ब्लॉक सिफर के संचालन मोड (Block Cipher Modes of Operation in Cryptography)

परिचय:

ब्लॉक सिफर एल्गोरिद्म जैसे DES, AES, Blowfish आदि एक निश्चित ब्लॉक आकार (जैसे 64 या 128 बिट) पर कार्य करते हैं। लेकिन वास्तविक डेटा अक्सर इससे कहीं बड़ा होता है। ऐसे में पूरे डेटा को एन्क्रिप्ट करने के लिए हमें विभिन्न संचालन मोड्स (Modes of Operation) की आवश्यकता होती है।

ब्लॉक सिफर मोड्स यह निर्धारित करते हैं कि कैसे कई डेटा ब्लॉकों को सुरक्षित रूप से एन्क्रिप्ट और डिक्रिप्ट किया जाएगा। प्रत्येक मोड सुरक्षा, दक्षता और त्रुटि प्रसार (Error Propagation) के संदर्भ में अलग-अलग व्यवहार करता है।

मुख्य उद्देश्य:

• विभिन्न प्रकार के डेटा को सुरक्षित रूप से एन्क्रिप्ट करना।
• पुनरावृत्ति और पैटर्न को रोकना।
• गोपनीयता (Confidentiality) और अखंडता (Integrity) बनाए रखना।

ब्लॉक सिफर मोड्स के प्रकार:

मुख्यतः पाँच मानक ब्लॉक सिफर मोड्स का उपयोग किया जाता है:

1. Electronic Code Book (ECB) Mode
2. Cipher Block Chaining (CBC) Mode
3. Cipher Feedback (CFB) Mode
4. Output Feedback (OFB) Mode
5. Counter (CTR) Mode

1️⃣ Electronic Code Book (ECB) Mode:

ECB Mode सबसे सरल ब्लॉक सिफर मोड है। इसमें प्रत्येक Plaintext Block को स्वतंत्र रूप से एन्क्रिप्ट किया जाता है।

कार्य सिद्धांत:

Ci = E(K, Pi)
Pi = D(K, Ci)

जहाँ:

• Ci = Cipher Text Block
• Pi = Plain Text Block
• K = Key

विशेषताएँ:

• सरल और तेज़ प्रोसेसिंग।
• प्रत्येक ब्लॉक अलग-अलग एन्क्रिप्ट होता है।
• कोई चेनिंग नहीं होती।

कमियाँ:

• Plaintext में दोहराव Ciphertext में भी दोहराया जाता है।
• Image Encryption में Pattern Leakage की समस्या।

उदाहरण:

यदि दो समान Plaintext Blocks दिए जाएँ, तो उनके Ciphertext भी समान होंगे — जिससे सुरक्षा खतरे में पड़ सकती है।

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2️⃣ Cipher Block Chaining (CBC) Mode:

CBC Mode में प्रत्येक Plaintext Block को पिछले Ciphertext Block के साथ XOR किया जाता है, फिर उसे एन्क्रिप्ट किया जाता है। इससे एक Chain बनती है जो डेटा को अधिक सुरक्षित बनाती है।

कार्य सिद्धांत:

C1 = E(K, P1 XOR IV)
Ci = E(K, Pi XOR Ci-1)

जहाँ:

• IV = Initialization Vector (पहले ब्लॉक के लिए)
• Ci-1 = पिछले ब्लॉक का Ciphertext

लाभ:

• Pattern Leakage समाप्त करता है।
• Data Dependency बढ़ाता है।

कमियाँ:

• त्रुटि प्रसार: यदि एक बिट बदल जाए तो अगला ब्लॉक भी प्रभावित होगा।
• Parallel Processing संभव नहीं।

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3️⃣ Cipher Feedback (CFB) Mode:

CFB Mode एक Stream Cipher की तरह कार्य करता है। यह छोटे-छोटे डेटा यूनिट्स (जैसे 8 बिट) को एन्क्रिप्ट करता है।

कार्य सिद्धांत:

Ci = Pi XOR E(K, Ci-1)

विशेषताएँ:

• Stream-oriented Encryption।
• Real-time Communication के लिए उपयुक्त।
• Self-synchronizing।

कमियाँ:

• Bit Error अगली बिट्स तक फैल सकता है।
• Initialization Vector आवश्यक।

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4️⃣ Output Feedback (OFB) Mode:

OFB Mode भी Stream Cipher के रूप में कार्य करता है, लेकिन यहाँ Cipher Output को अगले ब्लॉक की कुंजी के रूप में उपयोग किया जाता है।

कार्य सिद्धांत:

Oi = E(K, Oi-1)
Ci = Pi XOR Oi

लाभ:

• कोई Error Propagation नहीं।
• Pre-computation संभव।

कमियाँ:

• IV Reuse होने पर सुरक्षा टूट सकती है।

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5️⃣ Counter (CTR) Mode:

CTR Mode सबसे आधुनिक और कुशल ब्लॉक सिफर मोड है। इसमें प्रत्येक ब्लॉक के लिए एक Unique Counter Value (Nonce + Counter) एन्क्रिप्ट किया जाता है।

कार्य सिद्धांत:

Ci = Pi XOR E(K, Counter)

लाभ:

• Parallel Encryption संभव।
• Error Propagation नहीं।
• High Performance।

कमियाँ:

• Counter Reuse से गंभीर सुरक्षा खतरा।

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मोड्स की तुलना (Comparison Table):

Mode	Type	Error Propagation	Parallelizable	Security Level
ECB	Block	No	Yes	Low
CBC	Block	Yes	No	High
CFB	Stream	Yes	No	Moderate
OFB	Stream	No	Yes	High
CTR	Stream	No	Yes	Very High

वास्तविक उपयोग:

• ECB: सरल डेटा एन्क्रिप्शन (कम सुरक्षित)।
• CBC: बैंकिंग और नेटवर्क ट्रांसमिशन।
• CFB: स्ट्रीम डेटा, वायरलेस नेटवर्क।
• OFB: रीयल टाइम एन्क्रिप्शन सिस्टम।
• CTR: हाई-स्पीड इंटरनेट, क्लाउड एन्क्रिप्शन।

निष्कर्ष:

ब्लॉक सिफर मोड्स किसी भी एन्क्रिप्शन प्रणाली का महत्वपूर्ण हिस्सा हैं। उचित मोड का चयन सिस्टम की सुरक्षा और प्रदर्शन दोनों को प्रभावित करता है। आधुनिक सिस्टम जैसे SSL/TLS और IPsec में CBC और CTR मोड्स का व्यापक उपयोग होता है।