A Novel Memory-Efficient MitM Attack on Ascon-Hash

डिजिटल दुनिया में, सुरक्षा अक्सर मजबूती और दक्षता के बीच एक नाजुक संतुलन पर टिकी होती है। उन अरबों छोटे, बैटरी से चलने वाले उपकरणों के लिए जो इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) का निर्माण करते हैं—जैसे कारखानों में सेंसर, स्मार्ट मीटर और मेडिकल मॉनिटर—कंप्यूटिंग शक्ति कम होती है, और मेमोरी उससे भी अधिक दुर्लभ होती है। इन उपकरणों को ऐसे क्रिप्टोग्राफिक टूल्स की आवश्यकता होती है जो डेटा को सुरक्षित रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हों, लेकिन इतने हल्के हों कि वे बैटरी को खत्म किए बिना या एक छोटे चिप को भरे बिना चल सकें। असकॉन (Ascon) इस चुनौती के लिए एक अग्रणी समाधान है, जो एन्क्रिप्शन और हैशिंग विधियों का एक परिवार है जिसे विशेष रूप से इन सीमित संसाधनों वाले वातावरण के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि असकॉन सुरक्षित रहे, शोधकर्ता लगातार इसे परिष्कृत हमलों के विरुद्ध परीक्षण करते रहते हैं, इसके कोड को तोड़ने का सबसे छोटा रास्ता खोजने की कोशिश करते हैं। इस शस्त्रागार में सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक "मीट-इन-द-मिडल" (meet-in-the-middle) हमला है, एक ऐसी रणनीति जहाँ एक हमलावर अंतिम परिणाम से पीछे की ओर और शुरुआती बिंदु से आगे की ओर काम करता है, इस उम्मीद में कि वे एक मिलान के साथ बीच में मिल सकें। हालाँकि, इस रणनीति के लिए पारंपरिक रूप से लाखों मध्यवर्ती चरणों को संग्रहीत करने के लिए एक विशाल मात्रा में मेमोरी की आवश्यकता होती थी, एक ऐसी आवश्यकता जिसने इस हमले को उन उपकरणों के लिए अव्यवहारिक बना दिया था जिन्हें बचाने के लिए असकॉन बनाया गया है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस हमले को निष्पादित करने का एक नया तरीका विकसित किया है जो आवश्यक मेमोरी को नाटकीय रूप से कम कर देता है, जिससे यह परीक्षण हल्के सिस्टमों के लिए बहुत अधिक यथार्थवादी हो जाता है। असकॉन-हैश (Ascon-Hash) फंक्शन पर केंद्रित एक अध्ययन में, लेखकों ने प्रदर्शित किया कि वे सिस्टम के एक संक्षिप्त संस्करण पर बहुत कम स्टोरेज स्पेस का उपयोग करके इस हमले को कर सकते हैं, और ऐसा करते हुए उन्होंने गणना की गति से कोई समझौता नहीं किया। समस्या को तार्किक बाधाओं (logical constraints) के एक जटिल पहेली के रूप में मानकर, उन्होंने अनावश्यक डेटा को स्टोर करने की आवश्यकता से पहले ही उसे फ़िल्टर करने का एक तरीका खोज लिया। उनके कार्य से पता चलता है कि तीन-राउंड वाले हैश के लिए, मेमोरी की जटिलता को 2^24 से घटाकर 2^14 तक कम किया जा सकता है। चार-राउंड वाले संस्करण के लिए, यह कमी और भी नाटकीय है, जिसमें आवश्यकता को 2^34 की जटिलता से घटाकर 2^12 तक लाया गया है। यह उपलब्धि न केवल हमले की लागत को कम करती है; बल्कि यह एक अधिक सटीक चित्र प्रदान करती है कि सीमित संसाधनों वाले विरोधी के सामने असकॉन वास्तव में कितना सुरक्षित है।

शोधकर्ताओं ने यह स्वीकार करते हुए शुरुआत की कि स्वचालित खोज उपकरणों का उपयोग करके असकॉन को तोड़ने के पिछले प्रयासों ने मेमोरी उपयोग की एक दीवार से सामना किया था। जबकि कंप्यूटर एन्क्रिप्शन के सही रास्ते को खोजने में तेज़ हो गए थे, फिर भी प्रक्रिया के लिए हमलावर को मेमोरी में मध्यवर्ती परिणामों का एक विशाल पुस्तकालय रखने की आवश्यकता होती थी, ठीक वैसे ही जैसे किसी भूलभुलैया को हल करने के लिए हर मोड़ को एक अलग कागज पर लिखने की कोशिश करना। यदि भूलभुलैया पर्याप्त बड़ी है, तो आप बाहर निकलने का रास्ता खोजने से पहले ही कागज खत्म कर देंगे। टीम ने महसूस किया कि इस समस्या को हल करने की कुंजी केवल रास्ते को तेज़ी से खोजना नहीं था, बल्कि जो वे लिख रहे थे उसके बारे में अधिक स्मार्ट होना था। उन्होंने 'सैटिस्फिएबिलिटी सॉल्विंग' (satisfiability solving) नामक एक विधि का उपयोग किया, जो अनिवार्य रूप से कंप्यूटर से एक ऐसा सेट खोजने का तरीका है जो एक जटिल तार्किक कथन को सत्य बनाता है। इसने उन्हें एन्क्रिप्शन प्रक्रिया के उन विशिष्ट बिंदुओं को मैप करने की अनुमति दी जहाँ फॉरवर्ड और बैकवर्ड गणनाएँ संभावित रूप से मिल सकती थीं।

एक बार जब उन्होंने इन संभावित मिलन बिंदुओं को मैप कर लिया, तो शोधकर्ताओं ने डेटा को साफ करने के लिए 'एल्जेब्रिक फिल्टर' की एक श्रृंखला लागू की। उन्होंने देखा कि एन्क्रिप्शन को नियंत्रित करने वाली कई बाधाओं को सरल, रैखिक संबंधों (linear relationships) और अधिक जटिल, गैर-रैखिक (nonlinear) संबंधों में अलग किया जा सकता है। रैखिक भाग सरल थे; उन्हें रेडंडेंट (अनावश्यक) जानकारी को हटाने के लिए मानक गणितीय तकनीकों का उपयोग करके सरल बनाया जा सकता था, जिससे प्रभावी रूप से उन संभावनाओं की सूची छोटी हो गई जिसे कंप्यूटर को ट्रैक करना था। गैर-रैखिक भाग अधिक कठिन थे, लेकिन टीम ने उन्हें एक त्रिकोणीय आकार में पुनर्गठित करने का एक तरीका विकसित किया, जिससे वे अन्य चरों (variables) के आधार पर कुछ चरों को हल कर सके। इस प्रक्रिया ने उन विशिष्ट चरों को स्पष्ट रूप से गणना करने और संग्रहीत करने की आवश्यकता को समाप्त कर दिया, जिससे मेमोरी फुटप्रिंट और कम हो गया।

सबसे महत्वपूर्ण नवाचार इस बात में आया कि उन्होंने शेष जटिल बाधाओं को कैसे संभाला जो आसानी से सरल नहीं की जा सकती थीं। प्रत्येक संभावित परिणाम को संग्रहीत करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने इन शेष बाधाओं का उपयोग एक "रेसिड्यूअल इंडेक्स" (residual index) बनाने के लिए किया, जो एक प्रकार का डिजिटल टैग या लेबल है। जैसे ही उन्होंने संभावित फॉरवर्ड पथों की सूची बनाई, उन्होंने प्रत्येक को उसके विशिष्ट गुणों के आधार पर एक टैग सौंपा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने महसूस किया कि बैकवर्ड पथ केवल तभी एक फॉरवर्ड पथ के साथ मेल खा सकता है जब उनके टैग संगत (compatible) हों। इसका मतलब था कि कंप्यूटर को मेमोरी में हर एक फॉरवर्ड पथ रखने की आवश्यकता नहीं थी; उसे केवल उन्हीं को रखना था जिनमें एक ऐसा टैग था जिसे बैकवर्ड पथ संभावित रूप से प्राप्त कर सके। परीक्षण किए गए विशिष्ट कॉन्फ़िगरेशन में, यह फ़िल्टरिंग इतनी प्रभावी थी कि इसने आवश्यक फॉरवर्ड पथों की पूरी सूची को डेटा के एक एकल, छोटे बकेट (bucket) में बदल दिया।

इस नए दृष्टिकोण के परिणाम चौंकाने वाले थे। जब इसे असकॉन-हैश के तीन-राउंड संस्करण पर लागू किया गया, तो इस पद्धति ने पिछले हमलों के समान गति बनाए रखी लेकिन मेमोरी की आवश्यकता को 2^24 से घटाकर 2^14 कर दिया। चार-राउंड संस्करण के लिए, कमी और भी अधिक गहरी थी, जिसने पिछले सर्वोत्तम तरीके की तुलना में मेमोरी की आवश्यकता को 2^34 की जटिलता से घटाकर 2^12 कर दिया। शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि इस आक्रामक फ़िल्टरिंग ने गलती से वैध समाधानों को नहीं हटाया है; उन्होंने जांचा कि शेष डेटा अभी भी एन्क्रिप्शन सिस्टम के मूल नियमों का पालन करता है। अध्ययन पुष्टि करता है कि एन्क्रिप्शन की संरचना का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करके और इन तार्किक फिल्टरों को लागू करके, यह संभव है कि पहले आवश्यक समझे जाने वाले संसाधनों के एक अंश के साथ गहरे सुरक्षा परीक्षण किए जा सकें। यह कार्य सुझाव देता है कि संसाधन-सीमित वातावरण में असकॉन के सुरक्षा मार्जिन का मूल्यांकन अधिक सटीकता के साथ किया जा रहा है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि हमारी जुड़ी हुई दुनिया की रक्षा करने वाले क्रिप्टोग्राफिक मानक उतने ही मजबूत हैं जितने वे दिखाई देते हैं।