miniatura|Extracte d'una llibreta d'un sol ús. En criptografia, el bloc d'un sol ús, o quadern d'un sol ús (de l'anglès one-time pad ) és un tipus d'algorisme de xifratge pel qual el text en clar es combina amb una clau aleatòria o «llibreta» igual de llarga que el text en clar i que només s'utilitza una vegada. Va ser inventat el 1917. Si la clau és veritablement aleatòria, mai es reutilitza i, per descomptat, es manté en secret, es pot demostrar que el mètode de la llibreta d'un sol ús és irrompible. Un dels seus sinònims pot ser quadern.
La part del nom relativa a la «llibreta» procedeix de les implementacions inicials en les quals la clau es distribuïa en forma de llibreta de paper, de manera que la pàgina podia trencar-se i destruir després del seu ús. Per facilitar l'ocultació, de vegades la llibreta era físicament molt petita.Veure-les.
La llibreta d'un sol ús prové del xifratge de Vernam, que rep el seu nom de Gilbert Vernam, un dels seus inventors. El sistema de Vernam era un xifratge que combinava un missatge amb una clau que es llegia d'un bucle de cinta de paper. En la seva forma original, el sistema de Vernam no era irrompible perquè la clau es podia reutilitzar. L'ús únic ve una mica després, quan Joseph Mauborgne va reconèixer que si la cinta de la clau era completament aleatòria, s'incrementaria la dificultat criptoanalítica. Alguns autors empren el terme «xifratge de Vernam» com a sinònim de «llibreta d'un sol ús», mentre que altres l'utilitzen per a qualsevol xifratge de flux additiu, incloent-hi els basats en un generador de nombres pseudoaleatoris criptogràficament segur; sota el farem servir en aquest últim sentit. David Kahn, 1967. The Codebreakers . Macmillan, .
Secret Al principi es reconeixia que la llibreta d'un sol ús de Vernam-Mauborgne era molt difícil de trencar, però el seu estatus especial va ser descobert per Claude Shannon uns 25 anys després. Usant elements de la teoria de la informació, va demostrar que la llibreta d'un sol ús tenia una propietat que ell va anomenar secret perfecte: és a dir, el text xifratge no proporciona absolutament cap informació sobre el text en clar. Per tant, la probabilitat a priori d'un missatge en clar M és igual que la probabilitat a posteriori d'un missatge en clar M donat el corresponent text xifratge. I de fet tots els textos en clar són igualment probables. Això és una poderosa noció de dificultat criptoanalítica.Claude Shannon, 1949. «Communication Theory of secrecy Systems». Bell System Technical Journal 28, 4 : 656-715.
Malgrat la demostració de Shannon, la llibreta d'un sol ús té, en la pràctica, seriosos desavantatges:
Requereix llibretes d'un sol ús perfectament aleatòries.
La generació i intercanvi de les llibretes d'un sol ús ha de ser segura, i la llibreta ha de ser almenys tan llarga com el missatge.
Només cal un tractament acurat per assegurar-se que sempre romandran en secret per a qualsevol adversari, i cal desfer-se'n correctament per evitar qualsevol reutilització parcial o completa, d'aquí el "un sol ús".
Aquestes dificultats d'implementació han provocat casos en què s'han trencat alguns sistemes de llibreta d'un sol ús, i són tan seriosos que han evitat que la llibreta d'un sol ús hagi estat adoptada com una eina generalitzada de seguretat informàtica.
En particular, l'ús únic és absolutament necessari. Si una llibreta d'un sol ús s'utilitza tan sols dues vegades, unes senzilles operacions matemàtiques poden reduir-la a un xifratge de clau correguda. Si ambdós textos en clar estan en llenguatge natural (per exemple, en anglès o en rus), encara que tots dos siguin secrets, hi ha moltes possibilitats que siguin recuperats amb criptoanàlisi, possiblement amb algunes ambigüitats. Per descomptat, del missatge més llarg dels dos només es podrà recuperar la part que solapi amb el missatge més curt, a més, potser, d'una mica més completant una paraula o frase. L'explotació més famosa d'aquesta vulnerabilitat és el projecte VENONA.
La llibreta d'un sol ús no proporciona cap mecanisme per assegurar la integritat del missatge, i en teoria un atacant en el medi que conegui el missatge exacte que s'està enviant podria substituir fàcilment part o tot el missatge amb un text de la seva elecció que sigui de la mateixa longitud. Es poden usar les tècniques estàndard per evitar això, com un codi d'autenticació de missatge, però manquen de la prova de seguretat de què gaudeixen les llibretes d'un sol ús.
Història Desenvolupament tècnic La història de la llibreta d'un sol ús està marcada per quatre descobriments separats però molt relacionats.
El primer sistema de llibreta d'un sol ús era elèctric. El 1917, Gilbert Vernam (d'AT & T) va inventar, i posteriorment, va patentar un xifratge basat en la tecnologia de teletip. Cada caràcter del missatge es combinava elèctricament amb un caràcter d'una clau en cinta de paper. El capità Joseph Mauborgne (més tard capità de l'exèrcit dels Estats Units i després cap del Signal Corps) es va adonar que la seqüència de la clau podia ser completament aleatòria i que, en aquest cas, la criptoanàlisi seria més difícil. Junts van inventar el primer sistema de cinta d'un sol ús.
El segon desenvolupament va ser el sistema de llibreta de paper. Els diplomàtics pfeia molt temps que utilitzaven el codi xifratge per a la confidencialitat i per minimitzar les despeses en telègraf. En el cas dels codis, les paraules i les frases es convertien en grups de nombres (normalment 4 o 5 dígits) utilitzant un llibre de codis de tipus diccionari. Per més seguretat, podien combinar-se nombres secrets (normalment amb summa modular) amb cada grup codificat abans de la transmissió, i els números secrets es canviaven periòdicament (això es deia superxifrat). A principi dels anys 20, tres criptògrafs alemanys, Werner Kunze, Rudolf Schauffler i Erich Langlotz, que es dedicaven a trencar sistemes així, es van adonar que mai podrien trencar-se si s'usava un nombre additiu separat, escollit a l'atzar, per a cada grup codificat. Tenien llibretes de paper duplicades amb línies de grups de nombres aleatoris. Cada pàgina tenia un número de sèrie i vuit línies. Cada línia tenia sis nombres de 5 dígits. Una pàgina s'usava com a full de treball per codificar un missatge i després es destruïa. El número de sèrie de la pàgina s'enviava amb el missatge codificat. El destinatari faria el procediment al revés i després destruiria la seva còpia de la pàgina. El Ministeri d'Afers Exteriors alemany va posar en funcionament aquest sistema el 1923.
Exemple Suposem que Alícia vol enviar el missatge 'HOLA' a Roberto. Suposem també que prèviament, d'alguna manera, s'han produït dues llibretes de paper que contenen idèntiques seqüències de lletres aleatòries i que s'han enviat per via segura a ambdós. Alícia tria la pàgina apropiada sense utilitzar de la llibreta. Normalment la manera de fer això es decideix a priori, per exemple «fer servir el full número 12 el Dia del Treballador», o «utilitzar el següent full disponible per al següent missatge». El material de la fulla seleccionada és la clau per aquest missatge. Totes les lletres de la llibreta es combinaran d'un defecte amb una lletra del missatge. És comú, encara que no obligatori, assignar a cada lletra un valor numèric: per exemple, "A" és 0, "B" és 1, i així fins a la «Z», que és 25. En aquest exemple, la tècnica és combinar la clau i el missatge usant la suma modular. Es fa la suma mòdul de 26 (si es comptabilitza la A com 0, sent per tant Z = 25) dels valors numèrics de les lletres corresponents al missatge i la clau. Si la clau comença per:
X M C K
i el missatge és «HOLA», llavors el xifratge es faria de la següent manera:
24 (X) 12 (M) 2 (C) 10 (K) clau +7 (H) 15 (O) 11 (L) 0 (A) missatge = 31 27 13 oct clau+missatge = 5 (F) 1 (B) 13 (N) 10 (K) Resultat (mod 26) = text xifratge
Noteu que quan el nombre és major de 25, llavors, per l'aritmètica modular, el valor resultant queda truncat.
El text xifratge que caldria enviar-li a Roberto seria llavors «FBNK». Per obtenir el text en clar, Roberto utilitza la pàgina clau corresponent i realitza el mateix procés, però al revés. Ara, la clau és restada del text xifratge, de nou usant aritmètica modular:
26 26 26 26 valor 26 +5 (F) 1 (B) 13 (N) 10 (K) text xifratge - 24 (X) 12 (M) 2 (C) 10 (K) clau = 7 15 37 26 26+text xifratge - clau = 7 (H) 15 (O) 11 (L) 0 (A) resultat (mod 26) = text desxifratge
Noteu que a tot valor se li suma prèviament 26, i al final s'aplica igualment el mòdul 26.
Així, Roberto recupera el text en clar d'Alicia, el missatge vital «HOLA». Tant Alicia com Roberto destrueixen la fulla amb la clau immediatament després del seu ús, prevenint així la seva reutilització i un atac contra el xifratge que seria trivial en essència. El KGB enviava amb freqüència als seus agents llibretes d'un sol ús impreses en minúscules fulles de «paper flash»-paper convertit químicament en nitrocel·lulosa, que crema gairebé instantàniament i no deixa cendres.
La llibreta d'un sol ús clàssica de l'espionatge (que solia consistir en veritables llibretes de paper-sovint minúscules per a la seva fàcil ocultació-, un llapis afilat i l'ús d'algun càlcul mental) es pot implementar en forma de programari fent ús de fitxers de dades com a entrada (text en clar), sortida (text xifratge) i clau (la seqüència aleatòria requerida). Sovint s'utilitza l'operació XOR per combinar el text en clar amb la clau, i és especialment atractiva en computació, ja que normalment és una instrucció màquina nativa i, per tant, és molt ràpida. No obstant això, no és trivial assegurar que la clau és realment aleatòria, que només s'utilitza una vegada, que mai acaba en mans d'adversaris i que queda completament destruïda després de la seva ocupació. Les parts auxiliars d'una implementació de la llibreta d'un sol ús per programari presenten veritables desafiaments: el maneig/transmissió segur del text en clar, claus veritablement aleatòries i l'ús únic de la clau.
Seguretat Les llibretes d'un sol ús són segures des del punt de vista de la teoria de la informació, en el sentit que el missatge xifratge no li proporciona a un criptoanalista cap informació sobre el missatge original. Això és una poderosa noció de seguretat, desenvolupada per primera vegada durant la Segona Guerra Mundial per Claude Shannon i demostrada matemàticament per Shannon en la mateixa època. Els seus resultats van ser publicats en el Bell Labs Technical Journal el 1949. Les llibretes d'un sol ús, utilitzades adequadament, són segures en aquest sentit fins i tot contra adversaris amb poder computacional infinit. Per seguir amb l'exemple de dalt, suposem que Eva intercepta el text xifratge d'Alicia: «FBNK». Si Eva disposés d'una potència computacional infinita, trobaria ràpidament que la clau «XMCK» produiria el text en clar «HOLA», però també trobaria que la clau «FCJR» produiria el text en clar «AHIR», un missatge igualment plausible:
26 26 26 26 valor 26 +5 (F) 1 (B) 13 (N) 10 (K) text xifratge - 5 (F) 2 (C) 9 (J) 18 (R) possible clau = 26 25 30 18 26+text xifratge - possible clau = 0 (A) 25 (I) 4 (E) 18 (R) resultat (mod 26) = possible text desxifratge
De fet, és possible «desxifrar» qualsevol missatge amb el mateix nombre de caràcters a partir del text xifratge simplement usant una clau diferent, i no existeix cap informació en el text xifratge que li permeti a Eva escollir entre les possibles lectures del text xifratge.
La majoria dels algorismes de xifratge convencionals, tant simètrics com asimètrics, utilitzen patrons complexos de substitució i transposició. En el cas del millor algorisme que s'usa en l'actualitat, no se sap si existeix un procediment criptoanalític que pugui revertir (o revertir parcialment) aquestes transformacions sense conèixer la frase de pas utilitzada durant el xifratge.