CryptographyOne Zeit Pads Ein One Time Pad (OTP) ist die einzige potenziell unzerbrechliche Verschlüsselung Methode. Normaler Text, der mit einem OTP verschlüsselt wurde, kann nicht ohne den verschlüsselten Schlüssel abgerufen werden. Allerdings gibt es mehrere wichtige Bedingungen, die vom Benutzer von einer einmaligen Pad-Chiffre erfüllt werden müssen, oder die Chiffre kann kompromittiert werden. Der Schlüssel muss zufällig sein und durch einen nicht-deterministischen, nicht wiederholbaren Prozess erzeugt werden. Jeder Schlüssel, der von einem Algorithmus erzeugt wird, funktioniert nicht. Die Sicherheit des OTP beruht auf der Zufälligkeit des Schlüssels. Leider kann die Zufälligkeit eines Schlüssels nicht bewiesen werden. Der Schlüssel darf niemals wiederverwendet werden. Verwendung der gleichen Taste, um verschiedene Nachrichten zu verschlüsseln, egal wie trivial klein, kompromittiert die Chiffre. Der Schlüssel darf nicht in die Hände des Feindes fallen. Dies mag offensichtlich erscheinen, aber es weist auf die Schwäche des Systems hin, dass man in der Lage sein muss, große Datenmengen an den Leser des Pad zu übertragen. In der Regel werden ein Zeitpaket-Chiffriertasten per diplomatischen Beutel versendet. Ein typisches Einmal-Pad-System funktioniert wie folgt: Generieren Sie einen langen frischen neuen zufälligen Schlüssel. XOR den Klartext mit dem Schlüssel zum Erstellen des Chiffretextes. Um den Chiffretext zu entschlüsseln, XOR mit dem Originalschlüssel. Das dargestellte System ist also eine symmetrische und reziproke Chiffre. Andere Funktionen (z. B. Addition modulo n) könnten verwendet werden, um den Schlüssel und den Klartext zu kombinieren, um den Chiffretext zu ergeben, obwohl das resultierende System keine reziproke Chiffre sein kann. Wenn der Schlüssel zufällig ist und nie wieder verwendet wird, ist ein OTP nachweislich unzerbrechlich. Jeder Chiffretext kann mit der entsprechenden Taste zu einer beliebigen Nachricht derselben Länge entschlüsselt werden. So kann die eigentliche ursprüngliche Nachricht nicht aus dem Chiffretext allein bestimmt werden, da alle möglichen Ebenen gleichermaßen wahrscheinlich sind. Dies ist das einzige Kryptosystem, für das ein solcher Beweis bekannt ist. Das OTP ist extrem einfach zu implementieren. 1 Es gibt jedoch Einschränkungen. Wiederholen Sie den Schlüssel und das System wird extrem schwach kann es mit Bleistift und Papier gebrochen werden. Versuchen Sie, ein One-Time-Pad mit einem Algorithmus zu erstellen, um die Schlüssel zu generieren und Sie haben keine Einmal-Pad, Sie haben eine Stream-Chiffre. Es gibt einige sehr sichere Stream-Ziffern, aber Leute, die einen von einem Einmal-Pad nicht kennen, sind wahrscheinlich nicht in der Lage, einen zu entwerfen. Es ist leider ziemlich häufig, schwache Strom-Ziffern zu sehen, die als unzerbrechliche Einmal-Pads beworben werden. Auch wenn Sie ein gut implementiertes OTP-System haben und Ihr Schlüssel sicher gehalten wird, betrachten Sie einen Angreifer, der den Klartext eines Teils einer Nachricht kennt. Er kann dann diesen Teil des Schlüssels wiederherstellen und ihn benutzen, um eine eigene Nachricht zu verschlüsseln. Wenn er das anstelle von dir liefern kann, bist du in Schwierigkeiten. Zuerst wird ein OTP für den Klartext ausgewählt: Wikipedia hat Informationen über Padding (Kryptographie) Das Beispiel zeigt an, dass der Klartext nicht immer die gleiche Länge wie das Schlüsselmaterial ist. Dies kann durch Methoden wie gefolgt werden: Anfügen eines Terminators an den Klartext vor der Verschlüsselung und Beenden des Cyphertextes mit zufälligen Bits. Wobei die Länge und ein Präambel-Terminator dem Klartext vorangestellt werden und mit zufälligen Bits enden. Solche Signalisierungssysteme (und ggf. das Klartext-Codierungsverfahren) müssen so gestaltet sein, dass diese Terminatoren nicht mit Klartext verwechselt werden. Für dieses Beispiel wird daher angenommen, dass der Klartext bereits Endpunktlängen-Signalisierung enthält. Für zunehmend lange plaintextkey-Paarlängen nähert sich die Kreuzkorrelation näher an Null. Verschlüsselungsbearbeitung Für zunehmend lange Plaintextcyphertext-Paarlängen kommt die Kreuzkorrelation auch näher an Null. Entschlüsselung Bearbeiten Ein schlauer Leser könnte beobachten, dass der Entschlüsseler die Länge des Klartextes in der Praxis kennen muss. Dies geschieht durch Entschlüsseln des cyphertext als Bitstrom (d. h. xor jedes Bit, wie es gelesen wird) und Beobachten des Stroms, bis der End-of-Plaintext-Regelsatz durch die dem Klartext vorgelegten Signale erfüllt ist. Einmalige Pads von Hand machen Bearbeiten Ein volles englischsprachiges Scrabble-Fliesenset. Siehe Scrabble Briefverteilungen für andere Sprachen. Einmalige Pads wurden ursprünglich ohne den Einsatz eines Computers gemacht und das ist heute noch möglich. Der Prozess kann langweilig sein, aber wenn es richtig gemacht wird und das Pad nur einmal verwendet wird, ist das Ergebnis unzerbrechlich. Es gibt zwei Komponenten, die benötigt werden, um eine einmalige Auflage zu machen: eine Möglichkeit, Buchstaben zufällig zu erzeugen und eine Möglichkeit, zwei Kopien des Ergebnisses aufzuzeichnen. Der traditionelle Weg, um das letztere zu benutzen, war, eine w: Schreibmaschine und w: Kohlepapier zu verwenden. Das Carbonpapier und das w: Schreibmaschinenband würden dann zerstört, da es oft möglich ist, die Pad-Daten von ihnen wiederherzustellen. Da Schreibmaschinen knapp geworden sind, ist es auch akzeptabel, die Briefe ordentlich in Gruppen von fünf auf zwei Teilen zu schreiben: kohlenstofffreie Kopierpapierblätter, die im Bürobedarf gekauft werden können. Jedes Blatt kann eine Seriennummer oder eine andere eindeutige Markierung erhalten. Historisch gesehen wurde das Schlüsselmaterial für manuelle Einmal-Pads als Pad von vielen kleinen Seiten von Papier verteilt. Jede kleine Seite hatte typischerweise eine Reihe von 5-stelligen Gruppen, jede Ziffer zufällig ausgewählt von 0 bis 9. 2 3 4 5 6 7 8 9 Ein einmaliges Pad-Set besteht aus zwei identischen Pads. Einige Schriftsteller beziehen sich auf die beiden als zwei identische Originale, um zu betonen, dass keine Kopien aus dem Schlüsselmaterial gemacht werden sollten. 10 Traditionell Zwei-Wege-Kommunikation erfordert zwei Pad-Sets (insgesamt 4 Pads): Eine Person bekommt die IN-Pad von einem Satz und die OUT-Pad des anderen Satzes. 11 Jede kleine Seite enthält typischerweise 50 Gruppen von 5 zufälligen Dezimalstellen 0. 9, genug für eine normale Nachricht und eine eindeutige Seitenzahl von fünf Ziffern. 11 12 Eine Umwandlungstabelle wird verwendet, um die Buchstaben der Klartextnachricht in Zahlen umzuwandeln und die Nummern der decodierten Nachricht zurück zu den Buchstaben. 5 Vielleicht ist die einfachste Umwandlungstabelle A01, B01. Z26, aber historisch irgendwie eine Art Straddling Schachbrett wurde in der Regel verwendet, wie CT-37c, 13 CT-37w, CT-46, 14 etc. 15 Das Schlüsselmaterial für ein einmaliges Pad wurde manchmal als 50 Gruppen von 5 zufällig geschrieben Briefe AZ 12 16 Das Schlüsselmaterial für kryptographische Maschinen, einschließlich Einmal-Pad-Systemen, wurde oft in einem Binärcode auf einem langen, schmalen Papierband gestanzt - ein einmaliges Tape OTT. 12 17 10 Buchstaben Fliesen Bearbeiten Der einfachste Weg, um zufällige Buchstaben im römischen Alphabet zu generieren, besteht darin, 26 identische Objekte mit einem anderen Buchstaben des Alphabets zu erhalten, das auf jedem Objekt markiert ist. Fliesen aus dem Spiel w: Scrabble kann verwendet werden, solange nur einer von jedem Buchstaben ausgewählt ist. Kits für Namenscharme Armbänder sind eine andere Möglichkeit. Man kann auch die Briefe auf 26 sonst identischen Münzen mit einem Markierungsstift schreiben. Die Objekte werden in eine Schachtel oder eine Schale gelegt und kräftig geschüttelt, dann wird ein Gegenstand zurückgezogen und sein Buchstabe wird aufgezeichnet. Das Objekt wird an die Box zurückgegeben und der Vorgang wird wiederholt. 10-seitige Würfel Bearbeiten Ein weiterer Weg, um eine Zeit Pads zu machen ist, w: Zweiseitige Würfel verwenden. Man kann zufällige Zahlengruppen erzeugen, indem man gleichzeitig mehrere Zehn-Seiten-Würfel rollt und eine Gruppe von Dezimalstellen aufnimmt - eine Dezimalstelle von jedem Würfel - für jede Rolle. 11 Diese Methode erzeugt zufällige Codegruppen viel schneller als die Verwendung von Scrabble-Fliesen. Die Klartextnachricht wird mit A 01, B 02 und so weiter in numerische Werte umgewandelt. Die resultierenden numerischen Werte werden durch Hinzufügen von Ziffern aus den Einmal-Pads unter Verwendung von nichttragenden Addition verschlüsselt. Man kann dann entweder die numerischen Gruppen so übermitteln, wie sie sind, oder verwenden Sie die Straddling Schachbrett, um die Zahlen wieder in Briefe umzuwandeln und dieses Ergebnis zu übertragen. 6-seitige Würfel Bearbeiten Ein weiterer Weg, um eine Zeit Pads ist es, 6-seitige Würfel verwenden. 18 Es ist möglich, zufällige Dezimalstellen zu erzeugen (um eine traditionelle dezimale Einmal-Pad zu machen) mit 6-seitigen Würfeln. 11 Wenn die Nachricht in zweistellige Basis-6-Nummern umgewandelt wird, können gewöhnliche sechsseitige Würfel verwendet werden, um die zufälligen Ziffern in einer Einmal-Pad zu erzeugen. Ziffern in der Pad würde modulo-6 zu den Ziffern in der Klartext-Nachricht hinzugefügt werden (wieder ohne Carry) und subtrahierten Modulo 6 aus dem Chiffretext zu entschlüsseln. Zum Beispiel: Tabelle für die Umwandlung von Nachrichten in base-6Need eine sichere Methode, um Dateien zu verschlüsseln Wollen Sie es schnell, einfach und unzerbrechlich sein, solange Sie sich mit ihm kümmern Dies ist das Werkzeug für Sie Für Informationen über die Technik und die Werkzeuge, Ich schlage vor, du gehst zu unzerbrechlicher Verschlüsselung mit Einmal-Pads (Unzerbrechlich). Die Werkzeuge, die ich hier habe, sind nach den Entwürfen modelliert, aber meine Arbeit in DOS und nicht verlangen. Wenn Sie haben, schlage ich vor, nicht mit meinen Tools und mit Unbreakables statt. Mindestens verwenden Unbreakables Padgen-Programm - Im ziemlich sicher, es erzeugt bessere zufällige Zahlen als meine tut. Diese Tools funktionieren auch auf Linux, für Leute wie mich. Erzeugen eines Einmal-Pads Genau wie auf der Unzerbrechlichen Seite verwenden Sie die folgende Syntax: padgen padfilename padfilesize Anstatt den Zufallsgenerator zu verwenden und stattdessen Ihr eigenes Programm zu kompilieren, können Sie eine Pad-Datei aus Eingabedateien erzeugen. Gute Kandidaten für zufällige Daten aus Eingabedateien sind komprimierte Archive, Video - und Audiodateien, große. jpg-Dateien, ausführbare Programme und andere binäre Datenquellen. Allerdings können Sie Textdateien verwenden, wenn Sie wollen - aber es ist nicht vorgeschlagen. Um ein zufälliges Pad aus Eingabedateien zu generieren, verwenden Sie das Padfile-Programm: padfile padfilename inputfile1 inputfile2 inputfile3. Sie müssen nicht mehr als eine Eingabedatei angeben, aber Sie dürfen (nicht die und Symbole um Ihre Dateinamen) haben. Padfile erzeugt eine Pad-Datei, die nur etwas kleiner als die Hälfte der Größe der Eingabedateien ist. Planen Sie entsprechend Es ist gut, eine Pad-Datei größer zu haben als die Datei, die du verschlüsseln willst, aber nicht 100 für diese Tools. Verschlüsseln und Entschlüsseln Dieses Tool ähnelt dem auf der Unzerbrechlichen Seite, aber ich habe beschlossen, ein paar Parameter dafür zu machen. Padgen-Optionen inputfile padfile outputfile Optionen: - s Byte. Starten Sie die Padfile mit dem angegebenen Byte - l. Loop die padfile, wenn aus Daten - b. Zeigen Sie das Byte an, das zuletzt im padfile - r verwendet wurde. Startet bei einem zufälligen Byte in der padfile - x num. XOR alles mit der Nummer (0 bis 255) - i. Increment - x bei der Verwendung - l Viele dieser Optionen sind eine BAD IDEA, aber ich habe sie eingeschlossen, weil sie lustig waren, um mit .. - s Byte zu spielen. Dies wird mit dem Padfile am angegebenen Byte beginnen. Das ist gut, wenn du eine große padfile an jemanden schickst, dann willst du winzige verschlüsselte Dateien hin und her senden. Sie können einen Abschnitt der Padfile für jede Datei verwenden, die Sie senden. - l Loop die padfile, wenn Sie es verwenden. Normalerweise wird das Padxor-Programm nicht mehr ausgeführt, wenn Sie keine Bytes ausführen, um eine Datei zu codieren. Looping lässt Sie eine 1 Meg-Datei verwenden, um eine 10-Meg-Datei zu verschlüsseln, aber das ist schlecht für die Sicherheit. Wenn Sie ultra-paranoid sind, verwenden Sie das nicht. Wenn du nur versuchst, eine große Akte aus neugierigen Augen (Eltern, Mitarbeitern, Kindern) zu verstecken, dann kannst du deinen Schlüssel auf irgendeine Art von entfernbaren Medien stecken und die Dateien mit einem kleineren Schlüssel verschlüsseln und einfach nur durchschleifen. - b Druckt heraus, was das letzte Byte in der Verschlüsselung verwendet wurde. Für die total paranoide, würden Sie dann - s verwenden, um am letzten Byte zu starten 1. - r Start bei einem zufälligen Byte in einem padfile. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt "Funky Ideas". - x num Verschlüsseln Sie das Ergebnis noch einmal mit einem anderen statischen xor. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt "Funky Ideas". - i Ändern Sie den Wert - x jedes Mal, wenn Sie durch die Schlüsseldatei schlafen. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt "Funky Ideas". Dieses Beispiel ist entworfen, um genau wie das auf Unzerbrechlich zu sein, aber für meine Werkzeuge. Padgen mypad. bin 200000 padxor otp. cs mypad. bin otp. cs. enc padxor otp. cs. enc mypad. bin otp. cs. dec Oder wenn du einen großen, vorgewonnenen Schlüssel benutzen wolltest, beginnst du mitten in Die Datei, und bekomme das Byte, dass es zuletzt in der codierten Datei verwendet, verwenden Sie etwas wie: padxor - s 12047 - b otp. cs mypad. bin otp. cs. enc padxor - s 12047 - b otp. cs mypad. bin otp. cs. enc Sichere Löschung der Einmal-Pad Das Wisch-Tool schreibt nur zufällige Daten über und über und über die Datei. Dies kann nicht funktionieren, je nach Dateisystem - einige Dateisysteme sind geplant, so dass die alten Daten nicht tatsächlich auf dem Datenträger überschrieben werden. Doch für DOS würde das gut funktionieren. Alternative Pad-Generierung Da padgen die rand () - Funktion verwendet und das sich als eine gute Quelle für zufällige Daten erwiesen hat, solltest du das Programm bearbeiten und einen anderen Zufallszahlengenerator verwenden. Wenn du benutzt, würde ich das Padgen-Programm von Unbreakables vorstellen. Wenn Sie nicht, gibt es viele andere Möglichkeiten, um eine zufällige einmalige Pad, wie das Programm, das auf der One Time Pad Website (siehe die Links Abschnitt) zu bekommen. Wenn Sie Linux verwenden, können Sie einfach dd verwenden, um eine 1-Meg-Datei zu erstellen (1024 Bytes pro Lesen 1024 liest): dd ifdevrandom von mypad. bin bs1024 count1024 Es gibt noch andere Tools und Webseiten, die Ihnen statistisch zufällige Daten geben. Um sicherzustellen, dass Sie sich mit Ihrer Schlüsseldatei sicher fühlen, können Sie das padtest Programm verwenden, um zu sehen, wie zufällig die Daten sind. Die Eingeweide dieses Programms sind eigentlich aus dem One Time Pad Programm (siehe Links unten). Es enthält nur die statistische Prüfung, die das Programm otp. c enthält - nicht der Rest des Zeugs. Denken Sie daran, dass kein Programm jemals überprüfen kann, dass Daten zufällig sind - es kann nur bestimmte Dinge testen, die auf Nicht-Zufälligkeit hinweisen. Auch die Tests in padtest sind nicht die besten - sie sind nur schnelle kleine Tests. Ein besserer Tester ist ent, verfügbar im Bereich Links. Wenn Sie sich nicht entscheiden, die Zufallszahlengenerierungsfunktion von rand () in padgen zu ändern, könnten Sie anfällig sein. Wenn eine Person spezielle Werkzeuge verwendet, die entworfen sind, um Ihren Schlüssel zu finden, sind Sie in Schwierigkeiten. Wenn der Cracker die ersten vier Bytes des Schlüssels aus dem Datei-Header herausfinden kann, kann der srand-Samen mit Findpad gefunden werden. Dann, wenn Sie die Länge der Schlüsseldatei kennen, wird Padseed ein Pad mit Ihrem bestimmten Samen machen. Nicht gut für die Sicherheit, aber gut für einfache Sicherheit, die Sie sich erholen können. Padfile ist eine viel bessere lösung als padgen Heck, erzeugen Hunderte von Pad-Dateien und nur padxor sie zusammen, um eine gute Pad-Datei zu erstellen. Wenn Sie xor zwei zufällige Datenquellen, das Ergebnis werden zufällige Daten, die so gut wie die beste Quelle ist. Also, wenn Sie viele verschiedene Programme erzeugen Pad-Dateien für Sie und Sie xor sie zusammen, die Stärke der resultierenden Datei wird so stark sein, Bit für Bit, als die beste Quelle von Daten. Funky Ideen Das ist keine gute Sicherheit. Diese Dinge wurden implementiert, um die Abfrage der Daten durch einen zufälligen Besucher unmöglich zu machen, aber die NSA würde lachen, was wir hier tun. Es gibt eine Situation, wo wir eine Zip-Datei benötigen, die mit einem Schlüssel codiert ist. Der Schlüssel kann nicht geändert werden und wird kleiner als die Zip-Datei sein, also müssen wir - l verwenden, um die Schlüsseldatei zu durchlaufen. Dies funktioniert ganz gut, um es aus der zufälligen Ansicht zu halten und würde jedem Hacker Probleme aufgrund der Größe der Schlüsseldatei geben und dass wir versuchen, eine Zip-Datei zu dekodieren. Allerdings, wenn der Schlüssel ausgelaufen war, wäre es trivial, das Zip-Archiv zu entschlüsseln, also durch die Verwendung von - r, ist es ein bisschen härter gemacht. Die Zip-Datei ist nun mit dem Schlüssel verschlüsselt, aber in einer von einer Million Startpunkte. Das würde dem Hacker wohl ein bisschen geben. Der Nachteil (und der Teil, der die Wiederherstellung der Zip-Datei mit dem Schlüssel möglich macht) ist, dass Zip-Dateien einen 4-Byte-Header am Anfang der Datei haben. Der Hacker konnte einfach den 4-Byte-Header mit jedem der Millionen Startplätze entschlüsseln, die mit dem richtigen Header markieren und diese manuell testen. So ist die Anzahl der möglichen Startplätze in der Taste bis zu 10 in wenigen Sekunden der Decodierung begrenzt. Also, jetzt mit der Verwendung der - x und vielleicht - i Optionen, und durch die Verwendung einer Zufallszahl für - x (nicht in Padxor codiert), könnte jeder Punkt in der Datei jetzt ein möglicher Ausgangspunkt sein. Der Hacker müsste die - x generieren und versuchen, dass die nächsten drei Bytes. Schließlich würde die Person 30-50 potenzielle Ausgangspunkte mit - x Schlüsseln bekommen und wird in der Lage sein, ihren Weg in die Datei wieder zu hacken. Weil Sicherheit durch Dunkelheit keine wirkliche Sicherheit ist, haben wir beschlossen, dass die Optionen - x, - i und - r nicht für unsere Zwecke nützlich sind. So wurde die Entwicklung mit ihnen gestoppt, aber ich verließ sie im Programm nur für den Fall, dass du sie benutzen wolltest. Padxor. zip enthält den Quellcode, der auf mehreren Plattformen kompiliert wird und DOS-ausführbare Dateien enthält. Ein einmaliges Pad Einmaliges Pad (OTP), auch Vernam-Chiffer oder die perfekte Chiffre genannt, ist ein Krypto-Algorithmus, bei dem Klartext kombiniert wird Eine zufällige Taste. Es ist die einzige bestehende mathematisch unzerbrechliche Verschlüsselung. Gebraucht von Special Operations Teams und Resistance-Gruppen während des Zweiten Weltkrieges, beliebt bei Intelligenz-Agenturen und ihre Spione während des Kalten Krieges und darüber hinaus, den Schutz diplomatischen und militärischen Nachrichtenverkehr auf der ganzen Welt für viele Jahrzehnte, die einmalige Pad gewann einen Ruf als eine einfache noch Solides Verschlüsselungssystem mit absoluter Sicherheit, das von heutigen modernen Krypto-Algorithmen unübertroffen ist. Was auch immer der technologische Fortschritt in die Zukunft kommen kann, ist eine einmalige Pad-Verschlüsselung und bleibt das einzige wirklich unzerbrechliche System, das echtes langfristiges Nachrichtengeheimnis bietet. Wir können nur über Einmal-Pad reden, wenn einige wichtige Regeln befolgt werden. Wenn diese Regeln korrekt angewendet werden, kann das einmalige Pad unzerbrechlich sein (siehe Claude Shannons quotCommunication Theory of Secrecy Systemsquot). Selbst unendliche Rechenkraft und unendliche Zeit können keine einmalige Pad-Verschlüsselung brechen, nur weil es mathematisch unmöglich ist. Wenn aber nur eine dieser Regeln vernachlässigt wird, ist die Chiffre nicht mehr unzerbrechlich. Der Schlüssel ist mindestens so lang wie die Nachricht oder Daten, die verschlüsselt werden müssen. Der Schlüssel ist wirklich zufällig (wird nicht durch eine einfache Computerfunktion oder solche erzeugt) Schlüssel und Klartext werden modulo 10 (Ziffern), Modulo 26 (Buchstaben) oder Modulo 2 (Binär) berechnet. Jede Taste wird nur einmal verwendet und sowohl Sender als auch Empfänger Muss nach dem Gebrauch ihren Schlüssel zerstören. Es sollten nur zwei Kopien des Schlüssels vorhanden sein: eine für den Sender und eine für den Empfänger (einige Ausnahmen bestehen für mehrere Empfänger) Wichtiger Hinweis: Einmalige Pads oder einmalige Verschlüsselung darf nicht mit Einmalschlüsseln verwechselt werden ( OTK) oder einmalige Passwörter (manchmal auch als OTP bezeichnet). Solche Einmalschlüssel, die in der Größe begrenzt sind, sind nur für eine einzelne Verschlüsselungssitzung durch einen Krypto-Algorithmus unter der Kontrolle dieses Schlüssels gültig. Kleine Einmalschlüssel sind keineswegs unzerbrechlich, denn die Sicherheit der Verschlüsselung hängt vom Krypto-Algorithmus ab, für den sie verwendet werden. Ursprünge von Einmal-Pad Die Geschichte von Einmal-Pad beginnt im Jahr 1882, als der kalifornische Bankier Frank Miller seinen Zehnten-Code kompiliert, um Privatsphäre und Privatsphäre in der Übertragung von Telegrammen zu versichern. Solche Codebücher wurden häufig verwendet, hauptsächlich um Telegraphenkosten zu reduzieren, indem sie Wörter und Phrasen in kurze Nummerncodes oder Briefcodes komprimierten. Diese Codebücher lieferten wenig oder gar keine Sicherheit. Allerdings lieferte Millers-Codebuch auch Anweisungen für eine superencipherment (eine zweite Verschlüsselungsschicht über dem Code) durch eine einzigartige Methode: Er fügte so genannte Verschiebungszahlen (der Schlüssel) zum Plaincode hinzu (Wörter, umgewandelt in eine Zahl) und definierte die Verschiebungsnummern als Liste von unregelmäßigen Zahlen, die nach dem Gebrauch gelöscht und niemals wieder verwendet werden sollten. Sein Codebuch enthielt 14.000 Wörter, Phrasen und Leerzeichen (zum Customizing) und wenn man bei der Verschlüsselung der Summe von Plaincode und Schlüssel 14.000 überschritten hatte, musste man 14.000 von der Summe subtrahieren. Wenn während der Entschlüsselung der Chiffretext-Wert kleiner als der Schlüssel war, musste man dem Chiffretext 14.000 hinzufügen und den Schlüssel subtrahieren (dies ist im Grunde ein Modulo 14.000 Arithmetik). Wenn die Verschiebungszahlen zufällig gewählt und nur einmal verwendet wurden, lieferte die modulare Arithmetik eine unzerbrechliche Verschlüsselung. Miller hatte das erste einmalige Pad erfunden. Leider wurde Millers perfekte Chiffre nie allgemein bekannt, ging in der Geschichte der Kryptographie verloren und erhielt nie die verdienten Credits. So früh wurde es erfunden, sobald es in Vergessenheit geraten ist, nur im Archiv von Forscher Steven Bellovin im Jahr 2011 wiederentdeckt werden. Dann, im Jahr 1917, entwickelte ATampT-Forscher Gilbert Vernam ein System zur Verschlüsselung teletype TTY-Kommunikation. Obwohl Vernams Erfindung mathematisch ähnelt Millers Idee, er entwarf ein elektromechanisches System, ganz anders zu Millers Pen-and-Paper-Algorithmus. Deshalb scheint es unwahrscheinlich, dass Vernam Millers Idee entlehnt hat. Vernam mischte ein Fünf-Bit-Baudot-codiertes gestanztes Papierband, das die Nachricht enthielt, mit einem zweiten gestanzten Papierband, der Schlüssel, der zufällige Fünf-Bit-Werte enthielt. Um die gestanzten Bänder zu mischen, wurde ein Modulo 2-Addition (später als Boolescher XOR oder Exklusiv-ODER bezeichnet) mit Relais durchgeführt, und das Tastenband lief synchron auf dem Sende - und Empfangs-TELEX-Rechner. Es war das erste automatisierte Instant-On-line-Verschlüsselungssystem. Vernam erkannte, dass die Verschlüsselung mit kurzen Schlüsselbändern (grundsätzlich eine poly-alphabetische Chiffre) nicht genügend Sicherheit bieten würde. Anfänglich benutzte Vernam eine Mischung aus zwei Schlüsselbandschleifen, mit relativ kurzer Länge, wodurch ein sehr langer zufälliger Schlüssel erzeugt wurde. Kapitän Joseph Mauborgne (später Chef des U. S. Signal Corps) zeigte, dass auch das Doppel-Key-Tape-System der Kryptoanalyse nicht widerstehen konnte, wenn große Mengen an Nachrichtenverkehr verschlüsselt wurden. Mauborgne kam zu dem Schluss, dass nur, wenn das Key-Band unvorhersehbar ist, solange die Nachricht und nur einmal verwendet wird, wäre die Nachricht sicher. Darüber hinaus erwies sich die Verschlüsselung als unzerbrechlich. Einmalige Verschlüsselung wurde wiedergeboren. NSA namens Vernams 1919 Einmal-Tape (OTT) Patent ist eines der wichtigsten in der Geschichte der Kryptographie (Melvin Klein, NSA). ATampT vermarktete das Vernam-System in den 1920er Jahren für kommerzielle, sichere Kommunikation, allerdings mit wenig Erfolg. Die Produktion, der Vertrieb und der Verbrauch von enormen Mengen an Einmalbändern beschränkten den Einsatz auf Feststationen (Zentralen oder Kommunikationszentren). Es war nicht bis zum Zweiten Weltkrieg, dass das US-Signal-Korps das OTT-System für seine hochrangige Teleprinter-Kommunikation weit verbreitet hat. Allerdings haben drei deutsche Kryptologen sofort die Vorteile einer einmaligen Verschlüsselung erkannt. In den frühen 1920er Jahren haben die deutschen Kryptologen Werner Kunze, Rudolf Schauffler und Erich Langlotz den französischen diplomatischen Verkehr kryptiert. Diese Bleistift-und-Papier-Zifferncodes verwendet Codebücher, um Wörter und Phrasen in Ziffern umzuwandeln. Die Franzosen fügten einen kurzen repetitiven numerischen Schlüssel (von modulo 10) hinzu, um die Codebuchwerte zu verschlüsseln. Die deutschen Kryptologen hatten kein Problem, diese kurzen Schlüssel zu brechen, aber erkannten, dass das Hinzufügen einer eindeutigen zufälligen Schlüsselziffer zu jeder einzelnen Codegruppen-Ziffer die Nachricht unzerbrechlich machen würde. Sie entwarfen ein System mit Papierblättern mit zufälligen Ziffern, jede Ziffer nur einmal verwendet werden, und die Blätter, von denen es nur zwei Kopien (eine für Absender und eine für Empfänger), sollte nach Gebrauch zerstört werden. In der Tat, sie neu erfunden Frank Millers 1882 System. Bis 1923 wurde das System im Auswärtigen Amt eingeführt, um seine diplomatischen Botschaften zu schützen (siehe Bild rechts). Zum ersten Mal in der Geschichte konnten Diplomaten eine wirklich unzerbrechliche Verschlüsselung zur Verfügung haben. Leider haben sie die tödliche Entscheidung getroffen, die zufälligen Ziffern für ihre Schlüssel mit einer einfachen mechanischen Maschine zu erzeugen. Auf diese Weise verschlechterten sie ein vollkommen sicheres Einmal-Pad-System zu einer schwachen pseudo-zufälligen Stromchiffre. Im Jahr 2016 entdeckte Forscher Steven Bellovin ein 1947 U. S. Army Security Agency (ASA) Dokument über die Kryptoanalyse der deutschen diplomatischen Einmal-Pad-Nachrichten, mit dem Codenamen GEE Verkehr. Die Analyse der Nachrichten zeigte Muster, was zeigt, dass die additiven Schlüssel nicht wirklich zufällig waren. ASA schließlich die ursprünglichen Sequenzen der Schlüsselstellen abgerufen und rekonstruierte die Maschine, um die Ziffern zu erzeugen. Dies ermöglichte es ihnen, den diplomatischen Verkehr zu entschlüsseln. Es ist wichtig zu verstehen, dass dies nicht ein Beispiel für das Brechen Einmal-Pad (Einmal-Pad ist unzerbrechlich), sondern ein historisch bedeutsames Lehrbuch Beispiel für schlechte Umsetzung, in casu, mit Tasten, die nicht wirklich zufällig sind. Viele Variationen auf diesem Bleistift-und-Papier-System wurden entwickelt. Der Name Einmal-Pad (OTP) bezieht sich auf kleine Notizblöcke mit zufälligen Ziffern oder Buchstaben, in der Regel in Gruppen von fünf gedruckt. Für jede neue Nachricht wird ein neues Blatt abgerissen. Sie werden oft als kleine sehr Broschüren oder auf Mikrofilm für verdeckte Kommunikation gedruckt. Im Jahr 1943 wurden einmalige Pads die wichtigste Chiffre des Special Operations Executive (SOE), um unsichere Gedicht-basierte Transpositions-Ziffern und Buch-Ziffern zu ersetzen. Das System wurde während und nach dem Zweiten Weltkrieg von vielen Geheimdiensten, Sabotage - und Spionageeinheiten weitgehend genutzt. Die unzerbrechliche Verschlüsselung schützt die Arbeiter und ihre Kontakte gegen die Entschlüsselung ihrer Kommunikation und die Offenlegung ihrer Identitäten. Ein solches Sicherheitsniveau kann bei Langzeitbetrieb nicht mit anderen Verschlüsselungssystemen gewährleistet werden, da der Gegner genügend Zeit hat, die Nachrichten erfolgreich zu entschlüsseln. Die Sowjets stützten sich während und nach dem Zweiten Weltkrieg für ihre Streitkräfte und Geheimdienste schwer auf OTPs und OTTs und machten viel von ihrer lebenswichtigen Kommunikation praktisch undurchdringlich. Ein System, das die Sowjets für Briefe von und zu ihren Botschaften benutzten, war, nur die sensiblen Wörter, Namen oder Phrasen zu entfernen und sie mit dem Ziffern 1Not zu ersetzen. Als nächstes wurden der sensible Text und die entsprechende Nummerierung mit einem einmaligen Pad verschlüsselt und dieser Chiffretext begleitete den Buchstaben. Durch die Verschlüsselung nur der sensiblen Teile konnten sie die Menge an Chiffretext, Arbeit und Zeit, um lange Buchstaben zu verarbeiten, stark reduzieren. Eine bedeutende Umstellung der sowjetischen Kommunikation auf einmalige Pads im Jahr 1948 verkrüppelte NSAs SIGINT Bemühungen seit vielen Jahren, ein Ereignis NSA namens Black Friday (Kap. 3, S. 19). Klicken Sie auf die Bilder, um sie zu vergrößern Auf der rechten Seite finden Sie verschiedene Versionen von Einmal-Pads. Der Plastikbeutel mit einmaligen Tafelblättern und der Tisch, um Text in Ziffern umzuwandeln, wurde von der ostdeutschen fremden Geheimdienste HVA verwendet. Der kanadische Geheimdienst ergriff eine Miniatur-Einmal-Pad-Broschüre, einen Mikrodot-Leser und ein spezielles Objektiv, das in einem Spielzeug-LKW, der in Kanada von dem jungen Sohn eines ausländischen Geheimdienstes, der in das Land kam, um Spionage durchzuführen, in Kanada gebracht wurde. Der deutsche Einmal-Pad-Ordner, der für die offizielle Kommunikation zwischen Saigon und Berlin verwendet wird, besteht aus einem versiegelten Ordner mit einhundert einmaligen Pad-Arbeitsblättern mit den Nummern 6500 bis 6599. Jedes Blatt enthält Zufallszahlen und genügend Platz, um die Nachricht aufzuschreiben Führen Sie die Berechnungen durch. Das letzte Bild ist Teil eines Einmal-Pad, das von Aleksandr Dmitrievich Ogorodnik, einem sowjetischen Außenminister-Angestellten, der Spionage für die CIA begangen hat (zum Vergrößern). Mehr auf der Webseite von Andrei Sinelnikov (auf Russisch) (Übersetzung). Der frühzeitige Einsatz von Einmal-Pads wird in offiziellen Dokumenten (aus offensichtlichen Sicherheitsgründen) kaum erwähnt. Trotzdem stieß ich auf Dokumente von den India Office Records in der britischen Bibliothek. Sie zeigen, wie die Bahrain Petroleum Company (BAPCO), eine Tochtergesellschaft von American Standard Oil of California, die im Persischen Golf betrieben wurde, 1943 die Erlaubnis erhielt, einmalige Pads zu verwenden, um mit ihren Büros in New York zu kommunizieren. Die Pads wurden ihnen von der US-Marine-Abteilung zugeteilt und von der britischen Chiffre Security Officer von PAIFORCE (Persien und Irak-Streit, eine britische und Commonwealth militärische Bildung im Nahen Osten von 1942 bis 1943) vetted. Sie zeigen den offiziellen Gebrauch von einmaligen Briefkissen von den politischen Bewohnern der britischen kaiserlichen Zivilverwaltung, der britischen Armee, dem Kriegsministerium in London und der US-Marine, zumindest schon 1943 und überraschend sogar sie Mit kommerziellen Firmen. Siehe auch mein Blog-Beitrag BAPCOs Verwendung von Einmal-Pads während WW2. Papier Einmalige Pads Die Verwendung von Bleistift-und-Papier-Einmal-Pads ist aufgrund der praktischen und logistischen Probleme und der geringen Nachrichtenmenge, die sie verarbeiten kann, begrenzt. Einmalige Pads wurden weit verbreitet von ausländischen Dienst Kommunikatoren bis in die 1980er Jahre, oft in Kombination mit Code-Bücher verwendet. Diese Codebücher enthielten alle Arten von Wörtern oder ganze Phrasen, die durch einen drei oder vier Zifferncode dargestellt wurden. Für spezielle Namen oder Ausdrücke, die nicht im Codebuch aufgeführt sind, wurden Codes enthalten, die einen Buchstaben darstellen, der die Schreibweise erlaubt hat. Es gab ein Buch zu codieren, sortiert nach Alphabet und Kategorie, und ein Buch zu dekodieren, sortiert nach Zahlen. Diese Bücher waren für einen längeren Zeitraum gültig und waren nicht nur die Nachricht zu verschlüsseln - was wäre eine schlechte Verschlüsselungsmethode für sich selbst -, sondern vor allem, um ihre Länge für die Übertragung über kommerzielle Kabel oder Fernschreiben zu reduzieren. Sobald die Nachricht in Zahlen umgewandelt wurde, verschlüsselte der Kommunikator diese Zahlen mit dem Einmal-Pad. Normalerweise gab es einen Satz von zwei verschiedenen Pads, eine für eingehende und eine für ausgehende Nachrichten. Obwohl ein einmaliges Pad normalerweise nur zwei Kopien eines Schlüssels hat, eines für Absender und eines für den Empfänger, verwenden einige Systeme mehr als zwei Kopien, um mehrere Empfänger zu adressieren. Die Pads waren wie Notenblöcke mit zufälligen Zahlen auf jeder kleinen Seite, aber mit den Kanten versiegelt. Man konnte nur das nächste Pad lesen, indem man das vorherige Pad abreißte. Jedes Pad wurde nur einmal benutzt und sofort zerstört. Dieses System ermöglichte die absolute sichere Kommunikation. Eine exzellente Beschreibung der kanadischen ausländischen Service-Einmal-Pads finden Sie auf der Website von Jerry Procs. Intelligenzagenturen verwenden einmalige Pads, um mit ihren Agenten auf dem Gebiet zu kommunizieren. Die perfekte und langfristige Sicherheit schützt die Identität von Beauftragten, deren Vermögen und Betrieb im Ausland. Mit Einmal-Pad, Spione müssen nicht tragen Krypto-Systeme oder verwenden unsichere Computer-Software. Sie können eine große Anzahl von Einmal-Pad-Tasten in sehr kleinen Broschüren, auf Mikrofilm oder sogar auf Kleidung gedruckt zu tragen. Diese sind leicht zu verbergen und zu zerstören. Eine Möglichkeit, einmalige Pad verschlüsselte Nachrichten an Agenten im Feld zu senden, ist über Nummernstationen. Dazu wird der Nachrichtentext vor der Verschlüsselung in Ziffern umgewandelt. Ein gutes Beispiel ist die TAPIR-Tabelle. Verwendet von der Stasi, der ehemaligen Ostdeutschen Geheimdienste. Mit der TAPIR-Tabelle wird der Klartext vor der Verschlüsselung mit Einmal-Pad in Figuren um eine Tabelle umgewandelt, ähnlich dem Straddling-Schachbrett. Die häufigsten Buchstaben werden in einen einstelligen Wert umgewandelt, und die anderen Buchstaben, häufig verwendete Bigramme, Figuren und Zeichen werden in zweistelligen Werten umgewandelt. Als nächstes werden die Ziffern durch Subtrahieren des Schlüssels aus den Klartextnummern verschlüsselt. Die TAPIR-Tabelle unterdrückt Spitzen in der Ziffernfrequenzverteilung und die unregelmäßigen ein - und zweistelligen Werte erzeugen eine Fraktionierung. WR 80 ist ein Wagenrücklauf. Bu 81 (Buchstaben) und Zi 82 (Ziffern) dienen zum Umschalten zwischen Buchstaben (gelb) und Figuren (grün). ZwR 83 ist ein Raum. Code 84 wird als Präfix für dreistellige oder vierstellige Codes verwendet und ersetzt lange Wörter oder Phrasen, die aus einem Codebuch erhalten werden. Solche Codebücher können eine ungerade Code-Nummerierungssequenz haben, die sorgfältig ausgewählt wurde, um Fehler in den Codenummern zu erkennen, wie in diesem Beispielcodebuch gezeigt. More text-to-digit conversion methods at the Straddling Checkerboards page. Documents, seized by the East-German intelligence Stasi, show detailed one-time pad procedures as used by CIA agents who operated in the former DDR. See also the Guide to Secure Communications with the One-time Pad Cipher (pdf) for detailed information about the use of manual one-time pads. Tapir conversion table SAS und Chiffrierdienst Below, on the left, a one-time pad booklet with Vigenere table from a Western agent, seized by the East-German MfS (Ministerium fr Staatssicherheit or Stasi). The second image is a one-time pad sheet (preserved in a 35 mm slide frame) from an East-German agent, found by the West-German BfV (Bundesamt fr Verfassungsschutz, the federal domestic intelligence). The right-most image is a one-time pad of a West agent, found by the MfS (also preserved in a 35 mm slide frame). The pad itself is only about 15 mm or 0.6 inch wide (thus even smaller than depicted) and virtually impossible to read with the naked eye I even had difficulties to photograph it clearly. Such miniature one-time pads were used by illegal agents, operating in foreign countries, and were hidden inside innocent looking household items like cigarette lighters, fake batteries or ashtrays. You can click the images to enlarge them. However, to read the small pad you will need to click and zoom in once more in your browser after enlarging. Letters-only one-time pad booklet with reciprocal table All images Dirk Rijmenants, taken from the Detlev Freisleben collection. One-time pad based Crypto Machines Until the 1980s, one-time-tapes were widely used to secure Telex communications. The Telex machines used Vernams original one-time-tape (OTT) principle. The system was simple but solid. It required two identical reels of punched paper tape with truly random five-bit values, the so-called one-time tapes. These were distributed beforehand to both sender and receiver. Usually, the message was prepared (punched) in plain onto paper tape. Next, the message was transmitted on a Telex machine with the help of a tape reader, and one copy of the secret one-time tape ran synchronously with the message tape on a second tape reader. Before exiting the machine, the five-bit signals of both tape readers were mixed by performing an Exclusive OR (XOR) function, thus scrambling the output. On the other end of the line, the scrambled signal entered the receiving machine and was mixed, again by XOR, with the second copy of the secret one-time tape. Finally, the resulting readable five-bit signal was printed or perforated on the receiving machine. A unique advantage of the punched paper tape keys was that copying them quickly was virtually impossible. The long tapes (which were sealed in plastic before use) were on a reel and printed with serial numbers and other markings on the side. To unwind the tape, copy it and rewind it again with a perfectly aligned print was very unlikely and such one-time tapes were therefore more secure than other keys sheets that were copied quickly by taking a photo or writing them over by hand. A famous example of one-time pads security is the WashingtonMoscow hotline with the ETCRRM II. a standard commercial one-time tape mixer for Telex. Although simple and cheap, it provided absolute security and unbreakable communications between Washington and the Kremlin, without disclosing any secret crypto technology. Some other cipher machines that used the principle of one-time pad are the American TELEKRYPTON. SIGSALY (noise as one-time pad), B-2 PYTHON and SIGTOT, the British BID-590 NOREEN and 5-UCO. the Canadian ROCKEX. the Dutch ECOLEX series. the Swiss Hagelin CD-57 RT, CX-52 RT and T-55 with a superencipherment option, the German Siemens T-37-ICA and M-190. the East German T-304 LEGUAN. the Czech SD1. the Russian M-100 SMARAGD and M-105 N AGAT and the Polish T-352T-353 DUDEK. There were also many teletype or ciphering device configurations in combination with a tape reader, for one-time tape encryption or superencipherement. The image below explains one-time tape encryption for Telex (TTY Murray). Teletype signal one-time tape encryption One-time tape Teletype Hotline Below are three images of the famous Washington-Moscow hotline, encrypted with one-time tapes. The Hotline became operational in 1963 and was a full duplex teleprinter (Telex) circuit. Although the Hotline always was shown as a red telephone in movies and popular culture, the option of a speech link was turned down immediately as it was believed that spontaneous verbal communications could lead to miscommunications, misperceptions, incorrect translation or unwise spontaneous remarks, which are serious disadvantages in times of crisis. Nevertheless, the red phone myth lived a long life. The real hot line was a direct cable link, routed from Washington over London, Copenhagen, Stockholm and Helsinki to Moscow. It was a double link with commercial teleprinters, one link with a Teletype Corp Model 28 ASR teleprinter with English characters and the other link with East German T-63 teleprinters with Cyrillic character. The links were encrypted with one-time tapes by means of four ETCRRMs (Electronic Teleprinter Cryptographic Regenerative Repeater Mixer). The one-time tape encryption provided unbreakable encryption, absolute security and privacy. Although a highly secure system, the unclassified standard teleprinters and ETCRRMs were sold by commercial firms and therefore did not disclose any secret crypto technology to the opponent. The ETCRRM Image NSA Images Detlev Freisleben Archive (click to enlarge) A Practical Example with Numbers As a little exercise we will decipher a recording of an actual numbers station (see important note below). You can open or download (right-click and Save Target As. ) the sound file below. The broadcast starts with a repeated call sign melody and the receivers call sign quot39715quot, followed by six tones and the actual message. All message groups are spoken twice to ensure correct reception. Write down the message groups once (skip the call sign). Once you have the complete message, write the given one-time pad key underneath it. Add message and key together, digit by digit, from left to right, without carry (e. g. 6 9 5 and not 15). Finally, convert the digits back into text with the help of the quotAT-ONE-SIRquot straddling checkerboard as shown in the previous section. Make sure to separate one-digit and two-digit characters correctly. This little exercise shows exactly how secret agents can receive messages in an absolutely secure manner, with only one-time pads, a small short-wave receiver and pencil and paper. The one-time pad key to decipher this message: Important Note . Although we use a recording from an actual numbers station (Lincolnshire Poacher, E3 Voice), the one-time pad key is fictitious and reverse-calculated (key plaintext - ciphertext) so that a readable but fictitious message is obtained when using this key. In reality, we dont know which key was used, whether we must add or subtract and there is no way to decipher the original message. In fact, since a one-time pad key is truly random, one can calculate any plaintext from a given ciphertext, as long as you use the right wrong key. Thats exactly why one-time pad is unbreakable. Secret Splitting There is a special way to use one-time pad where the key is not to be destroyed. When information should be available only when two people agree to reveal that information, we can use secret splitting. The secret information is encrypted with a single one-time pad whereupon the original plaintext is destroyed. One user receives the encrypted message and the other user the key. In fact, it doesnt matter who gets which, since both pieces of information can be seen as equal, encrypted parts of the original information. The split parts are both called keys. Both these keys are useless without each other. This is called secret splitting. One could encrypt for example the combination to a safe and give the split ciphertext to two different individuals. Only when they both agree upon opening the safe, will it be possible to decipher the combination to the safe. You could even split information into three or more pieces by using two or more keys. In this little example Charlie splits his secret safe combination 21 46 03 88. A random key is subtracted digit by digit, without carry, from the combination numbers. Alice and Bob both receive one piece of the information from Charlie. Its mathematically impossible for both Alice and Bob to retrieve the combination numbers unless they share their keys. This is done by simply adding the keys (without carry). Of course, we could also use secure splitting on text to encrypt passwords and such. Just convert the text into numbers (e. g. A01, B02 and so on through Z26) or use a straddling checkerboard. To split the secret into more parts, just add a one-time key for each of the new persons. For three persons you must subtract two keys (without carry) from the plaintext to obtain the ciphertext (e. g. 2 - 4 - 9 9 Because 2 - 4 12 - 4 8 and 8 - 9 18 - 9 9). Instead of keeping your secret password in an envelop, you could split it and give the shares to different persons, of which at least one is trusted. One person could never act on his own and approval of a second person is always required. When granddad, old and sick, splits the secret combination from the safe that contains his money and gives each of his children one part, they can only get their hands on his money if they all agree (not that this will make him live longer). However, since this system is unbreakable, all information is lost if one of the shares goes missing. Theres no way back if a share is lost or destroyed by accident It might be useful to have one extra copy of your share somewhere on a secure location. More about Secret Splitting on this page . About Modular Arithmetic Modular arithmetic has interesting properties that play a vital role in cryptography and it is also essential to the security of one-time pad encryption. The result of an encryption process could reveal information about the key or the plaintext. Such information might either point to possible solutions or enable the codebreaker to discard some wrong assumptions. The codebreaker will use this information as a lever to break open the encrypted message. By using modular arithmetic on the result of a calculation we can obscure the original values that were used to calculate that result. In mathematics, modulo x is the remainder after the division of a positive number by x. Some examples: 16 modulo 12 4 because 16 divided by 12 is 1 and this leaves a remainder of 4. Also, 16 modulo 10 is 6 because 16 divided by 10 is 1 and thus leaves a remainder of 6. Fortunately, theres a far easier way to understand and work with modular arithmetic. Modular arithmetic works similarly to counting hours, but on a decimal clock. If the hand of our clock is at 7 and we add 4 by advancing clockwise, we pass the 0 and arrive at 1. Likewise, when the clock shows 2 and we subtract 4, advancing anticlockwise, we arrive at 8. Modular arithmetic is very valuable to cryptography because the result value reveals absolutely no information about the two values that were added or subtracted. If the result of a modulo 10 addition is 4, we have no idea whether this is the result of 0 4, 1 3, 2 2, 3 1, 4 0, 5 9, 6 8, 7 7, 8 6 or 9 5. The value 4 is the result of an equation with two unknowns, which is impossible to solve. The modulus should have the same value as the number of different elements, with 0 designated to the first element: Mod 10 for digits as they can have 10 values (0 - 9) Mod 26 for letters as they can have 26 values (A - Z) with A 0 through Z 25 Mod 2 for bits as they can have two values (0 and 1) Mod 256 for bytes as they can have 256 values (0 - 255) Modulo 10 is very easy to perform by adding without carry and subtracting without borrowing, which basically means discarding all but the most-right digit of the result. It could not be easier for one-time pad encryption with digits. Performing modulo calculations on letters is a bit more complex and requires conversion into numerical values. If we combine the letter X (23) with key Z (25) modulo 26, the result will be 22 (W) because (23 25) mod 26 22. Thats way more elaborate and slower than decimal modulo 10. Fortunately, we can use the Vigenere Square or a circular Vigenere cipher disk to perform modulo 26 easily without any calculations. Note that you should never assign the values 1 through 26 to the letters because the result of a modulo calculation can be zero, for example (25 1) mod 26 0. Modular calculations with bits and bytes are actually Exclusive OR operations (XOR) in Boolean modular arithmetic. XOR is used in computer programming to combine a data bit with a random key bit or to combine a data byte with a random key byte. Lets show the danger of not using modular arithmetic. With normal addition, the ciphertext result 0 can only mean that both key and plaintext have the value 0. A ciphertext result of 1 means that the two unknowns can only be 0 1 or 1 0. With result 2, the unknowns can only be 0 2, 1 1 or 2 0. Thus, for some ciphertext result values we can either immediately determine the unknowns or we can see which unknowns of the equation could be possible or impossible. Suppose we add the letter X (23) with key Z (25) without modulo. In that case, the result would be ciphertext 48, as we cannot convert 48 into a letter. However, although both plain letter and truly random key are unknown, we can draw some important conclusions: the total of 48 is only possible with combinations X (23) Z (25), Y (24) Y (24) or Z (25) X (23). By merely looking at the ciphertext, we can discard all letters A through W as possible candidates for that particular plaintext and key letter. This is also the reason why you should never use text that is converted into digits as numerical key for a one-time pad (some book ciphers use this system). The result wil never be random as it consists of a limited range of 26 elements (0-25 or 1-26) instead of 10 elements (0-9) or 100 (0-99), resulting in a completely insecure ciphertext with a tremendous bias. These simple examples show how a ciphertext can leak information that is very valuable to the codebreaker, simply because normal instead of modular arithmetic was used to calculate the ciphertext. Not using modular arithmetic always causes a biased ciphertext instead of the truly random ciphertext result from modular arithmetic. Any bias is as valuable as gold to the codebreaker. Modular arithmetic is therefore vital to the security of the one-time pad. Never use one-time pad encryption without applying modular arithmetic Is One-time pad Really Unbreakable Is one-time pad encryption absolutely secure and unbreakable when all rules are applied correctly Yes Its also easy to show why, because the system is simple and transparent. It all comes down to two simple basic facts that are easily understood: One time pad is an equation with two unknowns, one of which is truly random. When a truly random key is combined with a plaintext, the result is a truly random ciphertext. An adversary only has the random ciphertext at his disposal to find key or plaintext. This is an equation with two unknowns, which is mathematically unsolvable. There is also no mathematical, statistical or linguistic relation whatsoever between the individual ciphertext characters or between different ciphertext messages because each individual key letter or digit is truly random. The modulo 26 (one-time pad with letters) or modulo 10 (one time pad with digits) also ensures that the ciphertext does not reveal any information about the two unknowns in the equation (see previous paragraph). These properties render useless all existing cryptanalytic tools that are available to the codebreaker. Suppose we have the piece of ciphertext quotQJKESquot, enciphered with a one-time letter pad. If someone had infinite computational power he could go through all possible keys (a brute force attack). He would find out that applying the key XVHEU on ciphertext QJKES would produce the (correct) word TODAY. Unfortunately, he would also find out that the key FJRAB would produce the word LATER, and even worse, DFPAB would produce the word NEVER. He has no idea which key is the correct one. In fact, you can produce any desired word or phrase from any one-time pad - encrypted message, as long as you use the right wrong key. There is no way to verify if a solution is the right one. Therefore, the one-time pad system is proven completely secure. Three of the many possible solutions: Let us give an example with one-time pad encryption, based on digits. For encryption, plain and key are subtracted. For decryption, the key is added to the ciphertext. The following straddling checkerboard is used for text to digit conversion. Suppose we intercepted the following ciphertext fragment: Unfortunately, there is no way to check which of the two keys and resulting plaintext are correct. Well, here is the bad news: both solutions are incorrect. The actual message is found below, but we will never know for certain whether this is the actual message, unless we have the original key at our disposal. These examples again show that we can produce any plaintext from any ciphertext, as long as we apply the 147proper148 wrong key. Since the plaintext is determined by a series of truly random key digits, mathematically unrelated to each other, we have absolutely no idea whether the chosen key is correct. Any readable solution is mathematically and statistically equally possible and appears valid. There is no way to verify the solution, as it originates from random digits. The system is therefore information-theoretically secure. You have an unbreakable cipher. Its the only existing unbreakable cipher and it will stay unbreakable forever, regardless any future mathematical or technological advances or infinite time, available to the codebreaker. The one-time pad encryption scheme itself is mathematically unbreakable. The attacker will therefore focus on breaking the key instead of the ciphertext. Thats why a truly random key is essential. If the key is generated by a deterministic algorithm the attacker could find a method to predict the output of the key generator. If for instance a crypto algorithm is used to generate a random key, the security of the one-time pad is lowered to the security of the used algorithm and is no longer mathematically unbreakable. If a one-time pad key, even truly random, is used more than once, simple cryptanalysis can recover the key. Using the same key twice will result in a relation between the two ciphertexts and consequently also between the two keys. The different ciphertext messages are no longer truly random and its possible to recover both plaintexts by heuristic analysis. Another unacceptable risk of using one-time pad keys more than once is the known-plaintext attack. If the plaintext version of a one-time pad encrypted version is known, it is of course no problem to calculate the key. This means that if the content of one message is known, all messages that are encrypted with the same key are also compromised. Breaking a Reused One-time pad Using a one-time pad more than once will always compromise the one-time pad and all ciphertext, enciphered with that one-time pad. To exploit reused one-time pads we can use a heuristic method of trial and error. This simple method enables the complete, or at least partial, deciphering of all messages. This can even be done with pencil and paper, although it is a slow and cumbersome process. The principle is as follows: a crib, which is a presumed piece in the first plaintext, is used to reverse-calculate a piece of the key. This presumed key is than applied at the same position on the second ciphertext. If the presumed crib was correct than this will reveal a readable part of the second ciphertext and provide clues to expand the cribs. In the following example we will demonstrate the breaking of two messages, only with the aid of pencil and paper. We have two completely different ciphertext messages, quotAquot and quotBquot. They are both enciphered with the same one-time pad, but we have no knowledge of that key. Let us begin with assuming that the letters are converted into digits by assigning them the values A01 trough Z26, that the enciphering is performed by subtracting the key from the plaintext without borrowing (5 - 8 15 - 8 7) and that deciphering is performed by adding ciphertext and key together without carry (7 6 3 and not 13). This is a standard and unbreakable application of one-time pad, if only they had never used that one-time pad twice The reason I use the basic A01 to Z26 is to make it easier to see the separate letters. The described heuristic analysis works also with a straddling checkerboard (one-digit and two-digit conversions). First, we must search for a crib. A crib is an assumed piece of plaintext that corresponds to a given ciphertext. These can be commonly used words, parts of words, or frequently used trigrams or bigrams. Some examples of frequent trigrams in the English language are quotTHEquot, quotANDquot, quotINGquot, quotHERquot and quotHATquot. Frequent bigrams are quotTHquot, quotANquot, quotTOquot, quotHEquot, quotOFquot and quotINquot. Of course, a crib should be as long as possible. If you know who sent the message and what he might be talking about you could try out complete words. In our example, we dont have any presumed words, so well have to use some other group of letters. Lets try the crib quotTHEquot, which is the most frequently used trigram in the English language. Now, in this example we only have one small piece of ciphertext. In real life, you might have a few hundred digits at your disposal for testing, which makes a successful crib more likely. We align the letters quotTHEquot with every position of ciphertext quotAquot and subtract the ciphertext from the crib. The result is the assumed one-time key. In heuristic terms, this is our trial. To test it, we add the assumed key to ciphertext quotBquot to recover plaintext quotBquot. Unfortunately, as shown underneath the first quotTHEquot of the example, we get our heuristic error. We continue to try out all positions. For the sake of simplicity, I only show three example positions of the crib. Our trial and error will show us that the 9th character position (17th digit) provides a possible correct plaintext quotBquot, the trigram quotOCUquot. There are a few, but not too many, solutions to complete this quotOCUquot piece of plaintext, and well have to try them all out. So, lets try out the obvious quotDOCUMENTquot. This assumption has to pass our trial and error again. Therefore, here below, we use quotDOCUMENTquot as a crib for plaintext quotBquot at exactly the same place. We subtract ciphertext B from the assumed plaintext quotDOCUMENTquot to again recover a new portion of the presumed key. Our presumed key is now already expanded to 16 digits. We add this presumed key to ciphertext quotAquot to hopefully recover something readable and indeed, quotOTHESTATquot could well be a correct solution, thus confirming the used crib. Can we make this crib any longer quotTHE STATquot could be part of quotTHE STATUSquot, quotTHE STATIONquot or quotTHE STATICquot, and quotO THEquot might be expandable to quotTO THEquot, as quotTOquot is a popular bigram that ends with the letter O. Again we must test these solutions by recovering the related assumed key and try that key out on the other ciphertext. If correct, this will again reveal another little readable piece of plaintext. Remember we started only with the assumption that there could be a quotTHEquot in one messages and already end up with quotDOCUMENTquot and quotTO THE STAT. quot after only two heuristic steps This process is repeated over and over. Some new cribs will prove to be dead end and others will result in readable words or parts of words (trigrams or bigrams). More plaintext means better assumptions and the puzzle will become easier and easier. Thanks to the two ciphertexts, you can verify the solutions of one plaintext with its counterpart ciphertext, over and over again, until the deciphering is completed. Finally, well give the solution, just to verify the results of our trial and error: Little fragments like, for example, quotFORMAquot is easily expanded to quotINFORMATIONquot, gaining 6 additional letters as a crib. quotRANSPquot is most likely quotTRANSPORTquot or, with some luck, quotTRANSPORTATIONquot, providing 9 additional letters, a quite large crib. Sometimes, the already recovered text provides clues about the words that precede or follow them, or will help to get ideas for words on other places in the message. Its a slow and tedious process, but the patchwork will gradually grow. Slow, cumbersome and tedious pays off in this line of work. This method is also usable when the text is converted into digits with a straddling checkerboard or any other text-to-digit conversion systems. Of course, this example is short and simple. In reality, there could be all kinds of complications that require many more trials. What system is used to convert text into digits What language is used Did they use abbreviations or slang Are there words available as cribs or do we need to piece together trigrams or even bigrams until we have a word to get launched Does the message contain actual words or are there only codes from a codebook Is the one-time pad reused completely or only partially, and do they start at the same position in both messages All these problems can slow down the heuristic process and require a vast number of trials, with associated dead ends and errors, before the job is done. Success is not guaranteed, but in most cases, the reuse of one-time pads will result in a successful deciphering. This is certainly the case with todays computer power, enabling fast heuristic testing. History provides various examples of bad implementation or negligent use of one-time pads. The breaking of the war-time German diplomatic message traffic is a fine example of flawed implementation. The German foreign office could have been the first to implement the perfectly secure one-time pad system but instead decided to generate the keys with a simple mechanical machine. By doing so, they neglected the first crucial rule of one-time pad that the key should be truly random. The U. S. Army Security Agency did not actually break German one-time pad encrypted traffic but basically exploited a flawed pseudo-random stream cipher. The VENONA project is probably the most notorious and well-known example of how important it is to follow the basic rules of one-time pad. Soviet Intelligence historically always relied heavily on one-time pad encryption, with good reason and success. Soviet communications have always proved extremely secure. However, during the Second World War, the Soviets had to create and distribute enormous quantities of one-time pad keys. Time pressure and tactical circumstances lead in some cases to the distribution of more than two copies of certain keys. In the early 1940s, the United States and Great Britain analyzed and stored enormous quantities of encrypted messages, intercepted during the war. American codebreakers discovered by cryptanalysis that a very small portion of the tens of thousands of KGB and GRU messages between Moscow and Washington were enciphered with reused one-time pads. The messages were encoded with codebooks prior to enciphering with one-time pad, making the task even immensely harder for the codebreakers. Finding out which key was reused on what message, the reconstruction of the codebooks and recovering the plaintext were enormous challenges that took years. Eventually they managed to reconstruct more than 3,000 KGB and GRU messages, just because of a distribution error by the Soviets. VENONA was crucial in solving many spy cases. Although VENONA is often mistakenly referred to as the project that broke Soviet one-time pads, they never actually broke one-time pad, but exploited implementation mistakes as described above. Make no mistake It will never be possible to break one-time pad if properly applied. This example only shows how to exploit the most deadly of all mistakes: reusing a one-time pad. Random Numbers The use of a truly random key, as long as the plaintext, is an essential part of the one-time pad. Since the one-time algorithm itself is mathematically secure, the codebreaker cannot retrieve the plaintext by examining the ciphertext. Therefore, he will try to retrieve the key. If the random values for the one-time key are not truly random but generated by a deterministic mechanism or algorithm it could be possible to predict the key. Thus, selecting a good random number generator is the most important part of the system. In the pre-electronic era, true random was generated mechanically or electro-mechanically. Some of the most curious devices were developed to produce random values. Today, there are several options to generate truly random numbers. Hardware Random Number Generators (RNGs) are based on the unpredictability of physical events. Some semiconductors such as Zener diodes produce electrical noise in certain conditions. The amplitude of the noise is sampled at fixed time intervals and translated into binary zeros and ones. Another unpredictable source is the tolerance of electronic component properties and their behavior under changing electrical and temperature conditions. Some examples are ring oscillators that operate at a very high frequency, the drift, caused by resistors, capacitors and other components in oscillators or time drift of computer hardware. Photons, single light particles, are another perfect source of randomness. In such systems, a single photon is sent through a filter, and its state is measured. The quality of such randomness sources can be verified with statistical tests to detect failure of the system. Even when hardware-based true random generators are used, it will be necessary in some cases to improve their properties, for instance to prevent unequal distribution of zeros or ones in a sequence. One simple way to improve or whiten a single bit output is to sample two consecutive bits. The value sequence 01 would result in an output bit 0 and the value sequence 10 would give output 1. The repetitive values 00 and 11 are discarded. Some hardware RNGs are the Mills Generator with a combination of several ring oscillators, the Quantis QRNG. based on the unpredictable state of photons, the CPU clock jitter based ComScir generators, and the VIA Nano processor with its integrated dual quantum RNGs. Another option is the manual generation of numbers. Of course, this time consuming method is only possible for small volumes of keys or key pads. Nevertheless, its possible to produce truly random numbers. You could use five ten-sided dice (see image right). With each throw, you have a new five-digit group. Such dice are available in toy stores or you could make them yourself ( dice template ). Never ever simply use normal six-sided dice by adding the values of two dice. This method is statistically unsuitable to produce values from 0 to 9 and thus absolutely insecure (the total of 7 will occur about 6 times more often that the values 2 or 12). Instead, use one black and one white die and assign a value to each of the 36 combinations, taking in account the ordercolor of the dice (see table below). This way, each combination has a .0277 probability (1 on 36). We can produce three series of values between 0 and 9. The remaining 6 combinations (with a black 6) are simply disregarded, which doesnt affect the probability of the other combinations. You could also assign the letters A through Z and numbers 0 through 9 to all 36 dice combinations, again taking in account the ordercolor as in the table above. This way, you can create one-time pads that contain both letters and numbers. Such one-time pads can be used in combination with a Vigenere square, similar to the one described above, but with a 36 x 36 grid where each row contains the complete alphabet, followed by all digits. This will also produce a ciphertext with both letters and numbers. An advantage is that your plaintext can contain figures. You can also use lotto balls. However, after extracting a number, that ball must always be mixed again with the other balls before extracting the next ball. If random bit values are required you can use one or more coins that are flipped, with one side representing the zeros and the other side the ones. With 8 coins you could compose an 8 bit value (byte) in one throw. Many other manual systems can be devised, as long as statistical randomness is assured. These simple but effective and secure methods are suitable for small one-time pads or small keys that are used to protect passwords (see Secret Splitting ). Another alternative is the use of a software based generator. However, software random number generators will never provide absolute security because of their deterministic nature. Crypto secure pseudo-random number generators (CSPRNGs) produce a random output that is determined by a key or seed. A large (unlimited) amount of random values is derived from a seed or key with a limited size, and seed and output are related to each other. In fact, youre no longer using one-time encryption, but an encryption with a small sized key. Brute forcing the seed by trying out all possible seeds, or analysis of the output or parts of the output could compromise the generator. There are techniques to improve the output of CSPRNGs. Using a truly random and very large seed is essential. This could be done by accurate time or movement measurements of human interaction with the computer, for instance mouse movements, or by measuring the drift of computer processes time (note that a normal computer RND function is totally insecure). Another technique to drastically improve a CSPRNG is to combine the generator output with multiple other generators, the so-called quotwhiteningquot. This will make analysis of the output much more difficult because each generator output obscures information about the other generator outputs. In the end, however, only one time pad encryption, based on truly random keys, is really unbreakable. More information about the secure generation of randomness is found in the IETF RFC 1750 Randomness Recommendations for Security. Theres also the issue of secure computers to process, store or print the truly random numbers. Even the use of a hardware generator with truly random output, necessary for absolute security, is useless if the computer itself is not absolutely secure. Unfortunately, theres no such thing as a secure personal computer. The only absolutely secure computer is a physically separated computer, with restricted inputoutput peripherals, never connected to a network and securely stored with controlled access. Any other computer configuration will never guarantee absolute security. Cryptographic software is only secure on a stand-alone computer or dedicated crypto equipment. Usability and Future of One-time Pad One-time pad encryption is only possible if both sender and receiver are in possession of the same key. Therefore, we need a secure exchanged beforehand, physically through a trusted courier, or electronically by a perfect secure system like quantum key distribution. The secure communications are therefore expected and planned within a specific time frame. Enough key material must be available for all required communications until a new exchange of keys is possible. Depending upon the situation, a large volume of keys could be required for a short time period, or little key material could be sufficient for a very long time period, up to years or even decades. One-time pads are especially interesting in circumstances where long-term security is essential. Once encrypted, no single future cryptanalytic attack or technology will ever be able to decrypt the data. In contrast, information that is encrypted with current traditional computer algorithms will not withstand future codebreaking technology and can compromise people or organizations years after. Although one-time pad is the only perfect cipher, it has two disadvantages that complicate its use for some specific applications. The first problem is the generation of large quantities of random keys. We cannot produce true randomness with simple mechanical devices or computer algorithms like a computer RND function or stream ciphers. Hardware true random generators, usually based on noise, are the only secure option. The second problem is key distribution. The amount of key needed is equal to the amount of data that is encrypted and each key is for one-time use only. Therefore, we need to distribute large amounts of keys to both sender and receivers in a highly secure way. Of course, it would be useless to send the one-time pads to the receiver by encrypting them with AES, IDEA or another strong algorithm. This would lower the unbreakable security of the pads to the security level of the algorithm that was used. These are practical problems, but solutions exist to solve these problems for certain applications. Another disadvantage is that one-time encryption doesnt provide message authentication and integrity. Of course, you know that the sender is authentic, because he has the appropriate key and only he can produce a decipherable ciphertext, but you cannot verify if the message is corrupted, either by transmission errors or by an adversary. A solution is to use a hash algorithm on the plaintext and send the hash output value, encrypted along with the message, to the recipient (a hash value is a unique fixed-length value, derived from a message). Only the person who has the proper one-time pad is able to correctly encrypt the message and corresponding hash. An adversary cannot predict the effect of his manipulations on the plaintext, nor on the hash value. Upon reception, the message is deciphered and its content checked by comparing the received hash value with a hash that is created from the received message. Unfortunately, a computer is required to calculate the hash value, making this method of authentication impossible for a purely manual encryption. One-time pad encryption nevertheless has a bright future. It is in fact the only crypto algorithm that has any future. Once that computational power and codebreaking technology has surpassed the capabilities of cryptologists and the limitations of mathematics to make strong encryption, there will no longer be any crypto algorithm that survives the evolution of cryptology, unless it meets the standards of information-theoretical perfect security. Just as classical pencil-and-paper ciphers were rendered useless with the advent of the computer, so will current computer based crypto algorithms become victim to the evolution of technology, and that moment might creep on us much faster than we expect. Only one-time pad encryption, the only information theoretically secure encryption, will survive that evolution. Technology and science, instead of cryptologists, must then provide a solution to the key distribution issues. This can be some modern high-tech version of the briefcase with handcuffs or quantum key distribution (QKD) which is already in use today. QKD and one-time pad are a perfect combination. ECOQC in Vienna, Austria, was in 2008 the first ever QKD protected network. The current DARPA Quantum network has ten nodes. ID Quantique, QuintessenceLabs and SeQureNet are some of the commercial firms that currently offer QKD networks. One way or the other, one-time pad encryption and a system to distribute its keys, practical or impractical, will be implemented in the future because we will have no other choice. The current precarious state of Internet security, or rather the lack of security, is where the limited use of one-time pad encryption for specific purposes comes into the play. One might have found it ridiculous in our high-tech world, if it wasn146t for the disastrous state our privacy is in today. Indeed, even the pencil and paper one-time pad still provides a practical encryption system for sensitive private communications where the correspondents can perform all calculations by hand and without the aid of their insecure computers and unreliable network. You could call it the poor mans one-time pad, but it works perfectly and it is the only system that we can really trust today and, the best of all, nobody will ever be able to decipher your messages, not even three-letter organizations. More on One-time Pad at This Website Straddling checkerboards Various different systems to convert plain text into digits prior to encryption Numbers Stations The mysterious spy stations that broadcast numbers messages Guide to Secure Communications with the One-time Pad Cipher how to use one-time pads and set up secure communications with them TEMPEST How a one-time tape mixer lead to surpression of spurious signals Cuban Agent Communications Paper on Cuban numbers stations, Cuban agents in the U. S. and the errors they made Secret Splitting A secure way to share your secret combination or password Spies and Numbers - Here to Stay The use of one-time pads in espionage Is One-time Pad History Usability of one-time pad in todays world Numbers 9.0 Crypto Secure Cipher Pad Generator CT-46 OTP One Time Pad Training Tool (direct Zip download) Operation Tinker Bell Decipher one-time pad messages during the hunt for a KGB defector Copyright 2004 - 2017 Dirk RijmenantsAfter some crypto sillyness with feliam. julianor and ortegaalfredo on Twitter I cooked up a one-time pad crypto implementation in Python. This speaks volumes, not of my talent as a cryptographer (which is none at all) but the sad state of my social life these days (which happens to be the same amount). What is one-time pad encryption Feel free to skip this section if you already know the answer. Especially so you don8217t have to suffer my layman8217s explanations of cryptography. To put it simply, a one-time pad cipher is one in which the plaintext (i. e. the original message) is encoded using a completely new, random key each time it8217s sent. When properly used (and I hope I have) this system is provably unbreakable . That means the ciphertext (that is, the encoded message) can never be decoded without the proper key 8211 even if the encoding algorithm is very simple, like a bitwise XOR operation on each byte. There are a few caveats . first of all, the key can never be reused. If you do, the system not only ceases to be unbreakable but it8217s also as strong as the encoding algorithm you used. So if you chose XOR encoding and were tempted to use the key twice, you might as well have used a 8220magic ring8221 from a cereal box. The second caveat: the key must be truly random . For this reason need a random generator that can guarantee a certain amount of entropy, for example devrandom on many Unix systems, to get the one-time pads, instead of the random module, which is only a PRNG (pseudo-random generator). PRNGs can only produce a seemingly random stream of numbers, all derived from a single value (called the seed number) 8211 so it8217s 8220randomness8221 is just as good as the seed number from which all others are calculated. (This is a useful property in other contexts, like avoiding to have to store the contents of all malformed files produced by a fuzzer in order to reproduce the crashes, but I digress). The third caveat: the key must never be transmitted over an insecure medium . Sounds pretty much like a no-brainer, I know, but it8217s worth mentioning that public key crypto doesn8217t suffer from this problem. (Now you know why GPG is so much better than this). Real-life uses of one-time pads include storing the keys in codebooks, which the recipient of the message would carry everywhere. Then the encrypted messages could be safely sent in the clear, say on some radio frequency by a numbers station. until the codebook was used up. How does this code work If you weren8217t among the lucky ones who skipped over my ramblings in the previous section you can easily guess by now: we8217ll be using a bitwise XOR encoding of each byte of the plaintext against the corresponding byte of the one-time pad to produce the ciphertext. This is how we generate a one-time pad of any given size: The alternative for the lazy is to pass the name of the file we want to encrypt. A one-time pad of the exact same size will be generated. We8217ll use the - f flag this time to force overwriting the previous file. And to satisfy all audiences, there8217s also an option for the paranoid: the - p flag uses devrandom for maximum security instead of the much faster devurandom . It does take considerably longer to generate even small one-time pads, that8217s why this option is disabled by default. Now that we have our one-time pad we can encrypt the message: Both files are the same size but have different contents. Since it8217s no longer ASCII trying to cat the file only renders a bunch of garbage in the terminal. Finally, this is how you decrypt it: After decryption, conscience2.txt is identical to the original file and contains the familiar text of The Conscience of a Hacker. As always, the code is available for download below. Enjoy 24-Jul-2011 . Small update to the command like parsing and the documentation. This implementation is very good and the only problem I see is that the script doesn8217t work with a bigger key than the message. Let me explain: At this point, every time you will create a message, you will have to create the key at the same time. And there comes the problem of sharing the key (there is no trusted network except direct exchange face to face). If you build keys in advance and share them (face to face), you will not be able to use them because there is a very very low probability that your key have the same size as your message. A good solution is that the portion of the key used to encrypt the message is only the part that is necessary. ex: message: hello world key: uvpagbbaetpjzlf result: bzaluoxovesjzlf The 8220jzlf8221 part is useless, and the key will not be reused. What do you think A friend said to me: devrandom use random bytes. The encrypted message with a longer key than the message will have unreadable characters andor be unreadable. gt Why not using 8220lt devurandom tr - cd A-Za-z0-9 head - c20quot instead of quotdevurandomquot Unreadability should not be a problem if the message is already encoded in a way that lets you know where it ends. For example you can null-terminate the string like in C for text messages. I like the idea of having the tool use only parts of a pre-generated pad, by consuming one byte at a time. Bear in mind though, this is just a coding example I8217m not a cryptographer and I never meant this script to be used in real life8230 gtgt Why not using lt devurandom tr - cd A-Za-z0-9 head - c20quot instead of quotdevurandomquot I039m believe that would be a bad idea, though. Filtering random bytes makes them not random anymore. The first problem I see is that printable text in that range (A-Z, a-z, 0-9) have always the highest bit set to 0. Since (n xor 0 0) that would leave the high bit of every byte unencrypted. This is a big problem when trying to encrypt binary files, for example an attacker might try to match those bits against a known set of possible plaintexts. For text files this would not be a problem8230 except that you039re revealing the fact that you039re encrypting printable text, and that might also help the attacker. The second problem I see is that the remaining keyspace for each byte is 27 (128) but the total number of possible values is less than that (59), and that made me think the remaining bits are not evenly distributed. After a quick test of converting all 59 values to base 2 and printing them you can see that they039re effectively not random at all 8211 the 7th bit is almost always 1, for example. Now, I have no idea how to exploit that, but a proper cryptographer might. This may also not be a problem when encrypting readable text (the plaintext bits would also fall in a similar pattern) but I can039t be sure of this with my current knowledge of crypto, so I prefer to guess the worse. To solve the quotreadabilityquot problem I would rather encode the ciphertext and the key using any encoding algorithm that leaves printable characters (base64, uuencode, ascii-armor, etc.). This is the quick test I made to see how characters are distributed: python - c 8220for x in (range(ord(821608217),ord(821698217))range(ord(8216A8217),ord(8216Z8217))range(ord(8216a8217),ord(8216z8217))): print bin(x)2:.zfill(8)8221 8220The first problem I see is that printable text in that range (A-Z, a-z, 0-9) have always the highest bit set to 0. Since (n xor 0 0) that would leave the high bit of every byte unencrypted 8230 I can8217t be sure of this with my current knowledge of crypto, so I prefer to guess the worse.8221 You8217re doing it right. This is why I tell you I8217m far from a cryptographer. Far behind you Well, if each character begin by a bit set to 0, I think the first approach would be to test any character in the latin alphabet 8216XORed8217 with themselves which leaves very few patters (26)8230. Like I8217ve read yesterday, little mistakes in cryptography can make big blasts. My idea Bad idea spotted. also a nice otp implementation with some extras urbanware. orgerfr. php to be frank i tried executing code. but i am not able to understand the output. it shows this: can you plz explain me this One-time pad example in Python by Mario Vilas (mvilas at gmail dot com) breakingcode. wordpress20100217one-time-pad-encryption-in-python Create a one-time pad:.onetime. py generate - k example. key - s size. onetime. py generate - k example. key - t example. txt Encrypt a file:.onetime. py encrypt - t example. txt - k example. key - c example. cipher Decrypt a file:.onetime. py decrypt - c example. cipher - k example. key - t example. txt Options: - h, 8211help show this help message and exit - t FILE, 8211textFILE plaintext filename - c FILE, 8211cipherFILE ciphertext filename - k FILE, 8211keyFILE one-time pad filename - s NUM, 8211sizeNUM one-time pad size in bytes - f, 8211force force overwriting of any output files - p, 8211paranoid use devrandom instead of devurandom (slower) joa, is it possible that you did not give any or invalid arguments Just executing the code or without the required arguments will print the usage information. This is not an interactive program. It requires command-line arguments. The usage information tells you what is required. There also are usage examples. I also took a look at 8220erfr8221 which 8220hose8221 mentioned above. Works the same way. I cannot code, but I find your example very nice. Thanks for it. But in order to make it actually useful in practice, could you please implement it such that, as mentioned by Jens, it can take larger keys The code should only assert that the key is gt than the plain text. Unreadable cypher text (in case you cannot pass on the file but need to paste it somewhere) is not a problem, as you can easily b64encode it. Unreadable decrypted code is the only real issue. The solution would be if you can somehow define a marker for the end of the plaintext, such that in the decryption method you8217d decrypt step by step, until the end of plaintext is reached, i. e. until you read the end marker. The rest of the cypher text (the one that would result in unreadable random appended to the file, thus preventing the file from being opened. But the problem is that the marker needs to be something that under no circumstances can be part of the plaintext itself 8211 easy if you only want to encrypt text. But what if I wanted to encrypt e binary So in your current implementation, not only you would have to know the size of the texts you want to encrypt and send, before you even write them, so that you can hand your contact the corresponding keys, but also does the cypher text reveal the actually exact length of the plain text. With very long texts it might not be a problem. But what if you send an answer to a Yes-or-No question and the answer is exactly 3 bytes long You see my point The OTP scrambles the mapping of cypher text letter to plain text letter but if you can guess the plain text by other means, it cannot help. If those other means are outside the cypher text itself (like key compromise, keylogger, ), this is not in the scope of the OTP encryption. But if it is the cypher text which reveals something, then it does fall into the domain of the implementation. So, for the paranoid: Do NOT only use the part of the (longer) key that you really need, but always a tiny bit more. Not a fixed number though. I8217d suggest than during encryption you choose a number of additional bytes (bits) at random, with higher numbers getting exponentially less likely, c. f. exponential distribution. The average of this overhead length could be linked to the plaintext file length. In this case you8217d need still only one marker for the decryption, it tells where plaintext ends, and the rest, the appended part of the key (random bits) is ignored, yet you have not used up the entire key. For increased usability: Re-use keyfile. No not, what it sounds like. It8217S a ONE-TIME pad, I know. you won8217t reuse any parts of the key. Consider this: You meet your contact only once in a year. You have no idea how many messages you will exchange and how big each one will be. you could think and think and ask the stars, and then create many differently sized keyfiles, some of which you might never use at all. What if instead of this, you simply exchange TWO single files of keydata ( contact1ToContact2.date1.key and contact2ToContact1.date1.key ) of, say, 500GB Now, each time you encrypt something with that key, your encryption uses len(plaintext)len(randomPadding) of the key file, and marks that part as used. Either by saving the remaining part of it into a copy contact1ToContact2.date2.key or by changing a counter a counter in the keyfile itself. How can you decode old messages then or if they arrive out of order In that case, i think, the implementation with the marker is better than the one copying the remaining version. Now when you encrypt a message, you read the out from the beginning of the file the stored index of currently first still unused bit of key material. you include this information in the cypher message, and start encrypting form that position. When finished, you update the counter in the beginning of the keyfile. That way, when you encrypt the next message, you do not reuse any key material, but also no key material is wasted. And if you want to decrypt even older messages you sent yourself, of which you don8217t have a copy of the plain text anymore, you still have the key material (as it was not deleted) and the counter that gives you the start position of the used key material from the key file is included in the cypher text. that was Of course, one could argue, that keeping used key material for long, increases the chance of your home being raided and the key be found and old messages be decrypted. But for many, this scenario is just unlikely, and for those who fear it, include a simple function that takes the keyfile and deletes all key material prior to the position specify in the current index. If cypher texts are not delivered instantly, there could be messages be moving from Alice to Bob and from Bob to Alice simultaneously. In order to prevent them from using the same key material, they should use one keyfile only for encryption, the other only for decryption. (What Alice uses for encryption, Bob uses for decryption, and vice-versa) Decryption does exactly what it does in your current implemtnetion, except three things: 1: It reads from the cyphertext the index of the key material that was used 2: It does not start at the beginning of the keyfile, but at the given index 3: it stops decryption when the marked for end of plain text was found during decryption Yes, that is a bit more complex, but would make the entire program pretty neat and usable, I think. your license does not allow redistribution of modifications. maybe you cold release it ( optionally additionally) under GPL or another free open source license.
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