A Scalable Hybrid Encryption Framework Based on Unimodular Hill Cipher, Logistic Chaotic Key Generation, and AES-CBC for Secure Binary File Protection

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसी दुनिया में रह रहे हैं जहाँ आपकी हर एक चीज़—आपकी तस्वीरें, आपका संगीत, आपके स्कूल के निबंध और यहाँ तक कि आपके पसंदीदा कुकीज़ की गुप्त रेसिपी भी—"बाइट्स" नामक छोटे डिजिटल ईंटों की एक लंबी, अंतहीन धारा के रूप में संग्रहीत है। डिजिटल दुनिया में, बाइट्स सार्वभौमिक निर्माण खंड (building blocks) हैं। चाहे वह बिल्ली की तस्वीर हो या संख्याओं का कोई स्प्रेडशीट, कंप्यूटर के लिए वे सभी एक जैसे दिखते हैं: बस शून्य और एक (zeros and ones) का एक क्रम। वैज्ञानिकों के लिए बड़ी चुनौती यह है कि इन ईंटों को कैसे लॉक किया जाए ताकि कोई उन्हें चुरा न सके या उनके साथ छेड़छाड़ न कर सके। लंबे समय तक, लोगों ने अलग-अलग प्रकार के बक्सों के लिए अलग-अलग ताले इस्तेमाल करने की कोशिश की (जैसे तस्वीरों के लिए एक विशेष ताला, दस्तावेजों के लिए दूसरा), लेकिन यह वैसा ही था जैसे अपने सामने वाले दरवाजे को खोलने के लिए सौ अलग-अलग चाबियों वाला एक की-रिंग साथ ले जाना। यह बहुत अव्यवस्थित था और अक्सर कुछ बक्से थोड़े खुले रह जाते थे।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता कुछ चतुर तरकीबों का उपयोग करते हैं। एक पुराना तरीका "हिल साइफर" (Hill Cipher) है, जो आपकी ईंटों को एक ग्रिड में व्यवस्थित करने और फिर एक गुप्त गणितीय रेसिपी (एक मैट्रिक्स) का उपयोग करके उन्हें इधर-उधर करने जैसा है। यदि आपके पास सटीक रेसिपी नहीं है, तो आप उन्हें वापस अन-शफल (un-shuffle) नहीं कर सकते। एक अन्य तरीका "केओस" (Chaos) है, जो एक तूफान में तितली के पंख फड़फड़ाने जैसा है; शुरुआती बिंदु में एक मामूली बदलाव पूरी तरह से अलग, अप्रत्याशित मौसम का पैटर्न बना देता है। यह गुप्त चाबियाँ बनाने के लिए बहुत अच्छा है क्योंकि अगले कदम का अनुमान लगाना असंभव है। अंत में, "AES" है, एक सुपर-स्ट्रॉन्ग, आधुनिक ताला जिसे हर कोई तोड़ने में बहुत कठिन मानता है, जिसका उपयोग अक्सर उन हिस्सों के बैकअप के रूप में किया जाता है जो मुख्य शफलिंग ग्रिड में फिट नहीं होते हैं। लक्ष्य इन तीनों विचारों को एक मास्टर की (master key) में संयोजित करना है जो किसी भी डिजिटल फ़ाइल को लॉक कर सके, चाहे वह कुछ भी हो, बिना किसी कमी छोड़े।

---

द यूनिवर्सल डिजिटल लॉकस्मिथ (The Universal Digital Locksmith)

इंस्टीट्यूट टेक्नोलॉजी ऑफ साइंस बांडुंग और यूनिवर्सिटी ऑफ जेम्बर की टीम से मिलिए। उन्होंने डिजिटल दुनिया को देखा और एक समस्या देखी: अधिकांश सुरक्षा प्रणालियाँ विशिष्ट दर्जी की तरह हैं जो केवल एक विशिष्ट शरीर के प्रकार के लिए सूट बनाते हैं। यदि आपके पास एक तस्वीर है, तो वे एक विधि का उपयोग करते हैं; यदि आपके पास एक वीडियो है, तो वे दूसरी विधि का उपयोग करते हैं। लेकिन क्या होगा यदि आपके पास कोई अजीब, मिश्रित फ़ाइल है जो सांचे में फिट नहीं बैठती? शोधकर्ताओं ने एक नया, "स्केली" (scaly) ढांचा प्रस्तावित किया (जिसका अर्थ है कि यह बढ़ या घट सकता है) जो प्रत्येक डिजिटल फ़ाइल के साथ बिल्कुल एक जैसा व्यवहार करता है: एक कच्चे बाइट्स के प्रवाह के रूप में। वे इसे "हाइब्रिड एन्क्रिप्शन फ्रेमवर्क" कहते हैं, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि उन्होंने एक सुरक्षा प्रणाली बनाई है जो तीन अलग-अलग परतों वाली सुरक्षा का उपयोग करती है।

सबसे पहले, उन्हें एक ऐसा तरीका चाहिए था जिससे एक गुप्त कुंजी (secret key) हर बार बदल जाए, भले ही आप एक ही पासवर्ड टाइप करें। उन्होंने "लॉजिस्टिक्स मैप" (Logistic Map) का उपयोग किया, जो एक सरल गणितीय सूत्र है जो एक अराजक बवंडर की तरह कार्य करता है। कल्पना कीजिए कि आप एक लट्टू घुमा रहे हैं; यदि आप उसे एक मामूली सा धक्का देते हैं, तो वह पूरी तरह से अलग दिशा में डगमगाता है। आपके पासवर्ड को इस गणितीय बवंडर के शुरुआती धक्के में बदलकर, वे संख्याओं का एक अद्वितीय, अप्रत्याशdictable क्रम उत्पन्न करते हैं। यह क्रम उनकी गुप्त कुंजी का बीज (seed) है।

इसके बाद, उन्होंने "हिल साइफर" (Hill Cipher) पर काम किया। पुराने दिनों में, इस पद्धति ने छोटे ग्रिड (जैसे 2x2 या 3x3) का उपयोग करके डेटा को शफल किया था। लेकिन शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि बड़े फ़ाइलों के लिए छोटे ग्रिड पर्याप्त मजबूत नहीं हैं, और बड़े ग्रिड बनाना कठिन है क्योंकि आपको यह जांचना पड़ता है कि क्या उन्हें बाद में "अन-शफल" किया जा सकता है। उनकी सफलता "यूनिमॉडुलर मैट्रिसेस" (Unimodular Matrices) का उपयोग करने में थी। इसे एक विशेष प्रकार के ग्रिड के रूप में सोचें जहाँ गणित गारंटी देता है कि इसे हमेशा रिवर्स किया जा सकता है, चाहे आप इसे कितना भी बड़ा बना लें। उन्होंने इन ग्रिडों को गतिशील रूप से बनाया, जिसका अर्थ है कि ग्रिड का आकार आपकी फ़ाइल के आकार के आधार पर बदल जाता है। यदि आपके पास एक छोटी टेक्स्ट फ़ाइल है, तो वे एक छोटा ग्रिड उपयोग करते हैं। यदि आपके पास एक विशाल वीडियो फ़ाइल है, तो वे स्वचालित रूप से एक बहुत बड़ा ग्रिड (48x48 तक) स्विच कर देते हैं ताकि शफलिंग को तोड़ना और कठिन हो जाए। यह उनकी "एडेप्टिव मैट्रिक्स सिलेक्शन" (Adaptive Matrix Selection) रणनीति है।

लेकिन क्या होगा जब आपकी फ़ाइल में कुछ अतिरिक्त बाइट्स बच जाते हैं जो ग्रिड में पूरी तरह से फिट नहीं होते? अतीत में, लोग बस उन्हें ज़ीरो (zeros) के साथ भर देते थे, जो एक दरवाज़े पर कागज़ के टुकड़े को टेप से चिपकाने जैसा है—यह एक कमजोर जगह छोड़ देता है। यह नई प्रणाली पैडिंग नहीं करती है; इसके बजाय, यह उन बचे हुए बाइट्स को लेता है और उन्हें एक अलग, सुपर-स्ट्रॉन्ग लॉक के साथ सुरक्षित करता है जिसे "AES-CBC" कहा जाता है। यह वही तरह का ताला है जिसका उपयोग बैंक और सरकारें करती हैं। इसलिए, फ़ाइल का मुख्य भाग विशाल, कस्टम-मेड ग्रिड के साथ शफल होता है, और बचे हुए हिस्से को एक स्टील वॉल्ट में लॉक कर दिया जाता है।

टीम ने "लीना" (Lena) और "बबून" (Baboon) जैसी छवियों सहित सभी प्रकार की फ़ाइलों पर इस प्रणाली का परीक्षण किया, और यहाँ तक कि एक PDF दस्तावेज़ पर भी। उन्होंने पाया कि एन्क्रिप्शन के बाद, फ़ाइलें शुद्ध स्टैटिक शोर (static noise) की तरह दिखती थीं। एन्क्रिप्शन से पहले, डेटा में पैटर्न (जैसे कि एक फोटो में एक-दूसरे के बगल में बहुत सारे समान रंग होते हैं) थे। एन्क्रिप्शन के बाद, "शैनन एंट्रॉपी" (Shannon Entropy)—जो डेटा के रैंडम दिखने का एक माप है—बढ़कर लगभग 7.9998 बिट्स/बाइट हो गई। यह 8-बिट डेटा के लिए पूर्ण यादृच्छिकता (randomness) के जितना करीब हो सकता है, उतना है। उन्होंने "अवलांच इफेक्ट" (Avalanche Effect) की भी जाँच की, जो यह मापता है कि यदि आप मूल फ़ाइल में एक छोटी सी चीज़ बदलते हैं तो क्या होता है। उनके सिस्टम में, एक अक्षर बदलने से पूरे एन्क्रिप्टेड फ़ाइल का लगभग 50% हिस्सा पूरी तरह से बदल गया। इसका मतलब है कि यदि हैकर को मूल फ़ाइल के बारे में थोड़ी जानकारी भी पता चल जाए, तो भी वह बाकी फ़ाइल का अनुमान नहीं लगा सकता।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने साबित किया कि यह प्रणाली "लॉसलेस" (lossless) है। जब उन्होंने फ़ाइलों को लॉक किया और फिर अनलॉक किया, तो फ़ाइलें बिल्कुल वैसी ही निकलीं, बाइट दर बाइट। उन्होंने इसकी पुष्टि MD5 हैश का उपयोग करके की, जो डिजिटल फिंगरप्रिंट की तरह हैं; मूल फ़ाइल का फिंगरप्रिंट डिक्रिप्ट की गई फ़ाइल के फिंगरप्रिंट से हर बार पूरी तरह मेल खाता था। उन्होंने यह भी दिखाया कि यह प्रणाली कठोर रैंडमनेस टेस्ट (NIST SP800-22) को पास करती है, जिसका अर्थ है कि एन्क्रिप्टेड डेटा किसी भी सांख्यिकीय विश्लेषण के लिए वास्तविक रैंडम शोर से अलग पहचानना असंभव है।

पेपर स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि आपको यह जानने की आवश्यकता है कि आप किस प्रकार की फ़ाइल को एन्क्रिप्ट कर रहे हैं (जैसे कि यह जानना कि यह JPEG या PDF है) उसे सुरक्षित करने के लिए। वे उन निश्चित ग्रिड आकारों के विरुद्ध तर्क देते हैं जो फ़ाइल के अनुसार अनुकूलित नहीं होते हैं, और वे दिखाते हैं कि सरल पैडिंग विधियाँ उनके हाइब्रिड दृष्टिकोण की तुलना में कमज़ोर हैं। हालाँकि परिणामों के आधार पर सिमुलेशन और विभिन्न डेटासेट पर प्रयोग किए गए हैं, लेखक अपनी सांख्यिकीय सुरक्षा के प्रति बहुत आश्वस्त हैं, यह नोट करते हुए कि सिस्टम सफलतापूर्वक संरचनात्मक अतिरेक (structural redundancies) को समाप्त करता है और सामान्य हमलों का प्रतिरोध करता है। हालाँकि, वे स्वीकार करते हैं कि उनका वर्तमान सेटअप एक एकल केओटिक मैप का उपयोग करता है और भविष्य के कार्यों में चाबियों को और भी कठिन बनाने के लिए और अधिक जटिल केओटिक सिस्टमों को देखा जा सकता है।

अंत में, यह शोध एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ आपको अपनी तस्वीरों, अपने संगीत या अपने दस्तावेजों के लिए अलग सुरक्षा रणनीति की आवश्यकता नहीं होगी। आपके पास बस एक सार्वभौमिक प्रणाली है जो आपके डेटा के आकार और आकृति के अनुकूल होती है, जो मुख्य भाग को एक विशाल, कस्टम गणितीय ग्रिड के साथ शफल करती है और बचे हुए हिस्सों को एक स्टील वॉल्ट में लॉक करती है, जिससे आपके पास एक ऐसी फ़ाइल बचती है जो शुद्ध, अटूट स्टैटिक की तरह दिखती है।