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

在数字安全领域，最常用的隐藏信息工具是流密码。可以将它们想象成一种机器，能够生成一段长长的、看起来随机的数字流，然后将这些数字与秘密信息混合，将其搅碎成无法阅读的代码。几十年来，这些机器因其速度快而备受青睐，使其成为无线网络传输数据、保障互联网连接以及保护智能设备内部微型计算机的理想选择。然而，这些传统机器有一个脆弱的弱点：它们将三个主要成分——密钥、初始值和内部存储器——视为独立的个体。如果黑客设法窃取了其中任何一个成分，或者机器与接收方出现轻微不同步，整个安全系统就会崩溃，导致秘密信息暴露。

科罗拉多大学丹佛分校的研究人员提出了一种全新的设计，从根本上改变了这些成分之间的相互作用方式。他们将这项发明称为 BEC-Trap，该系统将密钥、初始值和内部存储器紧密地编织在一起，使它们无法独立存在。研究人员从数学中一种被称为“博罗米安环”（Borromean rings）的特定形状中汲取了灵感。在这种形状中，三个环扣在一起，如果移除其中任何一个环，另外两个会立即脱离，不再相互连接。通过将这一原理应用于加密，研究人员创建了一个系统的安全性取决于所有三个组件同时存在的机制。如果攻击者设法窃取或损坏了谜题中的哪怕一个部分，整个加密过程就会崩溃，使得被盗信息变得毫无用处。

为了使该系统适用于实际应用，团队还集成了一种被称为“陷门哈希”（trapdoor hash）的特殊数字锁。在标准安全模式下，一旦信息被锁定，如果不破坏封印就无法对其进行更改。然而，这个新系统允许授权用户在发送信息的同时更新密钥并重置内部存储器，而无需停止数据流或重新启动连接。这是通过一种受控机制实现的，该机制允许持有密钥的人创造出一种“碰撞”——即两种不同的数据集产生相同数字指纹的情况。这一特性使系统能够实现自我修复并持续刷新其安全性，在不中断对话的情况下适应威胁。

研究人员对这一新设计进行了广泛测试，以观察它能否应对现代通信的需求。他们在标准的计算机工作站上运行了模拟，处理的数据流涵盖了从小文件到大块信息的各种规模。结果显示，该系统速度极快，处理数据的速率约为每秒 63 Mbps，这与目前正在使用的最快加密工具相当。更重要的是，测试证实了该系统完全符合博罗米安原理的预测。当研究人员故意暴露部分密钥或扰乱内部存储器时，系统并不仅仅是变得稍弱，而是彻底崩溃。被搅乱的数据变得完全无法理解，且输出的熵（即随机性）保持接近完美，表明即使在受到攻击时，也没有泄露任何有用的信息。

其中一个最重要的发现是系统在运行过程中刷新安全性的能力。在传统系统中，更换密钥通常需要暂停通信以重置连接，这会产生一个短暂的脆弱窗口。BEC-Trap 系统能在不到 9 毫秒的时间内完成密钥和内部状态的更新，这种速度对于人类用户来说是察觉不到的，并且允许连续、不间断的数据流。研究人员还发现，即使在不断改变内部参数的情况下，系统仍能保持发送方与接收方之间近 99.8% 的高同步率。这表明该系统可以适应动态环境，例如物联网或加密通信应用，而不会面临通信两端失去联系的风险。

研究还探讨了系统如何处理不同类型的攻击，包括重放旧消息或注入伪造数据的尝试。由于该系统将密钥、初始值和存储器绑定为一个单一且不可分割的整体，任何试图篡改其中一部分的行为都会导致消息的数字指纹立即发生变化。这使得攻击者不可能在不被检测到的情况下修改消息，也因为内部状态已经向前移动，从而使得重用旧消息变得不可能。研究人员观察到，即使在模拟了 75% 的密钥被暴露的场景下，系统仍然未能泄露关于原始消息的任何有意义的信息，这证实了“全或无”的安全模型确实发挥了作用。

虽然研究结果令人振奋，但研究人员指出，这项工作目前仍处于理论和模拟阶段。研究结果是基于计算机实验而非物理硬件测试，接下来的步骤将涉及把该系统构建到实际的电子芯片中，以观察它在真实设备中的表现。团队计划探索如何将这种设计实现在嵌入式系统的专用硬件中，并开发正式的数学证明，以确保其能够抵御未来的威胁。目前，这项工作证明了创造一种不仅快速高效，而且在结构上极其稳固的流密码是可能的，它提供了一种保护数据的新方法，这种方法依赖于各组成部分之间的相互关联强度，而非各部分的孤立存在。