر هر گونه پیشرفت محاسباتی در آینده مقاوم باقی می‌ماند.Nithin. همچنین بعد از یک بار استفاده از کلید می‌توان بخشی از پیام را به روش ارزیابی ترافیک بازیابی کرد. هرچند بازیابی پیام ناممکن است اما با بازیابی این بخش‌ها می‌توان به محتوای پیام نزدیک شد. الگوریتم پد یک‌بار مصرف تولید کلید تصادفی ایجاد جدول اسکی ایجاد آرایه تصادفی تعیین متن رمزنشده نوشتن فایل برای متن رمزنشده ایجاد متن رمزشده نوشتن فایل برای متن رمزشده ارسال فایل رمزشده به گیرنده اجرای فرایند رمزگشایی به دست آوردن متن رمزنشده در مقصد این الگوریتم را می‌توان از معادله روبه‌رو دریافت. در صورت نقض هر یک از قوانین زیر، رمز قابل شکستن می‌شود: طول کلید به اندازه متن رمزنشده باشد. تنها دو کپی از کلید موجود باشد: یک کلید برای ارسال‌کننده و یکی برای دریافت‌کننده (حالات استثنائی برای مواقعی وجود دارد که چندین دریافت‌کننده وجود دارد) از کلیدها تنها یک بار استفاده شود و هر دوی ارسال‌کننده و دریافت‌کننده باید کلید را پس از استفاده نابود کنند. پد یکبار مصرف رمزگذاری عددی در ابتدا ما نیاز به یک کلید رمزگذاری به نام پد یک‌بار مصرف هستیم. برای یک ارتباط یک طرفه بخش فرستنده یک نسخه از پدی که استفاده کرده‌است را بایست در اختیار دریافت کننده قرار دهد. برای برقراری ارتباط دوطرفه از یک مجموعه پد استفاده می‌شود به طوری که فرستنده نسخه ای از پد خروجی خود را به عنوان پد ورودی با فرستنده به اشتراک می گذارد و پد خروجی دریافت کننده مشترک با پد ورودی فرستنده یکسان است. به این ترتیب متن آشکار موجود را با تکنیک‌های مورد استفاده به یک رشته از ارقام تبدیل می کنیم. برای این کار می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد به عنوان مثال حروف با بیشترین تکرار را به عددهای تک رقمی اختصاص دهیم و یا از روش کدگذاری هافمن استفاده کرد. به عنوان مثال هر 5 رقم متوالی را در یک دسته قرار می دهیم سپس برای هر دسته عدد متناظر با آن در پد یک بار مصرف را تولید می کنیم. در آخر برای رمز نگاری پیام عدد هر دسته را از عدد متناظر تولید شده به وسیله پد یکبار مصرف کم می کنیم. برای رمزگشایی کافی است رشته عددی دریافت شده را به وسیله پد یکبار مصرفی که در اختیار داریم به پیام ابتدایی ترجمه کنیم. | ## جمع‌بندی | هر یک از ارقام موجود در رشته عددی دریافت شده را با رقم متناظر آن در پد یکبار مصرف عمل جمع بدون رقم نقلی انجام می دهیم.