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

In de wereld van digitale beveiliging zijn streamcijfers de meest gebruikte hulpmiddelen voor het verbergen van berichten. Beschouw ze als een machine die een lange, eindeloze stroom van willekeurig ogende getallen genereert, die vervolgens worden gemengd met een geheim bericht om het te vervormen tot onleesbare code. Decennialang zijn deze machines geprezen om hun snelheid, waardoor ze ideaal zijn voor het verzenden van gegevens over draadloze netwerken, het beveiligen van internetverbindingen en het beschermen van de kleine computers binnen slimme apparaten. Deze traditionele machines hebben echter een kwetsbare zwakte: ze behandelen hun drie hoofdingrediënten — de geheime sleutel, het startgetal en het interne geheugen — als afzonderlijke items. Als een hacker erin slaagt slechts één van deze ingrediënten te stelen, of als de machine enigszins uit de pas loopt met de ontvanger, kan het hele beveiligingssysteem instorten, waardoor het geheime bericht bloot komt te liggen.

Onderzoekers aan de University of Colorado Denver hebben een nieuw ontwerp voorgesteld dat fundamenteel verandert hoe deze ingrediënten met elkaar interageren. Ze noemen hun uitvinding de BEC-Trap, een systeem dat de geheime sleutel, het startgetal en het interne geheugen zo nauw met elkaar verweeft dat ze niet onafhankelijk van elkaar kunnen bestaan. De onderzoekers lieten zich inspireren door een specifieke vorm in de wiskunde die bekend staat als Borromeaanse ringen. In deze vorm zijn drie lussen op een manier aan elkaar gekoppeld dat als je één enkele lus verwijdert, de andere twee direct uit elkaar vallen, niet langer met elkaar verbonden. Door dit principe toe te passen op encryptie, creëerden de onderzoekers een systeem waarbij de beveiliging van het bericht afhangt van de gelijktijdige aanwezigheid van alle drie de componenten. Als een aanvaller erin slaagt zelfs maar één deel van de puzzel te stelen of te corrumperen, stort het hele encryptieproces in, waardoor de gestolen informatie nutteloos wordt.

Om dit systeem praktisch bruikbaar te maken voor de echte wereld, hebben de onderzoekers ook een speciaal type digitaal slot geïntegreerd, een zogenaamde trapdoor hash. In standaardbeveiliging kan een bericht, zodra het is vergrendeld, niet worden gewijzigd zonder de zegel te verbreken. Dit nieuwe systeem staat echter geautoriseerde gebruikers toe om de geheime sleutels bij te werken en het interne geheugen te resetten terwijl het bericht nog wordt verzonden, zonder de datastroom ooit te stoppen of de verbinding opnieuw te hoeven starten. Dit wordt bereikt door een gecontroleerd mechanisme dat het systeem in staat stelt om een "botsing" (collision) te creëren — een situatie waarin twee verschillende sets gegevens dezelfde digitale vingerafdruk produceren — maar alleen voor degenen die de geheime sleutel bezitten. Deze functie stelt het systeem in staat om zichzelf continu te herstellen en de beveiliging te verversen, waardoor het zich aanpast aan dreigingen zonder het gesprek te onderbreken.

De onderzoekers hebben dit nieuwe ontwerp uitgebreid getest om te zien of het kan voldoen aan de eisen van moderne communicatie. Ze voerden simulaties uit op een standaard computerwerkstation, waarbij ze datastromen verwerkten variërend van kleine bestanden tot grote brokken informatie. De resultaten toonden aan dat het nieuwe systeem ongelooflijk snel was en gegevens verwerkte met een snelheid van ongeveer 63 megabit per seconde, wat vergelijkbaar is met de snelste bestaande encryptietools die momenteel in gebruik zijn. Belangrijker nog, de tests bevestigden dat het systeem zich precies gedroeg zoals het Borromeaanse principe voorspelde. Wanneer de onderzoekers bewust delen van de geheime sleutel blootstelden of het interne geheugen door elkaar haalden, werd het systeem niet alleen iets zwakker, maar stortte het volledig in. De gecodeerde data werd volledig onbegrijpelijk en de entropie, of willekeur, van de output bleef bijna perfect, wat aantoont dat er zelfs wanneer het systeem onder aanval stond, geen nuttige informatie naar buiten lekte.

Een van de meest significante bevindingen was het vermogen van het systeem om de beveiliging gaandeweg te verversen. In traditionele systemen vereist het wijzigen van de geheime sleutel vaak een pauze in de communicatie om de verbinding te resetten, wat een kort venster creëert waarin het systeem kwetsbaar is. Het BEC-Trap-systeem slaagde erin de sleutels en de interne status in minder dan negen milliseconden bij te werken, een snelheid die zo snel is dat deze onmerkbaar is voor menselijke gebruikers en een continue, ononderbroken datastroom mogelijk maakt. De onderzoekers ontdekten ook dat het systeem een hoog niveau van synchronisatie behield tussen de zender en de ontvanger, met een nauwkeurigheidspercentage van bijna 99,8 procent, zelfs terwijl het voortdurend zijn interne parameters wijzigde. Dit suggereert dat het systeem kan adapteren aan dynamische omgevingen, zoals het Internet of Things of beveiligde messaging-apps, zonder het risico dat de twee uiteinden het contact met elkaar verliezen.

De studie onderzocht ook hoe het systeem omgaat met verschillende soorten aanvallen, inclusief pogingen om oude berichten te herhalen (replay attacks) of nepgegevens te injecteren. Omdat het systeem de sleutel, het startgetal en het geheugen samenbindt in één enkele, onscheidbare eenheid, zorgt elke poging om één deel te manipuleren ervoor dat de digitale vingerafdruk van het bericht onmiddellijk verandert. Dit maakt het onmogelijk voor een aanvaller om een bericht te wijzigen zonder gedetecteerd te worden, en onmogelijk om oude berichten te hergebruiken omdat de interne status al verder is gegaan. De onderzoekers observeerden dat zelfs wanneer zij een scenario simuleerden waarin 75 procent van de geheime sleutel werd blootgesteld, het systeem nog steeds geen betekenisvolle informatie over het oorspronkelijke bericht onthulde, wat bevestigt dat het "alles-of-niets"-beveiligingsmodel naar behoren werkt.

Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, merken de onderzoekers op dat dit werk momenteel een theoretisch en gesimuleerd model is. De bevindingen zijn gebaseerd op computerexperimenten in plaats van fysieke hardwaretests, en de volgende stappen zullen het integreren van het systeem in daadwerkelijke elektronische chips om te zien hoe het presteert in real-world apparaten. Het team is van plan te onderzoeken hoe dit ontwerp kan worden geïmplementeerd in gespecialiseerde hardware voor embedded systemen en om formele wiskundige bewijzen te ontwikkelen om de beveiliging tegen toekomstige dreigingen te garanderen. Voor nu demonstreert het werk dat het mogelijk is om een streamcijfer te creëren dat niet alleen snel en efficiënt is, maar ook structureel robuust, wat een nieuwe manier biedt om gegevens te beschermen die rust op de kracht van de onderlinge verbonden delen in plaats van de isolatie van de componenten.