Bu çalıma Boaziçi Üniversitesi aratırma fonu tarafından 03A205 numaralı proje kapsamında desteklenmitir Hücresel letiim Sistemleri için Yeni Bir Akım ifreleme Modeli A New Stream Cipher Model for the Cellular Communication Systems mran Ergüler 1,2 , Emin Anarım 2 1 Elektronik ve Haberleme Mühendislii Bölümü, Dou Üniversitesi, stanbul 2 Elektrik-Elektronik Mühendislii Bölümü, Boaziçi Üniversitesi, stanbul ierguler@dogus.edu.tr, anarim@boun.edu.tr Özetçe Bu çalımada, hücresel iletiim sistemlerinde hava ortamında iletilen verileri ifrelemek için genelde tercih edilen akım ifreleme sistemlerinin yeni bir modeli önerilmektedir. Bu model, Kuzey Amerikan Hücresel Sistemi’nde (North American Cellular System) kullanılan ORYX akım ifreleyicisindeki ve GSM’de kullanılan A5/1 ifreleyicisindeki güvenlik açıklarını kapatacak ve donanımsal olarak bu sistemlere benzer olacak ekilde tasarlanmıtır. Önerilen sistem sayesinde hemen hemen aynı donanım elemanları kullanılmasına ramen, A5/1 ve ORYX ifreleme mekanizmalarında etkili olan saldırılara karı yüksek direnç salanmaktadır. Abstract In this paper, a new model for the stream cipher which is mostly preferred for cellular data transmission to encrypt wireless digital data is presented. This model offers solutions to the security vulnerabilities of ORYX stream cipher used in North American Cellular System and A5/1 stream cipher used in GSM. The proposed system provides high resistance to the known effective attacks on ORYX and A5/1, although almost same hardware equipment is used. 1. Giri Günümüzde milyonlarca kullanıcı tarafından tercih edilen iletiim olan hücresel iletiim sistemlerinde, hava ortamında iletiim güvenliini salamak amacıyla genellikle akım ifreleme mekanizmaları kullanılmaktadır. Örnein en güncel hücresel iletiim sistemi olan GSM A5/1 ve A5/2 akım ifreleyicilerini, Kuzey Amerika’da faaliyet gösteren North American Cellular System ise ORYX akım ifreleyicisini iletilen verileri ifrelemek için kullanmaktadır. Ancak her iki sistemin de ifreleme mekanizmaları kripto analizciler tarafından kırılmıtır [1-5]. ORYX ilk olarak D. Wagner v.s. tarafından kripto analiz edilmitir [1]. Bir çeit böl-fethet saldırısı olan bir yöntemle 25-27 byte bilinen veri (known plaintext) ile 2 16 zaman karmaılıında ORYX ifreleme sistemini çözümlemilerdir. A5/1 ise ilk olarak J.Golic tarafından böl-fethet (divide and conquer) ve zaman-bellek ödünleimi tipi saldırılarla 2 40 ve 2 45 zaman karmaıklıı mertebelerinde kripto analiz edilmitir [2]. Daha sonra ise A. Biryukov v.s. Golic’in zaman-bellek ödünleim yöntemini biraz daha gelitirerek 150-300 Gbyte’lik bir bellekle ifreyi 2 dakikadan daha kısa bir süre içerisinde çözebileceklerini çalımalarında göstermilerdir [3]. Ayrıca P. Ekdahl’in v.s. [4]’de ve E. Biham’in v.s. [5]’de A5/1 ifreleme yordamına karı sırasıyla ilinti saldırısı ve böl-fethet saldırısı çalımaları bulunmaktadır. Yukarıdaki saldırılardan da anlaılabilecei gibi gerek ORYX gerekse A5/1 ifreleme sistemlerinin kripto güvenlii yeterli deildir. Bundan dolayı bu çalımada her iki sistemin de güvenlik açısından zayıf yönlerini kapatacak ve donanımsal olarak ORYX’in kullandıı LFSR’ların (Linear Feedback Shift Register) aynısına sahip olacak bir sistemi önermekteyiz. 2. A5/1 ve ORYX’in Kısa Tanıtımı 2.1. A5/1’in Tanıtımı GSM’de veriler her 4.6 ms de bir, 228 bitlik çerçeveler halinde iletilmektedir. Her çerçeve 114 biti A’dan B’ye, 114 biti B’den A’ya iletiim için olan 228 bitlik veri kapsar. Her çerçeve için bu 228 bitlik veri A5/1 mekanizması ile ifrelenir. ifreleme ilemi 228 bitlik orijinal veri ile A5/1 tarafından oluturulan 228 bitlik anahtar akım dizisinin bit bit XOR’lanmasıyla gerçekleir (key stream sequence). A5/1 uzunlukları 19, 22 ve 23 bit olan ve sırasıyla R1, R2 ve R3 eklinde gösterilen 3 tane LFSR’in birlemesinden olumutur. Her LFSR’in çıktısı, kendisinin son bit deeridir; bu R1,R2 ve R3 için sırasıyla 18. 21. ve 22. bitlerdir. A5/1’in 3 LFSR’ı da ilkel geri besleme çokterimlisine (primitive feedback polynomial) sahiptir ve her kayan saklaç (shift register) bu çokterimliye göre kendini günceller. R1’in kademe bitleri 13.,16.,17. ve 18. bit pozisyonlarındadır; R2’in kademe bitleri ise 20. ve 21. bitlerdir; son olarak R3’ünküler ise 7.,20.,21. ve 22. bit pozisyonlarıdır. A5/1’in her saklacı, R1, R2 ve R3, ilkel geri besleme çokterimlisi kullandıından periyotları en büyük uzunluktadır, sırasıyla 2 19 -1, 2 22 – 1 ve 2 23 -1’dir. A5/1’in çıktısı ise ekil 1. den de görülebilecei gibi her LFSR çıktısının XOR’lanmasıdır. Kayan saklaçların saatlenmesi çounluk kuralına göre belirlenir: Her saatlenmeden önce R1,R2 ve R3’ün sırasıyla C1,C2 ve C3 bitlerinin çounluu bulunur, çounluk sonucuyla aynı deere sahip olan saklaçlar bir defa saatlenir, uymayan saatlenmez. Bu kurala göre her çevrimde en az 2 en çok 3 LFSR saatlenmektedir, Çounluk kuralına göre her bir LFSR’in bir çevrim içerisinde saatlenme olasılıı 3/4 tür. Her 228 bitlik anahtar akım dizisi oluturulmadan önce, LFSR’lar 64 bitlik kullanıcının gizli anahtarı Kc ve 22 bitlik çerçeve numarası Fn ile yüklenirler. Daha sonra 100 defa çıktı üretmeksizin saatlenirler ve bunu takiben 228 bitlik çıktıyı çounluk kuralına uyarak üretirler. 0-7803-9238-8/05/$20.00 ©2005 IEEE