Introducción a la seguridad Informática 4 - (1-6)

Introducción a la Criptografía

La palabra criptografía es un término genérico que describe todas las técnicas que permiten cifrar mensajes o hacerlos ininteligibles sin recurrir a una acción específica. El verbo asociado es cifrar.

La criptografía se basa en la aritmética: En el caso de un texto, consiste en transformar las letras que conforman el mensaje en una serie de números (en forma de bits ya que los equipos informáticos usan el sistema binario) y luego realizar cálculos con estos números para:

• Modificarlos y hacerlos incomprensibles. El resultado de esta modificación (el mensaje cifrado) se llama texto cifrado, en contraste con el mensaje inicial, llamado texto plano.
• Asegurarse de que el receptor pueda descifrarlos. El hecho de codificar un mensaje para que sea secreto se llama cifrado. El método inverso, que consiste en recuperar el mensaje original, se llama descifrado.

En la jerga de la criptografía, la información original que debe protegerse se denomina texto plano. El cifrado es el proceso de convertir el texto plano en un texto ilegible, denominado texto cifrado o criptograma. Por lo general, la aplicación concreta del algoritmo de cifrado se basa en la existencia de una clave: información secreta que adapta el algoritmo de cifrado para cada uso distinto.

Las dos técnicas más sencillas de cifrado, en la criptografía clásica, son la sustitución (que supone el cambio de significado de los elementos básicos del mensaje (las letras, los dígitos o los símbolos) y la transposición (que supone una reordenación de los mismos); la gran mayoría de las cifras clásicas son combinaciones de estas dos operaciones básicas.

El descifrado es el proceso inverso que recupera el texto plano a partir del criptograma y la clave. El protocolocriptográfico especifica los detalles de cómo se utilizan los algoritmos y las claves. El conjunto de protocolos, algoritmos de cifrado, procesos de gestión de claves y actuaciones de los usuarios, es lo que constituyen en conjunto un criptosistema, que es con lo que el usuario final trabaja e interactúa.

Historia

La historia de la criptografía se remonta a miles de años. Hasta décadas recientes, ha sido la historia de la criptografía clásica — los métodos de cifrado que usan papel y lápiz, o quizás ayuda mecánica sencilla. A principios del siglo XX, la invención de máquinas mecánicas y electromecánicas complejas, como la máquina de rotores Enigma, proporcionaron métodos de cifrado más sofisticados y eficientes; y la posterior introducción de la electrónica y la computación ha permitido sistemas elaborados que siguen teniendo gran complejidad. Hasta los años 70, la criptografía segura era dominio casi exclusivo de los gobiernos. Desde entonces, dos sucesos la han colocado de lleno en el dominio público: la creación de un estándar de cifrado público (DES); y la invención de la criptografía asimétrica.

Criptografía clásica

El uso más antiguo conocido de la criptografía se halla en jeroglíficos no estándares tallados en monumentos del Antiguo Egipto (hace más de 4500 años). Sin embargo, no se piensa que sean intentos serios de comunicación secreta, sino intentos de conseguir misterio, intriga o incluso diversión para el espectador letrado. Son ejemplos de otros usos de la criptografía, o de algo que se le parece. Más tarde, eruditos hebreos hicieron uso de sencillos cifrados por sustitución monoalfabéticos (como el cifrado Atbash), quizás desde el 600 al 500 adC.

Se dice que los griegos de la época clásica conocían el cifrado (por ejemplo, se dice que los militares espartanos utilizaban el cifrado por transposición de la escítala). Los romanos sí sabían algo de criptografía con toda seguridad (por ejemplo, el cifrado César y sus variaciones).

Una escítala, uno de los primeros dispositivos de cifrado.

Criptografía medieval

Fue probablemente el análisis textual del Corán, de motivación religiosa, lo que llevó a la invención de la técnica del análisis de frecuencias para romper los cifrados por sustitución monoalfabéticos, en algún momento alrededor del año 1000. Fue el avance criptoanalítico más importante hasta la Segunda Guerra Mundial. Esencialmente, todos los cifrados quedaron vulnerables a esta técnica criptoanalítica hasta la invención del cifrado polialfabético por Leon Battista Alberti (1465), y muchos lo siguieron siendo desde entonces.

La criptografía se hizo todavía más importante (secretamente) como consecuencia de la competición política y la revolución religiosa. Por ejemplo, en Europa, durante el Renacimiento, ciudadanos de varios estados italianos, incluidos los Estados Pontificios y la Iglesia Católica, fueron responsables de una rápida proliferación de técnicas criptoanalíticas, de las cuales muy pocas reflejaban un entendimiento (o siquiera el conocimiento) del avance de Alberti. Los «cifrados avanzados», incluso después de Alberti, no eran tan avanzados como afirmaban sus inventores; puede que esté sobre optimismo sea algo inherente a la criptografía, ya que entonces y hoy en día es fundamentalmente difícil saber realmente cómo de vulnerable es un sistema. En ausencia del conocimiento, son comunes las conjeturas y esperanzas, como es de esperar.

La criptografía, el criptoanálisis y la traición cometida por agentes y mensajeros en la conspiración de Babington, durante el reinado de la reina Isabel I de Inglaterra, provocaron la ejecución de María, reina de los escoceses. Un mensaje cifrado de la época de el hombre de la máscara de hierro (descifrado poco antes del año 1900 por Étienne Bazeries) ha arrojado algo de luz (no definitiva, lamentablemente) sobre la identidad real de ese prisionero legendario y desafortunado. La criptografía y su mala utilización estuvieron implicadas en la conspiración que condujo a la ejecución de Mata Hari y en la confabulación que provocó la ridícula condena y encarcelamiento de Dreyfus, ambos hechos acaecidos a principios del siglo XX. Afortunadamente, los criptógrafos también jugaron su papel para exponer las maquinaciones que provocaron los problemas de Dreyfus; Mata Hari, en cambio, fue fusilada.

Desde 1800 a la 2da Guerra Mundial

Aunque la criptografía tiene una historia larga y compleja, hasta el siglo XIX no desarrolló nada más que soluciones ad hoc para el cifrado y el criptoanálisis (la ciencia que busca debilidades en los criptosistemas). Ejemplos de lo último son el trabajo de Charles Babbage, en la época de la Guerra de Crimea, sobre el criptoanálisis matemático de los cifrados polialfabéticos, redescubierto y publicado algo después por el prusiano

Fiedrich Kasiski. En esa época, el conocimiento de la criptografía consistía normalmente en reglas generales averiguadas con dificultad; véase, por ejemplo, los escritos de Auguste Kerckhoffs sobre criptografía a finales del siglo XIX. Edgar Allan Poe desarrolló métodos sistemáticos para resolver cifrados en los años 1840.

Concretamente, colocó un anuncio de sus capacidades en el periódico de Filadelfia Alexander's Weekly (Express) Messenger, invitando al envío de cifrados, que él procedía a resolver. Su éxito creó excitación entre el público durante unos meses. Más tarde escribió un ensayo sobre los métodos criptográficos que resultaron útiles para descifrar los códigos alemanes empleados durante la Primera Guerra Mundial.

Proliferaron métodos matemáticos en la época justo anterior a la Segunda Guerra Mundial (principalmente con la aplicación, por parte de William F. Friedman, de las técnicas estadísticas al desarrollo del criptoanálisis y del cifrado, y la rotura inicial de Marian Rejewski de la versión del Ejército Alemán del sistema Enigma). Tanto la criptografía como el criptoanálisis se han hecho mucho más matemáticas desde la Segunda Guerra Mundial. Aun así, ha hecho falta la popularización de los ordenadores y de Internet como medio de comunicación para llevar la criptografía efectiva al uso común por alguien que no sea un gobierno nacional u organizaciones de tamaño similar.

La máquina Enigma fue utilizada extensamente por la Alemania nazi.

En la 2da Guerra Mundial

En la Segunda Guerra Mundial, las máquinas de cifrado mecánicas y electromecánicas se utilizaban extensamente, aunque —allá donde estas máquinas eran poco prácticas— los sistemas manuales continuaron en uso. Se hicieron grandes avances en la rotura de cifrados, todos en secreto. La información acerca de esta época ha empezado a desclasificarse al llegar a su fin el periodo de secreto británico de 50 años, al abrirse lentamente los archivos estadounidenses y al irse publicando diversas memorias y artículos. Los alemanes hicieron gran uso de diversas variantes de una máquina de rotores electromecánica llamada Enigma.

Con el tiempo, los criptólogos británicos hicieron progresar sustancialmente la escala y tecnología del descifrado Enigma.

Criptografía moderna

Shannon

La era de la criptografía moderna comienza realmente con Claude Shannon, que podría decirse que es el padre de la criptografía matemática. En 1949 publicó varios trabajos que establecieron una sólida base teórica para la criptografía y el criptoanálisis. Y, a la vez, la criptografía desapareció de la escena para quedarse dentro de las organizaciones gubernamentales secretas como la NSA. Muy pocos trabajos se hicieron públicos hasta mediados de los 70, cuando todo cambió.

Claude Shannon (1916-2001)

Un estándar de cifrado

A mediados de los 70 se vivieron dos importantes avances públicos (es decir, no secretos). El primero fue la publicación del borrador del Data Encryption Standard (DES) en el Registro Federal estadounidense el 17 de marzo de 1975. La propuesta fue enviada por IBM, por invitación de la Oficina Nacional de Estándares (ahora NIST), en un esfuerzo por desarrollar sistemas de comunicación electrónica segura para las empresas como los bancos y otras organizaciones financieras grandes. El DES fue el primer cifrado accesible públicamente que fue avalado por una agencia nacional como la NSA. La publicación de sus especificaciones por la NBS estimuló una explosión del interés público y académico por la criptografía.

DES fue suplantado oficialmente por el Advanced Encryption Standard (AES) en 2001. Tras una competición abierta, el NIST seleccionó el Rijndael, enviado por dos criptógrafos belgas, para convertirse en el AES. El DES, y otras variantes más seguras (como el Triple DES), todavía se utilizan hoy en día, y se han incorporado en muchos estándares nacionales y de organizaciones. Sin embargo, se ha demostrado que el tamaño de su clave, 56 bits, es insuficiente ante ataques de fuerza bruta

Diffie-Hellman

El segundo desarrollo, en 1976, fue quizás más importante todavía, ya que cambió de manera fundamental la forma en la que los criptosistemas pueden funcionar. Fue la publicación del artículo New Directions in Cryptography, de Whitfield Diffie y Martin Hellman. Introdujo un método radicalmente nuevo para distribuir las claves criptográficas, dando un gran paso adelante para resolver uno de los problemas fundamentales de la criptografía, la distribución de claves, y ha terminado llamándose intercambio de claves Diffie-Hellman. El artículo también estimuló el desarrollo público casi inmediato de un nuevo tipo de algoritmo de cifrado, los algoritmos de cifrado asimétrico.

Principio de Kerckhoff

Auguste Kerckhoff publicó en 1883 un documento que asegura que el único secreto que debe estar involucrado en un sistema criptográfico debe ser la clave. Por lo que, el algoritmo de cifrado debe ser de público conocimiento. El afirmó que, si la seguridad se basa en varios secretos, existen más vulnerabilidades a explotar.