Comparative Analysis of 128-bit Key Loading Techniques for the A5/1 Stream Cipher: Statistical, Structural and Performance Evaluation

Sarah Farag A. Hmeid; Fardous Mohamed A. Eljadi

doi:10.65405/er87s043

المؤلفون

Sarah Farag A. Hmeid Department of Computer Science, Faculty of Science, University of Tripoli, Tripoli, Libya Author
Fardous Mohamed A. Eljadi Department of Computer Science, Faculty of Science, University of Tripoli, Tripoli, Libya Author

DOI:

https://doi.org/10.65405/er87s043

الكلمات المفتاحية:

A5/1؛ التشفير الانسيابي؛ تحميل المفتاح؛ المفاتيح المتكافئة؛ NIST test؛ التشفير خفيف الوزن؛ GSM.

الملخص

تعدّ خوارزمية A5/1 نظامًا للتشفير لا يزال مستخدمًا في شبكات GSM التقليدية والقديمة. ويتميز ببنية عتادية بسيطة وصغيرة، مما يجعله مناسبًا لإجراء تعديلات منخفضة التكلفة. ومع ذلك، فإن طول مفتاحه البالغ 64 بتًا لم يعد كافيًا في ظل قدرات الحوسبة الحديثة. تتناول هذه الدراسة تقييم أربع طرق لتحميل مفتاح بطول 128 بتًا في سجلات A5/1 نفسها دون تغيير بنيتها، وهي: التوسيع المباشر (D)، وفترة التهيئة الممتدة باستخدام ملح المفتاح (WS)، وتشويش المفتاح (SC)، ومزج الحالة (SX) . تم تقييم العشوائية في كل طريقة باستخدام مجموعة الاختبارات الإحصائية NIST SP 800-22، وذلك بتطبيقها على 100سلسلة، تحتوي كل منها على (10^6) بت، وقد اجتازت جميع الطرق الاختبارات الإحصائية. بعد ذلك، جرت مقارنة الطرق وفق معيارين إضافيين: مدى الاستفادة من كامل المفتاح ذي الـ128 بتًا، وتكلفة عملية التهيئة. أظهرت النتائج أن طريقتي التوسيع المباشر (D) وتشويش المفتاح (SC) لا تستفيدان من المفتاح بالكامل، إذ لا يتجاوز فضاء المفاتيح الفعلي لكل منهما (2^64)، في حين تستفيد طريقتا فترة التهيئة الممتدة (WS) ومزج الحالة (SX) من جميع بتات المفتاح البالغ عددها 128 بتًا. وتحقق طريقة مزج الحالة (SX) هذه الاستفادة مع الاحتفاظ بدورة التهيئة الأصلية البالغة 186 دورة، والحفاظ على 93% من معدل الإنتاجية الأصلي. في المقابل، تتطلب طريقة فترة التهيئة الممتدة (WS) عددًا قدره 10,086 دورة. وبناءً على ذلك، تُوصي الدراسة باستخدام طريقة مزج الحالة .(SX) ونظرًا إلى أن الحالة الداخلية للخوارزمية لا تزال بطول 64بتًا، فإن الطريقة المقترحة تحسّن آلية تحميل المفتاح بتكلفة منخفضة، لكنها لا تمثل حلًا أمنيًا متكاملاً.

التنزيلات

تنزيل البيانات ليس متاحًا بعد.

المراجع

Ahmad, F., Khan, R., & Nkembi, A. A. (2025). Improvement in the interception vulnerability level of encryption mechanism in GSM. Inventions, 10(4), 56.

Babbage, S. (1995). Improved exhaustive search attacks on stream ciphers. In European Convention on Security and Detection (IEE Conference Publication No. 408, pp. 161–166). IEE.

Bassham, L. E., Rukhin, A. L., Soto, J., Nechvatal, J. R., Smid, M. E., Leigh, S. D., Levenson, M., Vangel, M., Heckert, N. A., & Banks, D. L. (2010). A statistical test suite for random and pseudorandom number generators for cryptographic applications (NIST Special Publication 800-22 Rev. 1a). National Institute of Standards and Technology.

Biham, E., & Dunkelman, O. (2000). Cryptanalysis of the A5/1 GSM stream cipher. In Progress in Cryptology – INDOCRYPT 2000 (LNCS 1977, pp. 43–51). Springer.

Biryukov, A., & Shamir, A. (2000). Cryptanalytic time/memory/data tradeoffs for stream ciphers. In Advances in Cryptology – ASIACRYPT 2000 (LNCS 1976, pp. 1–13). Springer.

Biryukov, A., Shamir, A., & Wagner, D. (2001). Real time cryptanalysis of A5/1 on a PC. In Fast Software Encryption – FSE 2000 (LNCS 1978, pp. 1–18). Springer.

Briceno, M., Goldberg, I., & Wagner, D. (1999). A pedagogical implementation of the GSM A5/1 and A5/2 voice privacy encryption algorithms.

Fauzi, S., Othman, M., Shuib, F., Seman, K., & Rahim, K. (2018). Randomness evaluation of modified A5/1 stream cipher for global system for mobile communication. Malaysian Journal of Science Health & Technology, 2.

Golić, J. D. (1997). Cryptanalysis of alleged A5 stream cipher. In Advances in Cryptology – EUROCRYPT ’97 (LNCS 1233, pp. 239–255). Springer.

Jawad, N. H., Katran, L. F., Albermany, S., & Bani, S. J. (2024). Enhancement A5/1 stream cipher algorithm as lightweight generator. AIP Conference Proceedings, 3092, 070013.

Joshi, A., & Mishra, A. (2021). Enhanced A5 algorithm for secure audio encryption. In Proceedings (pp. 163–174). Springer Singapore.

Jurecek, M., Bucek, J., & Lorencz, R. (2019). Side-channel attack on the A5/1 stream cipher. In Proceedings of the 22nd Euromicro Conference on Digital System Design (DSD) (pp. 633–638). IEEE.

Koch, M., Nettersheim, C., Horstmann, T., & Rademacher, M. (2025). A5/1 is in the air: Passive detection of 2G (GSM) ciphering algorithms [Preprint]. arXiv.

Li, C., Chen, J., Wang, L., & Shu, Y. (2023). Design of ZUC-256 stream cipher coprocessor for 5G communication security. In Proceedings of the 3rd International Symposium on Computer Technology and Information Science (ISCTIS) (pp. 1122–1127). IEEE.

Mahalanobis, A., & Shah, J. (2014). An improved guess-and-determine attack on the A5/1 stream cipher. Computer and Information Science, 7(1).

Mammeri, Z. (2024). Cryptography: Algorithms, protocols, and standards for computer security. Wiley.

Morgan, D. (2025). Determining the A5 encryption algorithms used in 2G (GSM) networks (pp. 45–61). Springer Nature Switzerland.

Prajapat, R. P., Bhadada, R., & Choudhary, A. (2022). Information security enhancement by increasing randomness of stream ciphers in GSM. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 13(4).

Stallings, W. (2017). Cryptography and network security: Principles and practice (7th ed.). Pearson.

Sýs, M., Říha, Z., Matyáš, V., Márton, K., & Suciu, A. (2015). On the interpretation of results from the NIST statistical test suite. Romanian Journal of Information Science and Technology, 18(1), 18–32.

Turan, M. S., McKay, K., Chang, D., Kang, J., & Kelsey, J. (2025). Ascon-based lightweight cryptography standards for constrained devices (NIST Special Publication 800-232). National Institute of Standards and Technology.