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

Nel mondo della sicurezza digitale, gli strumenti più comuni per nascondere i messaggi sono i cifrari a flusso. Pensateli come una macchina che genera un lungo, infinito flusso di numeri dall'aspetto casuale, che vengono poi mescolati con un messaggio segreto per trasformarlo in un codice illeggibile. Per decenni, queste macchine sono state apprezzate per la loro velocità, rendendole ideali per l'invio di dati su reti wireless, la protezione delle connessioni internet e la messa in sicurezza dei piccoli computer all'interno dei dispositivi intelligenti. Tuttavia, queste macchine tradizionali hanno una debolezza fragile: trattano i loro tre ingredienti principali — la chiave segreta, il numero iniziale e la memoria interna — come elementi separati. Se un hacker riesce a rubare anche solo uno di questi ingredienti, o se la macchina si sintonizza leggermente fuori fase con il ricevitore, l'intero sistema di sicurezza può crollare, lasciando esposto il messaggio segreto.

I ricercatori dell'Università del Colorado Denver hanno proposto un nuovo design che cambia fondamentalmente il modo in cui questi ingredienti interagiscono. Chiamano la loro invenzione BEC-Trap, un sistema che intreccia la chiave segreta, il numero iniziale e la memoria interna in modo così stretto da non poter esistere indipendentemente l'uno dall'altro. I ricercatori si sono ispirati a una specifica forma matematica nota come anelli di Borromeo. In questa forma, tre anelli sono concatenati in un modo tale che, se si rimuove un singolo anello, gli altri due cadono istantaneamente, non più connessi tra loro. Applicando questo principio alla crittografia, i ricercatori hanno creato un sistema in cui la sicurezza del messaggio dipende dalla presenza simultanea di tutti e tre i componenti. Se un attaccante riesce a rubare o corrompere anche solo un pezzo del puzzle, l'intero processo di cifratura si interrompe, rendendo inutili le informazioni rubate.

Per rendere questo sistema pratico per l'uso nel mondo reale, il team ha anche integrato un tipo speciale di serratura digitale nota come hash a botola (trapdoor hash). Nella sicurezza standard, una volta che un messaggio è bloccato, non può essere modificato senza rompere il sigillo. Questo nuovo sistema, tuttavia, consente agli utenti autorizzati di aggiornare le chiavi segrete e resettare la memoria interna mentre il messaggio viene ancora inviato, senza mai interrompere il flusso di dati o dover riavviare la connessione. Ciò è reso possibile attraverso un meccanismo controllato che permette al sistema di creare una "collisione" — una situazione in cui due diversi set di dati producono la stessa impronta digitale — solo per coloro che possiedono la chiave segreta. Questa caratteristica consente al sistema di guarire se stesso e di aggiornare la propria sicurezza continuamente, adattandosi alle minacce senza interrompere la conversazione.

I ricercatori hanno testato estensivamente questo nuovo design per vedere se potesse gestire le richieste della comunicazione moderna. Hanno eseguito simulazioni su una normale workstation per computer, elaborando flussi di dati che andavano da piccoli file a grandi blocchi di informazioni. I risultati hanno mostato che il nuovo sistema era incredibilmente veloce, elaborando i dati a una velocità di circa 63 megabit al secondo, il che è paragonabile agli strumenti di cifratura più veloci attualmente in uso. Ancora più importante, i test hanno confermato che il sistema si comportava esattamente come previsto dal principio di Borromeo. Quando i ricercatori hanno deliberatamente esposto parti della chiave segreta o hanno rimescolato la memoria interna, il sistema non è diventato solo leggermente più debole; è crollato interamente. I dati rimescolati sono diventati completamente inintelligibili e l'entropia, ovvero la casualità, dell'output è rimasta vicina alla perfezione, dimostrando che nessuna informazione utile è trapelata anche quando il sistema era sotto attacco.

Uno dei risultati più significativi è stata la capacità del sistema di aggiornare la propria sicurezza al volo. Nei sistemi tradizionali, cambiare la chiave segreta spesso richiede una pausa nella comunicazione per resettare la connessione, creando una breve finestra in cui il sistema è vulnerabile. Il sistema BEC-Trap è riuscito ad aggiornare le sue chiavi e lo stato interno in meno di nove millisecondi, una velocità così elevata da essere impercettibile per gli utenti umani e che consente un flusso di dati continuo e ininterrotto. I ricercatori hanno anche scoperto che il sistema manteneva un alto livello di sincronizzazione tra il mittente e il ricevente, con un tasso di precisione di quasi il 99,8 percento, anche mentre cambiava costantemente i suoi parametri interni. Ciò suggerisce che il sistema può adattarsi ad ambienti dinamici, come l'Internet delle Cose o le app di messaggistica sicura, senza il rischio che le due estremità perdano il contatto tra loro.

Lo studio ha anche esaminato come il sistema gestisce diversi tipi di attacchi, inclusi i tentativi di riproporre vecchi messaggi o iniettare dati falsi. Poiché il sistema lega la chiave, il numero iniziale e la memoria in un'unica unità inseparabile, qualsiasi tentativo di manomettere una parte causa l'immediata variazione dell'impronta digitale del messaggio. Ciò rende impossibile per un attaccante modificare un messaggio senza essere rilevato, e impossibile riutilizzare vecchi messaggi perché lo stato interno è già progredito. I ricercatori hanno osservato che anche quando hanno simulato uno scenario in cui il 75 percento della chiave segreta era esposto, il sistema non ha comunque rivelato alcuna informazione significativa sul messaggio originale, confermando che il modello di sicurezza "tutto o niente" funziona come previsto.

Sebbene i risultati siano promettenti, i ricercatori sottolineano che questo lavoro è attualmente un modello teorico e simulato. Le scoperte si basano su esperimenti informatici piuttosto che su test su hardware fisico, e i passi successivi consisteranno nell'integrare il sistema in veri chip elettronici per vedere come si comporta in dispositivi reali. Il team intende esplorare come questo design possa essere implementato in hardware specializzato per sistemi embedded e sviluppare prove matematiche formali per garantire la sua sicurezza contro le minacce future. Per ora, il lavoro dimostra che è possibile creare un cifrario a flusso che sia non solo veloce ed efficiente, ma anche strutturalmente robusto, offrendo un nuovo modo per proteggere i dati che si basa sulla forza delle sue parti interconnesse piuttosto che sull'isolamento dei suoi componenti.