La seguridad en informática - Criptografía Simétrica

La criptografía simétrica se refiere al conjunto de métodos que permiten tener comunicación segura entre las partes siempre y cuando anteriormente se hayan intercambiado la clave correspondiente que llamaremos clave simétrica. La simetría se refiere a que las partes tienen la misma llave tanto para cifrar como para descifrar.

 Este tipo de criptografía se conoce también como criptografía de clave privada o criptografía de llave privada.

Existe una clasificación de este tipo de criptografía en tres familias, la criptografía simétrica de bloques (block cipher), la criptografía simétrica de lluvia (stream cipher) y la criptografia simétrica de resumen (hash functions). Aunque con ligeras modificaciones un sistema de criptografía simétrica de bloques puede modificarse para convertirse en alguna de las otras dos formas, sin embargo es importante verlas por separado dado que se usan en diferentes aplicaciones.

La criptografía simétrica ha sido la más usada en toda la historia, ésta ha podido ser implementada en diferente dispositivos, manuales, mecánicos, eléctricos, hasta los algoritmos actuales que son programables en cualquier ordenador. La idea general es aplicar diferentes funciones al mensaje que se quiere cifrar de tal modo que solo conociendo una clave pueda aplicarse de forma inversa para poder así descifrar.

Aunque no existe un tipo de diseño estándar, quizá el más popular es el de Fiestel, que consiste esencialmente en aplicar un número finito de interacciones de cierta forma, que finalmente da como resultado el mensaje cifrado. Este es el caso del sistema criptográfico simétrico más conocido, DES.

DES Es un sistema criptográfico, que toma como entrada un bloque de 64 bits del mensaje y este se somete a 16 interacciones, una clave de 56 bits, en la práctica el bloque de la clave tiene 64 bits, ya que a cada conjunto de 7 bits se le agrega un bit que puede ser usado como de paridad.

Dependiendo de la naturaleza de la aplicación DES tiene cuatro modos de operación para poder implementarse: ECB (Electronic Codebook Mode) para mensajes cortos, de menos de 64 bits, CBC (Cipher Block Chaining Mode) para mensajes largos, CFB (Cipher Block Feedback) para cifrar bit por bit ó byte por byte y el OFB (Output Feedback Mode) el mismo uso pero evitando propagación de error.

En la actualidad no se ha podido romper el sistema DES desde la perspectiva de poder deducir la clave simétrica a partir de la información interceptada, sin embargo con un método a fuerza bruta, es decir probando alrededor de 2⁵⁶ posibles claves, se pudo romper DES en Enero de 1999. Lo anterior quiere decir que, es posible obtener la clave del sistema DES en un tiempo relativamente corto, por lo que lo hace inseguro para propósitos de alta seguridad. La opción que se ha tomado para poder suplantar a DES ha sido usar lo que se conoce como cifrado múltiple, es decir aplicar varias veces el mismo algoritmo para fortalecer la longitud de la clave, esto ha tomado la forma de un nuevo sistema de cifrado que se conoce actualmente como triple-DES o TDES.

TDES El funcionamiento de TDES consiste en aplicar tres veces DES de la siguiente manera: la primera vez se usa una clave K1(azul) junto con el bloque B0, de forma ordinaria E (de encripción), obteniendo el bloque B1. La segunda ves se toma a B1 con la clave K2 (roja), diferente a K1 de forma inversa, llamada D (de descencripción) y la tercera vez a B2 con una clave K3 (verde) diferente a K1 y K2, de forma ordinaria E (de encripción), es decir, aplica de la interacción 1 a la 16 a B0 con la clave K1, después aplica de la 16 a la 1, a B1 con la clave K2, finalmente aplica una vez más de la 1 a la 16 a B2 usando la clave K3, obteniendo finalmente a B3. En cada una de estas tres veces aplica el modo de operación más adecuado.

El proceso del cifrado con TDES se puede apreciar en las siguientes figuras:

Este sistema TDES usa entonces una clave de 168 bits, aunque se ha podido mostrar que los ataques actualmente pueden romper a TDES con una complejidad de 2¹¹², es decir efectuar al menos 2¹¹² operaciones para obtener la clave a fuerza bruta, además de la memoria requerida. Se optó por TDES ya que es muy fácil Interoperar con DES y proporciona seguridad a mediano plazo.

En los últimos 20 años se han diseñado una gran cantidad de sistemas criptográficos simétricos, entre algunos de ellos están: RC-5, IDEA, FEAL, LOKI'91, DESX, Blowfish, CAST, GOST, etcétera. Sin embargo no han tenido el alcance de DES, a pesar de que algunos de ellos tienen mejores propiedades.

Podemos afirmar que el estado actual de la criptografía simétrica es la búsqueda de un nuevo sistema que pueda reemplazar a DES en la mayor parte de aplicaciones. Es así como se ha optado por convocar a un concurso de sistemas criptográficos simétricos y que se decida cual será el nuevo estándar al menos para los próximos 20 años.

AES El NIST (National Institute of Standards Technology) convocó a un concurso para poder tener un sistema simétrico que sea seguro y pueda usarse al menos en los próximos 20 años como estándar. En la mitad del año de 1998 se aceptaron 15 candidatos, estos se han sometido a pruebas públicas y por parte del NIST. Posteriormente se llegó a cinco finalistas: MARS, RC6, Rijndael, Serpent y Twofish.

Las principales características que se pidió a AES es que al menos sea tan seguro y rápido como TDES, es decir, que al menos evite los ataques conocidos. Además de que pueda ser implementado en una gran parte de aplicaciones. AES puede ser usado tanto como cifrador de bloques (block cipher), como cifrador de lluvia (stream cipher), como función resumen (hash function), y como generador de números pseudoaleatorios.

El elegido en noviembre de 2000 por AES fue el propuesto por Rijndael. Los cifradores de flujo o "stream ciphers", son usados donde se cuente con un ancho de banda restringido (el número de bits que se transmiten a la vez), además de que se requiere independencia en los bloques transmitidos, entonces la mejor opción es cifrar bit por bit o byte por byte, este tipo de cifradores tiene la característica además de ser muy rápido. Los algoritmos más conocidos de este tipo están RC-4, SEAL y WAKE.

Entre los ataques más potentes a la criptografía simétrica están el criptoanálisis diferencial y lineal, sin embargo no han podido ser muy eficientes en la práctica por lo tanto, por el momento después de que un sistema criptografíco es publicado y se muestra inmune a estos dos tipos de ataques (y algunos otros más) la mayor preocupación es la longitud de las claves.