Enhancing RD-BIBD Key Pre-distribution with Permutation Aware Node Assignment in Fog Computing

इंटरनेट ऑफ थिंग्स के विशाल, अदृश्य जाल में, अरबों छोटे उपकरण—स्मार्ट थर्मोस्टैट से लेकर औद्योगिक सेंसर तक—लगातार डेटा का आदान-प्रदान करते हैं। इस जानकारी को सुरक्षित रखने के लिए, इन उपकरणों को गुप्त कोड साझा करने चाहिए, जिन्हें 'कीज़' (keys) कहा जाता है, जो उन्हें केवल भरोसेमंद पड़ोसियों से बात करने की अनुमति देते हैं। हालाँकि, ये उपकरण अक्सर बहुत छोटे होते हैं, जिनमें बैटरी पावर और मेमोरी बहुत सीमित होती है, जिससे शक्तिशाली कंप्यूटरों में पाए जाने वाले भारी, जटिल सुरक्षा प्रणालियों का उपयोग करना असंभव हो जाता है। यदि कोई उपकरण चोरी हो जाता है या किसी बुरे तत्व द्वारा भौतिक रूप से कब्जा कर लिया जाता है, तो उसके भीतर संग्रहीत गुप्त कोड चुराए जा सकते हैं, जिससे पूरे नेटवर्क की सुरक्षा खतरे में पड़ सकती है। यह "फॉग कंप्यूटिंग" (fog computing) के लिए एक गंभीर समस्या है, जो एक ऐसी प्रणाली है जो देरी को कम करने के लिए इन छोटे उपकरणों के करीब शक्तिशाली कंप्यूटिंग संसाधनों को लाती है, लेकिन फिर भी यह उन असुरक्षित, संसाधन-विहीन गैजेट्स पर निर्भर करती है।

चुनौती यह है कि इन उपकरणों को चालू होने से पहले ही इन गुप्त कोडों को कैसे वितरित किया जाए। पारंपरिक तरीके अक्सर कोडों को एक निश्चित, अनुमानित पैटर्न में आवंटित करते हैं। हालांकि इसे प्रबंधित करना आसान है, लेकिन यह एक खतरनाक कमजोरी पैदा करता है: यदि कोई हमलावर कुछ उपकरणों को पकड़ लेता है और पैटर्न का पता लगा लेता है, तो वे आसानी से अनुमान लगा सकते हैं कि कौन से कोड अन्य उपकरणों के पास हैं, जिससे वे व्यवस्थित रूप से नेटवर्क में सेंध लगाने में सक्षम हो जाते हैं। शोधकर्ता लंबे समय से एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे थे जो इन निश्चित पैटर्नों की दक्षता को बनाए रखते हुए उस अनिश्चितता को हटा सके जो उन्हें हमले के प्रति संवेदनशील बनाती है।

इस्लामिक आज़ाद यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता, माजिद तजेरी ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जिसे विशेष रूप से फॉग कंप्यूटिंग के जटिल, स्तरित वातावरण के लिए डिज़ाइन किया गया है। उनका दृष्टिकोण दो अलग-अलग विचारों को जोड़ता है: एक गणितीय संरचना जो गारंटी देती है कि उपकरण सामान्य कोड खोज सकें, और एक चतुर युक्ति जो यह छिपा देती है कि किस उपकरण के पास कौन सा कोड है। इस प्रणाली का मूल एक गणितीय डिज़ाइन पर आधारित है जो सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक उपकरण के पास कोडों का एक विशिष्ट सेट हो, और किसी भी दो उपकरणों के बीच, जो एक ही समूह में हैं, कम से कम एक साझा की (key) होने की गारंटी हो। यह संरचना एक 'रेसिड्यूअल डिज़ाइन' (Residual Design) नामक अवधारणा से ली गई है, जो वस्तुओं को समूहों में व्यवस्थित करने का एक तरीका है ताकि ओवरलैप अनुमानित और कुशल हो। इस प्रणाली में, नेटवर्क को क्लस्टरों में विभाजित किया जाता है, जिसमें एक शक्तिशाली "क्लस्टर हेड" (cluster head) छोटे, कमजोर उपकरणों के समूह के लिए एक नेता के रूप में कार्य करता है। गणितीय डिज़ाइन यह सुनिश्चित करता है कि नेता और उसका समूह, साथ ही समूह के सदस्य, सुरक्षित संचार के लिए हमेशा एक साझा रहस्य पा सकें।

तजेरी के कार्य में नवाचार स्वयं कीज़ बनाने में नहीं है, बल्कि उन्हें बांटने के तरीके में है। पिछली प्रणालियों में, कोडों के एक विशिष्ट समूह और एक विशिष्ट भौतिक उपकरण के बीच का संबंध निश्चित और ज्ञात था। तजेरी एक 'रैंडम शफलिंग' (random shuffling) चरण पेश करते हैं, जिसे उपकरणों को तैनात करने से पहले एक सुरक्षित केंद्रीय स्टेशन द्वारा किया जाता है। कल्पना कीजिए कि ताश की एक गड्डी है जहाँ सूट और नंबर निश्चित हैं, लेकिन खिलाड़ियों को दिए जाने वाले क्रम को पूरी तरह से रैंडमाइज और गुप्त रखा जाता है। इस नई प्रणाली में, केंद्रीय स्टेशन गणितीय डिज़ाइन का उपयोग करके कीज़ के समूह बनाता है, लेकिन फिर यह तय करने के लिए कि कौन सा समूह किस उपकरण को दिया जाए, एक गुप्त, रैंडम परम्यूटेशन (permutation) लागू करता है। इसका मतलब है कि भले ही एक हमलावर किसी उपकरण को पकड़ ले और उसके कीज़ देख ले, वह आसानी से यह पता नहीं लगा सकता कि अन्य कौन से उपकरण उसके मिलान वाले कीज़ रखते हैं, क्योंकि गणितीय समूहों और भौतिक उपकरणों के बीच का मानचित्र बदल दिया गया है।

इस दृष्टिकोण के परिणाम भविष्य के नेटवर्कों की सुरक्षा और दक्षता के लिए महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि एक उपकरण को बहुत कम संख्या में कीज़ संग्रहीत करने की अनुमति देती है—विशेष रूप से, एक ऐसी संख्या जो कुल नेटवर्क आकार बढ़ने पर भी बहुत धीमी गति से बढ़ती है। दस लाख उपकरणों वाले नेटवर्क के लिए, एक सामान्य नोड को केवल लगभग इकतीस (31) कीज़ स्टोर करने की आवश्यकता होती है, जो अन्य समान तरीकों की तुलना में बहुत कम है। कम स्टोरेज मांग उन छोटे सेंसरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जिनके पास खर्च करने के लिए लगभग कोई मेमोरी नहीं होती। इसके अलावा, यह प्रणाली उच्च स्तर की कनेक्टिविटी बनाए रखती है, यह सुनिश्चित करती है कि उपकरण लगभग हमेशा अपने पड़ोसियों से बात करने के लिए एक साझा की पा सकें, जिसकी सफलता दर बड़े नेटवर्क में भी अस्सी प्रतिशत से ऊपर बनी रहती है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि रैंडम शफलिंग हमलावर के लिए कठिनाई को नाटकीय रूप रूप से बढ़ा देती है। एक मानक प्रणाली में, एक बार पैटर्न ज्ञात हो जाने पर, हमलावर को पता होता है कि किन कीज़ की तलाश करनी है। तजेरी की प्रणाली में, कीज़ को असाइन करने के संभावित तरीकों की संख्या इतनी विशाल है कि सही असाइनमेंट का अनुमान लगाना व्यावहारिक रूप से असंभव है। शोधकर्ताओं ने गणना की है कि असाइनमेंट का अनुमान लगाकर प्रणाली को तोड़ने के लिए आवश्यक प्रयास उपकरणों की संख्या के साथ फैक्टोरियल (factorial) दर से बढ़ता है, जिससे पकड़े गए नोड्स पर लक्षित हमले बहुत कम प्रभावी हो जाते हैं। यह प्रणाली इस बात से भी स्वतंत्र है कि उपकरण कैसे चलते हैं; चाहे सेंसर स्थिर हों या हवा के साथ बह रहे हों, सुरक्षा कायम रहती है क्योंकि सुरक्षा भौतिक स्थान पर नहीं, बल्कि कीज़ के बीच गणितीय संबंध पर निर्भर करती है।

एक कठोर गणितीय आधार को एक सरल लेकिन शक्तिशाली रैंडमाइजेशन चरण के साथ जोड़कर, यह शोध अगली पीढ़ी के स्मार्ट, परस्पर जुड़े वातावरण को सुरक्षित करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि एक ऐसी प्रणाली बनाना संभव है जो सबसे छोटे गैजेट्स के लिए पर्याप्त हल्की हो और सबसे दृढ़ भौतिक हमलों का सामना करने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि जुड़े हुए उपकरणों का 'फॉग' डेटा प्रवाह के लिए एक सुरक्षित स्थान बना रहे।