Rede de Feistel e modo de operação CTR adaptados à criptografia de sinais em banda base

Abstract

Um dos conceitos relativos à segurança da informação é a confidencialidade. Este conceito diz sobre o quanto uma informação é restrita e somente está disponível a usuários autorizados. Algoritmos de encriptação promovem características de confidencialidade ao sistema de comunicação. Dentre diversos algoritmos disponíveis, um deles é a rede de Feistel. Neste algoritmo, uma mesma função é aplicada repetidas vezes, normalmente estruturada em número de rodadas ou ciclos. Entretanto, as redes de Feistel são um método determinístico, sendo conveniente que estas mensagens passem por algum processo adicional, que promova certa aleatoriedade ao sistema. Isso é feito por meio de modos de operação. Algoritmos de encriptação e modos de operação podem ser aplicados em diferentes camadas do modelo de referência (Open Systems for Interconnection, OSI), sendo, nas camadas de dados, amplamente utilizados em padrões comerciais e, na camada física, um assunto que ainda está sendo pesquisado. O objetivo deste trabalho é apresentar uma nova proposta de criptografia de sinais em banda base para sistemas de comunicação. Esta técnica consiste em: (i) submeter o espectro de um sinal a um algoritmo de rede de Feistel adaptada a sinais, (ii) aplicar as funções próprias, que envolvem adição de fases aleatórias, que são as chaves criptográficas, e deslocamentos de posições das amostras do espectro, (iii) disponibilizar no final da rede de Feistel um sinal de saída encriptado, (iv) adicionar às fases do sinal original, preservando suas amplitudes, as fases do sinal encriptado disponibilizado pela rede de Feistel, sendo este um dos processos que caracteriza o modo de operação. Com isso, transfere-se a encriptação promovida pela rede de Feistel à mensagem desejada. Os resultados obtidos demonstram que com a utilização de 11 rodadas na rede de Feistel, proporcionou-se à mensagem encriptada as características de difusão, confusão e segurança semântica, além de não penalizar de forma significativa a recuperação da mensagem em ambientes com ruído aditivo branco e gaussiano (AWGN). Também foi observado que esta técnica permite o reuso de chaves criptográficas entre blocos. No melhor de nosso conhecimento, esta proposta de criptografia de sinais nunca havia sido antes publicada na literatura.

One of the concepts related to information security is confidentiality. This principle states about how restrict is an information and it is only available for authorized users. Encryption algorithms promote confidentiality features to communication systems. Among several available algorithms, one of them is the Feistel cipher. On this algorithm, a specific function is applied repeatedly, usually quantified in rounds or cycles. Due to the fact that the Feistel cipher is a deterministic methodology, it is convenient that these messages undergo an additional process in order to promote certain randomness to the system. This is made by means of modes of operation. Encryption algorithms and modes of operation can be applied in different layers of the Open Systems for Interconnection (OSI) reference model. In data layers, these algorithms are widely used in commercial standards. In physical layers, they are still under investigation. The aim of this study is to present a new signal base band cryptography proposal. This technique consists in (i) submit one spectrum signal to a Feistel cipher algorithm which is adapted to signals, (ii) apply the specific functions, involving random phase addition, that are the cryptographic keys, and spectrum samples position shifts, (iii) provide, in the end of the Feistel cipher, an output encrypted signal, (iv) add to the phases of the original signal, preserving their amplitudes, the phases of the encrypted signal provided by the Feistel cipher, the latter being one of the process that characterizes the mode of operation. The encryption process provided by the Feistel cipher is, thus transferred to the original message. The results illustrate that by using 11 rounds in the Feistel cipher, the encrypted message displayed characteristics of diffusion, confusion and semantic security, besides that, it did not significantly penalize the message recovery when in additive white gaussian noise channels. It was also observed that this technique allows the cryptography keys reuse among blocks. In the best of our knowledge, this proposal of cryptography signals has never been published before.