AoNT Trap: Borromean-Entangled Mutable Chameleon Trapdoor Hash All-or-Nothing Stream Cipher

डिजिटल सुरक्षा की दुनिया में, संदेशों को छिपाने के लिए सबसे आम उपकरण स्ट्रीम साइफर (stream ciphers) हैं। इन्हें एक ऐसी मशीन के रूप में सोचें जो यादृच्छिक दिखने वाले नंबरों की एक लंबी, अनंत धारा उत्पन्न करती है, जिसे फिर एक गुप्त संदेश के साथ मिलाकर उसे अपठनीय कोड में बदल दिया जाता है। दशकों से, इन मशीनों को उनकी गति के लिए सराहा गया है, जो उन्हें वायरलेस नेटवर्क पर डेटा भेजने, इंटरनेट कनेक्शन को सुरक्षित करने और स्मार्ट उपकरणों के भीतर मौजूद छोटे कंप्यूटरों की रक्षा करने के लिए आदर्श बनाता है। हालाँकि, इन पारंपरिक मशीनों में एक नाजुक कमजोरी है: वे अपने तीन मुख्य तत्वों—गुप्त कुंजी (secret key), शुरुआती संख्या (starting number) और आंतरिक स्मृति (internal memory)—को अलग-अलग वस्तुओं के रूप में मानती हैं। यदि कोई हैकर इनमें से केवल एक भी तत्व चुरा लेता है, या यदि मशीन रिसीवर के साथ थोड़ा भी तालमेल खो देती है, तो पूरा सुरक्षा तंत्र ढह सकता है, जिससे गुप्त संदेश उजागर हो जाता है।

कोलोराडो डेनवर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो इस बात को मौलिक रूप से बदल देता है कि ये तत्व आपस में कैसे क्रिया करते हैं। वे अपने आविष्कार को BEC-Trap कहते हैं, एक ऐसा सिस्टम जो गुप्त कुंजी, शुरुआती संख्या और आंतरिक स्मृति को इस तरह से आपस में बुनता है कि वे स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में नहीं रह सकते। शोधकर्ताओं ने गणित के एक विशिष्ट आकार से प्रेरणा ली जिसे बोरोमीन रिंग्स (Borromean rings) कहा जाता है। इस आकार में, तीन लूप इस तरह से जुड़े होते हैं कि यदि आप किसी भी एक लूप को हटा देते हैं, तो अन्य दो तुरंत अलग हो जाते हैं, और आपस में जुड़े नहीं रहते। एन्क्रिप्शन में इस सिद्धांत को लागू करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जहाँ संदेश की सुरक्षा तीनों घटकों की एक साथ उपस्थिति पर निर्भर करती है। यदि कोई हमलावर पहेली के एक भी हिस्से को चुराता या भ्रष्ट करता है, तो संपूर्ण एन्क्रिप्शन प्रक्रिया टूट जाती है, जिससे चुराई गई जानकारी बेकार हो जाती है।

इस सिस्टम को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने के लिए, टीम ने एक विशेष प्रकार के डिजिटल लॉक को भी एकीकृत किया जिसे ट्रैपडोर हैश (trapdoor hash) कहा जाता है। मानक सुरक्षा में, एक बार संदेश लॉक हो जाने के बाद, सील टूटे बिना इसे बदला नहीं जा सकता। हालाँकि, यह नया सिस्टम अधिकृत उपयोगकर्ताओं को संदेश भेजते समय ही गुप्त कुंजियों को अपडेट करने और आंतरिक स्मृति को रीसेट करने की अनुमति देता है, बिना डेटा के प्रवाह को रोके या कनेक्शन को पुनरारंभ किए बिना। यह एक नियंत्रित तंत्र के माध्यम से प्राप्त किया जाता है जो सिस्टम को एक "कोलिजन" (collision)—एक ऐसी स्थिति जहाँ डेटा के दो अलग-अलग सेट एक ही डिजिटल फिंगरप्रिंट उत्पन्न करते हैं—बनाने की अनुमति देता है, लेकिन केवल उन लोगों के लिए जिनके पास गुप्त कुंजी है। यह विशेषता सिस्टम को निरंतर रूप से खुद को ठीक करने और अपनी सुरक्षा को ताज़ा करने में सक्षम बनाती है, जिससे वह बातचीत में बाधा डाले बिना खतरों के अनुकूल बन जाता है।

शोधकर्ताओं ने इस नए डिज़ाइन का व्यापक परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह आधुनिक संचार की मांगों को संभाल सकता है। उन्होंने एक मानक कंप्यूटर वर्कस्टेशन पर सिमुलेशन चलाए, जिसमें छोटी फाइलों से लेकर सूचना के बड़े टुकड़ों तक के डेटा स्ट्रीम को प्रोसेस किया गया। परिणामों ने दिखाया कि यह नया सिस्टम अविश्वसनीय रूप से तेज़ था, जो लगभग 63 मेगाबिट प्रति सेकंड की दर से डेटा प्रोसेस कर रहा था, जो वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले सबसे तेज़ मौजूदा एन्क्रिप्शन टूल के बराबर है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि परीक्षणों ने पुष्टि की कि सिस्टम बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसा बोरोमीन सिद्धांत भविष्यवाणी करता है। जब शोधकर्ताओं ने जानबूझकर गुप्त कुंजी के हिस्सों को उजागर किया या आंतरिक स्मृति को बाधित किया, तो सिस्टम केवल थोड़ा कमजोर नहीं हुआ; बल्कि वह पूरी तरह से ढह गया। स्कैम्बल किया गया डेटा पूरी तरह से अपठनीय हो गया, और आउटपुट की एंट्रॉपी (entropy), या यादृच्छिकता, लगभग पूर्ण बनी रही, जिससे पता चला कि हमले के दौरान भी कोई उपयोगी जानकारी लीक नहीं हुई।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक सिस्टम की ऑन-द-फ्लाई (on the fly) सुरक्षा को ताज़ा करने की क्षमता थी। पारंपरिक प्रणालियों में, गुप्त कुंजी बदलने के लिए अक्सर कनेक्शन को रीसेट करने के लिए संचार में विराम की आवश्यकता होती है, जिससे एक संक्षिप्त अंतराल पैदा होता है जहाँ सिस्टम असुरक्षित हो जाता है। BEC-Trap सिस्टम ने नौ मिलीसेकंड से भी कम समय में अपनी कुंजियों और आंतरिक अवस्था को अपडेट किया, जो एक ऐसी गति है जो मानव उपयोगकर्ताओं के लिए अदृश्य है और निरंतर, निर्बाध डेटा प्रवाह की अनुमति देती है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि सिस्टम ने निरंतर अपने आंतरिक मापदंडों को बदलते रहने के बावजूद, प्रेषक और प्राप्तकर्ता के बीच लगभग 99.8 प्रतिशत की सटीकता दर के साथ उच्च स्तर का सिंक्रोनाइज़ेशन बनाए रखा। यह सुझाव देता है कि सिस्टम इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) या सुरक्षित मैसेजिंग ऐप्स जैसे गतिशील वातावरण में बिना संपर्क खोने के जोखिम के अनुकूल हो सकता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि सिस्टम विभिन्न प्रकार के हमलों को कैसे संभालता है, जिसमें पुराने संदेशों को दोबारा चलाने (replay attacks) या फर्जी डेटा डालने के प्रयास शामिल हैं। क्योंकि सिस्टम कुंजी, शुरुआती संख्या और मेमोरी को एक एकल, अविभाज्य इकाई के रूप में बांधता है, इसलिए किसी भी हिस्से के साथ छेड़छाड़ करने का प्रयास संदेश के डिजिटल फिंगरप्रिंट को तुरंत बदल देता है। यह किसी हमलावर के लिए संदेश को संशोधित करना असंभव बना देता है, और पुराने संदेशों का पुन: उपयोग करना भी असंभव बना देता है क्योंकि आंतरिक अवस्था पहले ही आगे बढ़ चुकी होती है। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब उन्होंने एक ऐसा परिदृश्य सिम्युलेट किया जहाँ 75 प्रतिशत गुप्त कुंजी उजागर हो गई थी, तब भी सिस्टम मूल संदेश के बारे में कोई सार्थक जानकारी प्रकट करने में विफल रहा, जिससे पुष्टि हुई कि "ऑल-ऑर-नथिंग" (सब-या-कुछ-नहीं) सुरक्षा मॉडल इच्छित रूप से काम करता है।

हालाँकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह कार्य वर्तमान में एक सैद्धांतिक और सिम्युलेटेड मॉडल है। निष्कर्ष भौतिक हार्डवेयर परीक्षणों के बजाय कंप्यूटर प्रयोगों पर आधारित हैं, और अगले चरणों में इस सिस्टम को वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक चिप्स में बनाना शामिल होगा ताकि यह देखा जा सके कि यह वास्तविक दुनिया के उपकरणों में कैसा प्रदर्शन करता है। टीम इस बात की खोज करने की योजना बना रही है कि इस डिज़ाइन को एम्बेडेड सिस्टम के लिए विशेष हार्डवेयर में कैसे लागू किया जा सकता है और भविष्य के खतरों के खिलाफ सुरक्षा की गारंटी देने के लिए औपचारिक गणितीय प्रमाण विकसित किए जा सकते हैं। फिलहाल, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक ऐसा स्ट्रीम साइफर बनाना संभव है जो न केवल तेज़ और कुशल है, बल्कि संरचनात्मक रूप से भी मजबूत है, जो डेटा की सुरक्षा के लिए एक नया तरीका प्रदान करता है जो इसके घटकों के अलगाव के बजाय उनके परस्पर जुड़े हिस्सों की ताकत पर निर्भर करता है।