شيفرة التدفقA5/1

A5/1 هو شفيرة تدفق تُستخدم لتوفير خصوصية الاتصالات عبر الهواء في معيار الهاتف الخلوي GSM . إنه أحد التطبيقات العديدة لبروتوكول الأمان A5. تم الاحتفاظ بالأمر سراً في البداية، لكنه أصبح معروفاً للعامة من خلال التسريبات والهندسة العكسية . وقد تم تحديد عدد من نقاط الضعف الخطيرة في الشفرة.

يُستخدم A5/1 في أوروبا والولايات المتحدة. أما A5/2 فكان إضعافًا متعمدًا للخوارزمية من أجل بعض مناطق التصدير. ^[1] تم تطوير A5/1 في عام 1987، عندما لم يكن من المتوقع استخدام GSM خارج أوروبا، وتم تطوير A5/2 في عام 1989. وعلى الرغم من أن كليهما كان سريًا في البداية، تم تسريب التصميم العام في عام 1994، وتمت هندسة الخوارزميات عكسيُا بالكامل في عام 1999 بواسطة مارك بريسينو من هاتف GSM. في عام 2000، كان حوالي 130 مليون عميل GSM يعتمدون على A5/1 لحماية سرية اتصالاتهم الصوتية.^{[بحاجة لمصدر]}

أفاد الباحث الأمني روس أندرسون عام 1994 أن "خلافًا كبيرًا نشب بين وكالات الاستخبارات الإشارية لحلف شمال الأطلسي (الناتو) في منتصف الثمانينيات القرن الماضي حول ما إذا كان ينبغي أن تكون تشفيرات GSM قوية أم لا. قال الألمان إنه يجب أن يكون كذلك، نظرًا لحدودهم الطويلة المشتركة مع حلف وارسو ؛ لكن الدول الأخرى لم توافق على ذلك، والخوارزمية المستخدمة حاليًا هي تصميم فرنسي." ^[2]

يتم تنظيم إرسال GSM كسلاسل من الانفجارات . في قناة نموذجية وفي اتجاه واحد، يتم إرسال دفعة واحدة كل 4.615 ميلي ثانية وتحتوي على 114 بت متاحة للمعلومات. تُستخدم A5/1 لإنتاج سلسلة من شيفرة المفتاح بطول 114 بت من تدفق المفاتيح لكل انفجار ويتم إجراء عملية XOR بينها وبين 114 بت قبل التضمين. يتم تهيئة A5/1 التي تستخدم مفتاح بطول 64 بت مع رقم إطار معروف علنًا بطول 22 بت. كانت تطبيقات GSM الميدانية القديمة التي تستخدم Comp128v1 لتوليد المفاتيح، تحتوي على 10من بتات المفتاح مثبتة على الصفر، مما أدى إلى طول مفتاح فعّال يبلغ 54 بت. تم تصحيح هذا الضعف مع إدخال Comp128v3 الذي ينتج مفاتيح صحيحة بطول 64 بت. عند العمل في وضع GPRS / EDGE، تتيح التضمينات الراديوية ذات نطاق الترددي العالي إطارات أكبر بطول 348 بت، ويتم بعد ذلك استخدام A5/3 في وضع تشفير التدفق للحفاظ على السرية.

يعتمد A5/1 على مزيج من ثلاث مسجلات إزاحة ذات تغذية راجعة خطية (LFSRs) مع توقيت غير منتظم. يتم تحديد مسجلات الإزاحة الثلاثة كما يلي :

LFSR رقم	الطول في أجزاء	تعليق متعدد الحدود	تسجيل الوقت قليل	تم النقر عليه أجزاء
1	19	${\displaystyle x^{19}+x^{18}+x^{17}+x^{14}+1}$	8	13، 16، 17، 18
2	22	${\displaystyle x^{22}+x^{21}+1}$	10	20، 21
3	23	${\displaystyle x^{23}+x^{22}+x^{21}+x^{8}+1}$	10	7، 20، 21، 22

لم تُختار هَذِه الدرجات عشوائيًا: نظرًا لأن درجات المسجلات الثلاثة أولية نسبيًا، فإن فترة هذا المولد هي حاصل ضرب فترات المسجلات الثلاثة. وبالتالي فإن فترة A5/1 (قبل التكرار) هي 2^64 بت (اثنان مرفوع للقوة 64).

يَتم فهرسة البتات مع البت ذو أقل أهمية (LSB) على أنه 0.

تُدار المسجلات بطريقة التوقف/الانطلاق باستخدام قاعدة الأغلبية. لكل مسجل يوجد بت توقيت مرتبط به. في كل دورة، يتم فحص بت التوقيت لكل المسجلات الثلاثة وتحديد البت الأغلبية. يتم تدوير المسجل إذا كان بت التسجيل يتفق مع البت الأغلبية. ومن ثم، في كل خطوة يتم تسجيل سجلين أو ثلاثة على الأقل، ويتحرك كل سجل باحتمال 3/4.

في البداية، تُضبط المسجلات على الصفر. ثم على مدار 64 دورة، يتم دمج المفتاح السري K المكون من 64 بت وفقًا للمخطط التالي: في الدورة ${\displaystyle 0\leq {i}<64}$ ، يتم إضافة بت i من المفتاح إلى أقل بت مهم في كل مسجل باستخدام عملية XOR —

${\displaystyle R[0]=R[0]\oplus K[i].}$

يتم بعد ذلك تسجيل كل سجل.

وبالمثل، تتم إضافة 22 بتًا من رقم الإطار على مدار 22 دورة. ثم يتم تدوير النظام بأكمله باستخدام آلية التوقيت بالأغلبية العادية لمدة 100 دورة، مع تجاهل المخرجات. بعد الانتهاء من ذلك، تصبح الشيفرة جاهزة لإنتاج تسلسلين من 114 بت من تدفق المفاتيح الناتج، الأول 114 بت للرابط الهابط، والأخير 114 بت للرابط الصاعد.

تم نشر عدد من الهجمات على A5/1، وتمكنت وكالة الأمن القومي الأمريكية من فك تشفير رسائل A5/1 بشكل روتيني وفقًا لوثائق داخلية تم إصدارها.

تتطلب بَعض الهجمات مَرحلة مُعالجة مُسبقة مُكلفة يمكن بعدها كسر الشفرة في دقائق أو ثوانٍ. فِي الأصل، كانت نِقاط الضعف عِبارة عن هجمات سلبية تستخدم افتراض النص العادي المعروف . في عام 2003، تم تحديد نقاط ضعف أكثر خطورة يمكن استغلالها في سيناريو النص المشفر فقط ، أو من قبل مهاجم نشط. في عام 2006، أظهر إيلاد باركان وإيلي بيهام وناثان كيلر هجمات ضد A5/1، و A5/3 ، أو حتى GPRS تسمح للمهاجمين بالتنصت على مكالمات هواتف GSM وفك تشفيرها إما في الوقت الحقيقي، أو في أي وقت لاحق.

وفقًا للبروفيسور جان أريلد أودستاد، في عملية المعيارية التي بدأت في عام 1982، تم اقتراح A5/1 بطول مفتاح 128 بت. في ذلك الوقت، كان من المتوقع أن يكون 128 بت آمنًا لمدة 15 عامًا على الأقل. يُعتقد الآن أن 128 بت سيكون آمنًا حتى ظهور الحوسبة الكمومية . يقول أودستاد، وبيتر فان دير أريند، وتوماس هاوج إن البريطانيين أصروا على تشفير أضعف، حيث قال هاوغ إنه من قبل المندوب البريطاني بالتنصت بسهولة أكبر. اقترح البريطانيون طول مفتاح يبلغ 48 بت، في حين أراد الألمان الغربيون تشفيرًا أقوى للحماية من التجسس الألماني الشرقي، لذا أصبح الحل الوسط هو طول مفتاح يبلغ 54 بت. ^[3]

• أ5/2
• كاسومي ، المعروف أيضًا باسم A5/3
• خوارزمية تشفير الرسائل الخلوية

1. ↑ Quirke، Jeremy (1 مايو 2004). "Security in the GSM system" (PDF). AusMobile. مؤرشف من الأصل (PDF) في 12 يوليو 2004. اطلع عليه بتاريخ 8 سبتمبر 2008.
2. ↑ Ross Anderson (17 يونيو 1994). "A5 (Was: HACKING DIGITAL PHONES)". مؤرشف من الأصل في 2025-01-26. {{استشهاد بمجموعة أخبار}}: تجاهل المحلل الوسيط |ناشر= لأنه غير معروف (مساعدة)
3. ↑ "Sources: We were pressured to weaken the mobile security in the 80's". 9 يناير 2014. مؤرشف من الأصل في 2024-12-21.
4. ↑ Ross Anderson (17 يونيو 1994). "A5 (Was: HACKING DIGITAL PHONES)". مؤرشف من الأصل في 2025-01-26. {{استشهاد بمجموعة أخبار}}: تجاهل المحلل الوسيط |ناشر= لأنه غير معروف (مساعدة)Ross Anderson (17 June 1994). "A5 (Was: HACKING DIGITAL PHONES)". Newsgroup: uk.telecom. Usenet: 2ts9a0$95r@lyra.csx.cam.ac.uk.
5. ↑ Biryukov، Alex؛ Adi Shamir؛ David Wagner (2001). "Real Time Cryptanalysis of A5/1 on a PC". Fast Software Encryption—FSE 2000. Lecture Notes in Computer Science. ج. 1978. ص. 1–18. DOI:10.1007/3-540-44706-7_1. ISBN:978-3-540-41728-6.
6. ↑ Golić، Jovan Dj. (1997). "Cryptanalysis of Alleged A5 Stream Cipher" (PDF). Eurocrypt 1997. Lecture Notes in Computer Science. ج. 1233. ص. 239–55. DOI:10.1007/3-540-69053-0_17. ISBN:978-3-540-62975-7. مؤرشف من الأصل (PDF) في 15 يوليو 2010. اطلع عليه بتاريخ 13 يناير 2016.
7. ↑ Biham، Eli؛ Orr Dunkelman (2000). "Cryptanalysis of the A5/1 GSM Stream Cipher". Progress in Cryptology —INDOCRYPT 2000. Lecture Notes in Computer Science. ج. 1977. ص. 43–51. DOI:10.1007/3-540-44495-5_5. ISBN:978-3-540-41452-0.
8. ↑ Ekdahl، Patrik؛ Thomas Johansson (2003). "Another attack on A5/1" (PDF). IEEE Transactions on Information Theory. ج. 49 ع. 1: 284–89. DOI:10.1109/TIT.2002.806129. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2005-05-25.
9. ↑ Barkan، Elad؛ Eli Biham (2005). "Conditional Estimators: An Effective Attack on A5/1". Selected Areas in Cryptography 2005: 1–19.
10. ↑ Barkan، Elad؛ Eli Biham؛ Nathan Keller (2003). "Instant Ciphertext-Only Cryptanalysis of GSM Encrypted Communication". Advances in Cryptology - CRYPTO 2003. Lecture Notes in Computer Science. ج. 2729. ص. 600–16. DOI:10.1007/978-3-540-45146-4_35. ISBN:978-3-540-40674-7.
11. ↑ Barkan، Elad؛ Eli Biham؛ Nathan Keller. "Instant Ciphertext-Only Cryptanalysis of GSM Encrypted Communication by Barkan and Biham of Technion (Full Version)" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2020-01-25. اطلع عليه بتاريخ 2019-09-15.
12. ↑ Gueneysu، Tim؛ Timo Kasper؛ Martin Novotný؛ Christof Paar؛ Andy Rupp (2008). "Cryptanalysis with COPACOBANA" (PDF). IEEE Transactions on Computers. ج. 57 ع. 11: 1498–1513. DOI:10.1109/TC.2008.80. S2CID:8754598. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2024-04-30.
13. ↑ Nohl، Karsten؛ Chris Paget (27 ديسمبر 2009). "GSM: SRSLY?". 26th Chaos Communication Congress (26C3). مؤرشف من الأصل في 2010-01-06. اطلع عليه بتاريخ 2009-12-30.
14. ↑ "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-07-26. اطلع عليه بتاريخ 2009-12-29.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link) Subverting the security base of GSM. Karsten Nohl and Sascha Krißler
15. ↑ Nohl، Karsten؛ Chris Paget (27 ديسمبر 2009). "GSM: SRSLY?". 26th Chaos Communication Congress (26C3). مؤرشف من الأصل في 2010-01-06. اطلع عليه بتاريخ 2009-12-30.Nohl, Karsten; Chris Paget (27 December 2009). GSM: SRSLY?. 26th Chaos Communication Congress (26C3). Archived from the original on 6 January 2010. Retrieved 30 December 2009.
16. ↑ "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-07-26. اطلع عليه بتاريخ 2009-12-29.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)"Archived copy" (PDF). Archived from the original نسخة محفوظة 26 يوليو 2011 على موقع واي باك مشين. (PDF) on 26 July 2011. Retrieved 29 December 2009.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) Subverting the security base of GSM. Karsten Nohl and Sascha Krißler
17. ↑ O'Brien، Kevin (28 ديسمبر 2009). "Cellphone Encryption Code Is Divulged". New York Times. مؤرشف من الأصل في 2011-04-29. اطلع عليه بتاريخ 2009-12-29.
18. ↑ McMillan، Robert. "Hackers Show It's Easy to Snoop on a GSM Call". IDG News Service. مؤرشف من الأصل في 2012-01-20. اطلع عليه بتاريخ 2009-12-29.
19. ↑ Frank A. Stevenson (1 مايو 2010). "Cracks beginning to show in A5/1". مؤرشف من الأصل في 2012-03-06.
20. ↑ Timberg، Craig؛ Soltani، Ashkan (13 ديسمبر 2013). "By cracking cellphone code, NSA has ability to decode private conversations". واشنطن بوست. مؤرشف من الأصل في 2023-03-06. اطلع عليه بتاريخ 2016-09-28.
21. ↑ "A51-en". يناير 2020.

• Rose، Greg (10 سبتمبر 2003). "A precis of the new attacks on GSM encryption" (PDF). QUALCOMM Australia. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-09-27. اطلع عليه بتاريخ 2004-10-17.
• Maximov، Alexander؛ Thomas Johansson؛ Steve Babbage (2004). "An Improved Correlation Attack on A5/1". Selected Areas in Cryptography 2004: 1–18.

• Briceno، Marc؛ Ian Goldberg؛ David Wagner (23 أكتوبر 1999). "A pedagogical implementation of the GSM A5/1 and A5/2 "voice privacy" encryption algorithms". مؤرشف من الأصل في 2018-10-08. اطلع عليه بتاريخ 2017-01-23.
• "Huge GSM flaw allows hackers to listen in on voice calls". 25 أغسطس 2009. مؤرشف من الأصل في 2009-10-14.
• Horesh، Hadar (3 سبتمبر 2003). "Technion team cracks GSM cellular phone encryption" (PDF). هآرتس. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2016-03-03. اطلع عليه بتاريخ 2019-09-15.
• Barkan، Elad؛ Eli Biham؛ Nathan Keller (يوليو 2006). "Instant Ciphertext-Only Cryptanalysis of GSM Encrypted Communication (Technical Report CS-2006-07)". مؤرشف من الأصل في 2019-12-27. اطلع عليه بتاريخ 2019-09-15.
• "Nathan Keller's Homepage". مؤرشف من الأصل في 4 June 2008.
• "Animated SVG showing A5/1 stream cypher". مؤرشف من الأصل في 26 مارس 2012.